面试题：C语言非阻塞I/O网络编程中的异常处理与可靠性设计

异常处理机制设计思路

网络中断处理
- 检测：在非阻塞I/O操作中，通过select、poll或epoll等多路复用函数监听套接字事件。当这些函数返回时，检查套接字是否可读或可写，如果不可读且错误码为ECONNRESET、EPIPE等表示连接中断的错误码时，判定网络中断。
- 处理：尝试重新连接。在分布式系统节点通信中，节点可以维护一个连接池，当检测到某个连接中断时，从连接池中移除该连接，并尝试重新建立与目标节点的连接。
连接超时处理
- 检测：在建立连接时，设置一个定时器。例如使用alarm函数或setitimer函数，在指定时间内如果连接操作（如connect）未完成，则定时器触发信号处理函数。
- 处理：在分布式系统中，如果连接超时，记录日志并尝试切换到备用节点进行连接，或者等待一段时间后重试连接到原目标节点。
数据丢失处理
- 检测：在接收数据时，通过校验和（如CRC校验）或消息序号来检测数据完整性。如果接收的数据校验和错误或序号不连续，判定数据丢失。
- 处理：在分布式系统中，发送方可以维护一个已发送消息的缓冲区，当接收方检测到数据丢失时，发送重传请求，发送方根据请求重传相应的数据。

关键代码示例

使用select处理网络中断和连接超时

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>

#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd, new_sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("Socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("Bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (listen(sockfd, MAX_CLIENTS) < 0) {
        perror("Listen failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_SET(sockfd, &read_fds);
    int activity, new_socket;
    struct timeval timeout;
    timeout.tv_sec = 5; // 连接超时时间设为5秒
    timeout.tv_usec = 0;

    new_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t *)&cliaddr);
    if (new_sockfd < 0) {
        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
            activity = select(sockfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
            if (activity < 0) {
                perror("Select error");
                close(sockfd);
                exit(EXIT_FAILURE);
            } else if (activity == 0) {
                printf("Connection timeout\n");
                close(sockfd);
                exit(EXIT_FAILURE);
            } else {
                new_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t *)&cliaddr);
            }
        } else {
            perror("Accept failed");
            close(sockfd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    activity = recv(new_sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
    if (activity < 0) {
        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
            // 处理网络中断等情况
            activity = select(sockfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
            if (activity < 0) {
                perror("Select error during recv");
                close(sockfd);
                close(new_sockfd);
                exit(EXIT_FAILURE);
            } else if (activity == 0) {
                printf("Recv timeout\n");
                close(sockfd);
                close(new_sockfd);
                exit(EXIT_FAILURE);
            } else {
                activity = recv(new_sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
            }
        } else {
            perror("Recv failed");
            close(sockfd);
            close(new_sockfd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    printf("Received: %s\n", buffer);
    close(new_sockfd);
    close(sockfd);
    return 0;
}

简单的校验和示例（用于数据丢失检测）

unsigned short calculate_checksum(char *data, size_t length) {
    unsigned long sum = 0;
    while (length > 1) {
        sum += *(unsigned short *)data;
        data += 2;
        length -= 2;
    }
    if (length > 0) {
        sum += *(unsigned char *)data;
    }
    while (sum >> 16) {
        sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16);
    }
    return ~sum;
}

在实际应用中，发送方在发送数据前计算校验和并一同发送，接收方接收到数据后重新计算校验和并与接收到的校验和对比，以检测数据是否丢失。例如：

// 发送方
char data_to_send[BUFFER_SIZE] = "Hello, distributed system!";
unsigned short checksum = calculate_checksum(data_to_send, strlen(data_to_send));
send(new_sockfd, data_to_send, strlen(data_to_send), 0);
send(new_sockfd, &checksum, sizeof(unsigned short), 0);

// 接收方
char received_data[BUFFER_SIZE] = {0};
unsigned short received_checksum;
recv(new_sockfd, received_data, BUFFER_SIZE, 0);
recv(new_sockfd, &received_checksum, sizeof(unsigned short), 0);
unsigned short calculated_checksum = calculate_checksum(received_data, strlen(received_data));
if (calculated_checksum != received_checksum) {
    // 处理数据丢失，如请求重传
}

通过以上设计思路和关键代码示例，可以在C语言非阻塞I/O网络编程中构建一套相对完善的异常处理机制，确保分布式系统中节点通信的可靠性。

面试题：C语言非阻塞I/O网络编程中的异常处理与可靠性设计

知识考点

面试题答案

异常处理机制设计思路

关键代码示例