面试题：C语言优化Linux C语言prefork模型故障转移机制的性能

性能问题分析

操作系统原理角度
- 进程创建开销：prefork模型预先创建一定数量的子进程。若系统资源紧张，进程创建过程（如分配内存、初始化内核数据结构等）会消耗大量CPU和内存资源，影响整体性能。
- 上下文切换开销：当请求到来，内核需要在多个子进程间进行上下文切换以调度处理请求。频繁的上下文切换会增加CPU额外负担，降低系统实际处理业务的能力。
- 文件描述符限制：每个进程都有文件描述符限制，大量子进程可能导致系统整体可使用的文件描述符资源紧张，影响网络连接等操作。
C语言特性角度
- 全局变量共享问题：多个子进程共享全局变量可能导致同步问题。例如，在更新全局状态时，若没有合适的同步机制（如互斥锁），可能出现数据竞争，进而影响程序正确性和性能。
- 内存管理：C语言手动管理内存，在高并发场景下，子进程频繁申请和释放内存可能导致内存碎片，降低内存使用效率，影响程序性能。
网络编程角度
- 负载均衡问题：若请求分配算法不合理，可能导致部分子进程负载过重，而部分子进程空闲，不能充分利用系统资源，降低整体吞吐量。
- 网络连接管理：多个子进程同时处理网络连接，可能在连接建立、关闭时出现竞争，导致网络资源不能高效利用。例如，在端口重用时若处理不当，可能出现端口冲突等问题。

优化方案及实现细节

优化负载均衡算法

实现细节：可以采用更智能的负载均衡算法，如加权轮询算法。每个子进程根据其处理能力设置一个权重值。

// 假设子进程数组
pid_t child_pids[CHILD_PROCESS_NUM];
int weights[CHILD_PROCESS_NUM]; // 权重数组
int current_index = 0;
// 初始化权重
for (int i = 0; i < CHILD_PROCESS_NUM; i++) {
    weights[i] = get_process_capability(i); // 根据实际情况获取子进程处理能力设置权重
}
// 分配请求函数
pid_t get_next_child_pid() {
    int total_weight = 0;
    for (int i = 0; i < CHILD_PROCESS_NUM; i++) {
        total_weight += weights[i];
    }
    int selected_weight = rand() % total_weight;
    int sum_weight = 0;
    for (int i = 0; i < CHILD_PROCESS_NUM; i++) {
        sum_weight += weights[i];
        if (selected_weight < sum_weight) {
            current_index = i;
            break;
        }
    }
    return child_pids[current_index];
}

减少上下文切换开销

实现细节：采用线程池代替进程池。线程共享进程的地址空间，上下文切换开销远小于进程间切换。
首先创建线程池结构体：

typedef struct {
    pthread_t *threads;
    int thread_count;
    int head;
    int tail;
    int count;
    int shutdown;
    int started;
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_cond_t notify;
    task *queue;
} threadpool_t;

实现线程池初始化函数：

threadpool_t *threadpool_create(int thread_count, int queue_size) {
    threadpool_t *pool = NULL;
    do {
        if ((pool = (threadpool_t *)malloc(sizeof(threadpool_t))) == NULL) {
            break;
        }
        pool->thread_count = 0;
        pool->queue_size = queue_size;
        pool->head = pool->tail = pool->count = 0;
        pool->shutdown = pool->started = 0;
        pool->threads = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * thread_count);
        pool->queue = (task *)malloc(sizeof(task) * queue_size);
        if (pool->threads == NULL || pool->queue == NULL) {
            free(pool);
            break;
        }
        if (pthread_mutex_init(&(pool->lock), NULL) != 0 ||
            pthread_cond_init(&(pool->notify), NULL) != 0) {
            free(pool->threads);
            free(pool->queue);
            free(pool);
            break;
        }
        for (int i = 0; i < thread_count; i++) {
            if (pthread_create(&(pool->threads[i]), NULL, threadpool_thread, (void *)pool) != 0) {
                threadpool_destroy(pool, 0);
                return NULL;
            }
            pool->thread_count++;
            pool->started++;
        }
    } while (0);
    return pool;
}

优化内存管理

实现细节：使用内存池技术。预先分配一块较大的内存，子进程从内存池中获取内存块，使用完后归还到内存池。
定义内存池结构体：

typedef struct memblock {
    struct memblock *next;
} memblock_t;
typedef struct mempool {
    memblock_t *head;
    size_t block_size;
    int block_count;
} mempool_t;

实现内存池初始化函数：

mempool_t *mempool_create(size_t block_size, int block_count) {
    mempool_t *pool = (mempool_t *)malloc(sizeof(mempool_t));
    if (pool == NULL) {
        return NULL;
    }
    pool->block_size = block_size;
    pool->block_count = block_count;
    memblock_t *prev = NULL;
    memblock_t *current = NULL;
    for (int i = 0; i < block_count; i++) {
        current = (memblock_t *)malloc(block_size);
        if (current == NULL) {
            // 释放已分配的内存
            while (prev != NULL) {
                memblock_t *tmp = prev;
                prev = prev->next;
                free(tmp);
            }
            free(pool);
            return NULL;
        }
        if (prev == NULL) {
            pool->head = current;
        } else {
            prev->next = current;
        }
        prev = current;
    }
    current->next = NULL;
    return pool;
}

实现从内存池获取内存块函数：

void *mempool_alloc(mempool_t *pool) {
    if (pool == NULL) {
        return NULL;
    }
    pthread_mutex_lock(&pool->lock);
    memblock_t *block = pool->head;
    if (block != NULL) {
        pool->head = block->next;
        pool->block_count--;
    }
    pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
    return block;
}

实现归还内存块到内存池函数：

void mempool_free(mempool_t *pool, void *block) {
    if (pool == NULL || block == NULL) {
        return;
    }
    pthread_mutex_lock(&pool->lock);
    ((memblock_t *)block)->next = pool->head;
    pool->head = (memblock_t *)block;
    pool->block_count++;
    pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
}

星途面试题库

面试题：C语言优化Linux C语言prefork模型故障转移机制的性能

知识考点

面试题答案

性能问题分析

优化方案及实现细节