面试题：并发与同步之信号量在复杂场景下的优化

Question

在一个多线程的文件读写系统中，多个线程可能同时请求读取或写入文件。为了保证数据一致性和避免竞争条件，使用信号量进行同步控制。然而，现在发现系统在高并发情况下性能下降，你认为可能是什么原因导致的？如何优化信号量的使用来提升性能？

Answer 1

性能下降可能原因

1. 信号量粒度问题：信号量粒度设置过粗，例如整个文件只使用一个信号量进行控制，这样所有读写操作都需要竞争这一个信号量，导致线程等待时间过长，降低了并发度。
2. 频繁加锁解锁：读写操作频繁地获取和释放信号量，造成大量上下文切换开销，消耗系统资源，从而影响性能。
3. 信号量类型选择不当：如果选用的信号量类型不适合当前场景，比如计数信号量在某些情况下不能很好地满足只允许特定数量并发操作的需求，可能导致线程不合理等待。

优化信号量使用提升性能方法

1. 优化信号量粒度：根据文件结构，如按文件块划分，为每个文件块设置独立信号量。读或写操作仅获取对应文件块的信号量，提高并发度。例如，将大文件按1MB大小划分为多个块，每个块有自己的信号量。
2. 减少加锁解锁次数：对连续的读写操作进行合并，减少信号量获取和释放的频率。比如可以在一个缓冲区中先积累一定量的数据，然后一次性进行读写操作，在操作前后各获取和释放一次信号量。
3. 选择合适信号量类型：对于读多写少场景，可采用读写锁（一种特殊的信号量机制），允许多个线程同时读，只允许一个线程写，提高读操作并发性能；对于有特定并发数量限制的场景，合理设置计数信号量的初始值和上限。