面试题：C语言多线程内存管理之专家难度题

Question

考虑一个复杂的Linux C语言多线程应用场景，主线程创建多个工作线程，每个工作线程都有自己独立的内存池用于频繁的小内存分配。工作线程间偶尔需要共享部分内存数据。请设计一个完整的内存管理架构，确保高效的内存使用、数据一致性以及线程安全，详细描述架构设计思路、关键数据结构和同步机制，并分析该架构在高并发场景下的性能表现。

Answer 1

架构设计思路

1. 独立内存池：每个工作线程拥有自己独立的内存池，用于频繁的小内存分配，减少内存碎片并提高分配效率。主线程不参与具体的小内存分配，但可以负责初始化内存池。
2. 共享内存数据管理：对于工作线程间偶尔需要共享的部分内存数据，采用共享内存区域进行管理，并通过同步机制保证数据一致性。
3. 分层设计：将内存管理分为内存池管理层和共享内存管理层，使架构更清晰，便于维护和扩展。

关键数据结构

1. 内存池数据结构
   • 内存块链表：每个内存池维护一个空闲内存块链表，用于存储可分配的内存块。链表节点包含指向下一个节点的指针和内存块大小信息。

   typedef struct MemoryBlock {
       struct MemoryBlock* next;
       size_t size;
   } MemoryBlock;
   
   typedef struct ThreadMemoryPool {
       MemoryBlock* freeList;
   } ThreadMemoryPool;
   

   • 内存池控制块：用于管理整个内存池，记录内存池的总大小、已分配大小等信息。

   typedef struct ThreadMemoryPoolControl {
       ThreadMemoryPool pool;
       size_t totalSize;
       size_t allocatedSize;
   } ThreadMemoryPoolControl;
   

2. 共享内存数据结构
   • 共享内存头：记录共享内存区域的大小、使用状态等信息。

   typedef struct SharedMemoryHeader {
       size_t size;
       int isInUse;
   } SharedMemoryHeader;
   
   typedef struct SharedMemory {
       SharedMemoryHeader header;
       char data[];
   } SharedMemory;
   

同步机制

1. 线程锁：对于每个内存池的空闲链表操作，使用互斥锁（pthread_mutex_t）来保证线程安全。在分配和释放内存块时，获取锁，操作完成后释放锁。

   pthread_mutex_t poolMutex;
   pthread_mutex_init(&poolMutex, NULL);
   // 分配内存时
   pthread_mutex_lock(&poolMutex);
   // 从空闲链表分配内存块操作
   pthread_mutex_unlock(&poolMutex);
   

2. 读写锁：对于共享内存数据，采用读写锁（pthread_rwlock_t）。当工作线程读取共享内存数据时，获取读锁；当需要修改共享内存数据时，获取写锁。这样可以允许多个线程同时读，但只允许一个线程写，保证数据一致性。

   pthread_rwlock_t sharedMemoryLock;
   pthread_rwlock_init(&sharedMemoryLock, NULL);
   // 读操作
   pthread_rwlock_rdlock(&sharedMemoryLock);
   // 读共享内存数据操作
   pthread_rwlock_unlock(&sharedMemoryLock);
   // 写操作
   pthread_rwlock_wrlock(&sharedMemoryLock);
   // 写共享内存数据操作
   pthread_rwlock_unlock(&sharedMemoryLock);
   

高并发场景下的性能表现

1. 优点
   • 高效内存使用：独立内存池减少了内存碎片，提高了小内存分配的效率。每个线程的内存池独立管理，减少了内存分配的竞争。
   • 线程安全：通过互斥锁和读写锁等同步机制，保证了内存操作的线程安全，数据一致性得到保障。
   • 读性能：在高并发读场景下，由于读写锁允许并发读操作，读性能较高。
2. 缺点
   • 写性能：在高并发写场景下，由于写操作需要获取写锁，同一时间只允许一个线程写，可能会导致写操作的性能瓶颈。
   • 锁竞争：虽然每个内存池有独立的锁，但在高并发情况下，锁竞争仍然可能存在，尤其是在频繁分配和释放内存时，会影响整体性能。可通过优化锁粒度或采用无锁数据结构来进一步提升性能。