Tutta colpa della fork – come usare la fork(2) in multithreading in C (e C++)

albergatore: Lui mi sembra una persona in gamba, intelligente, per bene... dice sempre buongiorno e buonasera... sempre buongiorno e buonasera... però... boh..
Romeo: Come boh?
albergatore: No per carità, mica per dirne male, per l'amor di Dio... uno che dice sempre buongiorno e buonasera... però... boh.

Il dialogo surreale qui sopra è tratto dal bel Tutta colpa del Paradiso del compianto Francesco Nuti. Un dialogo che rappresenta l’incertezza nel giudicare persone e cose, e che ci aiuta a introdurre il tema del giorno: la fork(2) che è una system call veramente classica, preziosa e indispensabile dei sistemi POSIX (e di cui abbiamo parlato qui e non solo) si può sempre usare “come se niente fosse” o bisogna usarla con cautela? Uhmm… vediamolo!

Allora, tanto per tagliare subito la testa al toro possiamo dire che la fork(2) in un “programma normale” è affidabile al 100%, e ci mancherebbe solo: è una system call che esiste da sempre su UNIX (e, dopo, anche su Linux e in tutta la famiglia POSIX) ed è alla base della scrittura delle applicazioni multiprocess.

Ma cosa si intende per “programma normale”  ? Ecco, direi che in questo caso si intende una applicazione singlethread: la fork(2) risale a una delle primissime versioni di UNIX: la V1 (detta anche UNIX First Edition, 1971) ed è stata poi standardizzata nel primo standard POSIX 1003.1-1988. Internamente la fork(2) ha avuto varie evoluzioni: su Linux, ad esempio, è implementata internamente tramite una chiamata alla system call clone(2), ma alla fin fine rimane sempre e comunque la cara, vecchia e affidabile fork(2). Il multithreading è apparso su UNIX ben più tardi, ed è stato standardizzato, poi, con POSIX 1003.1c-1995, e i (presunti) problemi della fork(2), come vedremo più avanti, sono cominciati lì…

E come si usa la fork(2)? Come detto sopra ne abbiamo già parlato, comunque vi propongo, di seguito, uno degli esempi più classici di fork + exec + wait.  Vai col codice!

// testfork.c - test della fork(2)
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h> // funzione main()
int main(int argc, char* argv[])
{ // eseguo la fork() pid_t pid = fork(); if (pid == 0) { // sono il figlio: eseguo il comando "ls ./testfork" char *pathname = "/usr/bin/ls"; char *newargv[] = { "ls", "./testfork", NULL }; execv(pathname, newargv); exit(EXIT_FAILURE); // exec non ritorna mai } else if (pid > 0) { // sono il padre: attendo l'uscita del figlio int status; waitpid(pid, &status, 0); exit(EXIT_SUCCESS); } else { // errore fork() printf("error: }
}

E non credo che ci sia nulla da aggiungere su questo codice chiaro (spero) e ben commentato (o meglio: rileggetevi gli articoli citati sopra, grazie).

Ma veniamo al nocciolo della questione: come siamo messi col multithreading mischiato col multiprocessing? Ecco, prima di impazzire cercando articoli e riferimenti sull’argomento (spinoso, devo dire) e/o scrivere test complicati, è meglio dare un occhiatina al manuale, che è sempre la fonte primaria e più completa di informazioni. La pagina ufficiale del The Linux man-pages project, System Calls Manual – fork(2) dice:

After a fork() in a multithreaded program, the child can
safely call only async-signal-safe functions (see
signal-safety(7)) until such time as it calls execve(2).

e, per completare il quadro, vediamo anche cosa dice il POSIX Programmer’s Manual – FORK(3P):

A process shall be created with a single thread. If a multi-
threaded process calls fork(), the new process shall contain
a replica of the calling thread and its entire address space,
possibly including the states of mutexes and other resources.
Consequently, to avoid errors, the child process may only
execute async-signal-safe operations until such time as one
of the exec functions is called.

