面试题：C语言中Linux信号量的性能优化及异常处理

Question

在一个高并发的Linux C项目中大量使用信号量来控制资源访问。当系统负载升高时，发现由于信号量操作导致性能瓶颈。请分析可能的原因，并提出至少两种优化方案。同时，阐述在信号量操作过程中遇到系统调用被中断（如`EINTR`错误）时，应该如何正确处理以保证程序的健壮性。

Answer 1

可能的原因分析

1. 竞争激烈：高并发场景下，多个线程或进程频繁竞争信号量，导致大量时间消耗在信号量的等待和获取上。
2. 系统调用开销：信号量操作往往涉及系统调用，频繁的系统调用会增加内核与用户空间切换的开销，降低性能。

优化方案

1. 减少信号量使用：分析资源访问逻辑，尽量采用无锁数据结构或乐观锁机制，减少对信号量的依赖，从而降低竞争。例如，对于一些读多写少的场景，可以使用读写锁（pthread_rwlock）代替普通信号量，允许多个读操作并发执行。
2. 优化信号量粒度：将大粒度的信号量拆分成多个小粒度信号量。比如在管理一组资源时，为每个资源或部分资源分配单独的信号量，这样不同线程对不同资源的访问可以并行进行，减少整体的竞争。
3. 使用更高效的同步原语：在某些场景下，条件变量（pthread_cond）结合互斥锁（pthread_mutex）可能比信号量更高效。条件变量可以在特定条件满足时通知等待的线程，避免了信号量可能出现的不必要等待和唤醒。

处理系统调用被中断（EINTR错误）

当信号量操作（如sem_wait等系统调用）遇到EINTR错误时，应按照以下方式正确处理以保证程序健壮性：

1. 重试系统调用：在捕获到EINTR错误后，重新调用被中断的系统调用。例如：

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

int main() {
    sem_t sem;
    sem_init(&sem, 0, 1);
    int ret;
    do {
        ret = sem_wait(&sem);
    } while (ret == -1 && errno == EINTR);
    if (ret == -1) {
        perror("sem_wait error");
        return 1;
    }
    // 临界区代码
    sem_post(&sem);
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

2. 设置信号处理函数：合理设置信号处理函数，避免不必要的信号干扰。例如，对于可能导致系统调用中断的信号，在关键的信号量操作期间，可以暂时屏蔽该信号，操作完成后再恢复信号处理。

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

void signal_handler(int signum) {
    // 信号处理逻辑
}

int main() {
    sem_t sem;
    sem_init(&sem, 0, 1);
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set, SIGINT);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);
    int ret = sem_wait(&sem);
    sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);
    if (ret == -1) {
        if (errno == EINTR) {
            // 重新处理信号等逻辑
        } else {
            perror("sem_wait error");
            return 1;
        }
    }
    // 临界区代码
    sem_post(&sem);
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

通过以上方式，确保在遇到EINTR错误时，程序能够正确处理，继续正常执行信号量相关操作，维持系统的稳定性和健壮性。