面试题：C语言Linux条件变量在复杂场景下的应用

Question

假设有一个复杂的分布式系统，其中多个节点通过网络通信，每个节点都运行着一个C语言程序。在这个场景下，需要使用条件变量来协调不同节点上的任务执行顺序。例如，节点A需要等待节点B和节点C完成特定计算后才能继续执行下一步操作。请设计一个基于Linux C语言条件变量的解决方案，详细描述架构设计、数据传输方式以及条件变量的具体使用方法，并分析可能出现的问题及应对策略。

Answer 1

架构设计

1. 节点通信：使用Socket进行节点间的网络通信。每个节点创建一个Socket监听特定端口，用于接收其他节点发送的消息。同时，可创建另一个Socket用于主动向其他节点发送消息。
2. 数据结构：在每个节点上定义一个共享的数据结构，用于存储任务执行状态等信息。例如：

typedef struct {
    int taskB_done;
    int taskC_done;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
} NodeStatus;

3. 线程模型：每个节点的C语言程序可采用多线程模型。主线程负责监听网络消息，接收到其他节点完成任务的消息后，更新共享数据结构。其他线程负责执行本地任务，当需要等待其他节点任务完成时，通过条件变量等待。

数据传输方式

1. 消息格式：定义一种简单的消息格式，例如包含消息类型（表示是任务完成通知等）、发送节点ID等信息。例如：

typedef struct {
    int type;
    int sender_id;
    // 其他可能的字段
} Message;

2. Socket发送与接收：使用send和recv函数进行消息的发送和接收。例如，节点B完成任务后，构造消息并发送给节点A：

Message msg;
msg.type = TASK_DONE;
msg.sender_id = NODE_B_ID;
send(sockfd, &msg, sizeof(Message), 0);

节点A监听Socket接收消息：

recv(sockfd, &msg, sizeof(Message), 0);
if (msg.type == TASK_DONE) {
    // 更新共享数据结构
}

条件变量的具体使用方法

1. 初始化：在每个节点的共享数据结构初始化时，初始化互斥锁和条件变量：

NodeStatus status;
status.taskB_done = 0;
status.taskC_done = 0;
pthread_mutex_init(&status.mutex, NULL);
pthread_cond_init(&status.cond, NULL);

2. 等待条件：在节点A中，当需要等待节点B和C完成任务时，使用如下代码：

pthread_mutex_lock(&status.mutex);
while (!(status.taskB_done && status.taskC_done)) {
    pthread_cond_wait(&status.cond, &status.mutex);
}
// 继续执行下一步操作
pthread_mutex_unlock(&status.mutex);

3. 通知条件：在节点B和C完成任务后，更新共享数据结构并通知节点A：

pthread_mutex_lock(&status.mutex);
if (node_id == NODE_B_ID) {
    status.taskB_done = 1;
} else if (node_id == NODE_C_ID) {
    status.taskC_done = 1;
}
pthread_cond_broadcast(&status.cond);
pthread_mutex_unlock(&status.mutex);

可能出现的问题及应对策略

1. 网络延迟或故障：
   • 问题：节点间消息传输可能出现延迟或丢失，导致等待节点长时间等待。
   • 策略：引入超时机制，在pthread_cond_wait设置超时时间。同时，采用重传机制，发送方在一定时间内未收到确认消息时，重发任务完成通知。
2. 死锁：
   • 问题：如果互斥锁使用不当，可能导致死锁，例如在持有锁的情况下调用可能阻塞的函数。
   • 策略：确保锁的获取和释放顺序正确，避免嵌套锁等可能导致死锁的情况。在调试时，使用工具如valgrind检测死锁。
3. 竞争条件：
   • 问题：多个线程同时访问和修改共享数据结构可能导致竞争条件。
   • 策略：通过互斥锁保证同一时间只有一个线程能访问和修改共享数据结构。并且在条件变量等待和通知时，始终在持有互斥锁的情况下进行操作。