102-多线程与 fork

在多线程程序中使用 fork，可能会导致一些意外：

• 子进程中只剩下一个线程，它是父进程中调用 fork 的线程的副本构成。这意味着在多线程环境中，会导致“线程蒸发”，莫名奇妙的失踪！
• 因为线程蒸发，它们所持有的锁也可能未释放，这将导致子进程在获取锁时进入死锁。

本文将验证这两个问题，并给出一个可行的解决方案。

1. 线程蒸发

如果在多线程环境中执行 fork，派生的子进程是单线程，子进程中的线程是由父进程中调用 fork 的那个线程的副本构成，而子进程中所有其它的线程会消失。

程序 th_fork 的功能是在父进程中创建一个线程，不断打印自己的 pid 和 ppid。创建完线程后，父进程在主线程中执行 fork，子进程每 2 秒打印一个点。

1.1 代码

// th_fork.c#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <errno.h>#define PERR(err, msg) do { errno = err; perror(msg); exit(-1); } while(0)void* fun(void* arg) {  while(1) {    printf("I'm %d, my father is %d\n", getpid(), getppid());    sleep(1);  }  return NULL;}int main() {  int err;  pid_t pid;  pthread_t tid;  pthread_create(&tid, NULL, fun, NULL);  puts("parent about to fork ...");  pid = fork();  if (pid < 0) PERR(errno, "fork");  else if (pid == 0) {    // child    int status;    err = pthread_join(tid, (void**)&status);    if (err != 0) PERR(err, "pthread_join");    while(1) {      puts(".");      sleep(2);    }       exit(0);  }  pthread_join(tid, NULL);}

1.2 编译和运行

$ gcc th_fork.c -o th_fork -lpthread$ ./th_fork

图1 线程蒸发

从图 1 中可以看到，子进程中只有一个线程在打点，子进程的 fun 函数线程已经“蒸发”掉了。

另外，在子进程中调用了 pthread_join 函数并没有报错，看起来就好像是子进程中的 fun 函数线程已经正常结束了。

2. fork 死锁

如果在 fork 的时候，线程未释放持有的锁，将导致死锁。

程序 fork_lock 演示了这种情况。

2.1 代码

// fork_lock.c#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <errno.h>#define PERR(err, msg) do { errno = err; perror(msg); exit(-1); } while(0)int total = 0;pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void* fun(void* arg) {  while(1) {    pthread_mutex_lock(&lock);    total++;    puts("fun:  total++");    // 时间稍稍长一点，在这个时候父进程发起 fork 就导致持锁线程蒸发    sleep(5);    pthread_mutex_unlock(&lock);    sleep(1);  }  return NULL;}int main() {  int err;  pid_t pid;  pthread_t tid;  pthread_create(&tid, NULL, fun, NULL);  // 推迟 1 秒，让线程进入临界区。  sleep(1);  puts("parent about to fork ...");  pid = fork();  if (pid < 0) PERR(errno, "fork");  else if (pid == 0) {    // child    int status;    while(1) {      // 由于 fun 线程蒸发，子进程获取锁就会死锁      puts("child require lock...");      pthread_mutex_lock(&lock);      total++;      puts("child: total++");      sleep(2);      pthread_mutex_unlock(&lock);      sleep(1);    }       exit(0);  }  pthread_join(tid, NULL);}

2.2 编译和运行

$ gcc fork_lock.c -o fork_lock -lpthread$ ./fork_lock

图2 fork 死锁

图 2 中，子进程在请求锁后，再也没有回应，进入死锁。

2.3 解决方案

初始的解决方案是在 fork 前先请求所有的锁，然后再 fork，另外我们希望 fork 完成后，再对所有锁进行解锁。看起来像下面这样（假设程序中只用了三个互斥量）：

pthread_mutex_lock(&lock1);pthread_mutex_lock(&lock2);pthread_mutex_lock(&lock3);pid = fork();pthread_mutex_unlock(&lock1);pthread_mutex_unlock(&lock2);pthread_mutex_unlock(&lock3);if (pid < 0) {  perror("fork");}else if (pid > 0) {  ...}else if (pid == 0) {  ...}

因此，我们将 pid = fork() 那一行改为下面三行：

pthread_mutex_lock(&lock);pid = fork();pthread_mutex_unlock(&lock);

其它的地方不变，重新编译运行，程序正常。

图2 将 fork 放入临界区，程序正常

实际上，linux 为我们提供一更加方便的机制，让我们不用每次 fork 的时候都自己加锁——atfork 函数。

关于 atfork 函数，在下一篇文章讨论，其实它所做的事，和我们的解决方案是差不多的。

3. 总结

• 理解 fork 导致的线程蒸发
• 理解 fork 死锁问题何时出现