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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