面试题：C语言UDP高并发编程优化

Question

在Linux C语言UDP编程场景下，当面临高并发的UDP数据处理需求时，系统资源消耗大且处理效率可能降低。请从套接字选项设置、缓冲区管理、多线程/多进程模型选择与实现等方面，阐述如何对UDP编程进行优化以应对高并发场景，并给出关键优化点的代码示例及性能分析思路。

Answer 1

套接字选项设置

1. 设置接收缓冲区大小：通过setsockopt函数增大接收缓冲区大小，提高接收数据的能力。

#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 1024 * 1024 // 1MB
int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        return -1;
    }

    int recvbuf = BUFFER_SIZE;
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, sizeof(recvbuf)) < 0) {
        perror("setsockopt SO_RCVBUF failed");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 后续UDP相关操作...
    close(sockfd);
    return 0;
}

2. 启用广播或多播：如果应用场景需要，可以设置相应选项。例如启用广播：

int broadcast = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast, sizeof(broadcast)) < 0) {
    perror("setsockopt SO_BROADCAST failed");
    close(sockfd);
    return -1;
}

缓冲区管理

1. 环形缓冲区：使用环形缓冲区（circular buffer）来管理接收和发送的数据。它可以高效地处理数据的进出，避免频繁的内存分配和释放。

#define CIRCULAR_BUFFER_SIZE 1024
typedef struct {
    char buffer[CIRCULAR_BUFFER_SIZE];
    int head;
    int tail;
} CircularBuffer;

void initCircularBuffer(CircularBuffer *cb) {
    cb->head = 0;
    cb->tail = 0;
}

int writeToCircularBuffer(CircularBuffer *cb, const char *data, int len) {
    int available = (cb->head - cb->tail + CIRCULAR_BUFFER_SIZE) % CIRCULAR_BUFFER_SIZE;
    if (len > available) {
        return -1; // 缓冲区空间不足
    }
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        cb->buffer[cb->head] = data[i];
        cb->head = (cb->head + 1) % CIRCULAR_BUFFER_SIZE;
    }
    return len;
}

int readFromCircularBuffer(CircularBuffer *cb, char *data, int len) {
    int available = (cb->head - cb->tail + CIRCULAR_BUFFER_SIZE) % CIRCULAR_BUFFER_SIZE;
    if (len > available) {
        len = available;
    }
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        data[i] = cb->buffer[cb->tail];
        cb->tail = (cb->tail + 1) % CIRCULAR_BUFFER_SIZE;
    }
    return len;
}

2. 零拷贝技术：在数据传输过程中，尽量减少数据的拷贝次数。例如使用sendmsg和recvmsg函数结合iovec结构，可以实现部分零拷贝功能。

多线程/多进程模型选择与实现

1. 多线程模型：适用于I/O密集型任务，线程间共享内存方便数据通信。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

#define THREAD_NUM 5
#define BUFFER_SIZE 1024

void* udpReceive(void* arg) {
    int sockfd = *((int*)arg);
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    socklen_t len = sizeof(cliaddr);
    while (1) {
        int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *) &cliaddr, &len);
        buffer[n] = '\0';
        printf("Received: %s\n", buffer);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DUDP, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        return -1;
    }

    pthread_t threads[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, udpReceive, &sockfd);
    }

    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

2. 多进程模型：适用于CPU密集型任务，进程间相互独立，稳定性高。

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define PROCESS_NUM 5
#define BUFFER_SIZE 1024

void childProcess(int sockfd) {
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    socklen_t len = sizeof(cliaddr);
    while (1) {
        int n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *) &cliaddr, &len);
        buffer[n] = '\0';
        printf("Received: %s\n", buffer);
    }
}

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DUDP, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        return -1;
    }

    for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++) {
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            childProcess(sockfd);
            _exit(0);
        } else if (pid < 0) {
            perror("fork failed");
            close(sockfd);
            return -1;
        }
    }

    for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++) {
        wait(NULL);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

性能分析思路

1. 吞吐量：通过记录单位时间内成功接收或发送的数据量来衡量。可以在接收或发送函数前后记录时间戳，计算数据量差值与时间差值的比值。
2. 延迟：记录从数据发送到接收到响应的时间间隔。对于UDP无连接协议，可以在发送数据时附带时间戳，接收端收到数据后计算时间差。
3. 资源利用率：使用top、ps等工具监控CPU、内存等资源的使用情况。在代码中，可以通过getrusage函数获取进程的资源使用信息，分析不同优化策略下资源的消耗情况。例如，多线程模型可能会在高并发下出现线程竞争导致CPU使用率升高，而多进程模型可能会消耗更多内存。通过调整缓冲区大小、线程/进程数量等参数，观察资源利用率和性能指标的变化，找到最优配置。