面试题：C++ 多进程网络编程的性能优化

性能下降原因分析

进程创建与销毁开销：进程创建需要分配内存空间、初始化进程控制块等，销毁时也要进行资源回收，随着进程数量增多，这些开销增大。
进程间通信开销：若采用低效的通信方式，如管道，数据拷贝次数多，进程间同步与互斥操作频繁，影响性能。
资源竞争：多个进程共享系统资源，如文件描述符、内存等，竞争激烈会导致等待，降低效率。
网络 I/O 模型局限：若使用 select 模型，其文件描述符集合大小受限，且每次调用需线性遍历所有描述符，随着进程增多，监控的描述符增多，性能下降。

优化方案

进程间通信方式优化

采用共享内存 + 信号量：共享内存直接在内存中开辟一块区域供多个进程访问，减少数据拷贝。配合信号量实现进程间同步与互斥，提高通信效率。
- 示例代码（简化示意）：

#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

// 信号量操作函数
union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};
void semaphore_operation(int semid, int num, int op) {
    struct sembuf sb;
    sb.sem_num = num;
    sb.sem_op = op;
    sb.sem_flg = 0;
    semop(semid, &sb, 1);
}

int main() {
    // 创建共享内存
    key_t key = ftok(".", 1);
    int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);
    char *shared_mem = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);

    // 创建信号量
    int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);
    union semun su;
    su.val = 1;
    semctl(semid, 0, SETVAL, su);

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        semaphore_operation(semid, 0, -1); // 等待信号量
        // 子进程使用共享内存
        std::cout << "Child process reads: " << shared_mem << std::endl;
        semaphore_operation(semid, 0, 1); // 释放信号量
        shmdt(shared_mem);
    } else if (pid > 0) {
        semaphore_operation(semid, 0, -1); // 等待信号量
        // 父进程使用共享内存
        std::string message = "Hello from parent";
        std::copy(message.begin(), message.end(), shared_mem);
        shared_mem[message.size()] = '\0';
        semaphore_operation(semid, 0, 1); // 释放信号量
        wait(NULL);
        shmdt(shared_mem);
        shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
        semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0);
    }
    return 0;
}

使用消息队列：消息队列可按消息类型进行接收，具有一定异步性，减少进程间等待时间。

资源分配策略优化

资源预分配：在程序初始化阶段，预先分配好进程所需的资源，如内存、文件描述符等，避免进程运行时频繁申请资源。
动态资源调整：根据进程负载动态调整资源分配，如使用负载均衡算法，将任务合理分配到各进程，使资源利用更均衡。

网络 I/O 模型优化

采用 epoll：epoll 适用于大量并发连接且活跃连接较少的场景。它使用事件驱动机制，通过 epoll_ctl 注册、修改、删除文件描述符，epoll_wait 等待事件发生，只返回有事件的描述符，减少无效遍历。
- 示例代码（简化示意）：

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
#include <vector>

#define MAX_EVENTS 10

int main() {
    // 创建 socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in servaddr;
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(8080);
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    listen(sockfd, 5);

    // 创建 epoll 实例
    int epollfd = epoll_create1(0);
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = sockfd;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

    while (true) {
        int nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
        for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
            if (events[i].data.fd == sockfd) {
                int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = connfd;
                epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
            } else {
                int connfd = events[i].data.fd;
                char buffer[1024];
                int n = read(connfd, buffer, sizeof(buffer));
                if (n > 0) {
                    buffer[n] = '\0';
                    std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;
                } else if (n == 0) {
                    std::cout << "Connection closed" << std::endl;
                    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);
                    close(connfd);
                }
            }
        }
    }
    close(sockfd);
    close(epollfd);
    return 0;
}

结合多线程：在每个进程内使用多线程配合 epoll，利用线程的轻量级特性进一步提高并发处理能力，如主线程负责监听新连接，工作线程负责处理已连接的 I/O 操作。

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