面试题：C语言Linux异步I/O并发控制

Question

在Linux C语言异步I/O场景中，当有多个异步I/O操作并发执行时，如何确保数据的一致性和避免资源竞争？请给出具体的实现思路，并说明如何使用互斥锁、信号量等机制来实现并发控制。

Answer 1

实现思路

1. 数据结构设计：
   • 为每个异步I/O操作相关的数据结构中添加一个状态标识，用于表明该数据是否正在被处理。例如，若处理文件I/O，在文件描述符相关的数据结构中添加这样的标识。
   • 设计一个共享的数据区来存储所有异步I/O操作可能会共同访问的数据，如全局的配置信息等。
2. 操作流程：
   • 在进行异步I/O操作前，先检查相关数据的状态。若数据正在被其他操作处理，则等待。
   • 当异步I/O操作完成后，更新数据状态，通知其他等待的操作。

使用互斥锁实现并发控制

1. 初始化互斥锁： 在程序开始处，使用 pthread_mutex_init 函数初始化互斥锁。例如：

#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

2. 加锁与解锁： 在访问共享数据或执行可能导致资源竞争的代码段前，使用 pthread_mutex_lock 加锁。例如：

pthread_mutex_lock(&mutex);
// 访问共享数据的代码，如读取或修改全局配置信息
pthread_mutex_unlock(&mutex);

这样，同一时间只有一个线程能够进入加锁的代码段，从而避免资源竞争，保证数据一致性。

使用信号量实现并发控制

1. 初始化信号量： 使用 sem_init 函数初始化信号量。例如，初始化一个值为1的信号量，表示同一时间只允许一个操作访问共享资源：

#include <semaphore.h>
sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 1);

2. 获取与释放信号量： 在访问共享数据前，使用 sem_wait 获取信号量。例如：

sem_wait(&sem);
// 访问共享数据的代码
sem_post(&sem);

sem_wait 会检查信号量的值，若值大于0，则将其减1并继续执行；若值为0，则阻塞等待。sem_post 会将信号量的值加1，唤醒等待的线程。通过这种方式实现对共享资源的互斥访问，确保数据一致性和避免资源竞争。