面试题：C语言在多核实时操作系统任务调度的优化

任务分配策略

静态分配：在系统初始化时将任务固定分配到特定的核心。适用于任务执行时间和资源需求相对固定的场景。例如，将计算密集型任务分配到性能较强的核心。
动态分配：运行时根据核心负载情况动态分配任务。可采用基于队列的方式，每个核心维护一个任务队列，当某个核心任务完成，从全局任务队列或其他核心队列获取任务。

核间通信机制

共享内存：通过共享一段内存区域进行数据交换。需注意同步问题，可使用信号量或互斥锁。例如：

#include <semaphore.h>
// 共享内存结构体
typedef struct {
    int data;
    sem_t sem;
} SharedData;
SharedData *shared_mem;
// 初始化共享内存和信号量
shared_mem = (SharedData *)mmap(NULL, sizeof(SharedData), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
sem_init(&shared_mem->sem, 1, 1);
// 写入数据
sem_wait(&shared_mem->sem);
shared_mem->data = some_value;
sem_post(&shared_mem->sem);
// 读取数据
sem_wait(&shared_mem->sem);
int value = shared_mem->data;
sem_post(&shared_mem->sem);

消息传递：通过发送和接收消息进行通信。可使用邮箱或消息队列实现。例如，基于邮箱的实现：

// 邮箱结构体
typedef struct {
    int message;
    int is_empty;
} Mailbox;
Mailbox mailbox;
// 发送消息
while (mailbox.is_empty == 0);
mailbox.message = some_value;
mailbox.is_empty = 0;
// 接收消息
while (mailbox.is_empty == 1);
int value = mailbox.message;
mailbox.is_empty = 1;

缓存一致性对任务调度的影响

缓存一致性问题可能导致不同核心看到的数据不一致。解决方法包括：

硬件支持：依赖硬件提供的缓存一致性协议，如MESI协议，硬件自动处理缓存一致性。
软件同步：在代码层面通过内存屏障（如__sync_synchronize()）确保内存访问顺序，保证数据一致性。例如：

#include <stdint.h>
// 共享变量
volatile int shared_variable;
// 更新共享变量
shared_variable = new_value;
__sync_synchronize();
// 读取共享变量
__sync_synchronize();
int value = shared_variable;

C语言代码框架及关键实现思路

任务结构体定义：

typedef struct {
    void (*task_func)(void *); // 任务函数指针
    void *arg; // 任务参数
    int priority; // 任务优先级
    int core_assigned; // 分配的核心
} Task;

核心负载结构体：

typedef struct {
    int load; // 当前负载
    Task *current_task; // 当前执行任务
} CoreLoad;

任务调度函数：

void task_scheduler(Task *tasks, int num_tasks, CoreLoad *cores, int num_cores) {
    for (int i = 0; i < num_tasks; i++) {
        int min_load_core = 0;
        for (int j = 1; j < num_cores; j++) {
            if (cores[j].load < cores[min_load_core].load) {
                min_load_core = j;
            }
        }
        tasks[i].core_assigned = min_load_core;
        cores[min_load_core].load++;
        cores[min_load_core].current_task = &tasks[i];
        // 创建线程执行任务
        pthread_t thread;
        pthread_create(&thread, NULL, tasks[i].task_func, tasks[i].arg);
    }
}

实时性保证：通过优先级队列实现优先调度高优先级任务。在任务调度函数中，按照优先级对任务进行排序后再分配到核心。例如：

// 比较函数，用于按优先级排序任务
int compare_tasks(const void *a, const void *b) {
    Task *task_a = (Task *)a;
    Task *task_b = (Task *)b;
    return task_b->priority - task_a->priority;
}
// 任务调度函数，先排序再调度
void task_scheduler(Task *tasks, int num_tasks, CoreLoad *cores, int num_cores) {
    qsort(tasks, num_tasks, sizeof(Task), compare_tasks);
    for (int i = 0; i < num_tasks; i++) {
        int min_load_core = 0;
        for (int j = 1; j < num_cores; j++) {
            if (cores[j].load < cores[min_load_core].load) {
                min_load_core = j;
            }
        }
        tasks[i].core_assigned = min_load_core;
        cores[min_load_core].load++;
        cores[min_load_core].current_task = &tasks[i];
        // 创建线程执行任务
        pthread_t thread;
        pthread_create(&thread, NULL, tasks[i].task_func, tasks[i].arg);
    }
}

通过以上任务分配策略、核间通信机制以及缓存一致性处理，并结合代码框架实现，可在多核环境下实现较好的任务调度负载均衡和实时性保证。

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面试题：C语言在多核实时操作系统任务调度的优化

知识考点

面试题答案

任务分配策略

核间通信机制

缓存一致性对任务调度的影响

C语言代码框架及关键实现思路