面试题：C语言文件操作与复杂缓冲区场景处理

Question

在多线程环境下使用C语言进行文件操作，涉及到IO流缓冲区机制时，会面临哪些问题？如何解决？假设有两个线程，线程A和线程B，同时向同一个文件写入数据，每个线程都有自己的缓冲区。线程A先写入一段数据，线程B紧接着也写入一段数据，但是要求写入的数据在文件中是连续且顺序正确的。请设计一种合理的方案来实现这个需求，并详细说明在这个方案中如何处理缓冲区相关的操作以避免数据错乱或丢失。

Answer 1

面临的问题

1. 数据竞争：多个线程同时访问和操作文件缓冲区，可能导致数据竞争，使文件内容错乱。
2. 缓冲区不一致：每个线程有自己的缓冲区，可能出现线程A写入缓冲区但未及时刷新到文件，线程B又写入，造成数据丢失或顺序错乱。
3. 缓冲区刷新时机：不确定何时刷新缓冲区，可能导致部分数据滞留在缓冲区未写入文件。

解决方案

1. 互斥锁（Mutex）：使用互斥锁来保护对文件的操作。在每个线程写入文件前获取锁，写入完成后释放锁，保证同一时间只有一个线程能进行文件写入操作。
2. 条件变量（Condition Variable）：结合条件变量，当一个线程完成写入后，通知另一个线程可以开始写入，确保写入顺序。

设计方案

1. 初始化部分：
   • 创建一个互斥锁 pthread_mutex_t mutex 并初始化。
   • 创建一个条件变量 pthread_cond_t cond 并初始化。
   • 定义一个标志变量 int flag = 0 用于表示当前轮到哪个线程写入。
2. 线程A的代码：

void* threadA(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(flag != 0) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    // 线程A写入自己缓冲区的数据到文件
    // 假设文件指针为 FILE* file
    fwrite(bufferA, sizeof(char), strlen(bufferA), file);
    flag = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

3. 线程B的代码：

void* threadB(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(flag != 1) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    // 线程B写入自己缓冲区的数据到文件
    fwrite(bufferB, sizeof(char), strlen(bufferB), file);
    flag = 0;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

4. 缓冲区相关操作：
   • 在写入文件时，使用 fwrite 函数将缓冲区数据写入文件。
   • 每次写入完成后，调用 fflush(file) 及时刷新文件缓冲区，确保数据真正写入文件，避免数据滞留在缓冲区。
   • 在主线程中，在所有线程结束后，再次调用 fflush(file) 以及 fclose(file) 确保文件操作完成并关闭文件。

清理部分

1. 在程序结束时，销毁互斥锁 pthread_mutex_destroy(&mutex)。
2. 销毁条件变量 pthread_cond_destroy(&cond)。