面试题：C语言非阻塞I/O在高并发网络场景下的优化

Question

在Linux环境下使用C语言进行高并发非阻塞I/O网络编程时，会遇到哪些常见的性能瓶颈？请详细阐述如何通过使用`epoll`机制、合理设置缓冲区大小以及优化内存管理来提升性能，并给出关键代码片段说明。

Answer 1

常见性能瓶颈

1. 文件描述符管理：传统的select和poll在处理大量文件描述符时，性能会随着描述符数量增加而显著下降。
2. 阻塞I/O：阻塞I/O操作会导致线程等待，降低并发处理能力。
3. 频繁系统调用：如每次I/O操作都进行系统调用，会增加上下文切换开销。
4. 缓冲区不合理：缓冲区过小会导致频繁读写，过大则浪费内存。
5. 内存分配与释放：频繁的内存分配和释放会导致内存碎片，降低内存使用效率。

通过epoll机制提升性能

epoll是Linux下高效的I/O事件通知机制，采用事件驱动，避免遍历所有文件描述符。

关键代码片段：

#include <sys/epoll.h>

// 创建epoll实例
int epollFd = epoll_create1(0);
if (epollFd == -1) {
    perror("epoll_create1");
    return -1;
}

// 添加文件描述符到epoll实例
struct epoll_event event;
event.data.fd = sockfd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 边缘触发模式
if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event) == -1) {
    perror("epoll_ctl: add");
    close(epollFd);
    return -1;
}

// 等待事件发生
struct epoll_event events[max_events];
int nfds = epoll_wait(epollFd, events, max_events, -1);
for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
    if (events[i].data.fd == sockfd) {
        // 处理新连接
    } else {
        // 处理数据
    }
}

合理设置缓冲区大小

1. 接收缓冲区：设置合适大小避免数据丢失和频繁系统调用。
2. 发送缓冲区：根据网络带宽和数据发送频率设置。

关键代码片段：

// 设置接收缓冲区大小
int recvBuffSize = 8192;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvBuffSize, sizeof(recvBuffSize));

// 设置发送缓冲区大小
int sendBuffSize = 8192;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendBuffSize, sizeof(sendBuffSize));

优化内存管理

1. 内存池：预先分配一块较大内存，避免频繁的内存分配和释放。
2. 对象复用：对于一些可复用的对象，如连接对象、数据包对象等，复用而不是每次创建和销毁。

关键代码片段（简单内存池示例）：

#include <stdlib.h>

#define MEM_POOL_SIZE 1024 * 1024
char memPool[MEM_POOL_SIZE];
char *memPtr = memPool;

void* myMalloc(size_t size) {
    if (memPtr + size <= memPool + MEM_POOL_SIZE) {
        void* ret = memPtr;
        memPtr += size;
        return ret;
    }
    return NULL;
}