UNIX: взаимодействие процессов - Уильям Стивенс

5  {

6   int pidfd;

7   char line[MAXLINE];

8   /* открытие или создание файла с идентификатором процесса */

9   pidfd = Open(PATH_PIDFILE, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);

10  /* попытка блокирования всего файла на запись */

11  if (write_lock(pidfd, 0, SEEK_SET, 0) < 0) {

12   if (errno == EACCES || errno == EAGAIN)

13    err_quit("unable to lock %s, is %s already running?",

14     PATH_PIDFILE, argv[0]);

15   else

16    err_sys("unable to lock %s", PATH_PIDFILE):

17  }

18  /* запись идентификатора: файл остается открытым, чтобы он был заблокирован */

19  snprintf(line, sizeof(line), "%ldn", (long) getpid());

20  Ftruncate(pidfd, 0);

21  Write(pidfd, line, strlen(line));

22  /* основной текст программы демона… */

23  pause();

24 }

Открытие и блокирование файла

8-17 Демон создает однострочный файл, в который записывает свой идентификатор процесса. Этот файл открывается или создается, а затем делается попытка Заблокировать его на запись целиком. Если блокировку установить не удается, мы понимаем, что один экземпляр демона уже запущен, поэтому выводится сообщение об ошибке и программа завершает работу.

ПРИМЕЧАНИЕ

Во многих версиях Unix демоны записывают свои идентификаторы в файл. Solaris 2.6 хранит подобные файлы в каталоге /etc, a Digital Unix 4.0B и BSD/OS — в каталоге /var/run.

Запись идентификатора процесса в файл

18-21 Мы укорачиваем файл до 0 байт, а затем записываем в него строку с нашим идентификатором. Причина, по которой нужно укорачивать файл, заключается в том, что у предыдущего экземпляра демона идентификатор мог быть представлен более длинным числом, чем у данного, поэтому в результате в файле может образоваться смесь двух идентификаторов.

Вот результат работы программы из листинга 9.8:

solaris % onedaemon&   запускаем первый экземпляр

[1] 22388

solaris % cat pidfile проверяем идентификатор

22388

solaris % onedaemon   пытаемся запустить второй экземпляр

unable to lock pidfile, is onedaemon already running?

Существуют и другие способы предотвращения запуска нескольких экземпляров демонов, например семафоры. Преимущество данного метода в том, что многим демонам и так приходится записывать в файл свои идентификаторы, а при досрочном завершении работы демона блокировка с файла снимается автоматически.

9.8. Блокирование файлов

Стандарт Posix.1 гарантирует, что если функция open вызывается с флагами O_CREAT (создать файл, если он еще не существует) и O_EXCL (исключающее открытие), функция возвращает ошибку, если файл уже существует. Более того, проверка существования файла и его создание (если он еще не существует) должны представлять собой атомарную по отношению к другим процессам операцию. Следовательно, мы можем использовать создаваемый таким методом файл как блокировку. Можно быть уверенным, что только один процесс сможет создать файл (то есть получить блокировку), а для снятия этой блокировки файл можно удалить командой unlink.

В листинге 9.9 приведен текст наших функций установки и снятия блокировки, использующих этот метод. При успешном выполнении функции open мы считаем, что блокировка установлена, и успешно возвращаемся из функции my_lock. Файл мы закрываем, потому что его дескриптор нам не нужен. О наличии блокировки свидетельствует само существование файла вне зависимости от того, открыт он или нет. Если функция open возвращает ошибку EEXIST, значит, файл существует и мы должны еще раз попытаться открыть его. 

У этого метода есть три недостатка.

1. Если процесс, установивший блокировку, завершится досрочно, не сняв ее, файл не будет удален. Существуют способы борьбы с этой проблемой, например проверка времени доступа к файлу и удаление его спустя некоторый определенный промежуток времени, — но все они несовершенны. Другое решение заключается в записи в файл идентификатора процесса, чтобы другие процессы могли считать его и проверить, существует ли еще такой процесс. Этот метод также несовершенен, поскольку идентификатор может быть использован повторно.

В такой ситуации лучше пользоваться блокировкой fcntl, которая автоматически снимается по завершении процесса.

2. Если файл открыт каким-либо другим процессом, мы должны еще раз вызвать open, повторяя эти вызовы в бесконечном цикле. Это называется опросом и является напрасной тратой времени процессора. Альтернативным методом является вызов sleep на 1 секунду, а затем повторный вызов open (этапроблема обсуждалась в связи с листингом 7.4).

