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极不和谐的 fork 多线程程序

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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)

最后引用讨论中, David Xu 的话 “POSIX这个问题一直是讨论的热门话题。而且双方立场很清楚,一方是使用者,另外一方是实现者,双方互相指责”


突然想到,lua / java 这些 VM 的实现,是不是可以利用 fork 来缓解 gc 造成的停滞呢?只需要在 gc 时,fork 一份出来做扫描。找到不被引用的垃圾,

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