面试题：C语言信号量互斥实现中的死锁问题及解决

可能导致死锁的场景

信号量获取顺序不一致：不同线程以不同顺序获取多个信号量。例如，线程A先获取信号量S1再获取S2，而线程B先获取信号量S2再获取S1。如果线程A获取了S1，线程B获取了S2，那么两个线程都会等待对方释放自己需要的信号量，从而导致死锁。
信号量未释放：线程获取信号量后，由于异常（如程序崩溃、无限循环等）未能释放信号量，其他需要该信号量的线程就会一直等待，进而造成死锁。

定位死锁问题的方法

打印调试信息：在获取和释放信号量的关键位置添加打印语句，记录线程ID、信号量获取和释放的时间以及信号量的状态等信息。通过分析这些日志，可以发现哪些线程在等待哪个信号量，以及信号量的获取顺序是否存在问题。
使用调试工具：例如gdb，可以在程序运行时暂停在死锁发生的位置，查看线程状态、堆栈信息等，确定死锁发生的具体位置和相关线程。

避免死锁的方法及代码实现思路

规定信号量获取顺序
- 思路：所有线程按照相同的顺序获取信号量。例如，如果有两个信号量S1和S2，所有线程都先获取S1，再获取S2。这样可以避免因获取顺序不一致导致的死锁。
- 代码示例：

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>

sem_t s1, s2;

void* thread_function(void* arg) {
    // 先获取s1
    sem_wait(&s1);
    // 再获取s2
    sem_wait(&s2);

    // 临界区代码
    printf("Thread in critical section\n");

    // 释放s2
    sem_post(&s2);
    // 释放s1
    sem_post(&s1);

    return NULL;
}

int main() {
    sem_init(&s1, 0, 1);
    sem_init(&s2, 0, 1);

    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);

    // 主线程执行类似操作
    sem_wait(&s1);
    sem_wait(&s2);
    printf("Main thread in critical section\n");
    sem_post(&s2);
    sem_post(&s1);

    pthread_join(thread, NULL);

    sem_destroy(&s1);
    sem_destroy(&s2);

    return 0;
}

使用超时机制
- 思路：在获取信号量时设置一个超时时间，如果在规定时间内未能获取到信号量，则放弃获取并进行相应处理（如释放已获取的信号量，等待一段时间后重试），避免无限等待。
- 代码示例：

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

sem_t s1, s2;

void* thread_function(void* arg) {
    struct timespec timeout;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout);
    timeout.tv_sec += 1; // 设置1秒超时

    if (sem_timedwait(&s1, &timeout) != 0) {
        printf("Thread could not acquire s1 within timeout\n");
        return NULL;
    }

    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout);
    timeout.tv_sec += 1;
    if (sem_timedwait(&s2, &timeout) != 0) {
        printf("Thread could not acquire s2 within timeout, releasing s1\n");
        sem_post(&s1);
        return NULL;
    }

    // 临界区代码
    printf("Thread in critical section\n");

    // 释放s2
    sem_post(&s2);
    // 释放s1
    sem_post(&s1);

    return NULL;
}

int main() {
    sem_init(&s1, 0, 1);
    sem_init(&s2, 0, 1);

    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);

    // 主线程执行类似操作
    struct timespec timeout;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout);
    timeout.tv_sec += 1;
    if (sem_timedwait(&s1, &timeout) != 0) {
        printf("Main thread could not acquire s1 within timeout\n");
        return 1;
    }

    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout);
    timeout.tv_sec += 1;
    if (sem_timedwait(&s2, &timeout) != 0) {
        printf("Main thread could not acquire s2 within timeout, releasing s1\n");
        sem_post(&s1);
        return 1;
    }

    printf("Main thread in critical section\n");

    sem_post(&s2);
    sem_post(&s1);

    pthread_join(thread, NULL);

    sem_destroy(&s1);
    sem_destroy(&s2);

    return 0;
}

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