如何减少发送大量UDP数据包时的系统调用开销？

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2024-03-14 15:44:42

减少发送大量 UDP 数据包时的系统调用开销

引言

在现代分布式系统中，网络通信至关重要。UDP（用户数据报协议）因其低延迟和高吞吐量而广泛用于在线游戏、视频流和物联网设备通信等应用场景。但是，当需要发送大量 UDP 数据包时，频繁的系统调用开销可能会成为性能瓶颈。

什么是系统调用开销？

系统调用是应用程序与操作系统内核之间的接口，用于执行各种操作，例如网络 I/O。每个系统调用都需要在用户空间和内核空间之间切换上下文，这会引入额外的开销。

如何减少系统调用开销

有几种技术可以减少发送大量 UDP 数据包时的系统调用开销：

零拷贝

零拷贝允许应用程序直接将数据从用户空间缓冲区传输到内核缓冲区，而无需额外的内存复制。

批处理

批处理允许应用程序一次发送多个数据包，而不是每次发送一个数据包。

异步 I/O

异步 I/O 允许应用程序在内核将数据发送到网络之前继续执行。

Windows 和 Linux 的具体实现

Windows:

零拷贝： 使用 WSASend() 函数并指定 WSABUF 结构数组。
批处理： 使用 WSASend() 函数的 dwNumberOfBuffersFrom 参数。
异步 I/O： 使用 WSASendTo() 函数的 dwFlags 参数并将其设置为 WSA_FLAG_OVERLAPPED。

Linux:

零拷贝： 使用 sendmsg() 函数并指定 msghdr 结构和 iov 数组。
批处理： 使用 sendmsg() 函数的 msg_iovlen 参数。
异步 I/O： 使用 sendmsg() 函数的 MSG_DONTWAIT 标志。

代码示例

Windows（C++）：

// ...
WSABUF buffers[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    buffers[i].buf = (char *)malloc(1024);
    buffers[i].len = 1024;
}
OVERLAPPED overlapped;
memset(&overlapped, 0, sizeof(OVERLAPPED));
WSASend(socket, buffers, 10, NULL, 0, &overlapped, NULL);
// ...

Linux（C）：

// ...
struct iovec iov[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    iov[i].iov_base = malloc(1024);
    iov[i].iov_len = 1024;
}
struct msghdr msg;
memset(&msg, 0, sizeof(struct msghdr));
msg.msg_iov = iov;
msg.msg_iovlen = 10;
sendmsg(socket, &msg, MSG_DONTWAIT);
// ...