Linux父、子進(jìn)程間的競爭條件

在 Linux 中，fork() 系統調用創(chuàng )建了一個(gè)新的子進(jìn)程，這個(gè)子進(jìn)程是父進(jìn)程的精確副本。然而，在 fork() 之后，父進(jìn)程和子進(jìn)程成為兩個(gè)獨立的進(jìn)程，并且都可以被系統調度運行。這就引入了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：競爭條件（Race Condition）。

競爭條件是指多個(gè)進(jìn)程或線(xiàn)程在沒(méi)有正確同步的情況下同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)和操作共享資源，導致程序產(chǎn)生不可預測的行為或結果。

在父子進(jìn)程的場(chǎng)景中，競爭條件可能導致以下問(wèn)題：

• 執行順序的不確定性：在 fork() 之后，父子進(jìn)程都可以被系統調度運行，但無(wú)法確定哪個(gè)進(jìn)程會(huì )首先獲得 CPU 資源，導致執行順序不確定。

• 共享資源的競爭：父子進(jìn)程可能競爭訪(fǎng)問(wèn)共享的文件描述符、內存區域、或其他資源，這種競爭可能導致數據的不一致或錯誤。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例程序，演示了競爭條件可能導致的不確定行為。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h> int global_var = 0; int main() {    pid_t pid = fork();     if (pid < 0) {        perror("fork failed");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進(jìn)程        global_var += 5;        printf("Child process: global_var = %dn", global_var);    } else {        // 父進(jìn)程        global_var += 10;        printf("Parent process: global_var = %dn", global_var);        wait(NULL);  // 等待子進(jìn)程結束    }     return 0;}

運行上述代碼時(shí)，你可能會(huì )得到不同的輸出結果：

Parent process: global_var = 10Child process: global_var = 5

或者：

Child process: global_var = 5Parent process: global_var = 10

這取決于系統如何調度父子進(jìn)程，誰(shuí)先運行是不可預測的。這種不確定性就是競爭條件的體現。

雖然競爭條件僅導致輸出順序的不同，但在實(shí)際應用中，競爭條件可能會(huì )導致更加嚴重的后果，例如：

• 數據一致性問(wèn)題：

  如果父子進(jìn)程同時(shí)修改共享數據，可能導致數據被部分更新或出現錯誤。

• 資源鎖定：

  如果兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)嘗試鎖定同一個(gè)資源，可能導致死鎖或資源爭用。

為了避免競爭條件，必須確保進(jìn)程或線(xiàn)程之間的操作是正確同步的。以下是幾種常見(jiàn)的同步技術(shù)。

1

使用 wait()函數

wait() 函數可用于父進(jìn)程等待子進(jìn)程結束，確保子進(jìn)程先運行。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h> int main() {    pid_t pid = fork();     if (pid < 0) {        perror("fork failed");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進(jìn)程        printf("Child process runningn");    } else {        // 父進(jìn)程        wait(NULL);  // 等待子進(jìn)程結束        printf("Parent process running after childn");    }     return 0;}

2

使用信號同步

信號（Signals）可以用來(lái)同步父子進(jìn)程。比如可以讓父進(jìn)程在子進(jìn)程發(fā)出特定信號后才繼續運行。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <signal.h> volatile sig_atomic_t child_ready = 0; void signal_handler(int sig) {    child_ready = 1;} int main() {    signal(SIGUSR1, signal_handler);     pid_t pid = fork();     if (pid < 0) {        perror("fork failed");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進(jìn)程        printf("Child process runningn");        kill(getppid(), SIGUSR1);  // 向父進(jìn)程發(fā)送信號    } else {        // 父進(jìn)程        while (!child_ready) {            pause();  // 等待信號        }        printf("Parent process running after child signaln");    }     return 0;}

在實(shí)際應用中，特別是多進(jìn)程的服務(wù)器或并發(fā)處理任務(wù)中，必須小心處理競爭條件，以避免不確定行為。通常會(huì )使用更復雜的同步機制，如信號量（semaphore）、互斥鎖（mutex）等，以確保資源訪(fǎng)問(wèn)的正確性。