面试题：C语言在复杂Linux系统下非阻塞I/O超时设置的性能优化

可能导致问题的原因分析

内核参数设置不合理：
- ulimit限制可能过小，导致进程可打开的文件描述符数量不足，影响I/O操作。
- 网络相关的内核参数，如tcp_retries2（TCP重传次数）、tcp_keepalive_time（TCP保活时间）等设置不当，可能在高负载下造成网络I/O异常，间接影响整体I/O性能。
代码层面问题：
- 非阻塞I/O操作中，未正确处理返回的EAGAIN或EWOULDBLOCK错误，可能导致不必要的重复尝试，浪费CPU资源。
- 超时设置可能在复杂的业务逻辑中被不合理地覆盖或未正确实现，例如在多个I/O操作共用一个超时变量时，一个操作的超时可能影响其他操作的正常进行。
- 代码中存在资源泄漏，如未及时关闭文件描述符，随着I/O请求的增加，系统资源被耗尽，性能下降。
I/O多路复用技术使用不当：
- 选择的I/O多路复用技术（如select、poll、epoll）不适合当前高负载场景。例如，select的文件描述符数量有限制且采用轮询方式，在高负载下效率较低；poll虽然没有文件描述符数量限制，但同样是轮询方式，性能也会受到影响。如果错误地使用这些技术，会导致大量的无效检查，消耗CPU资源，使超时设置不准确。

性能优化方案

内核参数调整：
- 增加文件描述符限制：在/etc/security/limits.conf文件中添加或修改如下配置，提高用户可打开的文件描述符数量：

*               soft    nofile          65535
*               hard    nofile          65535

然后通过ulimit -n 65535命令在当前会话生效。

调整网络内核参数：在/etc/sysctl.conf文件中，根据实际情况调整以下参数，例如：

net.ipv4.tcp_retries2 = 5
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 300

修改后通过sysctl -p使配置生效。这些参数调整可以优化网络I/O性能，减少因网络问题导致的I/O异常。 2. 代码层面优化：

正确处理非阻塞I/O错误：在进行非阻塞I/O操作时，正确处理EAGAIN或EWOULDBLOCK错误，示例代码如下：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t read_bytes;
    while (1) {
        read_bytes = read(fd, buffer, BUFFER_SIZE);
        if (read_bytes == -1) {
            if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
                // 暂时没有数据可读，等待或执行其他任务
                usleep(1000);
                continue;
            } else {
                perror("read");
                close(fd);
                return 1;
            }
        } else if (read_bytes == 0) {
            // 文件末尾
            break;
        } else {
            // 处理读取到的数据
            buffer[read_bytes] = '\0';
            printf("Read: %s\n", buffer);
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

优化超时设置：为每个I/O操作单独设置超时，并且在业务逻辑中正确处理超时情况。例如，使用alarm函数或select、poll、epoll的超时参数。下面以select为例：

#include <sys/select.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_SET(fd, &read_fds);

    struct timeval timeout;
    timeout.tv_sec = 5; // 5秒超时
    timeout.tv_usec = 0;

    int activity = select(fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
    if (activity == -1) {
        perror("select");
        close(fd);
        return 1;
    } else if (activity == 0) {
        // 超时
        printf("Timeout occurred\n");
        close(fd);
        return 1;
    } else {
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        ssize_t read_bytes = read(fd, buffer, BUFFER_SIZE);
        if (read_bytes == -1) {
            perror("read");
            close(fd);
            return 1;
        } else {
            buffer[read_bytes] = '\0';
            printf("Read: %s\n", buffer);
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

避免资源泄漏：在代码中确保所有打开的文件描述符、分配的内存等资源都及时关闭或释放。例如，在程序退出前，关闭所有打开的文件描述符。

采用合适的I/O多路复用技术：
- 使用epoll：epoll适合高负载场景，采用事件驱动机制，效率较高。以下是一个简单的epoll示例代码：

#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define MAX_EVENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    if (epoll_fd == -1) {
        perror("epoll_create1");
        return 1;
    }

    int fd = open("test.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        close(epoll_fd);
        return 1;
    }

    struct epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLIN;
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event) == -1) {
        perror("epoll_ctl: add");
        close(fd);
        close(epoll_fd);
        return 1;
    }

    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
    int num_events = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, 5000); // 5秒超时
    if (num_events == -1) {
        perror("epoll_wait");
        close(fd);
        close(epoll_fd);
        return 1;
    }

    for (int i = 0; i < num_events; i++) {
        if (events[i].events & EPOLLIN) {
            int fd = events[i].data.fd;
            char buffer[BUFFER_SIZE];
            ssize_t read_bytes = read(fd, buffer, BUFFER_SIZE);
            if (read_bytes == -1) {
                perror("read");
            } else {
                buffer[read_bytes] = '\0';
                printf("Read: %s\n", buffer);
            }
        }
    }

    close(fd);
    close(epoll_fd);
    return 0;
}

通过上述对内核参数的调整、代码层面的优化以及采用合适的I/O多路复用技术，可以有效解决高负载、复杂Linux系统环境中，非阻塞I/O操作超时不准确和性能下降的问题。

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面试题：C语言在复杂Linux系统下非阻塞I/O超时设置的性能优化

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面试题答案

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性能优化方案