面试题：C语言多线程性能优化及复杂场景应用

性能优化方面

线程调度
- 使用线程池：创建一个固定大小的线程池，避免频繁创建和销毁线程的开销。例如，在初始化阶段，预先创建一定数量的线程并将它们放入线程池中等待任务。
- 设置线程优先级：根据任务的紧急程度设置线程优先级。例如，对于网络通信相关的线程（处理实时数据传输）设置较高优先级，而对于一些非紧急的业务逻辑计算线程设置较低优先级。在Linux下可以使用pthread_setschedparam函数来设置线程优先级。
资源分配
- 内存池：对于频繁申请和释放内存的场景（如处理客户端请求的缓冲区），使用内存池技术。预先分配一块较大的内存，然后从这块内存中分配小块内存供线程使用，当线程使用完毕后归还到内存池中，避免频繁的系统调用malloc和free。
- 文件描述符管理：对于磁盘I/O操作，合理分配文件描述符。可以采用复用文件描述符的方式，避免过多的文件描述符打开导致系统资源耗尽。例如，使用epoll（在Linux下）来管理多个文件描述符，高效地处理I/O事件。
缓存机制
- 数据缓存：对于经常访问的数据（如配置信息、热点数据等），使用缓存。可以采用哈希表等数据结构来实现缓存，提高数据访问速度。例如，将常用的业务逻辑计算结果缓存起来，当下次相同请求到来时，直接从缓存中获取结果，减少重复计算。
- I/O缓存：在磁盘I/O和网络通信中使用缓冲区。例如，在读取磁盘文件时，使用较大的缓冲区一次性读取较多数据，减少磁盘I/O次数；在网络通信中，使用发送缓冲区和接收缓冲区来提高数据传输效率。
异步I/O
- 磁盘I/O异步化：在Linux下，可以使用aio系列函数（如aio_read、aio_write）实现异步磁盘I/O。这样主线程不会阻塞等待磁盘I/O完成，可以继续处理其他任务。例如，当一个线程发起异步磁盘I/O请求后，主线程可以继续处理新的客户端请求，当I/O操作完成后，通过回调函数或事件通知机制来处理结果。
- 网络异步I/O：使用异步网络I/O模型，如epoll的边缘触发模式（ET）结合非阻塞套接字。在这种模式下，当有数据到达时，系统只会通知一次，应用程序需要尽快处理数据，避免数据丢失。这样可以在高并发情况下更高效地处理网络请求。

同步机制设计

设计思路
- 条件变量：用于线程间的同步，当某个条件满足时，等待该条件的线程被唤醒。在部分请求需要等待其他请求完成的场景下，当被依赖的请求完成时，通过条件变量通知等待的线程。
- 信号量：可以用来控制对共享资源的访问数量。在这种场景下，可以使用信号量来控制依赖关系，例如，当一个请求完成后，释放一个信号量，等待的请求获取这个信号量后继续执行。
关键代码片段

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>

// 定义条件变量和互斥锁
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 定义信号量
sem_t sem;

// 全局变量，用于标记请求是否完成
int request_completed = 0;

// 被依赖的请求处理函数
void* dependent_request(void* arg) {
    // 模拟业务逻辑计算
    printf("Dependent request is processing...\n");
    // 完成业务逻辑后
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    request_completed = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sem_post(&sem);
    pthread_exit(NULL);
}

// 依赖其他请求的请求处理函数
void* dependent_on_request(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!request_completed) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sem_wait(&sem);
    // 继续处理依赖后的业务逻辑
    printf("Request that depends on others is continuing...\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    sem_init(&sem, 0, 0);
    // 创建线程
    pthread_create(&tid1, NULL, dependent_request, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, dependent_on_request, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    sem_destroy(&sem);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

在上述代码中：

pthread_cond_t类型的cond是条件变量，pthread_mutex_t类型的mutex是互斥锁，用于保护共享资源request_completed。
sem_t类型的sem是信号量。
dependent_request函数模拟被依赖的请求，当它完成时，通过条件变量cond通知等待的线程，并释放信号量。
dependent_on_request函数模拟依赖其他请求的请求，它通过条件变量等待request_completed变为1，并获取信号量后继续执行后续业务逻辑。

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同步机制设计