面试题：C语言处理Linux异步I/O缓冲区的多线程安全问题

Question

假设在多线程环境下使用C语言进行Linux异步I/O，不同线程可能同时访问和操作异步I/O缓冲区，描述你会采取哪些措施来确保缓冲区操作的线程安全性，例如在向缓冲区写入数据和从缓冲区读取数据时如何避免竞争条件。

Answer 1

1. 使用互斥锁（Mutex）
   • 在C语言中，可以使用POSIX互斥锁来保护异步I/O缓冲区。
   • 首先，定义一个互斥锁变量：

#include <pthread.h>
pthread_mutex_t buffer_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

• 在向缓冲区写入数据前，加锁：

pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
// 执行写入缓冲区操作
pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);

• 在从缓冲区读取数据前，同样加锁：

pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
// 执行读取缓冲区操作
pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);

2. 读写锁（Read - Write Lock）
   • 如果读操作频繁，写操作较少，可以使用读写锁来提高性能。
   • 定义一个读写锁变量：

#include <pthread.h>
pthread_rwlock_t buffer_rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

• 对于读取操作（允许多个线程同时读）：

pthread_rwlock_rdlock(&buffer_rwlock);
// 执行读取缓冲区操作
pthread_rwlock_unlock(&buffer_rwlock);

• 对于写入操作（只允许一个线程写）：

pthread_rwlock_wrlock(&buffer_rwlock);
// 执行写入缓冲区操作
pthread_rwlock_unlock(&buffer_rwlock);

3. 信号量（Semaphore）
   • 可以使用信号量来控制对缓冲区的访问。例如，定义一个二元信号量，初始值为1，表示缓冲区可用。
   • 包含头文件并定义信号量：

#include <semaphore.h>
sem_t buffer_sem;
sem_init(&buffer_sem, 0, 1);

• 在写入或读取缓冲区前，获取信号量：

sem_wait(&buffer_sem);
// 执行写入或读取缓冲区操作
sem_post(&buffer_sem);

4. 使用线程本地存储（Thread - Local Storage, TLS）
   • 如果每个线程都有自己独立的缓冲区副本，可以使用线程本地存储。
   • 使用__thread关键字（GCC扩展）来声明线程本地变量：

__thread char local_buffer[BUFFER_SIZE];

• 线程在操作时，只操作自己的本地缓冲区副本，避免了竞争条件。但如果需要将本地缓冲区的数据合并到共享缓冲区，仍需要使用上述同步机制。