面试题：Python文件锁机制在分布式系统中的优化与应用

架构设计

集中式锁服务：使用一个中央服务器来管理文件锁。各分布式节点向该服务器请求和释放锁。
客户端库：在每个需要操作远程文件的节点上部署一个Python客户端库，负责与锁服务交互以及实际的文件操作。

技术要点

使用socket进行通信：客户端库通过socket与锁服务进行通信，发送锁请求和释放请求。
文件锁数据结构：锁服务端可以使用字典等数据结构来记录每个文件的锁状态，例如 {filename: {'locked': True, 'holder': client_id}}。
序列化与反序列化：使用pickle或json等库对请求和响应数据进行序列化和反序列化，以便在网络中传输。

处理锁冲突

排队机制：当一个文件已被锁定时，后续的锁请求可以放入一个队列中。锁服务按照请求的先后顺序处理队列中的请求。
超时设置：客户端在请求锁时可以设置一个超时时间。如果在超时时间内未能获取到锁，则放弃操作并向用户返回错误信息。

处理网络故障

重试机制：客户端在遇到网络故障时（例如连接超时），可以设置重试次数和重试间隔，自动尝试重新连接锁服务。
心跳检测：客户端和锁服务之间可以定期发送心跳消息，以检测连接是否正常。如果锁服务在一定时间内未收到某个客户端的心跳，则认为该客户端可能出现故障，自动释放其持有的锁。
备份与恢复：锁服务可以定期将锁状态数据进行备份（例如写入磁盘文件）。在发生故障重启后，从备份数据中恢复锁状态，确保系统的一致性。

示例代码（简化的锁服务端）：

import socket
import json

lock_status = {}

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('localhost', 12345))
server_socket.listen(5)

while True:
    client_socket, addr = server_socket.accept()
    data = client_socket.recv(1024)
    request = json.loads(data.decode('utf-8'))
    if request['action'] == 'lock':
        filename = request['filename']
        if filename not in lock_status or not lock_status[filename]['locked']:
            lock_status[filename] = {'locked': True, 'holder': request['client_id']}
            response = {'status': 'success'}
        else:
            response = {'status': 'failed', 'reason': 'file is locked'}
    elif request['action'] == 'unlock':
        filename = request['filename']
        if filename in lock_status and lock_status[filename]['holder'] == request['client_id']:
            lock_status[filename]['locked'] = False
            response = {'status': 'success'}
        else:
            response = {'status': 'failed', 'reason': 'you don\'t hold the lock'}
    client_socket.send(json.dumps(response).encode('utf-8'))
    client_socket.close()

示例代码（简化的客户端）：

import socket
import json
import time

def lock_file(client_id, filename, lock_server_addr):
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.connect(lock_server_addr)
    request = {'action': 'lock', 'client_id': client_id, 'filename': filename}
    sock.send(json.dumps(request).encode('utf-8'))
    response = json.loads(sock.recv(1024).decode('utf-8'))
    sock.close()
    return response['status'] == 'success'

def unlock_file(client_id, filename, lock_server_addr):
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.connect(lock_server_addr)
    request = {'action': 'unlock', 'client_id': client_id, 'filename': filename}
    sock.send(json.dumps(request).encode('utf-8'))
    response = json.loads(sock.recv(1024).decode('utf-8'))
    sock.close()
    return response['status'] == 'success'

if __name__ == '__main__':
    client_id = 'client_1'
    filename = 'example.txt'
    lock_server_addr = ('localhost', 12345)
    if lock_file(client_id, filename, lock_server_addr):
        try:
            # 执行文件操作
            print(f'Client {client_id} is operating on {filename}')
        finally:
            unlock_file(client_id, filename, lock_server_addr)
    else:
        print(f'Client {client_id} failed to lock {filename}')

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