Linux父、子進(jìn)程間的競(jìng)爭(zhēng)條件

在 Linux 中，fork() 系統(tǒng)調(diào)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(dú)立的進(jìn)程，并且都可以被系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行。這就引入了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：競(jìng)爭(zhēng)條件（Race Condition）。

競(jìng)爭(zhēng)條件是指多個(gè)進(jìn)程或線程在沒(méi)有正確同步的情況下同時(shí)訪問(wèn)和操作共享資源，導(dǎo)致程序產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的行為或結(jié)果。

在父子進(jìn)程的場(chǎng)景中，競(jìng)爭(zhēng)條件可能導(dǎo)致以下問(wèn)題：

• 執(zhí)行順序的不確定性：在 fork() 之后，父子進(jìn)程都可以被系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行，但無(wú)法確定哪個(gè)進(jìn)程會(huì)首先獲得 CPU 資源，導(dǎo)致執(zhí)行順序不確定。

• 共享資源的競(jìng)爭(zhēng)：父子進(jìn)程可能競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)共享的文件描述符、內(nèi)存區(qū)域、或其他資源，這種競(jìng)爭(zhēng)可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致或錯(cuò)誤。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例程序，演示了競(jìng)爭(zhēng)條件可能導(dǎo)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(jié)束    }     return 0;}

運(yùn)行上述代碼時(shí)，你可能會(huì)得到不同的輸出結(jié)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(tǒng)如何調(diào)度父子進(jìn)程，誰(shuí)先運(yùn)行是不可預(yù)測(cè)的。這種不確定性就是競(jìng)爭(zhēng)條件的體現(xiàn)。

雖然競(jìng)爭(zhēng)條件僅導(dǎo)致輸出順序的不同，但在實(shí)際應(yīng)用中，競(jìng)爭(zhēng)條件可能會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果，例如：

• 數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題：

  如果父子進(jìn)程同時(shí)修改共享數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)被部分更新或出現(xiàn)錯(cuò)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(dǎo)致死鎖或資源爭(zhēng)用。

為了避免競(jìng)爭(zhēng)條件，必須確保進(jìn)程或線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(shù)

wait() 函數(shù)可用于父進(jìn)程等待子進(jìn)程結(jié)束，確保子進(jìn)程先運(yùn)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(jié)束        printf("Parent process running after childn");    }     return 0;}

2

使用信號(hào)同步

信號(hào)（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(hào)后才繼續(xù)運(yùn)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(hào)    } else {        // 父進(jìn)程        while (!child_ready) {            pause();  // 等待信號(hào)        }        printf("Parent process running after child signaln");    }     return 0;}

在實(shí)際應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)條件，以避免不確定行為。通常會(huì)使用更復(fù)雜的同步機(jī)制，如信號(hào)量（semaphore）、互斥鎖（mutex）等，以確保資源訪問(wèn)的正確性。