面试题：C语言中Linux互斥锁性能优化之策略

Question

假设你在一个多线程的C程序中使用互斥锁，且发现程序性能因互斥锁竞争而下降。请阐述至少两种可行的优化策略，并解释每种策略的优缺点。

Answer 1

优化策略1：减少锁的粒度

• 具体做法：将大的临界区分割成多个小的临界区，每个临界区使用单独的互斥锁。例如，原本对一个大的数据结构进行整体加锁操作，现在根据数据结构的不同部分，分别使用不同的锁。
• 优点：不同线程可以同时访问不同部分的数据，减少锁竞争，提高并行性，从而提升程序性能。
• 缺点：增加了代码复杂度，需要更多的锁管理，可能会引入死锁风险，因为线程可能需要获取多个锁，若获取顺序不当就可能死锁。

优化策略2：使用读写锁（如果适用）

• 具体做法：当临界区的操作大多为读操作时，使用读写锁。读操作可以同时进行，只有写操作需要独占锁。例如在缓存数据的场景中，多个线程频繁读取缓存数据，偶尔有线程更新缓存。
• 优点：读操作并行性好，能显著提升读多写少场景下的性能，因为读操作不会相互阻塞。
• 缺点：读写锁实现相对复杂，写操作仍然需要独占锁，如果写操作频繁，性能提升有限，而且也可能存在写线程饥饿的问题，即读线程持续占用锁导致写线程长时间无法获取锁。

优化策略3：锁粗化

• 具体做法：与减少锁粒度相反，将多个连续的、对同一锁的加锁解锁操作合并为一次。例如，在一个循环中每次迭代都对同一资源加锁解锁，可将锁的范围扩大到整个循环。
• 优点：减少了加锁解锁的次数，降低了锁操作带来的开销，在一些场景下能提升性能。
• 缺点：临界区范围变大，增加了锁竞争的可能性，特别是在多线程频繁访问临界区时，可能会降低并行性。