面试题：C语言信号量同步机制的优化

Question

在一个多线程的C程序中，使用信号量进行同步。假设线程间竞争资源频繁，可能会导致信号量的频繁等待和唤醒，进而影响性能。请提出至少两种优化方案，并说明每种方案在代码实现上的要点以及对性能提升的原理。

Answer 1

方案一：批量处理信号量操作

• 代码实现要点：
  • 在线程逻辑中，将多次对信号量的细粒度操作合并为较少次数的批量操作。例如，原本每次处理一个任务获取一次信号量，改为一次获取多个信号量处理一批任务。
  • 需要额外的逻辑来管理批量任务的边界和资源分配，确保任务的正确处理。
• 性能提升原理：减少了信号量等待和唤醒的次数，从而降低了系统调用开销。因为每次信号量操作都涉及内核态与用户态的切换，批量操作减少了这种切换的频率，提高了整体性能。

方案二：使用读写锁优化读多写少场景

• 代码实现要点：
  • 对于读操作频繁的资源，将信号量替换为读写锁。读操作时获取读锁，多个线程可以同时进行读操作；写操作时获取写锁，此时不允许其他线程进行读写操作。
  • 正确处理读写锁的初始化、获取和释放，确保读写操作的正确同步。
• 性能提升原理：在读写锁机制下，读操作之间不会相互阻塞，允许多个线程并发读取资源，只有写操作会阻塞其他读写操作。对于读多写少的场景，这大大提高了并发性能，减少了因信号量互斥导致的等待时间。

方案三：优化线程调度策略

• 代码实现要点：
  • 根据应用场景，设置合适的线程调度策略。例如，对于CPU密集型任务，可以使用SCHED_FIFO或SCHED_RR调度策略，提高线程对CPU资源的使用效率。
  • 通过sched_setscheduler函数设置线程的调度策略和优先级，在创建线程后进行设置。
• 性能提升原理：合理的调度策略可以避免线程频繁切换，减少上下文切换开销。例如，SCHED_FIFO调度策略让高优先级线程一直运行直到它主动放弃CPU或被更高优先级线程抢占，减少了不必要的线程调度，从而提升性能。