面试题：C语言Linux共享内存的性能优化与异常处理

性能瓶颈

锁争用：多个进程同时访问共享内存时，若使用锁机制来保证数据一致性，可能会出现锁争用问题，导致大量进程等待锁释放，降低系统并发性能。
内存碎片：频繁地分配和释放共享内存，可能会导致内存碎片，使得后续大块内存分配失败，即使总的空闲内存足够。
系统调用开销：对共享内存的操作（如创建、映射等）依赖系统调用，过多的系统调用会带来较大的开销，影响性能。

优化策略

优化锁机制：
- 使用读写锁（pthread_rwlock），对于读操作频繁的场景，允许多个进程同时读，提高并发性能。
- 采用细粒度锁，将共享内存划分为多个区域，每个区域使用单独的锁，减少锁争用范围。
内存管理优化：
- 预分配策略，预先分配足够大的共享内存，并自行管理内存块的分配和释放，减少系统调用次数和内存碎片产生。
- 内存池技术，创建固定大小的内存块池，进程从池中获取内存，使用完毕后归还，避免频繁的系统分配和释放操作。
减少系统调用：
- 批量操作，将多次对共享内存的小操作合并为一次大操作，减少系统调用次数。
- 缓存共享内存数据，在进程本地缓存部分共享内存数据，减少对共享内存的直接访问次数，只有在必要时才更新共享内存。

异常处理机制

共享内存分配失败：
- 错误检测：在调用shmget函数分配共享内存时，检查其返回值。若返回 -1，表示分配失败，通过errno获取具体错误原因。
- 处理策略：可以尝试重新分配，设置重试次数和重试间隔，若多次重试仍失败，则记录错误日志并根据业务需求决定是继续尝试、退出进程还是采取其他替代方案（如使用临时文件存储数据）。
- 代码实现：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define SHM_SIZE 1024

int main() {
    key_t key;
    int shmid;
    void *shmaddr;
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }
    int retry_count = 3;
    while (retry_count > 0) {
        shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
        if (shmid != -1) {
            break;
        }
        if (errno == EAGAIN || errno == ENOMEM) {
            sleep(1); // 等待1秒后重试
            retry_count--;
        } else {
            perror("shmget");
            // 记录错误日志
            FILE *logfile = fopen("shm_error.log", "a");
            if (logfile) {
                fprintf(logfile, "shmget failed: %s\n", strerror(errno));
                fclose(logfile);
            }
            // 根据业务需求决定下一步操作，这里简单退出
            exit(1);
        }
    }
    if (retry_count == 0) {
        // 多次重试失败，采取替代方案或退出
        fprintf(stderr, "Failed to allocate shared memory after multiple retries.\n");
        exit(1);
    }
    // 后续操作...
    return 0;
}

访问越界：
- 错误检测：在对共享内存进行读写操作前，检查偏移量和数据长度是否在共享内存的有效范围内。
- 处理策略：一旦检测到访问越界，立即停止当前操作，记录错误日志，根据业务需求决定是否修复越界数据（如截断数据）或终止相关进程，防止数据损坏进一步扩大。
- 代码实现：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define SHM_SIZE 1024

int main() {
    key_t key;
    int shmid;
    char *shmaddr;
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }
    shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }
    shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (void *)-1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }
    int offset = 1000;
    int length = 50;
    if (offset + length > SHM_SIZE) {
        // 记录错误日志
        FILE *logfile = fopen("access_error.log", "a");
        if (logfile) {
            fprintf(logfile, "Access out of bounds: offset %d, length %d, max size %d\n", offset, length, SHM_SIZE);
            fclose(logfile);
        }
        // 处理越界，这里简单截断
        length = SHM_SIZE - offset;
    }
    // 进行读写操作
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        shmaddr[offset + i] = 'a';
    }
    // 分离共享内存
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

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