面试题：C++ select模式同步特性在高并发场景下的优化

1. select模式在高并发下性能受限的原因

文件描述符数量限制：在一些系统中，select能处理的文件描述符数量存在上限，通常为1024，这限制了能同时处理的并发连接数。
线性扫描：select采用线性扫描方式遍历所有注册的文件描述符集合，随着文件描述符数量增多，检查时间线性增长，效率降低。
数据拷贝开销：每次调用select时，需要将用户态的文件描述符集合拷贝到内核态，返回时又要将内核态的结果拷贝回用户态，增加了开销。

2. 优化方案

方案一：epoll

代码实现要点：

#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <iostream>

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

// 设置文件描述符为非阻塞
int sockFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int flags = fcntl(sockFd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockFd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

// 添加文件描述符到epoll实例
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(sockFd);
    close(epollFd);
    return -1;
}

// 等待事件发生
epoll_event events[1024];
int numEvents = epoll_wait(epollFd, events, 1024, -1);
for (int i = 0; i < numEvents; ++i) {
    if (events[i].events & EPOLLIN) {
        int clientFd = events[i].data.fd;
        // 处理客户端连接
    }
}

原理要点：

事件驱动：epoll使用事件驱动机制，当有事件发生时，epoll_wait会返回包含发生事件的文件描述符列表，无需像select那样线性扫描所有文件描述符。
内核缓存：epoll在内核中维护一个文件描述符集合，减少了用户态和内核态之间的数据拷贝。
两种触发模式：支持水平触发（LT）和边缘触发（ET）模式，ET模式效率更高，只有状态变化时才触发，减少不必要的唤醒。

方案二：kqueue

代码实现要点（以FreeBSD系统为例）：

#include <sys/types.h>
#include <sys/event.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

// 创建kqueue实例
int kq = kqueue();
if (kq == -1) {
    perror("kqueue");
    return -1;
}

// 创建socket并设置为非阻塞
int sockFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int flags = fcntl(sockFd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockFd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

// 添加socket到kqueue监控
struct kevent change;
EV_SET(&change, sockFd, EVFILT_READ, EV_ADD, 0, 0, NULL);
if (kevent(kq, &change, 1, NULL, 0, NULL) == -1) {
    perror("kevent: add");
    close(sockFd);
    close(kq);
    return -1;
}

// 等待事件发生
struct kevent events[1024];
int numEvents = kevent(kq, NULL, 0, events, 1024, NULL);
for (int i = 0; i < numEvents; ++i) {
    if (events[i].filter == EVFILT_READ) {
        int clientFd = events[i].ident;
        // 处理客户端连接
    }
}

原理要点：

高效事件通知：kqueue采用类似epoll的事件驱动模型，能够高效地通知应用程序哪些文件描述符发生了事件。
内核事件队列：kqueue在内核中维护一个事件队列，将感兴趣的事件注册到该队列，当事件发生时，内核将事件放入队列，应用程序通过kevent系统调用获取事件，减少了不必要的检查开销。
通用事件模型：kqueue可以监控多种类型的事件，不仅限于文件描述符的I/O事件，还包括信号、定时器等，提供了更通用的异步事件处理机制。

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面试题：C++ select模式同步特性在高并发场景下的优化

知识考点

面试题答案

1. select模式在高并发下性能受限的原因

2. 优化方案

方案一：epoll

方案二：kqueue