UNIX: взаимодействие процессов - Уильям Стивенс

solaris % lockfcntl & locknone &

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 1

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 2

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 3

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 4

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 5

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 6

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 7

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 8

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 9

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 10

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 11

locknone: pid = 18817, seq# = 11

locknone: pid = 18817, seq# = 12

locknone: pid = 18817, seq# = 13

locknone: pid = 18817, seq# = 14

locknone: pid = 18817, seq# = 15

locknone: pid = 18817, seq# = 16

locknone: pid = 18817, seq# = 17

locknone: pid = 18817, seq# = 18

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 12

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 13

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 14

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 15

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 16

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 17

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 18

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 19

lockfcntl: pid = 18816, seq# = 20

locknone: pid = 18817, seq# = 19

locknone: pid = 18817, seq# = 20

locknone: pid = 18817, seq# = 21

locknone: pid = 18817, seq# = 22

locknone: pid = 18817, seq# = 23

locknone: pid = 18817, seq# = 24

locknone: pid = 18817, seq# = 25

locknone: pid = 18817, seq# = 26

locknone: pid = 18817, seq# = 27

locknone: pid = 18817, seq# = 28

locknone: pid = 18817, seq# = 29

locknone: pid = 18817, seq# = 30

Программа lockfcntl запускается первой, но в тот момент, когда она выполняет три действия для увеличения порядкового номера с 11 до 12 (в этот момент файл заблокирован), ядро переключается на второй процесс и запускает пpoгрaмму locknone. Этот процесс считывает значение 11 из файла с порядковым номером и использует его. Рекомендательная блокировка, установленная для этого файла пpoгрaммoй lockfcntl, никак не влияет на работу программы locknone.

9.5. Обязательная блокировка

Некоторые системы предоставляют возможность установки блокировки другого типа — обязательной (mandatory locking). В этом случае ядро проверяет все вызовы read и write, блокируя их при необходимости. Если для дескриптора установлен флаг O_NONBLOCK, вызов read или write, конфликтующий с установленной блокировкой, вернет ошибку EAGAIN. Если флаг O_NONBLOCK не установлен, выполнение процесса в такой ситуации будет отложено до тех пор, пока ресурс не освободится.

ПРИМЕЧАНИЕ

Стандарты Posix.1 и Unix 98 определяют только рекомендательную блокировку. Во многих реализациях, производных от System V, имеется возможность установки как рекомендательной, так и обязательной блокировки. Обязательная блокировка записей впервые появилась в System V Release 3.

Для установки обязательной блокировки какого-либо файла требуется выполнение двух условий:

■ бит group-execute должен быть снят;

■ бит set-group–ID должен быть установлен.

Обратите внимание, что установка бита set-user– ID без установки user-execute смысла не имеет; аналогично и с битами set-group-ID и group-execute. Таким образом, добавление возможности обязательной блокировки никак не повлияло на работу используемого программного обеспечения. Не потребовалось и добавлять новые системные вызовы.

В системах, поддерживающих обязательную блокировку записей, команда ls просматривает файлы на наличие указанной специальной комбинации битов и выводит буквы l или L, указывающие на то, что для данного файла включена обязательная блокировка. Аналогично команда chmod принимает аргумент l, позволяющий включить для указанного файла обязательную блокировку.

Пример

На первый взгляд, использование обязательной блокировки должно решить проблему с несотрудничающими процессами, поскольку все операции чтения и записи будут приостановлены до снятия блокировки. К сожалению, проблемы с одновременными обращениями к ресурсу являются гораздо более сложными, чем кажется, что мы можем легко продемонстрировать.

Чтобы использовать в нашем примере обязательную блокировку, изменим биты разрешений файла seqno. Кроме того, мы будем использовать новую версию функции main, которая принимает количество проходов цикла for в качестве аргумента командной строки (вместо использования константы 20) и не вызывает printf при каждом проходе цикла:

solaris % cat > seqno    инициализируем файл единицей

1

^D                      конец файла

solaris % ls –l seqno

-rw-r--r-- 1 rstevens other1 2 Oct 7 11:24 seqno

solaris % chmod +l seqno включение обязательной блокировки

solaris % ls -l seqno

-rq-r-lr-- 1 rstevens other1 2 Oct 7 11:24 seqno

Теперь запустим две программы в качестве фоновых процессов: loopfcntl использует блокировку записей fcntl, а loopnone не использует блокировку вовсе. 

