克隆系统调用和互斥

Question

我正在尝试使用克隆系统调用和一个由 2 个线程共享的递增计数器的小示例进行练习。代码如下：

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>

#include "error.h"

/*------------------------- Mutual exclusion ------------------------------*/

void EnterCZ()

{
   if (sched_setscheduler(getpid(), SCHED_FIFO, &(struct sched_param) { .sched_priority = 1 }) == -1)
      SysError("EntrarZC:sched_setscheduler");
}

void ExitCZ()
{
   if (sched_setscheduler(getpid(), SCHED_OTHER, &(struct sched_param) { .sched_priority = 0 }) == -1)
      SysError("SalirZC:sched_setscheduler");
}

/*-------------------------------------------------------------------------*/

#define STACK_SIZE 65536
#define N 100000

int main(int argc, char *argv[])
{
   int n = 0;
   char *stack;

   int Child(void *args) {
      int i, temp;

      for (i = 0; i < N; i++) {
         EnterCZ();
         temp = n;
         temp++;
         n = temp;
         ExitCZ();
      }
      return 0;
   }

   printf("initial n = %d\n", n);

   if ((stack = malloc(STACK_SIZE)) == NULL)
      RTError("main:malloc");
   if (clone(Child, stack + STACK_SIZE, SIGCHLD | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND | CLONE_VM, NULL) == -1)
      SysError("main:clone");
   if ((stack = malloc(STACK_SIZE)) == NULL)
      RTError("main:malloc");
   if (clone(Child, stack + STACK_SIZE, SIGCHLD | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND | CLONE_VM, NULL) == -1)
      SysError("main:clone");

   while (wait(NULL) != -1) ;

   printf("final n = %d\n", n);

   return 0;
}

执行结果为：

initial n = 0
final n = 199999

应该是200000，所以通过提高优先级的方式进行互斥失败，为什么？

Answer 1

这里有几个问题：

• 多个 SCHED_FIFO 进程可以同时在多个 CPU 上运行。
• 如果 SCHED_FIFO 进程超过 RLIMIT_RTTIME 软/硬限制，则可能/将会被终止。
• 没有什么可以阻止编译器对指令进行重新排序。
• 没有什么可以阻止 CPU 对指令进行重新排序。

Answer 2

根据clone()的手册页，堆栈应指向分配的内存中的最后一个地址。您对“stack + STACK_SIZE”的引用实际上超出了分配的内存。

Answer 3

clone() 系统调用（特别是 CLONE_VM 标志）不适合由创建线程的应用程序程序员直接使用。它是一个低级接口，旨在供库作者创建完整的线程实现。类似地，这些线程的同步原语可以构建在低级 futex() 系统调用之上，但这同样不适合应用程序程序员直接使用。

相反，您应该使用 pthreads。在pthreads下，使用pthread_create()而不是clone()； pthread_join() 而不是 wait()；和 pthread_mutex_lock() / pthread_mutex_unlock() 来保护关键部分。程序的 pthreads 版本如下所示：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

#include "error.h"

/*-------------------------------------------------------------------------*/

#define N 100000

int main(int argc, char *argv[])
{
   int n = 0;
   pthread_mutex_t n_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
   pthread_t child1, child2;

   void *Child(void *args) {
      int i, temp;

      for (i = 0; i < N; i++) {
         pthread_mutex_lock(&n_lock);
         temp = n;
         temp++;
         n = temp;
         pthread_mutex_unlock(&n_lock);
      }
      return 0;
   }

   printf("initial n = %d\n", n);

   if (pthread_create(&child1, NULL, Child, NULL) != 0)
      SysError("main:pthread_create");
   if (pthread_create(&child2, NULL, Child, NULL) != 0)
      SysError("main:pthread_create");

   pthread_join(child1, NULL);
   pthread_join(child2, NULL);

   printf("final n = %d\n", n);

   return 0;
}

使用 -pthread 标志编译到 gcc。

Answer 4

首先，感谢大家的指点、见解和想法，我总是向你们学习。
作为一项学术练习，我试图通过提高优先级来保证互斥，显然，这仅适用于单处理器。

正如 ninjalj 指出的那样，如果“多个 SCHED_FIFO 进程可以在多个 CPU 上同时运行”，则该代码将无法工作。

使该代码工作的解决方案就是仅在一个 CPU 上运行可执行文件：

...$taskset -c 0 puerta-clone

效果很好，问候