面试题：C语言Linux信号量PV操作与系统性能优化

性能下降原因分析

信号量系统调用开销：在Linux中，信号量的PV操作通常通过系统调用实现。高并发场景下，频繁的系统调用会导致用户态与内核态之间的上下文切换，这会带来较大的开销，降低系统性能。
竞争激烈：大量线程或进程同时竞争信号量，容易导致信号量成为瓶颈。当一个线程获取不到信号量时，会进入睡眠状态，等待信号量释放。这种频繁的睡眠和唤醒操作会增加系统调度的负担，降低整体性能。

优化方案

方案一：减少系统调用次数 - 批量操作

优化思路：结合信号量PV操作原理，传统的PV操作每次只对信号量进行一次增减操作。可以设计一种机制，允许一次性对信号量进行多次P或V操作，从而减少系统调用次数。例如，如果一个线程需要多次获取信号量才能执行某个任务，可以将这些获取操作合并为一次系统调用。
代码实现：假设使用POSIX信号量，可通过自定义函数封装信号量操作。

#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

sem_t sem;

// 自定义批量P操作
void batch_P(sem_t *sem, int count) {
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        sem_wait(sem);
    }
}

// 自定义批量V操作
void batch_V(sem_t *sem, int count) {
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        sem_post(sem);
    }
}

void* thread_function(void* arg) {
    batch_P(&sem, 3); // 一次性获取3个信号量
    // 执行任务
    printf("Thread is working...\n");
    batch_V(&sem, 3); // 一次性释放3个信号量
    return NULL;
}

int main() {
    sem_init(&sem, 0, 5); // 初始化信号量值为5

    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);

    pthread_join(thread, NULL);
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

方案二：采用读写锁优化读操作

优化思路：如果应用程序中存在大量的读操作和少量的写操作，基于信号量的PV操作会对读操作也进行严格的互斥控制，导致读操作之间不必要的等待。读写锁允许多个线程同时进行读操作，只有在写操作时才需要独占资源。在读操作时，使用读锁（共享锁），多个线程可以同时获取读锁进行读操作；在写操作时，使用写锁（排他锁），只有一个线程可以获取写锁进行写操作。这样可以提高系统在高并发读场景下的性能。
代码实现：假设使用POSIX读写锁。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_rwlock_t rwlock;
int shared_data = 0;

void* read_thread(void* arg) {
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 获取读锁
    printf("Reader thread reads data: %d\n", shared_data);
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 释放读锁
    return NULL;
}

void* write_thread(void* arg) {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 获取写锁
    shared_data++;
    printf("Writer thread writes data: %d\n", shared_data);
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 释放写锁
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    pthread_t read_threads[3];
    pthread_t write_thread;

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&read_threads[i], NULL, read_thread, NULL);
    }
    pthread_create(&write_thread, NULL, write_thread, NULL);

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_join(read_threads[i], NULL);
    }
    pthread_join(write_thread, NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    return 0;
}

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面试题：C语言Linux信号量PV操作与系统性能优化

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面试题答案

性能下降原因分析

优化方案

方案一：减少系统调用次数 - 批量操作

方案二：采用读写锁优化读操作