面试题：C语言信号处理与多线程服务器性能优化的深度探讨

竞争条件分析

信号处理函数与线程共享资源：在多线程环境下，信号处理函数可能与线程同时访问共享资源，例如全局变量。如果没有适当的同步机制，可能导致数据不一致。例如，一个线程正在更新一个全局计数器，同时信号处理函数也尝试读取或修改该计数器，就会产生竞争条件。
信号中断线程执行：信号可能在任何时刻中断线程的执行，这可能导致线程处于不一致的状态。例如，线程正在执行一个复杂的操作，如文件写入的中间过程，此时信号到来并处理，可能导致文件写入不完整。

上下文切换问题

信号处理导致上下文切换：当信号到达时，内核会暂停当前线程的执行，保存其上下文，然后跳转到信号处理函数执行。处理完毕后，再恢复原线程上下文继续执行。频繁的信号处理会导致过多的上下文切换，增加系统开销，降低性能。
线程调度与信号处理交互：在高并发场景下，线程调度频繁。如果信号处理与线程调度频繁交替，会使得CPU在不同线程和信号处理函数之间频繁切换，进一步消耗系统资源。

优化设计方案

信号掩码
- 原理：通过设置信号掩码，线程可以阻塞某些信号，防止信号在不适当的时候到达。只有当线程准备好处理信号时，才解除对信号的阻塞。
- 设计：
  - 在主线程中初始化信号掩码，阻塞所有可能影响多线程操作的信号，例如 SIGINT、SIGTERM 等。
  - 每个工作线程在启动时继承主线程的信号掩码，确保在执行关键任务时不会被信号中断。
  - 当线程完成关键任务后，根据需要解除对某些信号的阻塞，允许信号处理函数执行。
线程特定数据（TSD）
- 原理：线程特定数据允许每个线程拥有自己独立的数据副本，避免了共享数据带来的竞争条件。在信号处理函数中，可以使用线程特定数据来保存和访问与每个线程相关的信息。
- 设计：
  - 创建一个线程特定数据键，使用 pthread_key_create 函数。
  - 在每个线程启动时，为该线程分配特定的数据，并将其与线程特定数据键关联，使用 pthread_setspecific 函数。
  - 在信号处理函数中，通过 pthread_getspecific 函数获取当前线程特定的数据，进行相应处理。

代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

// 线程特定数据键
pthread_key_t key;

// 信号处理函数
void signal_handler(int signum) {
    // 获取线程特定数据
    int *thread_specific_data = (int *)pthread_getspecific(key);
    if (thread_specific_data) {
        printf("Thread %lu received signal %d, thread - specific data: %d\n",
               (unsigned long)pthread_self(), signum, *thread_specific_data);
    }
}

void *thread_function(void *arg) {
    // 为线程分配特定数据
    int thread_specific_data = *((int *)arg);
    pthread_setspecific(key, &thread_specific_data);

    // 模拟线程工作
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        printf("Thread %lu is working, data: %d\n", (unsigned long)pthread_self(), thread_specific_data);
        sleep(1);
    }

    return NULL;
}

int main() {
    // 初始化信号处理
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

    // 初始化线程特定数据键
    pthread_key_create(&key, NULL);

    // 创建多个线程
    pthread_t threads[3];
    int data[3] = {1, 2, 3};
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &data[i]);
    }

    // 等待线程结束
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    // 销毁线程特定数据键
    pthread_key_delete(key);

    return 0;
}

高负载处理

线程池：在高并发场景下，创建和销毁线程的开销较大。使用线程池可以复用线程，减少线程创建和销毁的次数。在上述代码基础上，可以扩展为线程池模式，预先创建一定数量的线程，将任务分配给这些线程执行。
异步I/O：对于高负载下的网络请求处理，使用异步I/O可以避免线程在I/O操作上的阻塞，提高系统的并发处理能力。可以结合 epoll 等多路复用技术，实现高效的异步I/O处理。例如，在每个线程中使用 epoll 监听套接字事件，当有数据可读或可写时，进行相应的处理。

通过上述设计方案和优化措施，可以有效应对高并发Linux C语言多线程服务器场景下信号处理与线程调度的问题，提升服务器在高负载情况下的性能。

面试题：C语言信号处理与多线程服务器性能优化的深度探讨

知识考点

面试题答案

竞争条件分析

上下文切换问题

优化设计方案

代码示例

高负载处理