面试题：C语言信号屏蔽动态调整与系统资源管理的优化

潜在问题产生原因分析

文件描述符泄漏：
- 原因：当信号处理函数执行时，如果在屏蔽信号期间打开了文件描述符，并且在信号处理函数结束后没有正确关闭这些文件描述符，就会导致文件描述符泄漏。因为信号处理函数可能会打断正常的程序流程，使得原本用于关闭文件描述符的代码没有机会执行。例如，在信号屏蔽期间调用 open 函数打开文件，但信号处理函数执行完后，没有执行对应的 close 操作。
内存碎片：
- 原因：频繁地动态调整信号屏蔽集可能会导致程序的执行流程变得复杂，不同的信号处理函数可能会在不同的时机申请和释放内存。如果内存分配和释放的模式不合理，例如频繁地分配和释放小块内存，就容易导致内存碎片。比如，一个信号处理函数在每次被调用时都分配一块很小的内存，使用完后释放，随着时间推移，内存中会出现很多不连续的小块空闲内存，这些就是内存碎片，影响后续大块内存的分配。

优化方案

代码层面改进：
- 文件描述符管理：
  - 伪代码：

// 定义一个结构体来管理文件描述符
typedef struct {
    int fd;
    int is_used;
} FileDescriptorInfo;

// 假设最多管理100个文件描述符
FileDescriptorInfo file_descriptors[100];

// 初始化文件描述符管理数组
void init_file_descriptors() {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        file_descriptors[i].fd = -1;
        file_descriptors[i].is_used = 0;
    }
}

// 打开文件描述符并记录
int safe_open(const char *pathname, int flags) {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        if (!file_descriptors[i].is_used) {
            file_descriptors[i].fd = open(pathname, flags);
            if (file_descriptors[i].fd != -1) {
                file_descriptors[i].is_used = 1;
                return file_descriptors[i].fd;
            }
        }
    }
    return -1;
}

// 关闭文件描述符并清除记录
void safe_close(int fd) {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        if (file_descriptors[i].is_used && file_descriptors[i].fd == fd) {
            close(file_descriptors[i].fd);
            file_descriptors[i].fd = -1;
            file_descriptors[i].is_used = 0;
            break;
        }
    }
}

内存管理：
- 使用内存池：预先分配一块较大的内存，然后在需要时从这块内存中分配小块。
- 伪代码：

// 定义内存池大小
#define MEMORY_POOL_SIZE 1024 * 1024
// 内存池
char memory_pool[MEMORY_POOL_SIZE];
// 已使用内存的偏移量
int used_offset = 0;

// 从内存池分配内存
void* memory_pool_alloc(int size) {
    if (used_offset + size <= MEMORY_POOL_SIZE) {
        void* ptr = &memory_pool[used_offset];
        used_offset += size;
        return ptr;
    }
    return NULL;
}

// 释放内存池中的内存（这里简单处理为不释放，实际可按需优化）
void memory_pool_free(void* ptr) {
    // 不进行实际释放操作，因为内存池是预分配的
}

资源监控机制：
- 文件描述符监控：
  - 定期检查：可以使用 timerfd 定期检查文件描述符管理数组，看是否有文件描述符处于打开但未使用的状态（即 is_used 为0但 fd 不为 -1），如果有则关闭并清除记录。
  - 伪代码：

// 创建一个定时器
int timerfd_create(clockid_t clock_id, int flags);
// 设置定时器周期
int timerfd_settime(int fd, int flags, const struct itimerspec *new_value, struct itimerspec *old_value);

// 假设每10秒检查一次
void setup_fd_monitoring() {
    int timer_fd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);
    struct itimerspec new_value;
    new_value.it_interval.tv_sec = 10;
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;
    new_value.it_value.tv_sec = 10;
    new_value.it_value.tv_nsec = 0;
    timerfd_settime(timer_fd, 0, &new_value, NULL);

    // 在主循环中处理定时器事件
    while (1) {
        uint64_t exp;
        ssize_t s = read(timer_fd, &exp, sizeof(uint64_t));
        if (s == sizeof(uint64_t)) {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                if (!file_descriptors[i].is_used && file_descriptors[i].fd != -1) {
                    close(file_descriptors[i].fd);
                    file_descriptors[i].fd = -1;
                }
            }
        }
    }
}

内存监控：
- 使用 malloc_stats：在Linux下，可以使用 mallinfo 函数获取内存分配的统计信息，例如已分配内存大小、空闲内存大小等。通过定期检查这些统计信息，可以判断是否出现内存碎片问题。如果空闲内存很多但无法分配出足够大的块，可能就存在内存碎片。
- 伪代码：

#include <mcheck.h>
#include <stdio.h>

// 定期检查内存状态
void monitor_memory() {
    struct mallinfo mi = mallinfo();
    printf("Total allocated: %zu\n", mi.uordblks);
    printf("Free in small blocks: %zu\n", mi.fordblks);
    // 根据这些信息判断是否存在内存碎片问题
}

资源回收机制：
- 文件描述符回收：在程序退出时，确保所有打开的文件描述符都被关闭。可以在 atexit 函数注册一个回调函数来关闭所有剩余的文件描述符。
- 伪代码：

void close_all_fds() {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        if (file_descriptors[i].is_used) {
            close(file_descriptors[i].fd);
        }
    }
}

int main() {
    atexit(close_all_fds);
    // 程序其他代码
    return 0;
}

内存回收：如果使用了内存池，在程序退出时可以释放整个内存池。如果使用的是系统的 malloc 等函数，系统通常会在程序退出时自动回收内存，但在程序运行期间，如果发现内存碎片严重，可以考虑重新分配大块内存，将数据迁移过去，然后释放旧的内存块，以整理内存。

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