面试题：C++ 异步多路复用之高级难度：异步编程模型与多路复用结合

1. 整体架构设计

I/O 多路复用层：
- 选择合适的多路复用机制：在Linux环境下，对于高并发场景，epoll通常是最佳选择，因为它采用事件驱动的方式，能高效处理大量连接。而select和poll由于其线性扫描的特性，在处理大量连接时性能会显著下降。
- epoll的使用：使用epoll_create创建epoll实例，通过epoll_ctl添加、修改或删除需要监听的文件描述符（如socket），并使用epoll_wait等待事件发生。例如：

int epollFd = epoll_create1(0);
if (epollFd == -1) {
    perror("epoll_create1");
    return -1;
}
struct epoll_event event;
event.data.fd = listenFd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, listenFd, &event) == -1) {
    perror("epoll_ctl: listenFd");
    return -1;
}
while (true) {
    int numEvents = epoll_wait(epollFd, events, MAX_EVENTS, -1);
    if (numEvents == -1) {
        perror("epoll_wait");
        break;
    }
    for (int i = 0; i < numEvents; ++i) {
        int fd = events[i].data.fd;
        // 处理事件
    }
}

网络连接管理层：
- 监听套接字：使用socket创建监听套接字，绑定到指定的地址和端口，通过listen开始监听连接请求。例如：

int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenFd == -1) {
    perror("socket");
    return -1;
}
struct sockaddr_in servAddr;
servAddr.sin_family = AF_INET;
servAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
servAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind(listenFd, (struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1) {
    perror("bind");
    return -1;
}
if (listen(listenFd, BACKLOG) == -1) {
    perror("listen");
    return -1;
}

接受连接：当epoll监听到监听套接字有可读事件时，通过accept接受新的连接，并将新连接的套接字添加到epoll监听列表中。

if (fd == listenFd) {
    int clientFd = accept(listenFd, nullptr, nullptr);
    if (clientFd == -1) {
        perror("accept");
        continue;
    }
    struct epoll_event clientEvent;
    clientEvent.data.fd = clientFd;
    clientEvent.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, clientFd, &clientEvent) == -1) {
        perror("epoll_ctl: clientFd");
        close(clientFd);
    }
}

异步任务处理层：
- 使用future/promise和async：当epoll监听到客户端套接字有可读事件时，可将数据读取和处理任务通过async提交到线程池中异步执行，并通过future获取结果。例如：

if (events[i].events & EPOLLIN) {
    std::future<void> result = std::async(std::launch::async, [&]() {
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        ssize_t bytesRead = recv(fd, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (bytesRead > 0) {
            buffer[bytesRead] = '\0';
            // 处理接收到的数据
        } else if (bytesRead == 0) {
            // 客户端关闭连接
            close(fd);
            epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);
        } else {
            perror("recv");
            close(fd);
            epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);
        }
    });
}

线程池：为了更好地管理异步任务，可实现一个线程池。线程池预先创建一定数量的线程，任务到来时，将任务分配给空闲线程执行。这避免了频繁创建和销毁线程带来的开销。

2. 各部分交互逻辑

I/O 多路复用层与网络连接管理层：I/O多路复用层（如epoll）负责监听网络连接管理层中的监听套接字和客户端套接字的事件。当监听套接字有新连接事件（EPOLLIN）时，网络连接管理层调用accept接受连接，并将新连接的套接字添加到I/O多路复用层的监听列表中。当客户端套接字有可读或可写事件时，通知网络连接管理层进行相应的数据读写操作。
网络连接管理层与异步任务处理层：网络连接管理层在监听到客户端套接字有可读事件时，将数据读取和处理任务交给异步任务处理层。异步任务处理层通过async或线程池执行任务，并将处理结果返回给网络连接管理层（如果需要），网络连接管理层再根据结果进行后续操作，如发送响应数据给客户端。

3. 避免性能瓶颈

惊群效应：
- epoll的边缘触发模式（EPOLLET）：使用epoll的边缘触发模式可以有效避免惊群效应。在边缘触发模式下，只有在文件描述符状态发生变化时才会触发事件。例如，对于一个socket，只有在有新数据到达或连接状态改变时才会触发EPOLLIN事件，而不是像水平触发模式那样只要缓冲区有数据就触发。这就避免了多个线程同时被唤醒去处理同一个事件。
- 使用互斥锁：在处理共享资源（如全局连接池等）时，使用互斥锁进行保护，防止多个线程同时访问造成数据竞争和惊群效应。例如，在将新连接添加到连接池时，使用std::mutex进行加锁操作：

std::mutex connectionPoolMutex;
void addConnection(int fd) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(connectionPoolMutex);
    // 将fd添加到连接池的操作
}

其他性能瓶颈：
- 内存管理：在处理大量并发连接时，合理的内存管理至关重要。避免频繁的内存分配和释放，可使用内存池技术预先分配一定量的内存，需要时从内存池中获取，使用完毕后归还到内存池。
- I/O 优化：尽量减少系统调用次数，如在读取数据时，一次性读取较大的数据块，而不是多次读取小块数据。同时，使用非阻塞I/O，避免I/O操作阻塞线程，提高并发处理能力。

星途面试题库

面试题：C++ 异步多路复用之高级难度：异步编程模型与多路复用结合

知识考点

面试题答案

1. 整体架构设计

2. 各部分交互逻辑

3. 避免性能瓶颈