面试题：C语言在复杂Linux环境下信号屏蔽跨进程同步的优化

Question

假设在一个有多个子进程同时运行，并且需要与父进程交互的复杂Linux环境中，使用C语言基于信号屏蔽实现跨进程同步。这里存在信号竞争、信号丢失等潜在问题，你如何优化代码以确保同步的可靠性和高效性？请详细阐述优化思路及可能用到的函数和机制。

Answer 1

优化思路

1. 合理规划信号使用：选择合适的信号，避免使用系统保留或可能在其他场景下干扰的信号。同时，不同子进程与父进程间的同步可以使用不同信号，降低信号竞争概率。
2. 信号屏蔽与处理：
   • 在父进程和子进程开始阶段，屏蔽相关同步信号，防止信号在进程未准备好时到达。
   • 当进程准备好处理信号时，再解除屏蔽，确保信号不会丢失。
3. 状态跟踪：父进程和子进程通过共享内存或文件等方式记录同步状态，使得各进程能够清楚知晓当前同步进展，避免因信号竞争导致的状态不一致。
4. 使用信号集：利用信号集来管理多个信号，对信号进行统一的屏蔽、解除屏蔽和检测操作，提高代码的逻辑性和可读性。

可能用到的函数和机制

1. 信号处理函数相关：
   • signal 函数：传统的设置信号处理函数的方式，但在多线程或复杂环境下可能有问题。
   • sigaction 函数：更灵活强大，可设置信号处理函数、信号掩码、信号处理标志等。例如：

struct sigaction sa;
sa.sa_handler = signal_handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_flags = 0;
sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);

2. 信号屏蔽相关：
   • sigprocmask 函数：用于设置、获取或修改当前进程的信号屏蔽字。可以通过它来屏蔽和解除对同步信号的屏蔽。例如，屏蔽信号：

sigset_t set;
sigemptyset(&set);
sigaddset(&set, SIGUSR1);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);

解除屏蔽：

sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);

3. 共享内存相关：
   • shmat、shmget、shmdt 等函数：用于创建、映射和分离共享内存段。通过共享内存，父进程和子进程可以共享同步状态信息。例如：

key_t key = ftok(".", 'a');
int shmid = shmget(key, sizeof(int), IPC_CREAT | 0666);
int *shared_status = (int *)shmat(shmid, NULL, 0);
// 使用共享状态
shmdt(shared_status);

4. 文件操作相关：
   • 可以使用标准的文件操作函数如 open、write、read 等，通过文件记录同步状态。不同进程通过读取和写入文件来更新和获取同步信息。但这种方式相对共享内存效率较低，适用于对效率要求不高的场景。