多线程 fork

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多线程 fork


继续前几天的话题。做梦幻西游服务器优化的事情。以往的代码，定期存盘的工作分两个步骤，把 VM 里的动态数据序列化，然后把序列化后的数据写盘。这两个步骤，序列化工作并没有独立在单独线程/进程里做，而是放在主线程的。IO 部分则在一个独立进程中。
序列化任务是个繁琐的过程。非常耗时（相对于 MMORPG 这个需要对用户请求快速反应的环境）。当玩家同时在线人数升高时，一个简便的优化方法是把整个序列化任务分步完成，分摊到多个心跳内。这里虽然有一些数据一致性问题，但也有不同的手段解决。
但是，在线人数达到一定后，序列化过程依然会对系统性能造成较大影响。在做定期存盘时，玩家的输入反应速度明显变大。表现得是游戏服务器周期性的卡。为了缓解这一点，我希望改造系统，把序列化任务分离到独立进程去做。
方法倒是很简单，在定期存盘一刻，调用 fork ，然后在子进程中慢慢的做序列化工作。（可以考虑使用 nice）做完后，再把数据交到 IO 进程写盘。不过鉴于我们前期设计的问题，具体实现中，我需要通过共享内存把序列化结果交还父进程，由父进程送去 IO 进程。
因为 fork 会产生一个内存快照，所以甚至没有数据一致性问题。这应该是一个网络游戏用到的常见模式。
可问题就出在于，经过历史变迁，我们的服务器已经使用了多线程，这使得 fork 子进程的做法变的不那么可靠，需要自己推敲一下。
多进程的多线程程序，听起来多不靠谱。真是闲得淡疼的人才会做此设计。但依旧可以使用万能的推辞：历史造成的。
在 POSIX 标准中，fork 的行为是这样的：复制整个用户空间的数据（通常使用 copy-on-write 的策略，所以可以实现的速度很快）以及所有系统对象，然后仅复制当前线程到子进程。这里：所有父进程中别的线程，到了子进程中都是突然蒸发掉的。
其它线程的突然消失，是一切问题的根源。
我之前从未写过多进程多线程程序，不过公司里有 David Xu 同学（他实现维护着 FreeBSD 的线程库）是这方面的专家，今天跟徐同学讨论了一下午，终于觉得自己搞明白了其中的纠结。嗯，写点东西整理一下思路。
可能产生的最严重的问题是锁的问题。
因为为了性能，大部分系统的锁是实现在用户空间的。所以锁对象会因为 fork 复制到子进程中。
对于锁来说，从 OS 看，每个锁有一个所有者，即最后一次 lock 它的线程。
假设这么一个环境，在 fork 之前，有一个子线程 lock 了某个锁，获得了对锁的所有权。fork 以后，在子进程中，所有的额外线程都人间蒸发了。而锁却被正常复制了，在子进程看来，这个锁没有主人，所以没有任何人可以对它解锁。
当子进程想 lock 这个锁时，不再有任何手段可以解开了。程序发生死锁。
为何，POSIX 指定标准时，会定下这么一个显然不靠谱的规则？允许复制一个完全死掉的锁？答案是历史和性能。因为历史上，把锁实现在用户态是最方便的（今天依旧如此）。背后可能只需要一条原子操作指令即可。大多数 CPU 都支持的。fork 只管用户空间的复制，不会涉及其中的对象细节。
一般的惯例，多线程程序 fork 前，应该由发起 fork 的线程 lock 所有子进程可能用到的锁，fork 后，把它们一一 unlock 。当然，这样的做法就隐含了锁的次序。如果次序和平时不同，那么就会死锁。
不光是显式的使用锁，许多 CRT 函数也会间接的使用。比如 fprintf 这些文件操作。因为对 FILE * 的操作是依靠锁来达到线程安全的。最常见的问题是在子线程里调用 fprintf 写 log 。
除此之外，就是要小心一些不依赖锁的数据一致性问题了。比如若在父进程里另一个线程中操作一个链表，fork 发生时，因为其它线程的突然消失，这个链表就可能会因为只操作了一半而是不完整的数据。不过这一般不会是问题，或者可以归咎于对锁的处理。（多个线程，访问同一块数据。比如一条链表。就是需要加锁的）