面试题：并发与同步：读写锁性能优化策略及实际场景应用

基于读写锁的并发控制方案设计

1. 数据结构定义

首先定义一个用于缓存数据的结构体，同时定义一个读写锁来控制对缓存数据的访问。

// 假设缓存数据类型为结构体
typedef struct {
    // 具体的数据字段，例如：
    char data[1024]; 
    int size; 
} CacheData;

// 定义全局缓存数据和读写锁
CacheData globalCache; 
pthread_rwlock_t rwlock;

在C++ 中，可以这样实现：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <string>

struct CacheData {
    std::string data;
    int size;
};

CacheData globalCache;
pthread_rwlock_t rwlock;

2. 读操作实现

读操作使用读锁（共享锁），允许多个线程同时进行读操作，只要没有写操作正在进行。

void* readCache(void* arg) {
    // 加读锁
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); 
    // 执行读操作
    printf("Reading data: %s, size: %d\n", globalCache.data, globalCache.size); 
    // 释放读锁
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 
    return NULL;
}

C++ 实现：

void* readCache(void* arg) {
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
    std::cout << "Reading data: " << globalCache.data << ", size: " << globalCache.size << std::endl;
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    return NULL;
}

3. 写操作实现

写操作使用写锁（独占锁），确保在写操作进行时，没有其他线程可以进行读或写操作。

void* writeCache(void* arg) {
    // 加写锁
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); 
    // 执行写操作
    sprintf(globalCache.data, "new data"); 
    globalCache.size = strlen(globalCache.data); 
    // 释放写锁
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 
    return NULL;
}

C++ 实现：

void* writeCache(void* arg) {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    globalCache.data = "new data";
    globalCache.size = globalCache.data.size();
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    return NULL;
}

4. 初始化和清理

在程序开始时初始化读写锁，在程序结束时销毁读写锁。

int main() {
    // 初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); 

    // 创建读线程和写线程
    pthread_t readThreads[10], writeThread;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&readThreads[i], NULL, readCache, NULL);
    }
    pthread_create(&writeThread, NULL, writeCache, NULL);

    // 等待线程结束
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(readThreads[i], NULL);
    }
    pthread_join(writeThread, NULL);

    // 销毁读写锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock); 
    return 0;
}

C++ 实现：

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

    std::vector<pthread_t> readThreads(10);
    pthread_t writeThread;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&readThreads[i], NULL, readCache, NULL);
    }
    pthread_create(&writeThread, NULL, writeCache, NULL);

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(readThreads[i], NULL);
    }
    pthread_join(writeThread, NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    return 0;
}

不同读写比例场景下的性能表现分析

1. 读多写少场景

性能优势：由于读操作使用读锁（共享锁），允许多个读线程同时访问缓存数据，在这种场景下，系统的并发读性能会很高。写操作虽然是独占锁，但由于写操作很少，对整体性能影响较小。例如，在一个文件系统缓存模块中，大量用户可能在同时读取文件的元数据（缓存中的数据），而只有文件更新时才会有写操作，这种情况下，读写锁能很好地满足需求，系统整体性能较高。
可能的问题：写操作可能会因为等待读锁释放而出现一定的延迟，不过因为写操作频率低，这种延迟对整体性能影响不大。

2. 写多读少场景

性能劣势：写操作需要获取独占锁，在写多读少场景下，频繁的写操作会导致读线程长时间等待写锁释放，从而降低读操作的并发性能。例如，在文件系统缓存模块中，如果频繁进行文件内容的修改（写操作），而很少有读取操作，那么读线程在等待写锁释放的过程中会造成资源浪费，系统整体性能会受到较大影响。
优化方向：可以考虑使用更细粒度的锁机制，比如针对不同的缓存区域使用不同的读写锁，减少锁的竞争范围。也可以采用写时复制（Copy - on - Write，COW）等技术，在写操作时先复制数据，减少对读操作的影响。

3. 读写均衡场景

性能表现：系统性能介于读多写少和写多读少之间。读写操作会交替竞争锁资源，读操作的并发优势和写操作的独占特性都会对性能产生影响。例如，在一个既频繁读取又频繁更新缓存数据的文件系统缓存模块中，可能会出现读线程和写线程都需要等待锁的情况，导致整体性能不如读多写少场景，但比写多读少场景要好一些。
优化措施：可以根据实际的读写比例动态调整锁的分配策略，例如，当读操作频率略有增加时，适当延长读锁的持有时间，反之亦然。

面试题：并发与同步：读写锁性能优化策略及实际场景应用

知识考点

面试题答案

基于读写锁的并发控制方案设计

1. 数据结构定义

2. 读操作实现

3. 写操作实现

4. 初始化和清理

不同读写比例场景下的性能表现分析

1. 读多写少场景

2. 写多读少场景

3. 读写均衡场景