程式間通訊如何加鎖程式間通訊如何加鎖

關於程式間的通訊方式估計大多數人都知道，這也是常見的面試八股文之一。

個人認為這種面試題沒什麼意義，無非就是答幾個關鍵詞而已，更深入的可能面試官和麵試者都不太瞭解。

關於程式間通訊方式和優缺點我之前在【這篇文章】中有過介紹，感興趣的可以移步去看哈。

程式間通訊有一種[共享記憶體]方式，大家有沒有想過，這種通訊方式中如何解決資料競爭問題?

我們可能自然而然的就會想到用鎖。但我們平時使用的鎖都是用於解決執行緒間資料競爭問題，貌似沒有看到過它用在程式中，那怎麼辦?

我找到了兩種方法，訊號量和互斥鎖。

直接給大家貼程式碼吧，首先是訊號量方式：

#include#include#include#include#include#include#include#include#include#includeconstexpr 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");
}

程式碼中的MEOW_DEFER我在之前的RAII相關文章中介紹過，它內部的函式會在生命週期結束後觸發。它的核心函式其實就是下面這四個：

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);

具體含義大家應該看名字就知道，這裡的重點就是sem_init中的pshared引數，該引數為1表示可在程式間共享，為0表示只在程式內部共享。

第二種方式是使用鎖，即pthread_mutex_t，可是pthread_mutex不是用作執行緒間資料競爭的嗎，怎麼能用在程式間呢?

我也是最近才知道，可以給它配置一個屬性，示例程式碼如下：

pthread_mutex_t* mutex;
pthread_mutexattr_t mutexattr;
pthread_mutexattr_init(&mutexattr);
pthread_mutexattr_setpshared(&mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
pthread_mutex_init(mutex, &mutexattr);

它的預設屬性是程式內私有，但是如果給它配置成PTHREAD_PROCESS_SHARED，它就可以用在程式間通訊中。

完整程式碼如下：

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");
}

我想這兩種方式應該可以滿足我們日常開發過程中的大多數需求。

鎖的方式介紹完之後，可能很多朋友自然就會想到原子變數，這塊我也搜尋了一下。但是也不太確定C++標準中的atomic是否在程式間通訊中有作用，不過看樣子boost中的atomic是可以用在程式間通訊中的。

其實在研究這個問題的過程中，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

這裡就不過多介紹啦，大家感興趣的可以自行查閱資料哈。