系统管理员 MySQL 2022-08-11

详解Linux多线程中fork与互斥锁过程

问题提出：

我们有这样一个问题：在一个多线程程序中创建子进程并且让子线程和子进程去获取一把全局变量的锁，输出子线程得到锁，然后解锁，子进程拿到锁，然后解锁；

（一）初次尝试

代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

pthread_mutex_t mutex;

void* fun(void* arg)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex);	
	printf("fun get lock\n");
	sleep(3);

	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	printf("fun unlock\n");
}
int main()
{
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
	pthread_t id;
	pthread_create(&id, NULL, fun, NULL);
	
	sleep(1);
	pid_t pid = fork();
	if(pid == -1)
	{
		perror("fork err");
		return -1;
	} 

	if(pid == 0)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);	
		printf("child get lock\n");
		sleep(3);
		
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		printf("child unlock\n");
		exit(0);
	}
	
	wait(NULL);

	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	printf("main over\n");
	return 0;
}

猜想结果：

理一理思路：

创建一把全局的锁，并初始化

主线程创建子线程，去获取这把锁的同时，主线程休眠一秒，子线程得到这把锁，加锁fun get lock

子线程休眠3秒，输出解锁fun unlock，子线程退出

主线程开始fork，子进程得到这把锁，输出child lock

子进程解锁输出child unlock

父进程的主线程等待子进程的退出，最后销毁锁，输出main over

所以…直接得到正确代码！！！

（二）理性分析

很遗憾，答案是错的！！！

我们先来康康运行结果：正常输出了子线程的内容，但是。。。。卡住了？没错阻塞了。。

在这里插入图片描述

再次分析：

阻塞？？难道是子进程获取锁时阻塞了？还是父进程等待子进程阻塞了？

或者说:两处地方都阻塞了，子进程获取锁时阻塞，导致父进程阻塞。

验证一下！！

在这里插入图片描述

所以程序就是两处地方都阻塞了，子进程获取锁时阻塞，导致父进程阻塞。

（三）解决问题

实际上，我们子线程在获取这把锁并加锁后睡眠3秒，主线程睡眠1秒，在主线程1秒睡眠结束后，开始执行fork，此时的子线程还未解锁正处于睡眠状态，fork过程中，会直接复制父进程的所有资源（**包括这把锁、锁的状态**），没错

就是有两把锁。此时子线程进行了加锁的状态，所以子线程复制的锁也是加锁状态。所以子线程会正常退出，而子进程会因为拿到加锁的锁而阻塞，父进程wait因为子进程阻塞而阻塞；

（1）使用pthread_join()

fork之前使用pthread_join()在子线程结束之前，主线程都将会阻塞，等待子线程结束后，在进行fork，此时子进程得到的锁就是解锁状态

代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

pthread_mutex_t mutex;

void* fun(void* arg)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex);	
	printf("fun get lock\n");
	sleep(3);

	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	printf("fun unlock\n");
}
int main()
{
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
	pthread_t id;
	pthread_create(&id, NULL, fun, NULL);
	pthread_join(id, NULL);
	
	sleep(1);

	pid_t pid = fork();
	if(pid == -1)
	{
		perror("fork err");
		return -1;
	} 

	if(pid == 0)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);	
		printf("child get lock\n");
		sleep(3);

		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		printf("child unlock\n");
		exit(0);
	}
	
	wait(NULL);

	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	printf("main over\n");
	return 0;
}

结果：

在这里插入图片描述

（2）使用phread_atfork()注册一个fork之前的判断

头文件 : pthread.h

int pthread_atfork(void (*prepare)(void), void (*parent)(void), void (*child)(void));

prepare : fork执行之前调用该函数

parent : fork执行之后父进程调用该函数

child : fork执行之后子进程调用该函数

返回值：成功0，失败错误码

代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

pthread_mutex_t mutex;

void prepare_fun(void)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex);
}

void parent_fun(void)
{
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

void child_fun()
{
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

void* fun(void* arg)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex);	
	printf("fun get lock\n");
	sleep(3);

	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	printf("fun unlock\n");
}

int main()
{
	
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
	pthread_t id;
	pthread_atfork(prepare_fun, parent_fun, child_fun);
	pthread_create(&id, NULL, fun, NULL);
	
	sleep(1);

	pid_t pid = fork();
	if(pid == -1)
	{
		perror("fork err");
		return -1;
	} 

	if(pid == 0)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);	
		printf("child get lock\n");
		sleep(3);

		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		printf("child unlock\n");
		exit(0);
	}
	
	wait(NULL);

	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	printf("main over\n");
	return 0;
}

结果：

在这里插入图片描述