Linux进程同步之记录锁(fcntl)
记录锁相当于线程同步中读写锁的一种扩展类型,可以用来对有亲缘或无亲缘关系的进程进行文件读与写的同步,通过fcntl函数来执行上锁操作。尽管读写锁也可以通过在共享内存区来进行进程的同步,但是fcntl记录上锁往往更容易使用,且效率更高。
记录锁的功能:当一个进程正在读或修改文件的某个部分是,它可以阻止其他进程修改同一文件区。对于这个功能阐述我认为有三点要解释的:
- 记录锁不仅仅可以用来同步不同进程对同一文件的操作,还可以通过对同一文件加记录锁,来同步不同进程对某一共享资源的访问,如共享内存,I/O设备。
- 对于劝告性上锁(POSIX定义的记录锁即是这种类型的锁),当一个进程通过上锁对文件进行操作时,它不能阻止另一个非协作进程对该文件的修改。
- 即使是强制性上锁(有些系统定义),也不能完全保证该文件不会被另一个进程修改。因为强制性锁对unlink函数没有影响,所以一个进程可以先删除该文件,然后再将修改后的内容保存为同一文件来实现修改。具体可参考《APUE》P367 。
1记录锁函数接口
记录上锁的POSIX接口函数fcntl如下:
- /* Do the file control operation described by CMD on FD.
- The remaining arguments are interpreted depending on CMD. */
- int fcntl (int __fd, int __cmd, ...);
- //根据cmd的不同有以下三种类型的调用
- int fcntl(int fd, int cmd);
- int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
- int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
由函数名称可知fcntl的功能是对文件的控制操作,根据传入不同的操作类型命令cmd,fcntl会执行不同的操作,fcnt根据cmd不同,接收可变的参数。具体有以下五种类型的操作:
- /*
- cmd = F_DUPFD,复制一个文件描述符;
- */
- int fcntl(int fd, int cmd);
- /*
- cmd = F_GETFD,获得文件描述符标志;
- cmd = F_SETFD,设置文件描述符标志;arg = 描述符标志的值,目前只定义了一个标志: FD_CLOEXEC
- int fcntl(int fd, int cmd);
- int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
- */
- /*
- cmd = F_GETFL,获得文件状态标志;
- cmd = F_SETFL,设置文件状态标志;arg = 状态标志的值
- int fcntl(int fd, int cmd);
- int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
- */
- /*
- cmd = F_GETOWN,获得当前接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID
- cmd = F_SETOWN,设置接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID;arg = 进程ID或进程组ID
- int fcntl(int fd, int cmd);
- int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
- */
- /*
- Return value:
- 对于成功的调用,根据操作类型cmd不同,有以下几种情况:
- F_DUPFD 返回新的文件描述符
- F_GETFD 返回文件描述符标志
- F_GETFL 返回文件状态标志
- F_GETOWN 进程ID或进程组ID
- All other commands 返回0
- 调用失败, 返回-1,并设置errno。
- */
上面四个功能都是fcntl提供的很常用的操作,关于记录锁的功能就是fcntl提供的第五个功能,具体使用如下:
- int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
- /*
- cmd = F_GETLK,测试能否建立一把锁
- cmd = F_SETLK,设置锁
- cmd = F_SETLKW, 阻塞设置一把锁
- */
- //POSIX只定义fock结构中必须有以下的数据成员,具体实现可以增加
- struct flock {
- short l_type; /* 锁的类型: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
- short l_whence; /* 加锁的起始位置:SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
- off_t l_start; /* 加锁的起始偏移,相对于l_whence */
- off_t l_len; /* 上锁的字节数,如果为0,表示从偏移处一直到文件的末尾*/
- pid_t l_pid; /* 已经占用锁的PID(只对F_GETLK 命令有效) */
- /*...*/
- };
- //Return value: 前面已经说明;
F_SETLK:获取(l_type为F_RDLCK或F_WRLCK)或释放由lock指向flock结构所描述的锁,如果无法获取锁时,该函数会立即返回一个EACCESS或EAGAIN错误,而不会阻塞。
F_SETLKW:F_SETLKW和F_SETLK的区别是,无法设置锁的时候,调用线程会阻塞到该锁能够授权位置。
F_GETLK:F_GETLK主要用来检测是否有某个已存在锁会妨碍将新锁授予调用进程,如果没有这样的锁,lock所指向的flock结构的l_type成员就会被置成F_UNLCK,否则已存在的锁的信息将会写入lock所指向的flock结构中
