Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

Вы можете увидеть сотрудничество программ, применяющих этот механизм блокировки, написав программу-пример и запустив одновременно две ее копии (упражнение 7.8). В программе будет использован вызов функции getpid, с которой вы встречались в главе 4, она возвращает идентификатор процесса, уникальный номер для каждой выполняющейся в данный момент программы.

Упражнение 7.8. Совместная блокировка файлов

1. Далее приведен исходный код тестовой программы lock2.с.

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h> 

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <errno.h>

const char *lock_file = "/tmp/LCK.test2";

int main() {

 int file_desc;

 int tries = 10;

 while (--tries) {

  file_desc = open(lock_file, O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL, 0444);

  if (file_desc == -1) {

   printf("%d - Lock already presentn", getpid());

   sleep(3);

  } else {

2. Далее следует критическая секция:

   printf("%d — I have exclusive accessn", getpid());

   sleep(1);

   (void)close(file_desc);

   (void)unlink(lockfile);

3. В этом месте она заканчивается:

   sleep(2);

  }

 }

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Для выполнения программы вам сначала нужно выполнить следующую команду, чтобы убедиться в том, что файла не существует:

$ rm -f /tmp/LCK.test2

Затем с помощью приведенной далее команды запустите две копии программы:

$ ./lock2 & ./lock2

Она запускает одну копию программы в фоновом режиме, а вторую — как основную программу. Далее приведен вывод:

1284 — I have exclusive access

1283 — Lock already present

1283 — I have exclusive access

1284 — Lock already present

1284 — I have exclusive access

1283 — Lock already present

1283 — I have exclusive access

1284 — Lock already present

1284 — I have exclusive access

1283 — Lock already present

1283 — I have exclusive access

1284 — Lock already present

1284 — I have exclusive access

1283 — Lock already present

1283 — I have exclusive access

1284 — Lock already present

1284 — I have exclusive access

1283 — Lock already present

1283 — I have exclusive access

1284 — Lock already present

В приведенном примере показано, как взаимодействуют две выполняющиеся копии одной и той же программы. Если вы попробуете выполнить данный пример, то почти наверняка увидите другие идентификаторы процессов в выводе, но поведение программ будет тем же самым.

Как это работает

Для демонстрации вы 10 раз выполняете в программе цикл с помощью оператора while. Затем программа пытается получить доступ к дефицитному ресурсу, создав уникальный файл с блокировкой /tmp/LCK.test2. Если эта попытка терпит неудачу из-за того, что файл уже существует, программа ждет короткий промежуток времени и затем снова пытается создать файл. Если ей это удается, она получает доступ к ресурсу и в части программы, помеченной как "критическая секция", выполняет любую обработку, требующую исключительных прав доступа.

Поскольку это всего лишь пример, вы ждете очень короткий промежуток времени. Когда программа завершает использование ресурса, она снимает блокировку, удаляя файл с блокировкой. Далее она может выполнить другую обработку (в данном случае это просто функция sleep) прежде, чем попытаться возобновить блокировку. Файлы с блокировкой действуют как двоичный семафор, давая программе ответ "да" или "нет" на вопрос: "Могу ли я использовать ресурс?". В главе 14 вы узнаете больше о семафорах.

Примечание

Важно уяснить, что это совместное мероприятие, и вы должны корректно писать программы для его работы. Программа, потерпевшая неудачу в создании файла с блокировкой, не может просто удалить файл и попробовать снова, Возможно, в дальнейшем она сумеет создать файл с блокировкой, но у другой программы, уже создавшей такой файл, нет способа узнать о том, что она лишилась исключительного доступа к ресурсу.

Блокировка участков файла

Создание файлов с блокировкой подходит для управления исключительным доступом к ресурсам, таким как последовательные порты или редко используемые файлы, но этот способ не годится для доступа к большим совместно используемым файлам. Предположим, что у вас есть большой файл, написанный одной программой и одновременно обновляемый многими программами. Такая ситуация может возникнуть, если программа записывает какие-то данные, получаемые непрерывно или в течение длительного периода, и обрабатывает их с помощью нескольких разных программ. Обрабатывающие программы не могут ждать, пока программа, записывающая данные, завершится — она работает постоянно, поэтому программам нужен какой-то способ кооперации для обеспечения одновременного доступа к одному и тому же файлу.

Урегулировать эту ситуацию можно, блокируя участки файла. При этом конкретная часть файла блокируется, но другие программы могут иметь доступ к другим участкам файла. Это называется блокировкой сегментов или участков файла. У системы Linux есть (как минимум) два способа сделать это: с помощью системного вызова fcntl или системного вызова lockf. Мы рассмотрим интерфейс fcntl, поскольку он наиболее часто применяется. Интерфейс lockf в основном аналогичен, и в ОС Linux он используется как альтернативный интерфейсу fcntl. Однако блокирующие механизмы fcntl и lockf не работают вместе: у них разные низкоуровневые реализации. Поэтому никогда не следует смешивать вызовы этих двух типов; выберите один или другой.

Вы встречали вызов fcntl в главе 3. У него следующее определение:

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fildes, int command, ...);

Системный вызов fcntl оперирует открытыми дескрипторами файлов и, в зависимости от параметра command, может выполнять разные задачи. Для блокировки файлов интересны три приведенные далее возможные значения параметра command:

□ F_GETLK;

□ F_SETLK;

□ F_SETLKW.

Когда вы используете эти варианты, третий аргумент в вызове должен быть указателем на структуру struct flock, поэтому на самом деле прототип вызова выглядит следующим образом:

int fcntl(int fildes, int command, struct flock *flock_structure);

Структура flock (он англ. file lock) зависит от конкретной реализации, но, как минимум, она будет содержать следующие элементы:

□ short l_type;

□ short l_whence;

□ off_t l_start;

□ off_t l_len;

□ pid_t l_pid.

Элемент l_type принимает одно из нескольких значений (табл. 7.1), определенных в файле fcntl.h.

Таблица 7.1.

Значение Описание F_RDLCK Разделяемая или совместная блокировка (блокировка на чтение). У разных процессов может быть разделяемая блокировка одних и тех же (или перекрывающихся) участков файла. Если у какого-либо процесса есть разделяемая блокировка, ни один процесс не сможет установить исключительную блокировку этого участка. Для получения совместной блокировки файл должен быть открыт с правом на чтение или на чтение/запись F_UNLCK Разблокировать. Применяется для снятия блокировок F_WRLCK Исключительная блокировка (или блокировка на запись). Только один процесс может установить исключительную блокировку на любой конкретный участок файла. После того как процесс установил такую блокировку, никакой другой процесс не сможет установить блокировку любого типа на этот участок файла. Для установки исключительной блокировки файл должен быть открыт с правом на запись или на чтение/запись

Элементы l_whence, l_start и l_len определяют участок файла, непрерывную область в байтах. Элемент l_whence должен задаваться одним из следующих значений: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END (из файла unistd.h). Они соответствуют началу, текущей позиции или концу файла соответственно. Элемент l_whence задает смещение для первого байта участка файла, определенного элементом l_start. Обычно оно задается константой SEEK_SET, поэтому l_start отсчитывается от начала файла. Параметр l_len содержит количество байтов в участке файла.

Параметр l_pid применяется для указания процесса, установившего блокировку; см. следующее далее описание значения F_GETLK параметра command.

Для каждого байта в файле может быть установлена блокировка только одного типа в каждый конкретный момент времени и может быть либо разделяемой блокировкой, либо исключительной или блокировка может отсутствовать. Для системного вызова fcntl существует совсем немного комбинаций значений команд и вариантов, поэтому рассмотрим их все по очереди.