面试题：C语言信号量与系统资源管理

Question

在一个复杂的Linux C项目中，有多个子系统依赖信号量进行同步，同时系统资源（如内存、文件描述符等）有限。当信号量操作导致系统资源不足时，会引发一系列连锁问题。请详细阐述如何在C语言层面设计一个机制，既能保证信号量同步机制正常运行，又能有效地管理系统资源，避免资源耗尽导致程序崩溃。并给出整体架构设计思路和关键代码示例。

Answer 1

整体架构设计思路

1. 资源监控模块：设计一个模块用于实时监控系统资源（如内存、文件描述符等）的使用情况。可以通过调用系统提供的接口（如 sys/sysinfo.h 中的 sysinfo 函数获取内存信息，通过 proc 文件系统获取文件描述符使用信息等）。
2. 信号量管理模块：在进行信号量操作前，先查询资源监控模块获取当前资源状态。如果资源充足，正常进行信号量操作；如果资源不足，采取相应策略（如等待资源释放或拒绝信号量操作）。
3. 资源分配与回收策略：建立一套资源分配与回收的策略。例如，当分配新的资源时，先判断是否有足够资源，若有则分配并更新资源监控模块中的资源使用信息；当回收资源时，也更新资源监控模块的信息。
4. 错误处理与恢复机制：在信号量操作或资源管理过程中出现错误时，要有相应的错误处理和恢复机制。例如，记录错误日志，尝试进行资源的清理和恢复，避免程序因为一个小错误而崩溃。

关键代码示例

资源监控模块示例

#include <sys/sysinfo.h>
#include <stdio.h>

// 获取内存使用情况
void get_memory_info(unsigned long *total, unsigned long *free) {
    struct sysinfo info;
    if (sysinfo(&info) == 0) {
        *total = info.totalram;
        *free = info.freeram;
    }
}

信号量管理模块示例

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

// 假设这里有一个资源充足的判断函数，结合上面的内存监控等信息
int is_resource_sufficient() {
    unsigned long total, free;
    get_memory_info(&total, &free);
    // 简单示例：如果可用内存大于100MB认为资源充足
    return (free / 1024 / 1024 > 100); 
}

sem_t *my_semaphore;

// 自定义的信号量获取函数
int my_sem_wait() {
    if (!is_resource_sufficient()) {
        // 资源不足，这里可以选择等待资源释放或者直接返回错误
        printf("Resource is insufficient, cannot acquire semaphore.\n");
        return -1;
    }
    return sem_wait(my_semaphore);
}

// 自定义的信号量释放函数
int my_sem_post() {
    if (!is_resource_sufficient()) {
        printf("Resource is insufficient, cannot post semaphore.\n");
        return -1;
    }
    return sem_post(my_semaphore);
}

主程序示例

int main() {
    my_semaphore = sem_open("/my_semaphore", O_CREAT, 0644, 1);
    if (my_semaphore == SEM_FAILED) {
        perror("sem_open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (my_sem_wait() == 0) {
        // 执行需要同步的代码段
        printf("Semaphore acquired, doing critical section work.\n");
        my_sem_post();
    }

    sem_close(my_semaphore);
    sem_unlink("/my_semaphore");
    return 0;
}