Уильям Стивенс - UNIX: взаимодействие процессов

Структура flock описывает тип блокировки (чтение или запись) и блокируемый диапазон. Как и в 1 seek, начальный сдвиг представляет собой сдвиг относительно начала файла, текущего положения или конца файла, и интерпретируется в зависимости от значения поля l_whence (SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END).

Поле l_len указывает длину блокируемого диапазона. Значение 0 соответствует блокированию от l_start до конца файла. Существуют, таким образом, два способа заблокировать файл целиком:

1. Указать l_whence = SEEK_SET, l_start = 0 и l_len = 0.

2. Перейти к началу файла с помощью lseek, затем указать l_whence = SEEK_CUR, l_start = 0 и l_len = 0.

Чаще всего используется первый метод, поскольку он предусматривает единственный вызов (fcntl — см. также упражнение 9.10).

Блокировка может быть установлена либо на чтение, либо на запись, и для конкретного байта файла может быть задан только один тип блокировки. Более того, на конкретный байт может быть установлено несколько блокировок на чтение, но только одна блокировка на запись. Это соответствует тому, что говорилось о блокировках чтения-записи в предыдущей главе. Естественно, при попытке установить блокировку на чтение для файла, открытого только на запись, будет возвращена ошибка.

Все блокировки, установленные конкретным процессом, снимаются при закрытии дескриптора файла этим процессом и при завершении его работы. Блокировки не наследуются дочерним процессом при вызове fork.

ПРИМЕЧАНИЕ

Снятие блокировок при завершении процесса обеспечивается только для блокировок записей fcntl и (в качестве дополнительной возможности) для семафоров System V. Для других средств синхронизации (взаимных исключений, условных переменных, блокировок чтения-записи и семафоров Posix) автоматическое снятие при завершении процесса не предусматривается. Об этом мы говорили в конце раздела 7.7. 

Блокировка записей не должна использоваться со стандартной библиотекой ввода-вывода, поскольку функции из этой библиотеки осуществляют внутреннюю буферизацию. С заблокированными файлами следует использовать функции read и write, чтобы не возникало неожиданных проблем. 

Пример

Вернемся к нашему примеру из листинга 9.2 и перепишем функции my_lock и my_unlock из листинга 9.1 так, чтобы воспользоваться блокировкой записей Posix. Текст этих функций приведен в листинге 9.3.

//lock/lockfcntl.c

1  #include "unpipc.h"

2  void

3  my_lock(int fd)

4  {

5   struct flock lock;

6   lock.l_type = F_WRLCK;

7   lock.l_whence = SEEK_SET;

8   lock.l_start = 0;

9   lock.l_len = 0; /* блокирование всего файла на запись */

10  Fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);

11 }

12 void

13 my_unlock(int fd)

14 {

15  struct flock lock;

16  lock.l_type = F_UNLCK;

17  lock.l_whence = SEEK_SET;

18  lock.l_start = 0;

19  lock.l_len = 0; /* разблокирование всего файла */

20  Fcntl(fd. F_SETLK, &lock);

21 }

Обратите внимание, что мы устанавливаем блокировку на запись, что гарантирует единственность изменяющего данные процесса (см. упражнение 9.4). При получении блокировки мы используем команду F_SETLKW, чтобы приостановить выполнение процесса при невозможности установки блокировки.

ПРИМЕЧАНИЕ

Зная определение структуры flock, приведенное выше, мы могли бы проинициализировать структуру my_lock как

static struct flock lock = { F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0, 0 };

но это неверно. Posix определяет только обязательные поля структуры, а реализации могут менять их порядок и добавлять к ним дополнительные.

Мы не приводим результат работы пpoгрaммы, но она, судя по всему, работает правильно. Выполнение этой программы не дает возможности утверждать, что в ней нет ошибок. Если результат оказывается неправильным, то можно сказать с уверенностью, что что-то не так. Но успешное выполнение программы еще ни о чем не говорит. Ядро могло выполнить сначала одну программу, затем другую, и если они не выполнялись параллельно, мы не имеем возможности увидеть ошибку. Увеличить шансы обнаружения ошибки можно, изменив функцию main таким образом, чтобы последовательный номер увеличивался 10000 раз, и запустив 20 экземпляров программы одновременно. Если начальное значение последовательного номера в файле было 1, мы можем ожидать, что после завершения работы всех этих процессов мы увидим в файле число 200001.

