面试题：C语言实现Linux匿名管道双向通信中的同步问题

可能出现的同步问题场景

读操作先于写操作：如果读端进程启动后立即尝试读取管道，而此时写端进程还未开始写入数据，读操作可能会阻塞等待数据到来。若读端没有合适的处理机制，可能会长时间处于阻塞状态。
写操作先于读操作：写端进程开始写入数据，但如果读端进程处理速度较慢，管道缓冲区可能会被写满。之后的写操作会阻塞，直到读端从管道中读取数据，腾出空间。如果写端没有正确处理这种阻塞情况，可能会影响程序的正常执行流程。
多次写操作与读操作交错：在双向通信中，写端多次写入数据，读端可能无法及时处理所有数据。若读端没有合适的缓冲机制，可能会丢失部分数据。

解决方案 - 使用信号量

实现方式：在C语言中可以使用POSIX信号量（semaphore）来实现同步。首先，在程序开始时创建两个信号量，一个用于表示管道有数据可读（例如命名为data_ready），另一个用于表示管道有空间可写（例如命名为space_available）。写端进程在写入数据前先获取space_available信号量，写入完成后释放data_ready信号量；读端进程在读取数据前获取data_ready信号量，读取完成后释放space_available信号量。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/wait.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int pipe_fds[2];
    if (pipe(pipe_fds) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    sem_t *data_ready = sem_open("/data_ready", O_CREAT, 0666, 0);
    sem_t *space_available = sem_open("/space_available", O_CREAT, 0666, 1);

    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) { // 子进程（写端）
        close(pipe_fds[0]);
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        sprintf(buffer, "Hello, parent!");
        sem_wait(space_available);
        if (write(pipe_fds[1], buffer, sizeof(buffer)) == -1) {
            perror("write");
        }
        sem_post(data_ready);
        close(pipe_fds[1]);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    } else { // 父进程（读端）
        close(pipe_fds[1]);
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        sem_wait(data_ready);
        ssize_t bytes_read = read(pipe_fds[0], buffer, sizeof(buffer));
        if (bytes_read == -1) {
            perror("read");
        } else {
            buffer[bytes_read] = '\0';
            printf("Read from pipe: %s\n", buffer);
        }
        sem_post(space_available);
        close(pipe_fds[0]);
        wait(NULL);
        sem_close(data_ready);
        sem_close(space_available);
        sem_unlink("/data_ready");
        sem_unlink("/space_available");
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
}

优点
- 精确控制：信号量可以精确控制读写操作的时机，避免读操作在无数据时阻塞，以及写操作在管道满时无限制阻塞。
- 灵活性高：适用于各种复杂的同步场景，无论是单向还是双向通信，都能通过合理设置信号量的初始值和操作方式来满足需求。
缺点
- 编程复杂度增加：相比于简单的管道读写操作，使用信号量需要额外的代码来创建、初始化、获取和释放信号量，增加了程序的复杂度和代码量。
- 性能开销：信号量的操作涉及系统调用，会带来一定的性能开销，尤其是在频繁进行读写操作的场景下，可能会影响程序的整体性能。

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面试题：C语言实现Linux匿名管道双向通信中的同步问题

知识考点

面试题答案

可能出现的同步问题场景

解决方案 - 使用信号量