面试题：C语言非阻塞I/O下的高并发性能优化及问题处理

可能遇到的性能问题

缓冲区溢出：大量网络流量可能导致接收或发送缓冲区不足以容纳数据，造成数据丢失。
频繁系统调用开销：高并发场景下频繁的epoll_wait调用、I/O操作等系统调用会带来较大开销。
惊群效应：多个进程或线程等待同一个事件，当事件发生时，所有等待的进程或线程都被唤醒，但只有一个能真正处理该事件，其他被唤醒的进程或线程又重新进入等待，浪费CPU资源。
网络拥塞：大量连接请求和流量波动可能导致网络拥塞，进一步降低性能。

代码优化

合理设置缓冲区：
- 接收缓冲区：在创建套接字后，可以通过setsockopt函数增大接收缓冲区大小，例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>

#define MAX_EVENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd, epollfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int recvbuf = 32 * 1024;  // 设置接收缓冲区为32KB
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, sizeof(recvbuf));

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));

    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(8080);
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (listen(sockfd, 10) < 0) {
        perror("listen failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    epollfd = epoll_create1(0);
    if (epollfd == -1) {
        perror("epoll_create1");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = sockfd;
    if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev) == -1) {
        perror("epoll_ctl: listen_sock");
        close(sockfd);
        close(epollfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while (1) {
        int nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1) {
            perror("epoll_wait");
            break;
        }

        for (int n = 0; n < nfds; ++n) {
            if (events[n].data.fd == sockfd) {
                int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
                if (connfd == -1) {
                    perror("accept");
                    continue;
                }

                ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                ev.data.fd = connfd;
                if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev) == -1) {
                    perror("epoll_ctl: conn_sock");
                    close(connfd);
                }
            } else {
                int connfd = events[n].data.fd;
                ssize_t read_bytes = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
                if (read_bytes <= 0) {
                    if (read_bytes == 0) {
                        printf("Connection closed by peer\n");
                    } else {
                        perror("recv");
                    }
                    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);
                    close(connfd);
                } else {
                    buffer[read_bytes] = '\0';
                    printf("Received: %s\n", buffer);
                    ssize_t write_bytes = send(connfd, buffer, read_bytes, 0);
                    if (write_bytes != read_bytes) {
                        perror("send");
                    }
                }
            }
        }
    }

    close(sockfd);
    close(epollfd);
    return 0;
}

- **发送缓冲区**：同样使用`setsockopt`函数增大发送缓冲区大小，示例如下：

int sendbuf = 32 * 1024;  // 设置发送缓冲区为32KB
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, sizeof(sendbuf));

调整I/O策略：
- 使用边缘触发模式：在epoll中设置EPOLLET标志，减少不必要的事件通知。如上述代码中，在添加连接套接字到epoll监控时设置ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;。边缘触发模式下，只有在数据到达或状态变化时才触发事件，应用程序需要一次性读取或处理完所有数据。
- 非阻塞I/O操作：将套接字设置为非阻塞模式，避免I/O操作阻塞线程或进程。可以通过fcntl函数实现，例如：

int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

系统参数调整

内核参数：
- net.core.somaxconn：该参数定义了listen函数中backlog参数的最大值。增大此值可以允许更多的连接请求排队等待处理，例如：

echo "net.core.somaxconn = 65535" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf
sudo sysctl -p /etc/sysctl.conf

- **net.ipv4.tcp_max_syn_backlog**：此参数控制TCP SYN请求队列的最大长度。增加该值可以应对大量的连接请求，示例如下：

echo "net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65535" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf
sudo sysctl -p /etc/sysctl.conf

- **net.ipv4.tcp_tw_reuse**：设置为1时，允许将处于TIME - WAIT状态的套接字重新用于新的连接，有助于快速重用端口，减少端口耗尽问题：

echo "net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf
sudo sysctl -p /etc/sysctl.conf

惊群效应处理

使用epoll的EPOLLONESHOT：
- 原理：设置EPOLLONESHOT标志后，当一个文件描述符被epoll_wait返回事件后，这个文件描述符就会被epoll从监控列表中移除。之后如果这个文件描述符上再有事件发生，需要再次通过epoll_ctl将其添加回监控列表。这样可以保证只有一个进程或线程能处理该事件，避免惊群效应。
- 代码示例：

ev.events = EPOLLIN | EPOLLET | EPOLLONESHOT;
ev.data.fd = connfd;
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: conn_sock");
    close(connfd);
}

- **处理逻辑**：在处理完事件后，重新添加文件描述符到epoll监控列表，例如：

ev.events = EPOLLIN | EPOLLET | EPOLLONESHOT;
ev.data.fd = connfd;
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_MOD, connfd, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: mod conn_sock");
    close(connfd);
}

使用互斥锁（Mutex）：
- 原理：在多进程或多线程环境下，在处理事件前加锁，只有获取到锁的进程或线程能处理事件，其他进程或线程等待，从而避免多个进程或线程同时处理同一事件导致的惊群效应。
- 代码示例（以POSIX线程为例）：

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex;

// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

// 在处理事件前加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);

// 处理事件逻辑

// 处理完事件后解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// 销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);

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