Укажем в командной строке аргумента 10000 — количество последовательных увеличений порядкового номера.

solaris % loopfcntl 10000 & loopnone 10000 & запуск фоновых процессов

solaris % wait                                   ожидание их завершения

solaris % cat seqno                             вывод последовательного номера

14378                                            ошибка, должно быть 20001

Рис. 9.1. Временная диаграмма работы программ loopfcntl и loopnone

Каждый раз при выполнении этих программ результат будет между 14000 и 16000. Если бы блокировка работала так как надо, он всегда был бы равен 20001. Чтобы понять, где же возникает ошибка, нарисуем временную диaгрaммy выполнения процессов, изображенную на рис. 9.1. 

Предположим, что loopfcntl запускается первой и выполняет первые восемь действий, изображенных на рисунке. Затем ядро передает управление другому процессу в тот момент, когда установлена блокировка на файл с порядковым номером. Запускается процесс loopnone, но он блокируется в первом вызове read, потому что на файл, который он пытается читать, установлена обязательная блокировка. Затем ядро передает управление первому процессу, который выполняет шаги 13-15. Пока все работает именно так, как мы предполагали, — ядро защищает файл от чтения несотрудничающим процессом, когда этот файл заблокирован.

Дальше ядро передает управление программе loopnone, которая выполняет шаги 17-23. Вызовы read и write разрешены, поскольку файл был разблокирован на шаге 15. Проблема возникает в тот момент, когда программа считывает значение 5 на шаге 23, а ядро в этот момент передает управление другому процессу. Он устанавливает блокировку и также считывает значение 5. Затем он дважды увеличивает это значение (получается 7), и управление передается loopnone на шаге 36. Однако эта программа записывает в файл значение 6. Так и возникает ошибка.

На этом примере мы видим, что обязательная блокировка предотвращает доступ к заблокированному файлу (шаг 11), но это не решает проблему. Проблема заключается в том, что левый процесс (на рисунке) может обновить содержимое файла (шаги 25-34) в тот момент, когда процесс справа также находится в состоянии обновления данных (шаги 23, 36 и 37). Если файл обновляется несколькими процессами, все они должны сотрудничать, используя некоторую форму блокировки. Один неподчиняющийся процесс может все разрушить.

9.6. Приоритет чтения и записи

В нашей реализации блокировок чтения-записи в разделе 8.4 приоритет предоставлялся ожидающим записи процессам. Теперь мы изучим детали возможного решения задачи читателей и писателей с помощью блокировки записей fcntl. Хочется узнать, как обрабатываются накапливающиеся запросы на блокировку, когда ресурс уже заблокирован. Стандарт Posix этого никак не оговаривает.

Пример: блокировка на чтение при наличии в очереди блокировки на запись

Первый вопрос, на который мы попытаемся найти ответ, звучит так: если ресурс заблокирован на чтение и какой-то процесс послал запрос на установление блокировки на запись, будет ли при этом разрешена установка еще одной блокировки на чтение? Некоторые решения задачи читателей и писателей не разрешают установки еще одной блокировки на чтение в случае, если есть ожидающий своей очереди пишущий процесс, поскольку если бы разрешалось непрерывное подключение считывающих процессов, запрос на запись, возможно, никогда бы не был удовлетворен.

Чтобы проверить, как эта ситуация разрешится при использовании блокировки записей fcntl, напишем тестовую программу, устанавливающую блокировку на чтение для всего файла и затем порождающую два процесса с помощью fork. 

Первый из них пытается установить блокировку на запись (и блокируется, поскольку родительский процесс установил блокировку на чтение для всего файла), а второй процесс секунду спустя пытается получить блокировку на чтение. Временная диаграмма этих запросов изображена на рис. 9.2, а в листинге 9.6 приведен текст нашей программы.