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冷門知識(shí)點(diǎn)：進(jìn)程間通信如何加鎖？

關(guān)于進(jìn)程間的通信方式估計(jì)大多數(shù)人都知道，這也是常見的面試八股文之一。

個(gè)人認(rèn)為這種面試題沒什么意義，無非就是答幾個(gè)關(guān)鍵詞而已，更深入的可能面試官和面試者都不太了解。

關(guān)于進(jìn)程間通信方式和優(yōu)缺點(diǎn)我之前在【這篇文章】中有過介紹，感興趣的可以移步去看哈。

進(jìn)程間通信有一種[共享內(nèi)存]方式，大家有沒有想過，這種通信方式中如何解決數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問題?

我們可能自然而然的就會(huì)想到用鎖。但我們平時(shí)使用的鎖都是用于解決線程間數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問題，貌似沒有看到過它用在進(jìn)程中，那怎么辦?

我找到了兩種方法，信號(hào)量和互斥鎖。

直接給大家貼代碼吧，首先是信號(hào)量方式：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

constexpr int kMappingSize = 4096;

void sem() {
    const char* mapname = "/mapname";
    int mapfd = shm_open(mapname, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

    MEOW_DEFER {
        if (mapfd > 0) {
            close(mapfd);
            mapfd = 0;
        }
        shm_unlink(mapname);
    };

    if (mapfd == -1) {
        perror("shm_open failed \n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (ftruncate(mapfd, kMappingSize) == -1) {
        perror("ftruncate failed \n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    void* sp = mmap(nullptr, kMappingSize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, mapfd, 0);
    if (!sp) {
        perror("mmap failed \n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    sem_t* mutex = (sem_t*)sp;

    if (sem_init(mutex, 1, 1) != 0) {
        perror("sem_init failed \n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    MEOW_DEFER { sem_destroy(mutex); };

    int* num = (int*)((char*)sp + sizeof(sem_t));
    int cid, proc_count = 0, max_proc_count = 8;
    for (int i = 0; i < max_proc_count; ++i) {
        cid = fork();
        if (cid == -1) {
            perror("fork failed \n");
            continue;
        }
        if (cid == 0) {
            sem_wait(mutex);
            (*num)++;
            printf("process %d : %d \n", getpid(), *num);
            sem_post(mutex);

            if (munmap(sp, kMappingSize) == -1) {
                perror("munmap failed\n");
            }
            close(mapfd);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        ++proc_count;
    }

    int stat;
    while (proc_count--) {
        cid = wait(&stat);
        if (cid == -1) {
            perror("wait failed \n");
            break;
        }
    }

    printf("ok \n");
}

代碼中的MEOW_DEFER我在之前的RAII相關(guān)文章中介紹過，它內(nèi)部的函數(shù)會(huì)在生命周期結(jié)束后觸發(fā)。它的核心函數(shù)其實(shí)就是下面這四個(gè)：

int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_destroy(sem_t *sem);

具體含義大家應(yīng)該看名字就知道，這里的重點(diǎn)就是sem_init中的pshared參數(shù)，該參數(shù)為1表示可在進(jìn)程間共享，為0表示只在進(jìn)程內(nèi)部共享。

第二種方式是使用鎖，即pthread_mutex_t，可是pthread_mutex不是用作線程間數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的嗎，怎么能用在進(jìn)程間呢?

我也是最近才知道，可以給它配置一個(gè)屬性，示例代碼如下：

pthread_mutex_t* mutex;
pthread_mutexattr_t mutexattr;

pthread_mutexattr_init(&mutexattr);
pthread_mutexattr_setpshared(&mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
pthread_mutex_init(mutex, &mutexattr);

它的默認(rèn)屬性是進(jìn)程內(nèi)私有，但是如果給它配置成PTHREAD_PROCESS_SHARED，它就可以用在進(jìn)程間通信中。

完整代碼如下：

void func() {
    const char* mapname = "/mapname";
    int mapfd = shm_open(mapname, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

    MEOW_DEFER {
        if (mapfd > 0) {
            close(mapfd);
            mapfd = 0;
        }
        shm_unlink(mapname);
    };

    if (mapfd == -1) {
        perror("shm_open failed \n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (ftruncate(mapfd, kMappingSize) == -1) {
        perror("ftruncate failed \n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    void* sp = mmap(nullptr, kMappingSize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, mapfd, 0);
    if (!sp) {
        perror("mmap failed \n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pthread_mutex_t* mutex = (pthread_mutex_t*)sp;
    pthread_mutexattr_t mutexattr;

    pthread_mutexattr_init(&mutexattr);
    pthread_mutexattr_setpshared(&mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
    pthread_mutex_init(mutex, &mutexattr);

    MEOW_DEFER {
        pthread_mutexattr_destroy(&mutexattr);
        pthread_mutex_destroy(mutex);
    };

    int* num = (int*)((char*)sp + sizeof(pthread_mutex_t));
    int cid, proc_count = 0, max_proc_count = 8;
    for (int i = 0; i < max_proc_count; ++i) {
        cid = fork();
        if (cid == -1) {
            perror("fork failed \n");
            continue;
        }
        if (cid == 0) {
            pthread_mutex_lock(mutex);
            (*num)++;
            printf("process %d : %d \n", getpid(), *num);
            pthread_mutex_unlock(mutex);

            if (munmap(sp, kMappingSize) == -1) {
                perror("munmap failed\n");
            }
            close(mapfd);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        ++proc_count;
    }

    int stat;
    while (proc_count--) {
        cid = wait(&stat);
        if (cid == -1) {
            perror("wait failed \n");
            break;
        }
    }

    printf("ok \n");
}

我想這兩種方式應(yīng)該可以滿足我們?nèi)粘ｉ_發(fā)過程中的大多數(shù)需求。

鎖的方式介紹完之后，可能很多朋友自然就會(huì)想到原子變量，這塊我也搜索了一下。但是也不太確定C++標(biāo)準(zhǔn)中的atomic是否在進(jìn)程間通信中有作用，不過看樣子boost中的atomic是可以用在進(jìn)程間通信中的。

其實(shí)在研究這個(gè)問題的過程中，還找到了一些很多解決辦法，包括：

Disabling Interrupts
Lock Variables
Strict Alternation
Peterson's Solution
The TSL Instruction
Sleep and Wakeup
Semaphores
Mutexes
Monitors
Message Passing
Barriers

這里我就不過多介紹啦，大家感興趣的可以自行查閱資料哈。

這次的分享就到這里，希望能夠幫助到大家。

參考鏈接

http://husharp.today/2020/12/10/IPC-and-Lock/

https://linux.die.net/man/3/pthread_mutexattr_init

https://www.cnblogs.com/muyi23333/articles/13533291.html

https://man7.org/linux/man-pages/man7/sem_overview.7.html

https://codeantenna.com/a/uXNTzONHZI?

新聞名稱：冷門知識(shí)點(diǎn)：進(jìn)程間通信如何加鎖？
地址分享：http://www.dlmjj.cn/article/dpdposs.html

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