面试题：C语言进程创建在复杂Linux系统架构下的性能优化

Question

在一个具有多核CPU、大内存且运行着多种服务的复杂Linux系统架构中，使用C语言创建大量进程执行一系列任务。为了达到最佳性能，从进程创建时机、资源分配、调度策略等方面阐述你的优化方案，并说明相关方案在不同场景下的优缺点。

Answer 1

进程创建时机优化

1. 预创建进程：
   • 方案：在系统启动或者服务初始化阶段，预先创建一定数量的进程并放入进程池。当有任务到来时，从进程池中取出可用进程执行任务，任务完成后再将进程放回进程池。
   • 优点：减少了进程频繁创建和销毁的开销，提高响应速度。对于有大量短时间任务的场景，能显著提升性能。
   • 缺点：预先占用了系统资源，若预创建进程过多，可能导致系统资源浪费；若过少，在任务突发高峰时仍会有进程创建开销。
2. 按需创建进程：
   • 方案：当任务到达时，根据任务的需求动态创建进程。
   • 优点：仅在需要时使用资源，资源利用率高，适用于任务数量不确定且峰值不高的场景。
   • 缺点：每次任务到来都有进程创建开销，对于大量短时间任务场景，性能可能较差。

资源分配优化

1. 内存分配：
   • 方案：对于进程所需内存，采用内存池技术。预先分配一块较大内存，进程需要时从内存池中分配小块内存，使用完毕后归还内存池。对于大内存需求任务，可使用mmap函数直接映射文件到内存，减少内存拷贝开销。
   • 优点：减少内存碎片，提高内存分配效率，mmap映射文件适合处理大文件数据。
   • 缺点：内存池管理需要额外代码，若管理不当可能导致内存泄漏；mmap需要注意同步和并发访问问题。
2. 文件描述符分配：
   • 方案：复用文件描述符，避免每个进程都重复打开相同文件。可以使用共享文件描述符表，进程通过获取表中的文件描述符来操作文件。
   • 优点：减少系统资源占用，提高文件操作效率。
   • 缺点：需要额外管理共享文件描述符表，涉及多进程同步问题，增加编程复杂度。

调度策略优化

1. SCHED_FIFO：
   • 方案：对于实时性要求高的任务，设置其调度策略为SCHED_FIFO。这种调度策略下，进程一旦被调度运行，会一直运行直到主动放弃CPU（如等待I/O、调用sched_yield）或者被更高优先级进程抢占。
   • 优点：保证实时任务的快速响应和执行，适用于对时间敏感的任务，如音频、视频处理。
   • 缺点：若高优先级实时任务过多或长时间占用CPU，可能导致低优先级任务饥饿，无法得到执行机会。
2. SCHED_RR：
   • 方案：对于一些需要公平调度且有一定实时性要求的任务，设置为SCHED_RR调度策略。它与SCHED_FIFO类似，但每个进程都有时间片，时间片用完后，进程会被重新放回调度队列尾部等待下次调度。
   • 优点：在保证一定实时性的同时，能公平地分配CPU时间给各个任务，避免任务饥饿。
   • 缺点：相比SCHED_FIFO，实时性略差，因为时间片切换会带来额外开销。
3. SCHED_OTHER：
   • 方案：对于普通任务，使用默认的SCHED_OTHER调度策略。内核会根据进程的动态优先级（基于nice值等因素计算）来分配CPU时间。
   • 优点：适用于大多数普通任务，能较好地平衡系统整体性能和任务公平性。
   • 缺点：实时性较差，对于有严格时间要求的任务不适用。