面试题：C语言解决Linux多线程服务器复杂资源竞争问题的方案设计

Question

现有一个复杂的Linux C语言多线程服务器场景，存在多个线程同时访问多个相互关联的共享资源，且资源之间存在依赖关系，导致资源竞争问题频繁出现，传统的锁机制难以有效解决。请设计一套完整的解决方案，包括但不限于数据结构设计、同步机制优化、资源分配策略等，并分析该方案在性能和可扩展性方面的优势。

Answer 1

解决方案

1. 数据结构设计
   • 资源描述结构体：为每个共享资源定义一个结构体，包含资源的标识、状态以及指向依赖资源的指针。例如：

typedef struct Resource {
    int id;
    int status;
    struct Resource** dependencies;
    int num_dependencies;
} Resource;

- **全局资源管理表**：使用一个哈希表来管理所有的共享资源，方便快速查找和访问。

#include <uthash.h>
typedef struct ResourceTable {
    int id;
    Resource* resource;
    UT_hash_handle hh;
} ResourceTable;

2. 同步机制优化
   • 读写锁结合条件变量：对于读多写少的场景，使用读写锁（pthread_rwlock_t）来提高并发读的效率。对于资源依赖关系的处理，引入条件变量（pthread_cond_t）。当一个资源的依赖资源发生变化时，通过条件变量通知等待在该资源上的线程。

pthread_rwlock_t resource_lock;
pthread_cond_t resource_cond;

- **事务式操作**：将对多个相互关联资源的操作封装成事务。在事务开始时，获取所有需要的资源锁，按照一定顺序（例如根据资源ID排序）获取锁，防止死锁。事务结束后，释放所有锁。

3. 资源分配策略 - 依赖优先分配：在分配资源时，优先满足依赖关系。如果一个资源的所有依赖资源都可用，则分配该资源。可以使用拓扑排序算法来确定资源分配的顺序。 - 资源预分配：在系统启动时，根据资源的使用频率和依赖关系，进行资源预分配，减少运行时的资源竞争。

性能优势

1. 减少锁竞争：读写锁的使用提高了读操作的并发性能，条件变量的合理使用避免了无效的锁等待，从而减少了锁竞争带来的性能开销。
2. 事务式操作高效性：事务式操作保证了多个关联资源操作的原子性，同时通过合理的锁获取顺序避免死锁，提高了操作的效率。

可扩展性优势

1. 数据结构扩展性：哈希表的使用方便添加和删除资源，并且在大规模资源管理场景下，哈希表的查找时间复杂度为O(1)，保证了可扩展性。
2. 同步机制扩展性：读写锁和条件变量在不同规模的线程环境下都能有效工作，事务式操作的锁获取策略可以适应更多资源和线程的情况，通过简单调整拓扑排序算法，可以处理更复杂的资源依赖关系。