冷门知识点：进程间通信如何加锁？

这是[每日一题]栏目的第三题，如图：

关于进程间的通信方式估计大多数人都知道，这也是常见的面试八股文之一。

个人认为这种面试题没什么意义，无非就是答几个关键词而已，更深入的可能面试官和面试者都不太了解。

关于进程间通信方式和优缺点我之前在【这篇文章】中有过介绍，感兴趣的可以移步去看哈。

进程间通信有一种[共享内存]方式，大家有没有想过，这种通信方式中如何解决数据竞争问题？

我们可能自然而然的就会想到用锁。但我们平时使用的锁都是用于解决线程间数据竞争问题，貌似没有看到过它用在进程中，那怎么办？

我找到了两种方法，信号量和互斥锁。

直接给大家贴代码吧，首先是信号量方式：

#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

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");
}

代码中的MEOW_DEFER我在之前的RAII相关文章中介绍过，它内部的函数会在生命周期结束后触发。它的核心函数其实就是下面这四个：

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);

具体含义大家应该看名字就知道，这里的重点就是sem_init中的pshared参数，该参数为1表示可在进程间共享，为0表示只在进程内部共享。

第二种方式是使用锁，即pthread_mutex_t，可是pthread_mutex不是用作线程间数据竞争的吗，怎么能用在进程间呢？

我也是最近才知道，可以给它配置一个属性，示例代码如下：

pthread_mutex_t* mutex;
pthread_mutexattr_t mutexattr;

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

它的默认属性是进程内私有，但是如果给它配置成PTHREAD_PROCESS_SHARED，它就可以用在进程间通信中。

完整代码如下：

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");
}

我想这两种方式应该可以满足我们日常开发过程中的大多数需求。

锁的方式介绍完之后，可能很多朋友自然就会想到原子变量，这块我也搜索了一下。但是也不太确定C++标准中的atomic是否在进程间通信中有作用，不过看样子boost中的atomic是可以用在进程间通信中的。

其实在研究这个问题的过程中，还找到了一些很多解决办法，包括：

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

这里我就不过多介绍啦，大家感兴趣的可以自行查阅资料哈。

我也整理了一下自己找到的相关pdf资料，感兴趣的可以公众号后台回复“微信”加我好友，找我领取哈。

这次的分享就到这里，希望能够帮助到大家。

参考链接

• 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

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