Linux父、子進程間的競爭條件

在 Linux 中，fork() 系統調用創建了一個新的子進程，這個子進程是父進程的精確副本。然而，在 fork() 之后，父進程和子進程成為兩個獨立的進程，并且都可以被系統調度運行。這就引入了一個關鍵問題：競爭條件（Race Condition）。

競爭條件是指多個進程或線程在沒有正確同步的情況下同時訪問和操作共享資源，導致程序產生不可預測的行為或結果。

在父子進程的場景中，競爭條件可能導致以下問題：

• 執行順序的不確定性：在 fork() 之后，父子進程都可以被系統調度運行，但無法確定哪個進程會首先獲得 CPU 資源，導致執行順序不確定。

• 共享資源的競爭：父子進程可能競爭訪問共享的文件描述符、內存區域、或其他資源，這種競爭可能導致數據的不一致或錯誤。

下面是一個簡單的示例程序，演示了競爭條件可能導致的不確定行為。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h> int global_var = 0; int main() {    pid_t pid = fork();     if (pid < 0) {        perror("fork failed");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進程        global_var += 5;        printf("Child process: global_var = %dn", global_var);    } else {        // 父進程        global_var += 10;        printf("Parent process: global_var = %dn", global_var);        wait(NULL);  // 等待子進程結束    }     return 0;}

運行上述代碼時，你可能會得到不同的輸出結果：

Parent process: global_var = 10Child process: global_var = 5

或者：

Child process: global_var = 5Parent process: global_var = 10

這取決于系統如何調度父子進程，誰先運行是不可預測的。這種不確定性就是競爭條件的體現。

雖然競爭條件僅導致輸出順序的不同，但在實際應用中，競爭條件可能會導致更加嚴重的后果，例如：

• 數據一致性問題：

  如果父子進程同時修改共享數據，可能導致數據被部分更新或出現錯誤。

• 資源鎖定：

  如果兩個進程同時嘗試鎖定同一個資源，可能導致死鎖或資源爭用。

為了避免競爭條件，必須確保進程或線程之間的操作是正確同步的。以下是幾種常見的同步技術。

1

使用 wait()函數

wait() 函數可用于父進程等待子進程結束，確保子進程先運行。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h> int main() {    pid_t pid = fork();     if (pid < 0) {        perror("fork failed");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進程        printf("Child process runningn");    } else {        // 父進程        wait(NULL);  // 等待子進程結束        printf("Parent process running after childn");    }     return 0;}

2

使用信號同步

信號（Signals）可以用來同步父子進程。比如可以讓父進程在子進程發出特定信號后才繼續運行。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <signal.h> volatile sig_atomic_t child_ready = 0; void signal_handler(int sig) {    child_ready = 1;} int main() {    signal(SIGUSR1, signal_handler);     pid_t pid = fork();     if (pid < 0) {        perror("fork failed");        return 1;    } else if (pid == 0) {        // 子進程        printf("Child process runningn");        kill(getppid(), SIGUSR1);  // 向父進程發送信號    } else {        // 父進程        while (!child_ready) {            pause();  // 等待信號        }        printf("Parent process running after child signaln");    }     return 0;}

在實際應用中，特別是多進程的服務器或并發處理任務中，必須小心處理競爭條件，以避免不確定行為。通常會使用更復雜的同步機制，如信號量（semaphore）、互斥鎖（mutex）等，以確保資源訪問的正確性。