Пример: упрощение с помощью макросов

В листинге 9.3 установка и снятие блокировки занимали шесть строк кода. Мы должны выделить место под структуру, инициализировать ее и затем вызвать fcntl. Программы можно упростить, если определить следующие семь макросов, которые взяты из раздела 12.3 [21]:

#define read_lock(fd, offset, whence, len)

 lock_reg(fd, F_SETLK, F_RDLCK, offset, whence, len)

#define readw_lock(fd, offset, whence, len)

 lock_reg(fd, F_SETLKW, F_RDlCK, offset, whence, len)

#define write_lock(fd, offset, whence, len)

 lock_reg(fd, F_SETLK, F_WRLCK, offset, whence, len)

#define writew_lock(fd, offset, whence, len)

 lock_reg(fd, F_SETLKW, F_WRLCK, offset, whence, len)

#define un_lock(fd, offset, whence, len)

 lock_reg(fd, F_SETLK, F_UNLCK, offset, whence, len)

#define is_read_lockable(fd, offset, whence, len)

 lock_test(fd, F_RDLCK, offset, whence, len)

#define is_write_lockable(fd, offset, whence, len)

 lock_test(fd, F_WRLCK, offset, whence, len)

Эти макросы используют наши функции lock_reg и lock_test, текст которых приведен в листингах 9.4 и 9.5. С ними нам уже не нужно заботиться об инициализации структур и вызове функций. Первые три аргумента специально сделаны совпадающими с первыми тремя аргументами функции lseek.

Мы также определяем две функции-обертки, Lock_reg и Lock_test, завершающие свое выполнение с возвратом ошибки fcntl, и семь макросов с именами, начинающимися с заглавной буквы, чтобы эти функции вызывать.

С помощью новых макросов мы можем записать функции my_lock и my_unlock из листинга 9.3 как

#define my_lock(fd) (Writew_lock(fd, 0, SEEK_SET, 0))

#define my_unlock(fd) (Un_lock(fd, 0, SEEK_SET, 0))

//lib/lock_reg.c

1  #include "unpipc.h"

2  int

3  lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)

4  {

5   struct flock lock;

6   lock.l_type = type; /* F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */

7   lock.l_start = offset; /* сдвиг по отношению к l_whence */

8   lock.l_whence = whence; /* SEEK SET. SEEK CUR, SEEK END */

9   lock.l_len = len; /* количество байтов (0 – до конца файла) */

10  return(fcnt(fd, cmd, &lock)"); /* –1 в случае ошибки */

11 }

//lib/lock_test.c

1  #include "unpipc.h"

2  pid_t

3  lock_test(int fd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)

4  {

5   struct flock lock;

6   lock.l_type = type; /* F_RDLCK or F_WRLCK */

7   lock.l_start = offset; /* сдвиг по отношению к l_whence */

8   lock.l_whence = whence; /* SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */

9                      lock.l_len = len; /* количество байтов. 0 – до конца файла */

10 if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == –1)

11 return(-1); /* непредвиденная ошибка */

12 if (lock.l_type == F_UNLCK)

13 return(0); /* false, область не заблокирована другим процессом */

14 return(lock.l_pid); /* true, возвращается положительный PID процесса. заблокировавшего ресурс */

15 }

9.4. Рекомендательная блокировка

Блокировка записей по стандарту Posix называется рекомендательной. Ядро хранит информацию обо всех заблокированных различными процессами файлах, но оно не предотвращает запись в заблокированный на чтение процесс. Ядро также не предотвращает чтение из файла, заблокированного на запись. Процесс может игнорировать рекомендательную блокировку (advisory lock) и действовать по своему усмотрению (если у него имеются соответствующие разрешения на чтение и запись).

Рекомендательные блокировки отлично подходят для сотрудничающих процессов (cooperating processes). Примером сотрудничающих процессов являются сетевые демоны: все они находятся под контролем системного администратора. Пока в файл, содержащий порядковый номер, запрещена запись, никакой процесс не сможет его изменить.

Пример: несотрудничающие процессы

Мы можем проиллюстрировать рекомендательный характер блокировок, запустив два экземпляра нашей программы, один из которых (lockfcntl) использует функции из листинга 9.3 и блокирует файл перед увеличением последовательного номера, а другой (locknone) использует функции из листинга 9.1 и не устанавливает никаких блокировок:

solaris % lockfcntl & locknone &

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 1