面试题：C语言中Linux文件锁在多线程竞争场景下的优化

Question

假设你正在开发一个多线程应用程序，多个线程会频繁读写同一个文件。使用Linux C语言文件锁机制，如何设计一个高效的方案来减少锁争用，提高整体性能？请详细说明设计思路、可能用到的数据结构以及关键的同步代码。

Answer 1

设计思路

1. 细粒度锁：将文件划分成多个较小的区域，每个区域使用独立的锁进行保护。这样不同线程可以同时访问文件的不同区域，减少锁争用。
2. 读写锁优化：对于读操作，可以允许多个线程同时进行，而写操作则需要独占锁。因此，使用读写锁（pthread_rwlock）可以提高并发读的性能。
3. 锁缓存：为每个线程维护一个锁缓存，线程在访问文件区域时，先检查自己的锁缓存中是否已经持有对应的锁，避免重复获取锁的开销。

可能用到的数据结构

1. 锁数组：用于存储每个文件区域对应的锁。例如，可以使用一个pthread_rwlock_t类型的数组，数组大小根据文件划分的区域数量而定。

#define REGION_COUNT 10
pthread_rwlock_t lock_array[REGION_COUNT];

2. 线程本地存储（TLS）：用于存储每个线程的锁缓存。可以使用pthread_key_t来创建线程本地存储。

pthread_key_t lock_cache_key;

3. 锁缓存数据结构：可以使用一个简单的数组或者哈希表来存储线程已经持有的锁。这里以数组为例：

typedef struct {
    int is_locked[REGION_COUNT];
} LockCache;

关键的同步代码

1. 初始化部分

void init_locks() {
    for (int i = 0; i < REGION_COUNT; ++i) {
        pthread_rwlock_init(&lock_array[i], NULL);
    }
    pthread_key_create(&lock_cache_key, NULL);
}

2. 获取锁

void acquire_lock(int region_id) {
    LockCache *cache = (LockCache *)pthread_getspecific(lock_cache_key);
    if (cache == NULL) {
        cache = (LockCache *)malloc(sizeof(LockCache));
        memset(cache->is_locked, 0, sizeof(cache->is_locked));
        pthread_setspecific(lock_cache_key, cache);
    }
    if (!cache->is_locked[region_id]) {
        pthread_rwlock_wrlock(&lock_array[region_id]);
        cache->is_locked[region_id] = 1;
    }
}

3. 释放锁

void release_lock(int region_id) {
    LockCache *cache = (LockCache *)pthread_getspecific(lock_cache_key);
    if (cache != NULL && cache->is_locked[region_id]) {
        pthread_rwlock_unlock(&lock_array[region_id]);
        cache->is_locked[region_id] = 0;
    }
}

4. 读操作

void read_file_region(int region_id) {
    acquire_lock(region_id);
    // 进行读操作
    release_lock(region_id);
}

5. 写操作

void write_file_region(int region_id) {
    acquire_lock(region_id);
    // 进行写操作
    release_lock(region_id);
}

6. 清理部分

void cleanup_locks() {
    for (int i = 0; i < REGION_COUNT; ++i) {
        pthread_rwlock_destroy(&lock_array[i]);
    }
    pthread_key_delete(lock_cache_key);
}

通过以上设计和代码实现，可以有效地减少多线程读写同一文件时的锁争用，提高整体性能。