Разработка приложений в среде Linux. Второе издание

Троан Эрик В.

13.3.2. Блокировка записей

С целью преодоления проблем, присущих блокировочным файлам, в System V и BSD 4.3 была добавлена блокировка записей, реализуемая с помощью системных вызовов

lockf

и

flock

соответственно. Стандарт POSIX определил третий механизм для блокировки записей, который использует системный вызов

fcntl

. Хотя Linux поддерживает все три интерфейса, мы обсудим только интерфейс POSIX, поскольку сейчас его поддерживают почти все платформы Unix. Кроме того, функция

lockf

реализована как интерфейс для

fcntl

, поэтому оставшаяся часть данного обсуждения касается обоих методов.

Существуют два значительных отличия между блокировками записей и блокировочными файлами. Во-первых, блокировки записей

применяются к произвольной части файла. Например, процесс А может заблокировать байты с 50-го по 200-й файла, в то время как другой процесс блокирует байты с 2500-го по 3000-й без конфликта двух блокировок. Мелкомодульное блокирование полезно, когда нескольким процессам необходимо обновить один файл. Еще одно преимущество блокирования записей заключается в том, что блокировки удерживаются в ядре, а не в файловой системе. По окончании процесса все блокировки, которые он содержит, освобождаются.

Как и блокировочные файлы, блокировки POSIX также являются рекомендательными. Linux, как и System V, предоставляет обязательный вариант блокирования записей, который можно использовать, но нарушая при этом переносимость. Блокирование файлов может работать или не работать в сетевой файловой системе (NFS). В последних версиях Linux блокирование файлов работает в NFS, если на всех машинах, участвующих в блокировке, выполняется демон блокировки NFS

lockd

.

При блокировке записей используются два типа блокировок: блокировка чтения и блокировка записи. Блокировки чтения также известны как разделяемые блокировки, поскольку несколько процессов могут одновременно удерживать блокировки чтения на одной и той же области. Для нескольких процессов чтение структуры данных, которая не обновляется, безопасно всегда. Когда процессу необходимо записать файл, ему понадобится блокировка записи (или эксклюзивная блокировка). Только один процесс может удерживать блокировку на определенной записи, и пока блокировка записи существует, блокировки чтения не допускаются. Это гарантирует, что процесс не повлияет на модули чтения, пока будет осуществлять запись в область.

Множество блокировок одного процесса никогда не конфликтуют друг с другом [90] .

Если процесс имеет блокировку чтения на байтах 200—250 и пытается установить блокировку записи на байты 200–225, ему это удастся. Исходная блокировка смещается и становится блокировкой чтения на байтах 226–250, а новая блокировка записи устанавливается на байты 200–225 [91] . Это позволяет предотвратить взаимоблокировку одного процесса (хотя ситуация взаимоблокировки нескольких процессов по-прежнему возможна).

90

Эта ситуация более сложна для потоков. Многие ядра и библиотеки Linux рассматривают потоки как разные процессы, что увеличивает потенциал возникновения конфликтов файловых блокировок между потоками (а это не совместимо со стандартной моделью потоков POSIX). Linux предлагает более традиционную модель потоков, при которой файловые блокировки разделяются между всеми потоками одного процесса, но в многопоточных программах лучше применять потоковые механизмы блокировки POSIX, а не полагаться на поведение файловых блокировок.

91

Эта манипуляция блокировками происходит атомарно — не имеет значения, какая часть области разблокирована.

Блокирование записей POSIX осуществляется с помощью системного вызова

fcntl

. В главе 11 было показано, что

fcntl

выглядит следующим образом.

#include <fcntl.h>

int fcntl (int fd, int command, long arg);

Для всех операций блокировки третий параметр (

arg

) указывает на структуру

struct flock

, представленную ниже.

#include <fcntl.h>

struct flock {

 short l_type;

 short l_whence;

 off_t l_start;

 off_t l_len;

 pid_t l_pid;

};

Первый элемент,

l_type

, определяет

тип установленной блокировки.

F_RDLCK	Устанавливается блокировка чтения (разделяемая).
F_WRLCK	Устанавливается блокировка записи (эксклюзивная).
F_UNLCK	Снимается существующая блокировка.

Следующие два элемента,

l_whence

и

l_start

, определяют начало области тем же способом, что и файловые смещения, передаваемые в

lseek

.

l_whence

сообщает о способе интерпретации

l_start

и принимает одно из значений

SEEK_SET

,

SEEK_CUR

или

SEEK_END

; более подробно эти значения рассматривались в главе 11. Следующий элемент,

l_len

, сообщает размер блокировки в байтах. Если

l_len

равно 0, считается, что блокировка распространяется до конца файла. Последний элемент,

l_pid

, используется только тогда, когда запрашиваются блокировки. Он устанавливается в идентификатор процесса, владеющего запрашиваемой блокировкой.

Существуют три команды

fcntl

, относящиеся к блокировке файла. Они передаются

fcntl

во втором аргументе,

fcntl

возвращает

– 1

в случае ошибки и

0

 — в противном случае. Ниже перечислены допустимые значения параметра

command

.

F_SETLK	Устанавливает блокировку, описанную в arg . Если блокировку невозможно выдать из-за конфликта с блокировками других процессов, возвращается EAGAIN . Если l_type устанавливается в F_UNLCK , существующая блокировка снимается.
F_SETLKW	Подобно F_SETLK , но блокирует только при условии предоставления блокировки. Если сигнал поступает во время блокирования процесса, вызов fcntl возвращает EAGAIN .
F_GETLK	Проверяет возможность выдачи описанной в arg блокировки. Если блокировка предоставляется, содержимое struct flock не меняется, кроме l_type , который устанавливается в F_UNLCK . Если блокировка не выдается, l_pid устанавливается в идентификатор процесса, содержащего конфликтующую блокировку. Значение 0 возвращается независимо от того, будет ли предоставлена блокировка.

Хотя

F_GETLK

позволяет процессу проверить, будет ли выдана блокировка, следующий код все еще не сможет получить блокировку.

fcntl(fd, F_GETLK, &lockinfo);

if (lockinfо.l_type != F_UNLCK) {

 fprintf(stderr, "конфликт блокировок\n");

 return 1;

}

lockinfо.l_type = F_RDLCK;

fcntl(fd, F_SETLK, &lockinfo);

Другой процесс мог заблокировать область между двумя вызовами

fcntl

, приводя к тому, что второму вызову

fcntl

не удается установить блокировку.

В качестве простого примера блокировки записей ниже приведена программа, которая открывает файл, устанавливает на нем блокировку чтения, освобождает блокировку чтения, устанавливает блокировку записи и закрывается. В промежутках между каждым из этих шагов программа ожидает, пока пользователь нажмет клавишу <Enter>. Если получить блокировку не удается, программа отображает идентификатор процесса, содержащего конфликтующую блокировку, и запрашивает у пользователя о необходимости повторить попытку. Запуск этой программы на двух терминалах облегчит экспериментирование с правилами блокировок POSIX.