这里需要注意的是,用F_GETLK测试能否建立一把锁,然后接着用F_SETLK或F_SETLKW企图建立一把锁,由于这两者不是一个原子操作,所以不能保证两次fcntl之间不会有另外一个进程插入并建立一把相关的锁,从而使一开始的测试情况无效。所以一般不希望上锁时阻塞,会直接通过调用F_SETLK,并对返回结果进行测试,以判断是否成功建立所要求的锁。
2记录锁规则说明
前面我们说了记录锁相当于读写锁的一种扩展类型,记录锁和读写锁一样也有两种锁:共享读锁(F_RDLCK)和独占写锁(F_WRLCK)。在使用规则上和读写锁也基本一样:
- 文件给定字节区间,多个进程可以有一把共享读锁,即允许多个进程以读模式访问该字节区;
- 文件给定字节区间,只能有一个进程有一把独占写锁,即只允许有一个进程已写模式访问该字节区;
- 文件给定字节区间,如果有一把或多把读锁,不能在该字节区再加写锁,同样,如果有一把写锁,不能再该字节区再加任何读写锁。
如下表所示:
需要说明的是:上面所阐述的规则只适用于不同进程提出的锁请求,并不适用于单个进程提出的多个锁请求。即如果一个进程对一个文件区间已经有了一把锁,后来该进程又试图在同一文件区间再加一把锁,那么新锁将会覆盖老锁。
下面进行测试;第一个程序是在同一进程中测试能否在加写锁后,继续加读写锁。第二个程序是在在父进程中加写锁后,然后再子进程中测试能否继续加读写锁。
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- writew_lock(fd);
- cout<<lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;
- cout<<lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;
- unlock(fd);
- return 0;
- }
执行结果为:
- 0
- 0
表明同一进程可以对已加锁的同一文件区间,仍然能获得加锁权限;
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- writew_lock(fd);
- if (fork() == 0)
- {
- cout<<lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;
- cout<<lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;
- exit(0);
- }
- sleep(3);
- unlock(fd);
- return 0;
- }
执行结果为:
- 24791
- 24791
表明不同进程不能对已加写锁的同一文件区间,获得加锁权限;
还有就是:加锁时,该进程必须对该文件有相应的文件访问权限,即加读锁,该文件必须是读打开,加写锁时,该文件必须是写打开。
3记录锁的粒度
这里要提到两个概念:记录上锁和文件上锁。
记录上锁:对于UNIX系统而言,“记录”这一词是一种误用,因为UNIX系统内核根本没有使用文件记录这种概念,更适合的术语应该是字节范围锁,因为它锁住的只是文件的一个区域。用粒度来表示被锁住文件的字节数目。对于记录上锁,粒度最大是整个文件。
文件上锁:是记录上锁的一种特殊情况,即记录上锁的粒度是整个文件的大小。
之所以有文件上锁的概念是因为有些UNIX系统支持对整个文件上锁,但没有给文件内的字节范围上锁的能力。
4记录锁的隐含继承与释放
关于记录锁的继承和释放有三条规则,如下:
(1)锁与进程和文件两方面有关,体现在:
- 当一个进程终止时,它所建立的记录锁将全部释放;
- 当关闭一个文件描述符时,则进程通过该文件描述符引用的该文件上的任何一把锁都将被释放。
对于第一个方面,可以建立如下测试代码:
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- //process 1
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- writew_lock(fd);
- cout<<"process 1 get write lock..."<<endl;
- sleep(10);
- cout<<"process 1 exit..."<<endl;
- return 0;
- }
- //process 2
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- writew_lock(fd);
- cout<<"process 2 get write lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- return 0;
- }
先启动进程1,然后立即启动进程2,执行结果如下:
- process 1 get write lock...
- process 1 exit...
- process 2 get write lock...
对于第二个方面,可以进行如下测试:
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- if (fork() == 0)
- {
- int fd_1 = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- readw_lock(fd_1);
- cout<<"child get read lock..."<<endl;
- sleep(3);
- close(fd_1);
- cout<<"close the file descriptor..."<<endl;
- pause();
- }
- sleep(1);
- writew_lock(fd);
- cout<<"parent get write lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- return 0;
- }
程序的执行结果如下:
- child get read lock...
- close the file descriptor...
- parent get write lock...
