Linux API. Исчерпывающее руководство

В [Stevens & Rago, 2005] утверждается: первая реализация блокировки файлов в UNIX датируется 1980 годом, а также отмечается, что вызов fcntl(), на котором мы сосредоточимся в этой главе, появился в 1984 году в System V Release 2.

В данной главе мы рассмотрим два разных программных интерфейса для блокировки файлов:

• вызов flock(), блокирующий весь файл целиком;

• вызов fcntl(), блокирующий отдельные участки файла.

Первый изначально появился в системе BSD, а второй — в System V.

Общий принцип использования этих вызовов выглядит следующим образом.

1. Блокировка файла.

2. Выполнение ввода/вывода.

3. Разблокировка файла, чтобы другой процесс мог его заблокировать.

Рис. 51.1. Два процесса одновременно обновляют файл без синхронизации

Обычно блокировка применяется в сочетании с вводом/вывод, но также можно применять ее в качестве средства синхронизации. Процессы могут соблюдать соглашение, в соответствии с которым частичная или полная блокировка файла сигнализирует о доступе процесса к какому-то другому общему ресурсу (например, к участку разделяемой памяти).

Сочетание блокировки файлов со стандартным вводом/выводом

Функции библиотеки stdio выполняют буферизацию в пользовательском пространстве, в связи с чем следует быть осторожными, применяя их вместе с методиками блокировки, описанными в данной главе. Дело в том, что буфер ввода может заполниться до создания блокировки, а буфер вывода может быть сброшен до ее удаления. Существует несколько способов, позволяющих избежать этих проблем:

• выполнять файловый ввод/вывод с помощью read() и write() (и аналогичных системных вызовов) вместо библиотеки stdio;

• сбрасывать поток stdio сразу же после создания блокировки, повторяя эту процедуру перед ее удалением;

• полностью отключить буферизацию ввода/вывода, используя вызов setbuf() или аналогичный (возможно, ценой ухудшения производительности).

Необязательная и строгая блокировка

В оставшейся части данной главы блокировка будет разделяться на необязательную и строгую. По умолчанию она является необязательной — другой процесс может ее просто проигнорировать. Чтобы такой подход как-то работал, процессы должны взаимодействовать, создавая блокировку до выполнения ввода/вывода. Для сравнения, система строгой блокировки заставляет процесс, выполняющий ввода/вывод, подчиняться чужим блокировкам. Мы еще вернемся к этому различию в разделе 51.4.

51.2. Блокировка файла с помощью вызова flock()

Вызов flock() является лишь подмножеством вызова fcntl(), но мы все равно остановимся на нем отдельно, поскольку он до сих пор используется в ряде приложений и имеет некоторые семантические отличия, касающиеся наследования и удаления блокировок.

#include

int flock(int fd, int operation);

Возвращает 0 при успешном завершении или -1 при ошибке

Системный вызов flock() блокирует весь файл целиком. Сам файл, который нужно заблокировать, передается аргументу fd в виде открытого дескриптора. Аргумент operation обозначает одну из операций: LOCK_SH, LOCK_EX или LOCK_UN (табл. 51.1).

По умолчанию вызов flock() блокируется, если другой процесс уже поместил несовместимую блокировку на заданный файл. Чтобы это предотвратить, можно применить к значениям аргумента operation побитовое ИЛИ (|). В таком случае, если другой процесс удерживает несовместимую блокировку для того же файла, то вызов flock() не заблокируется, а сразу же вернет -1 и укажет в переменной errno ошибку EWOULDBLOCK.

Таблица 51.1. Значения аргумента operation из вызова flock()

Значение — Описание

LOCK_SH — Применяет разделяемую блокировку к файлу, на который указывает fd

LOCK_EX — Применяет эксклюзивную блокировку к файлу, на который указывает fd

LOCK_UN — Разблокирует файл, на который указывает fd

LOCK_NB — Выполняет неблокирующий запрос блокировки

Разделяемую блокировку файла может одновременно удерживать неограниченное количество процессов. Для сравнения, эксклюзивную блокировку в любой отдельный момент времени может удерживать только один процесс (иными словами, это не дает другим процессам создавать любые блокировки — как разделяемые, так и эксклюзивные). В табл. 51.2 собраны правила совместимости для блокировок, созданных с помощью flock(). Предполагается, что процесс А первым разместил блокировку, а данные правила определяют, сможет ли затем процесс Б выполнить ее.

Таблица 51.2. Совместимость типов блокировки вызова flock()

Процесс А — Процесс Б

LOCK_SH — Да

LOCK_EX — Нет

LOCK_SH — Нет

LOCK_EX — Нет

Процесс может разместить эксклюзивную или разделяемую блокировку вне зависимости от режима доступа (чтение, запись или чтение + запись).