面试题：C语言实现复杂场景下Linux异步I/O与内存映射的性能调优

系统架构

多线程/多进程模型：
- 多线程：利用POSIX线程库（pthread）创建多个线程，每个线程负责特定的I/O任务，例如一个线程负责读取，另一个线程负责处理数据，还有线程负责写入。这样可以充分利用多核CPU的优势，提高整体性能。
- 多进程：通过fork系统调用创建多个子进程，每个子进程独立执行I/O操作。进程间通过共享内存（shmget等函数）和信号量（semget等函数）进行通信和同步。多进程模型可以更好地隔离错误，一个进程崩溃不会影响其他进程，但进程间通信开销相对较大。
I/O事件驱动模型：
- 使用epoll（Linux特有的高效I/O多路复用机制）来管理异步I/O事件。epoll可以高效地监控多个文件描述符的I/O事件，当有事件发生时，通知相应的处理函数。这样可以避免不必要的轮询，提高I/O响应速度。

数据结构设计

缓冲区设计：
- 环形缓冲区：适用于生产者 - 消费者模型，用于在不同线程或进程之间传递数据。环形缓冲区可以实现无锁操作，提高并发性能。例如：

typedef struct {
    char *buffer;
    size_t size;
    size_t read_index;
    size_t write_index;
} CircularBuffer;

CircularBuffer* create_circular_buffer(size_t size) {
    CircularBuffer *cb = (CircularBuffer*)malloc(sizeof(CircularBuffer));
    cb->buffer = (char*)malloc(size);
    cb->size = size;
    cb->read_index = 0;
    cb->write_index = 0;
    return cb;
}

页对齐缓冲区：为了提高内存访问效率，尤其是在与内存映射结合时，缓冲区的大小最好是系统页大小（通常为4096字节）的整数倍，并且缓冲区的起始地址是页对齐的。可以使用posix_memalign函数来分配页对齐的内存。

void *aligned_buffer;
int ret = posix_memalign(&aligned_buffer, getpagesize(), buffer_size);
if (ret != 0) {
    // 处理错误
}

数据索引结构：
- 对于大文件，可以建立索引结构来快速定位数据。例如，对于一个按行存储的文本文件，可以构建一个数组，数组元素记录每一行在文件中的偏移量。这样在读取特定行时，可以直接通过索引定位到文件中的位置，减少不必要的读取。

函数调用优化

异步I/O函数：
- 使用aio_read和aio_write进行异步I/O操作。在调用aio_read或aio_write之前，需要初始化aiocb结构体。例如：

#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_SIZE 4096

int main() {
    int fd = open("large_file.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    struct aiocb aiocbp;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    aiocbp.aio_fildes = fd;
    aiocbp.aio_offset = 0;
    aiocbp.aio_buf = buffer;
    aiocbp.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    aiocbp.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_NONE;

    if (aio_read(&aiocbp) == -1) {
        perror("aio_read");
        close(fd);
        return 1;
    }

    while (aio_error(&aiocbp) == EINPROGRESS) {
        // 可以执行其他任务
    }

    ssize_t read_bytes = aio_return(&aiocbp);
    if (read_bytes == -1) {
        perror("aio_return");
    } else {
        // 处理读取的数据
    }

    close(fd);
    return 0;
}

内存映射函数：
- 使用mmap将文件映射到内存中，这样可以像访问内存一样访问文件内容，提高读写效率。例如：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("large_file.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    struct stat sb;
    if (fstat(fd, &sb) == -1) {
        perror("fstat");
        close(fd);
        return 1;
    }

    void *ptr = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 直接访问映射的内存
    char *data = (char*)ptr;
    // 处理数据

    if (munmap(ptr, sb.st_size) == -1) {
        perror("munmap");
    }
    close(fd);
    return 0;
}

结合优化：
- 在异步I/O和内存映射结合时，可以先使用mmap将文件映射到内存，然后使用异步I/O函数对映射区域进行操作。例如，在读取大文件时，可以使用异步I/O将数据从磁盘读入到映射的内存区域，这样可以充分利用内存映射的高效性和异步I/O的非阻塞特性。同时，注意在多线程/多进程环境下对映射内存的同步访问，可使用互斥锁（pthread_mutex_t）或信号量进行同步。

通过以上从系统架构、数据结构设计、函数调用优化等方面的综合优化，可以有效应对高并发、大文件读写等复杂场景，提高大数据处理系统的性能和降低延迟。

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知识考点

面试题答案

系统架构

数据结构设计

函数调用优化