面试题：C语言Linux共享内存复杂应用与优化

设计思路

共享内存分配：使用shmat函数将共享内存段附加到进程地址空间，shmget函数用于创建或获取共享内存段。
同步机制：采用信号量（semaphore）来实现进程间的同步，确保在同一时间只有一个进程能够对共享内存进行写操作，多个进程可以同时进行读操作。使用读写锁（pthread_rwlock）也可优化读写并发性能，读操作并发执行，写操作独占。
内存碎片管理：可以使用固定大小的内存块分配策略，预先将共享内存划分为多个固定大小的块，每次分配和释放都以这些块为单位，减少碎片产生。
提高访问效率：在共享内存中维护一个元数据区域，记录每个内存块的使用状态，这样在分配和释放内存时可以快速定位可用块。同时，尽量减少系统调用次数，例如批量处理多个内存操作。

核心代码片段

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

#define SHM_SIZE 1024*1024 // 共享内存大小
#define BLOCK_SIZE 1024 // 固定内存块大小
#define NUM_BLOCKS (SHM_SIZE / BLOCK_SIZE)

// 共享内存结构体
typedef struct {
    sem_t mutex; // 互斥信号量
    sem_t wrt;   // 写信号量
    int block_status[NUM_BLOCKS]; // 每个内存块的使用状态，0表示空闲，1表示已使用
    char data[SHM_SIZE]; // 共享数据区域
} SharedMemory;

// 获取共享内存
SharedMemory* get_shared_memory() {
    key_t key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }

    int shmid = shmget(key, sizeof(SharedMemory), IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    SharedMemory *shm = (SharedMemory*)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shm == (void*)-1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

    // 初始化信号量和块状态
    if (sem_init(&shm->mutex, 1, 1) == -1) {
        perror("sem_init mutex");
        exit(1);
    }
    if (sem_init(&shm->wrt, 1, 1) == -1) {
        perror("sem_init wrt");
        exit(1);
    }
    for (int i = 0; i < NUM_BLOCKS; i++) {
        shm->block_status[i] = 0;
    }

    return shm;
}

// 分配内存块
void* allocate_block(SharedMemory *shm) {
    sem_wait(&shm->mutex);
    for (int i = 0; i < NUM_BLOCKS; i++) {
        if (shm->block_status[i] == 0) {
            shm->block_status[i] = 1;
            sem_post(&shm->mutex);
            return &shm->data[i * BLOCK_SIZE];
        }
    }
    sem_post(&shm->mutex);
    return NULL; // 没有可用块
}

// 释放内存块
void free_block(SharedMemory *shm, void* block) {
    int index = ((char*)block - shm->data) / BLOCK_SIZE;
    sem_wait(&shm->mutex);
    if (index >= 0 && index < NUM_BLOCKS && shm->block_status[index] == 1) {
        shm->block_status[index] = 0;
    }
    sem_post(&shm->mutex);
}

优化点说明

同步优化：读写锁相比信号量，读操作时允许更多并发，提高读性能。但需注意读写锁在跨进程使用时需要特殊处理（如使用pthread_rwlockattr_setpshared设置为进程间共享）。
内存分配优化：采用固定大小块分配策略减少碎片，若实际应用中数据大小变化较大，可考虑多级固定大小块或者自适应内存分配算法。
元数据管理：通过维护块状态数组，能快速定位空闲块，提升分配和释放效率。还可以使用更高效的数据结构如位图来进一步优化查找性能。
减少系统调用：在用户态缓存一些共享内存状态信息，尽量减少对sem_wait、sem_post等系统调用的次数，提高整体效率。

星途面试题库

面试题：C语言Linux共享内存复杂应用与优化

知识考点

面试题答案

设计思路

核心代码片段

优化点说明