面试题：C语言Linux文件读取系统调用优化之高级题

Question

假设要在Linux系统中用C语言读取一个非常大的文件，在使用read系统调用时，除了缓冲区优化，还可以采取哪些措施来提升读取效率？请详细阐述这些措施的原理和实现思路。

Answer 1

1. 使用多线程并行读取
   • 原理：现代多核CPU能够同时处理多个线程任务。将大文件按区域划分，每个线程负责读取一个区域，可充分利用多核CPU的并行处理能力，从而加快文件整体的读取速度。
   • 实现思路：
     • 使用pthread库创建多个线程。例如，可以先根据文件大小和线程数量计算出每个线程负责读取的文件偏移量和长度。
     • 在每个线程的执行函数中，使用lseek函数定位到该线程负责读取的起始位置，然后通过read系统调用读取相应长度的数据到各自的缓冲区。
     • 主线程等待所有线程完成读取任务后，再对各个线程读取的数据进行合并处理。
2. 使用异步I/O
   • 原理：传统的同步I/O在调用read时，进程会阻塞等待I/O操作完成。而异步I/O允许应用程序发起I/O请求后，继续执行其他任务，当I/O操作完成时，通过回调函数或信号机制通知应用程序。这样可以避免I/O操作期间CPU的空闲等待，提高系统整体的并发性能。
   • 实现思路：
     • 在Linux中，可以使用aio系列函数（如aio_read）进行异步I/O操作。首先，初始化一个struct aiocb结构体，设置好文件描述符、缓冲区、偏移量和读取长度等参数。
     • 调用aio_read函数发起异步读取请求。之后，应用程序可以继续执行其他任务。
     • 当异步I/O操作完成时，可以通过aio_error函数检查操作是否成功，使用aio_return获取读取到的字节数。也可以设置一个信号处理函数，在I/O完成时通过信号通知应用程序。
3. 内存映射文件
   • 原理：通过mmap系统调用将文件映射到内存地址空间，这样对文件的读取就如同访问内存一样，减少了用户空间和内核空间之间的数据拷贝次数。同时，操作系统的虚拟内存管理机制可以自动对映射的内存进行分页管理，提高I/O效率。
   • 实现思路：
     • 使用open函数打开文件，获取文件描述符。
     • 调用mmap函数将文件映射到内存，指定映射的起始地址（通常设为NULL，让系统自动选择）、映射长度、保护模式（如PROT_READ表示只读）、映射标志（如MAP_PRIVATE表示私有映射）和文件描述符等参数。
     • 映射成功后，返回一个指向映射内存区域的指针，程序可以直接通过该指针访问文件数据，就像访问普通内存一样。操作完成后，使用munmap函数解除映射，并关闭文件描述符。