Эта проблема также исчезает при использовании блокировки fcntl, если использовать команду F_SETLKW. Ядро автоматически приостанавливает выполнение процесса до тех пор, пока ресурс не станет доступен.

3. Создание и удаление файла вызовом open и unlink приводит к обращению к файловой системе, что обычно занимает существенно больше времени, чем вызов fcntl (обращение производится дважды: один раз для получения блокировки, а второй — для снятия). При использовании fcntl программа выполнила 10000 повторов цикла с увеличением порядкового номера в 75 раз быстрее, чем программа, вызывавшая open и unlink.

Листинг 9.9. Функции блокировки с использованием open с флагами O_CREAT и O_EXCL

//lock/lockopen.c

1  #include "unpipc.h"

2  #define LOCKFILE "/tmp/seqno.lock"

3  void

4  my_lock(int fd)

5  {

6   int tempfd;

7   while ((tempfd = open(LOCKFILE, O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, FILE_MODE)) < 0) {

8    if (errno != EEXIST)

9     err_sys("open error for lock file");

10   /* блокировка установлена кем-то другим, повторяем попытку */

11  }

12  Close(tempfd); /* открыли файл, блокировка установлена */

13 }

14 void

15 my_unlock(int fd)

16 {

17  Unlink(LOCKFILE); /* снимаем блокировку удалением файла */

18 }

Есть еще две особенности файловой системы Unix, которые использовались для реализации блокировок. Первая заключается в том, что функция link возвращает ошибку, если имя новой ссылки уже существует. Для получения блокировки создается уникальный временный файл, полное имя которого содержит в себе его идентификатор процесса (или комбинацию идентификаторов процесса и потока, если требуется осуществлять блокировку между отдельными потоками). Затем вызывается функция link для создания ссылки на этот файл с каким-либо определенным заранее именем. После успешного создания сам файл может быть удален вызовом unlink. После осуществления работы с блокировкой файл с известным именем удаляется командой unlink. Если link возвращает ошибку EEXIST, поток должен попытаться создать ссылку еще раз (аналогично листингу 9.9). Одно из требований к этому методу — необходимо, чтобы и временный файл, и ссылка находились в одной файловой системе, поскольку большинство версий Unix не допускают создания жестких ссылок (результат вызова link) в разных файловых системах.

Вторая особенность заключается в том, что функция open возвращает ошибку в случае существования файла, если указан флаг O_TRUNC и запрещен доступ на запись. Для получения блокировки мы вызываем open, указывая флаги O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC и аргумент mode со значением 0 (то есть разрешения на доступ к файлу установлены в 0). Если вызов оказывается успешным, блокировка установлена и мы просто удаляем файл вызовом unlink после завершения работы. Если вызов open возвращает ошибку EACESS, поток должен сделать еще одну попытку (аналогично листингу 9.9). Этот трюк не срабатывает, если поток обладает правами привилегированного пользователя.

Урок, который можно извлечь из этих примеров, прост: нужно пользоваться блокировкой fcntl. Тем не менее вы можете столкнуться с программой, в которой используются старые методы блокировки, и особенно часто это будет встречаться в программах, написанных до широкого распространения реализации с блокировкой fcntl.

9.9. Блокирование в NFS

Аббревиатура NFS расшифровывается как Network File System (сетевая файловая система); эта система подробно обсуждается в главе 29 [22]. Блокировка записей fcntl представляет собой расширение NFS, поддерживаемое большинством ее реализаций. Обслуживается эта блокировка двумя дополнительными демонами: lockd и statd. При вызове fcntl для получения блокировки ядро обнаруживает, что файл находится в файловой системе NFS. Тогда локальный демон lockd посылает демону lockd сервера запрос на получение блокировки. Демон statd хранит информацию о клиентах, установивших блокировку, и взаимодействует с lockd для обеспечения снятия блокировок в случае завершения процессов.

Установка блокировки записи в NFS должна занимать в среднем больше времени, чем для локального файла, поскольку для установки и снятия блокировки требуется передача информации по сети. Для проверки работы блокировки NFS нужно всего лишь изменить имя файла, определяемое константой SEQFILE в листинге 9.2. Если измерить время, требуемое для выполнения 10000 операций по увеличению порядкового номера новой версией программы, оно окажется примерно в 80 раз больше, чем для локального файла. Однако нужно понимать, что в этом случае происходит передача информации по сети и при операциях чтения и записи (для изменения порядкового номера).