面试题：C语言Linux文件锁在复杂分布式系统中的应用与问题解决

可能原因分析

锁粒度问题：
- 若锁粒度设置过大，比如对整个文件加锁，而不同节点可能只是操作文件的不同部分，会导致不必要的锁竞争，即使操作不冲突也需要等待锁，从而降低系统响应速度。
分布式锁实现方式不当：
- 如果采用简单的基于文件系统的锁，在高并发场景下，文件系统的I/O开销可能成为瓶颈，导致获取锁和释放锁的操作变慢。
- 分布式锁的获取和释放没有合适的容错机制，如某个节点获取锁后崩溃，锁未正确释放，其他节点会一直等待，影响系统响应。
网络延迟：
- 在分布式系统中，节点间通过网络通信来协调锁的获取和释放。网络延迟或不稳定可能导致锁操作的响应时间变长，增加锁冲突的概率。

解决方案

锁粒度控制：

细分锁粒度：对于共享文件，根据文件的逻辑结构，如按数据块或记录为单位加锁。例如，如果文件是存储用户信息的记录集，可以为每个记录加锁。

代码实现：

// 假设文件以记录为单位，每个记录大小固定为record_size
#define record_size 1024
// 计算记录的偏移量
off_t record_offset(int record_number) {
    return (off_t)record_number * record_size;
}
// 对特定记录加锁
int lock_record(int fd, int record_number) {
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_start = record_offset(record_number);
    lock.l_len = record_size;
    return fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
}
// 对特定记录解锁
int unlock_record(int fd, int record_number) {
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_UNLCK;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_start = record_offset(record_number);
    lock.l_len = record_size;
    return fcntl(fd, F_SETLK, &lock);
}

分布式锁实现方式：

基于Zookeeper实现分布式锁：

Zookeeper是一个分布式协调服务，可用于实现分布式锁。利用Zookeeper的临时顺序节点特性，每个节点在尝试获取锁时创建一个临时顺序节点，通过比较节点序号来确定锁的归属。

代码实现：

首先需要引入Zookeeper客户端库，如zookeeper - c库。

#include <zookeeper/zookeeper.h>
// 全局变量保存Zookeeper句柄
zhandle_t *zh;
// 连接Zookeeper服务器
void connect_zk() {
    const char *host_port = "localhost:2181";
    int timeout = 30000;
    zh = zookeeper_init(host_port, NULL, timeout, 0, NULL, 0);
    if (zh == NULL) {
        // 处理连接失败
        perror("Zookeeper connection failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}
// 获取分布式锁
int acquire_lock(const char *lock_path) {
    char path_buffer[256];
    int buffer_len = sizeof(path_buffer);
    int rc = zoo_create(zh, lock_path, NULL, 0, &ZOO_OPEN_ACL_UNSAFE, ZOO_EPHEMERAL_SEQUENTIAL, path_buffer, buffer_len);
    if (rc != ZOK) {
        // 处理创建节点失败
        return -1;
    }
    // 获取所有子节点
    struct String_vector children;
    rc = zoo_get_children(zh, lock_path, 0, &children);
    if (rc != ZOK) {
        // 处理获取子节点失败
        return -1;
    }
    // 找到最小序号的节点
    int min_index = 0;
    for (int i = 1; i < children.count; i++) {
        if (strcmp(children.data[i], children.data[min_index]) < 0) {
            min_index = i;
        }
    }
    // 判断是否获取到锁
    if (strcmp(path_buffer, children.data[min_index]) == 0) {
        // 获取到锁
        return 0;
    } else {
        // 未获取到锁，等待
        // 这里可以添加等待逻辑，如注册Watcher监听锁释放
        return -1;
    }
}
// 释放分布式锁
int release_lock(const char *lock_path) {
    int rc = zoo_delete(zh, lock_path, -1);
    if (rc != ZOK) {
        // 处理删除节点失败
        return -1;
    }
    return 0;
}

故障恢复机制：

基于租约（Lease）的机制：

每个节点获取锁时同时获取一个租约，租约有一定的有效期。如果在租约到期前节点正常释放锁，则一切正常。若节点获取锁后崩溃，租约到期后，其他节点可以重新获取锁。

代码实现：

可以通过定时器实现租约机制。假设使用POSIX定时器：

#include <time.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
// 定时器到期信号处理函数
void timer_handler(int signum) {
    // 这里处理锁释放逻辑，如释放基于文件的锁或删除Zookeeper上的锁节点
    printf("Lease expired, releasing lock...\n");
}
// 设置租约
void set_lease(int seconds) {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        return;
    }
    struct itimerval it;
    it.it_value.tv_sec = seconds;
    it.it_value.tv_usec = 0;
    it.it_interval.tv_sec = 0;
    it.it_interval.tv_usec = 0;
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &it, NULL) == -1) {
        perror("setitimer");
        return;
    }
}

代码层面优化

减少锁持有时间：
- 确保在获取锁后尽快完成必要的操作，避免在持有锁的状态下进行长时间的计算或I/O操作。例如，将文件的读取和写入操作尽量集中处理，减少锁的获取和释放次数。
异步处理：
- 对于一些非关键的操作，可以采用异步方式执行，避免阻塞锁的释放。比如，在解锁后通过线程或进程池异步处理文件的后续更新操作。
错误处理优化：
- 在锁获取和释放操作的代码中，添加详细的错误处理逻辑。不仅要处理系统调用返回的错误，还要考虑分布式系统中的网络错误等情况。例如，在Zookeeper操作中，对各种返回码进行详细处理，及时重试或进行相应的故障转移操作。

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