可见,当关闭文件描述符时,与该文件描述符有关的锁都被释放,同样通过dup拷贝得到的文件描述符也会导致这种情况;
(2)由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁。即对于父进程建立的锁而言,子进程被视为另一个进程。记录锁本身就是用来同步不同进程对同一文件区进行操作,如果子进程继承了父进程的锁,那么父子进程就可以同时对同一文件区进行操作,这有违记录锁的规则,所以存在这么一条规则。
下面是测试代码(上面已经用过该代码进行测试):
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- writew_lock(fd);
- if (fork() == 0)
- {
- cout<<lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;
- cout<<lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;
- exit(0);
- }
- sleep(3);
- unlock(fd);
- return 0;
- }
我们知道在前面已经说过,同一个进程可以重复对同一个文件区间加锁,后加的锁将覆盖前面加的锁。那么再假设如果子进程继承了父进程的锁,那么子进程可以对该锁进行覆盖,那么在子进程内对该锁是否能获得权限的测试应该是可以,但测试结果为:
- 24791
- 24791
表明已经进程24791已经占用该锁,所以假设不成立,子进程不会继承父进程的锁;
(3)执行exec后,新程序可以继承原执行程序的锁。但是,如果一个文件描述符设置了close-on-exec标志,在执行exec时,会关闭该文件描述符,所以对应的锁也就被释放了,也就无所谓继承了。
5记录锁的读和写的优先级
在读写锁中,我曾经测试过Linux 2.6.18中提供的读写锁函数是优先考虑等待读模式占用锁的线程,这种实现的一个很大缺陷就是出现写入线程饿死的情况。 那么在记录锁中是什么样的规则呢,需要说明的是这在POSIX标准中是没有说明的,要看具体实现。
具体进行以下2个方面测试:
- 进程拥有读出锁,然后写入锁等待期间额外的读出锁处理;
- 进程拥有写入锁,那么等待的写入锁和等待的读出锁的优先级;
测试1:父进程获得对文件的读锁,然后子进程1请求加写锁,随即进入睡眠,然后子进程2请求读锁,看进程2是否能够获得读锁。
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- readw_lock(fd);
- //child 1
- if (fork() == 0)
- {
- cout<<"child 1 try to get write lock..."<<endl;
- writew_lock(fd);
- cout<<"child 1 get write lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- cout<<"child 1 release write lock..."<<endl;
- exit(0);
- }
- //child 2
- if (fork() == 0)
- {
- sleep(3);
- cout<<"child 2 try to get read lock..."<<endl;
- readw_lock(fd);
- cout<<"child 2 get read lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- cout<<"child 2 release read lock..."<<endl;
- exit(0);
- }
- sleep(10);
- unlock(fd);
- return 0;
- }
在Linux 2.6.18下执行结果如下:
- child 1 try to get write lock...
- child 2 try to get read lock...
- child 2 get read lock...
- child 2 release read lock...
- child 1 get write lock...
- child 1 release write lock...
可知在有写入进程等待的情况下,对于读出进程的请求,系统会一直给予的。那么这也就可能导致写入进程饿死的局面。
测试2:父进程获得写入锁,然后子进程1和子进程2分别请求获得写入锁和读写锁,看两者的响应顺序;
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- writew_lock(fd);
- //child 1
- if (fork() == 0)
- {
- sleep(3);
- cout<<"child 1 try to get write lock..."<<endl;
- writew_lock(fd);
- cout<<"child 1 get write lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- cout<<"child 1 release write lock..."<<endl;
- exit(0);
- }
- //child 2
- if (fork() == 0)
- {
- cout<<"child 2 try to get read lock..."<<endl;
- readw_lock(fd);
- cout<<"child 2 get read lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- cout<<"child 2 release read lock..."<<endl;
- exit(0);
- }
- sleep(10);
- unlock(fd);
- return 0;
- }
在Linux 2.6.18下执行结果:
- child 2 try to get read lock...
- child 1 try to get write lock...
- child 2 get read lock...
- child 2 release read lock...
- child 1 get write lock...
- child 1 release write lock...
将上面代码该成child2 sleep 3s,child1不sleep
- //调用的函数,在文章末尾贴出
- int main()
- {
- int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
- writew_lock(fd);
- //child 1
- if (fork() == 0)
- {
- cout<<"child 1 try to get write lock..."<<endl;
- writew_lock(fd);
- cout<<"child 1 get write lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- cout<<"child 1 release write lock..."<<endl;
- exit(0);
- }
- //child 2
- if (fork() == 0)
- {
- sleep(3);
- cout<<"child 2 try to get read lock..."<<endl;
- readw_lock(fd);
- cout<<"child 2 get read lock..."<<endl;
- unlock(fd);
- cout<<"child 2 release read lock..."<<endl;
- exit(0);
- }
- sleep(10);
- unlock(fd);
- return 0;
- }
在Linux 2.6.18下执行结果如下:
- child 1 try to get write lock...
- child 2 try to get read lock...
- child 1 get write lock...
- child 1 release write lock...
- child 2 get read lock...
- child 2 release read lock...
由上可知在Linux 2.6.18下,等待的写入锁进程和读出锁进程的优先级由FIFO的请求顺序进程响应。
6记录锁的使用封装
- void lock_init(flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
- {
- if (lock == NULL)
- return;
- lock->l_type = type;
- lock->l_whence = whence;
- lock->l_start = start;
- lock->l_len = len;
- }
- int readw_lock(int fd)
- {
- if (fd < 0)
- {
- return -1;
- }
- struct flock lock;
- lock_init(&lock, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0);
- if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
- {
- return -1;
- }
- return 0;
- }
- int writew_lock(int fd)
- {
- if (fd < 0)
- {
- return -1;
- }
- struct flock lock;
- lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);
- if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
- {
- return -1;
- }
- return 0;
- }
- int unlock(int fd)
- {
- if (fd < 0)
- {
- return -1;
- }
- struct flock lock;
- lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);
- if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
- {
- return -1;
- }
- return 0;
- }
- pid_t lock_test(int fd, short type, short whence, off_t start, off_t len)
- {
- flock lock;
- lock_init(&lock, type, whence, start, len);
- if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == -1)
- {
- return -1;
- }
- if(lock.l_type == F_UNLCK)
- return 0;
- return lock.l_pid;
- }
Jun 28, 2013 PM16:06 @lab 困呀。。。
原文:http://blog.csdn.net/anonymalias/article/details/9197641