Ok, sembra che qualche problemino c’è…

In pratica cosa succede? Succede che se un programma multithread chiama la fork(2), si crea, come previsto, un processo figlio che è una copia esatta del processo padre (un clone: non per nulla su Linux, come visto sopra, la fork(2) usa internamente la system call clone(2)), ma il nuovo processo è singlethread, ed è una copia del thread in cui è stata invocata la fork(2). Infatti, sempre nel manuale di Linux troviamo:

The child process is created with a single thread—the one that
called fork(). The entire virtual address space of the parent
is replicated in the child, including the states of mutexes,
condition variables, and other pthreads objects; the use of
pthread_atfork(3) may be helpful for dealing with problems
that this can cause.

E quindi, alla fine della fiera, il problema principale risiede nelle race-conditions dovute a eventuali mutex (o altri tipi di lock) che risiedono, contemporaneamente, nei processi padre e figlio, il che crea la possibilità che si verifichino strani blocchi. E, se vogliamo completare il discorso, bisogna aggiungere che anche la gestione dei segnali diretti al nostro processo padre diventa problematica, visto che dopo avere eseguito fork(2) abbiamo in circolazione anche un figlio-clone.

Ma come si risolve tutto questo? Beh, negli estratti dei manuali appena presentati si raccomanda di usare nel processo figlio, prima di una eventuale exec(3), solo funzioni della famiglia async-signal-safe; queste sembrano tante ma… non fatevi ingannare, in realtà sono pochissime! Pensate che, tra le tante cose assenti, c’è tutto stdio, inclusa la printf(3)! E non si può neanche manipolare la memoria con malloc(3) e free(3)! E non si può neanche registrare un problema con syslog(3) visto che usa dei mutex (un grazie al collega Xavier P. per avermelo fatto notare). È un bel problema… In parallelo alla raccomandazione precedente si può, poi, usare pthread_atfork(3), ma con molta cautela, perché è possibile dimenticarsi qualche dettaglio visto che non è una soluzione molto semplice da realizzare.

E quali sono i sintomi tipici di “qualcosa è andato male nella fork + exec” ? Direi che l’evento più probabile è che la exec(3) non si esegua perché il child process si è bloccato a causa di un lock ereditato dal padre: in questo caso, usando semplicemente il comando ps, si noterà che abbiamo due processi con lo stesso nome, padre e figlio, con il figlio che non è stato (ahimè) sostituito da un altro programma tramite la exec(3).

Credo che a questo punto sia il caso di mostrare una piccola guida riassuntiva di come procedere quando non si può fare a meno di usare la fork(2) in un programma multithread (applicherò, semplicemente, le avvertenze dei manuali). E quindi: la fork(2) si usa senza paura anche in multitreading (io l’ho fatto molte volte) ma seguendo il seguente schema numerato in ordine di importanza:

1. Se possibile usate sempre la sequenza fork + exec + wait, ed eseguite exec(2) immediatamente dopo la fork(2) senza mettere praticamente nulla in mezzo (esattamente come nell’esempio mostrato più sopra): la exec(2) cancella tutti gli (eventuali) lock in comune tra padre e figlio e il problema è risolto alla radice. Notare che POSIX mette addirittura a disposizione una funzione, la posix_spawn(3), che esegue fork + exec in un passaggio solo, ed è quindi intrinsecamente sicura, ma non è semplicissima da usare (bene).
2. Se proprio non potete eseguire immediatamente exec(2), prima di eseguirla dovete avere l’accortezza di usare solo funzioni di tipo async-signal-safe, e ricordate: non potete usare neanche la “innocua” printf(3), per cui dovrete arrangiarvi con la write(2).
3. Se proprio non dovete eseguire exec(2), riducete al minimo il codice del processo figlio (usando solo funzioni di tipo async-signal-safe) e uscite quanto prima usando _exit(2) (e non exit(3)!). Non chiamate altre funzioni del programma, a meno che non siate sicuri al 10
4. Se proprio siete in una situazione “speciale” (non compresa nei tre punti precedenti) usate, con molta attenzione, pthread_atfork(3), che è l’ultima risorsa disponibile.

E per oggi può bastare. Spero di aver contribuito a sfatare alcuni (falsi) miti sulla problematicità della fork(2), una system call storica e indispensabile, e che funziona benissimo… ma bisogna saperla usare. Immagino che molti di voi saranno già in pieno assetto pre-festivo, e invasi dallo Spirito Natalizio (beh, io si). Quindi vi lascerò in pace per un po’:  Buon Natale e Buon Anno a tutti!

Ciao, e al prossimo post!

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