Day 72：多进程程序的资源共享与竞争

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上一讲我们详细分析了select/poll的文件描述符溢出问题，强调了FD_SETSIZE限制、fd值溢出风险、及时回收fd、API返回值检查，以及高并发场景应优先使用epoll/kqueue等高效机制。

1. 主题原理与细节逐步讲解

在C语言开发中，多进程（通常由fork()创建）用于并行处理任务、提升系统吞吐量。与多线程不同，多进程间地址空间隔离，但某些资源（如文件描述符、信号量、共享内存）是可以共享或竞争的。

常见可共享/竞争资源：

文件描述符（fd）
信号
内存映射区（mmap, shm等）
管道、套接字
临时文件/锁文件
系统IPC对象（信号量、消息队列、共享内存等）

多进程资源竞争问题本质：

父/子进程在继承或访问共享资源时，若没有适当同步与管理，会引发死锁、数据损坏、资源泄漏等问题。

2. 典型陷阱/缺陷及成因剖析

2.1 文件描述符未关闭导致数据混乱或泄漏

成因：

fork后父子进程均持有同样的fd，对同一个fd读写，可能导致数据错乱或多次关闭同一fd（竞态）。
比如父/子均持有写端，关闭顺序混乱，管道不会及时关闭或数据丢失。

2.2 临时文件、锁文件竞争

成因：

多进程同时创建、写入或删除同一临时文件，缺乏唯一性和同步，易引发数据覆盖、删除时机错误。

2.3 信号误处理与竞争

成因：

信号由内核分发到进程，若父/子注册了同样的信号处理函数，可能导致信号响应混乱或丢失。

2.4 共享内存区同步失败

成因：

多进程通过mmap/shm共享内存，但未正确同步（如缺乏互斥锁），导致数据竞争、写入冲突。

2.5 同步原语（如信号量）初始化不当

成因：

父进程创建同步原语，fork后子进程未正确继承或初始化，导致同步机制失效。

2.6 资源回收漏掉

成因：

父/子进程未能及时关闭/删除IPC对象，导致系统资源泄漏（如sem, shm, pipes未unlink）。

3. 规避方法与最佳设计实践

fork后，父子进程应根据业务主动关闭或重定向不需要的文件描述符，避免资源竞争。
临时文件/锁文件应带唯一标识（如PID），并用原子操作创建（O_EXCL | O_CREAT），防止冲突。
信号处理函数在fork后应根据实际需求重新注册，避免父子进程混淆信号响应。
共享内存区需加互斥/信号量同步，保证写入原子性，防止数据竞争。
所有IPC对象（信号量、共享内存等）创建后要有明确的回收流程（如sem_unlink, shm_unlink），防止系统资源泄漏。
避免多进程同时写同一文件，必要时加文件锁（flock, fcntl）。
多进程间通信建议用专属管道、socketpair，避免fd混用。
fork后只保留必要资源，其他一律关闭，尤其在daemon化、重定向场景下。

4. 错误代码与优化代码对比

错误示例1：父子进程同时读写同一fd

int fd = open("data.txt", O_RDWR);
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    // 子进程
    write(fd, "child data\n", 11);
    close(fd);
} else {
    // 父进程
    write(fd, "parent data\n", 12);
    close(fd);
}

问题：父子进程写入顺序不可控，数据可能交错或丢失。

优化后：fork后只保留一方fd，另一方主动关闭

int fd = open("data.txt", O_RDWR);
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    // 子进程
    close(fd); // 或只读/只写时只保留需要的fd
    // 重新打开自己的fd或通过IPC通信
} else {
    // 父进程
    // 父进程继续使用fd
}

错误示例2：临时文件竞争

char tmpfile[] = "/tmp/mytmp";
int fd = open(tmpfile, O_CREAT | O_RDWR, 0600); // 多进程间冲突

优化后：带唯一标识，原子创建

char tmpfile[64];
snprintf(tmpfile, sizeof(tmpfile), "/tmp/mytmp_%d", getpid());
int fd = open(tmpfile, O_CREAT | O_EXCL | O_RDWR, 0600);

错误示例3：共享内存未同步

void *mem = mmap(NULL, SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
// 多进程直接写mem[0] = ...; // 无保护

优化后：加信号量或互斥锁同步

// 父进程初始化POSIX信号量/互斥锁
sem_t *sem = sem_open("/mysem", O_CREAT, 0644, 1);
// 多进程访问时：
sem_wait(sem);
mem[0] = ...;
sem_post(sem);

错误示例4：IPC对象未回收

// 创建共享内存
shm_open("/myshm", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
// 用完未 shm_unlink("/myshm");

优化后：使用完后主动回收

shm_unlink("/myshm");
sem_unlink("/mysem");

5. 底层原理补充

fork后，子进程复制父进程文件描述符表，fd指向同一内核对象，fd引用计数增加。
mmap或shm创建的共享内存区，物理上允许多进程读写，需用户代码保证同步。
POSIX IPC对象（sem, shm）在系统级有唯一标识，需主动回收，否则资源长期占用。
信号由内核分发，fork后父子进程共享信号掩码，建议根据需求重新配置。

6. 图示：多进程资源共享与竞争

在这里插入图片描述

7. 总结与实际建议

多进程资源共享需严格同步与管理，否则易发死锁、数据错乱、资源泄漏。
fork后主动关闭/重定向不需要的fd，IPC资源要带唯一标识并原子创建。
所有共享区都要加互斥机制，严防竞争。
信号、锁、临时文件等资源管理需有全流程，防止遗留垃圾。
多进程通信建议专用IPC通道，避免混用fd。
工程代码要定期审查资源回收和同步机制，防止线上故障。

核心建议：多进程并发场景下，资源同步与竞争管理是稳定运行的关键，需全流程设计与严格编码规范。

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