为什么我的互斥锁不能在多进程 C 应用程序中正常工作？答案

【问题标题】：Why doesn't my mutex work properly in a multi-process C application?为什么我的互斥锁不能在多进程 C 应用程序中正常工作？
【发布时间】：2011-05-16 13:31:40
【问题描述】：

我正在处理一个 uni 分配，并且遇到了我的代码的问题，该代码应该产生 2 个进程，其中第二个进程在执行之前等待第一个进程完成。这是我目前所拥有的：

sem_t mutex;
int producer; int consumer;
sem_init(&mutex, 0, 1);
producer = fork();
consumer = fork();

if (producer == 0) {
    if (VERBOSE) printf("Running producer\n");
    /* down semaphore */
    sem_wait(&mutex);
    /* START CRITICAL REGION */
    get_files(N);
    /* END CRITICAL REGION */
    /* up semaphore */
    sem_post(&mutex);
    if (VERBOSE) printf("Ending producer\n");
    exit(0);
}

if (consumer == 0) {
    if (VERBOSE) printf("Running consumer\n");
    /* down semaphore */
    sem_wait(&mutex);
    /* START CRITICAL REGION */
    /* do stuff */
    /* END CRITICAL REGION */
    /* up semaphore */
    sem_post(&mutex);
    if (VERBOSE) printf("Ending consumer\n");
    exit(0);
}
/* parent waits for both to complete */
wait(NULL);

现在，我知道在“现实世界”中这真的很愚蠢。如果我的“消费者”在我的“生产者”完成之前什么都不做，那么你可能没有像这样的 2 个进程，但任务是试图说明一个竞争条件，所以为什么我们被特别告知要这样做。

所以，我的问题是消费者进程没有等待生产者。我假设由于信号量在生产者 (sem_wait(&mutex);) 中被删除，那么在生产者中调用 sem_post(&mutex); 之前，消费者将无法使用它。

此外，据我所知，wait(NULL); 行并未等待这两个进程完成。

我是否严重误解了什么？

【问题讨论】：

你创建进程而不是线程。
fork 共享内存......它应该可以看到并能够使用互斥锁，不是吗？（我可能在这里过得很好，我没试过）
@tobyodavies：我这么说是因为“应该产生 2 个线程”这个短语
@tobyodavies：不，fork() 创建的进程不共享内存（除非内存已专门映射为MAP_SHARED）。
@tobyodavies：你确定 fork 共享内存吗？我认为它会重复从父母到孩子的记忆......

标签： c multithreading unix semaphore

【解决方案1】：

您应该对信号量调用进行错误检查。如果sem_wait()、sem_init() 或sem_post() 返回非零，则使用perror() 显示错误。

其次，您创建的流程比您想象的要多。您的第一个 fork() 会产生一个父级（producer 非零）和一个子级（producer 零）。两个进程然后执行第二个fork()，所以你现在有四个进程。

第三，sem_t 变量必须在进程之间共享，因此它必须存储在共享内存区域中。最简单的方法是使用mmap():

sem_t *sem = mmap(NULL, sizeof *sem, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

（在sem_init() 和第一个fork() 之前执行）。

第四，没有定义哪个进程将首先运行，因此您不能依赖生产者线程在消费者之前调用sem_wait()。相反，使用sem_init() 将信号量初始化为零，并且仅在消费者中调用sem_wait() - 这将阻止消费者。生产者执行，完成后调用sem_post()，允许消费者继续。

sem_init() 调用应将 pshared 指定为非零，将 value 指定为 0，因此应如下所示：

if (sem_init(sem, 1, 0) != 0) {
    perror("sem_init");
    exit(1);
}

第五，wait(NULL) 只等待单个子进程退出。调用两次以等待两个子进程。

【讨论】：

您实际上已经发现了错误 #2，非常感谢。该问题已被修改，以更新您答案的其他元素。不过，尽管您是正确的，但在这种情况下，我认为这不是问题所在。
根据 O'Reily (linuxdevcenter.com/pub/a/linux/2007/05/24/…)，如果进程不是父/子进程，您只需要共享内存
sem_wait 只会阻塞并且永远不会在初始值为 0 的信号量上成功否？我可能误读了手册页，但我的理解是信号量的值表示它可以处理的额外“用户”的数量，因此 w/value=1 的信号量相当于互斥体......
@tobyodavies: sem_wait() 将阻塞值为 0 的信号量，直到该信号量被发布。这正是这里所需要的行为——0 的初始值，sem_wait() 在消费者的开头和sem_post() 在生产者的结尾。在这种情况下，信号量的值是“已生产但尚未消费的事物的数量”。
是的，我还在努力修复第一个错误，你已经领先了我

【解决方案2】：

仅仅因为你fork生产者线程首先并不意味着操作系统会安排它首先运行 - 很可能消费者实际运行并首先获得锁。

另外，您应该检查sem_wait 的返回值 - 可以在不持有信号量的情况下从它返回。

也很有可能（正如一些人在 cmets 中指出的那样）信号量可能根本无法跨 forked 进程工作

编辑 - 如果在初始化 posix 信号量时将非零值传递给 sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned value) 的参数 2 将跨进程工作

编辑 - 请参阅 here 以获得比我能给出的更好的解释，并附上源代码，几乎完全符合您的要求

【讨论】：

好的，我查看了您的建议，似乎没有授予任何信号量锁。两条sem_wait(&mutex); 行都返回值-1，Google 告诉我这意味着失败。我现在该怎么办？（P.S. 我想这就是为什么我的 wait(NULL); 也不起作用的原因吧？
是的，关键是你需要实际调用sem_init，并检查sem_wait的状态。
你应该做while(sem_wait(mutex)!=0);作为一个最简单的建议（注意';' - 没有做任何事情的循环）
我已经修改了问题以包含我在程序中的sem_init(&mutex, 0, 1); 行。它看起来正确吗？
不，你需要一个非零的第二个参数来允许信号量状态在孩子之间共享 - 即sem_init(&mutex,TRUE,0)

【解决方案3】：

您是否在问题中提供了完整的代码？

如果是这样，您缺少信号量初始化。在使用信号量之前，您必须调用 sem_init 或 sem_open。

阅读here。

EDIT 您在sem_init 调用中指定pshared = 0。这使得信号量进程本地化（即它只能用于同步一个进程的线程）。 fork 创建一个子进程，所以信号量没有做任何有用的事情。

如果 pshared 的值为 0，则信号量在进程的线程。如果 pshared 是非零，则共享信号量进程之间。

（引用来自上面的链接）

【讨论】：

【解决方案4】：

首先，我认为互斥锁不适用于进程。原因是分叉的进程实际上并不共享内存。他们将能够读取与分叉之前相同的内存，但每当其中一个写入内存时，新进程都会收到自己的副本。

其次，您可能必须初始化互斥锁，否则它们的使用可能未定义。

【讨论】：