Linux系統程式設計 | 程序間同步

程序 Linux · 發表 2018-09-20 14:43:25

摘要：我們知道，執行緒間同步有多種方式，比如：訊號量、互斥量、讀寫鎖，等等。那程序間如何實現同步呢？本文介紹兩種方式：互斥量和檔案鎖。互斥量mutex 我們已經知道了互斥量可以用於線上程間同步，但實際上，互斥量也可以用於程序間的同步。為了達到這一目的，可以在pthread_mutex_in...

我們知道，執行緒間同步有多種方式，比如：訊號量、互斥量、讀寫鎖，等等。那程序間如何實現同步呢？本文介紹兩種方式：互斥量和檔案鎖。

互斥量mutex

我們已經知道了互斥量可以用於線上程間同步，但實際上，互斥量也可以用於程序間的同步。為了達到這一目的，可以在pthread_mutex_init初始化之前，修改其屬性為程序間共享。mutex的屬性修改函式主要有以下幾個：

主要應用函式：

pthread_mutexattr_t mattr 型別：用於定義互斥量的屬性

pthread_mutexattr_init函式：初始化一個mutex屬性物件

pthread_mutexattr_destroy函式：銷燬mutex屬性物件 (而非銷燬鎖)

pthread_mutexattr_setpshared函式：修改mutex屬性。

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);

我們重點看第二個引數：pshared，它有以下兩個取值：

執行緒鎖：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的預設屬性即為執行緒鎖，程序間私有)

程序鎖：PTHREAD_PROCESS_SHARED

要想實現程序間同步，需要將mutex的屬性改為PTHREAD_PROCESS_SHARED。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>

struct mt {
int num;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutexattr_t mutexattr;
};

int main(void)
{
int i;
struct mt *mm;
pid_t pid;

mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
memset(mm, 0, sizeof(*mm));

pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr);//初始化mutex屬性物件
pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);//修改屬性為程序間共享

pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr);//初始化一把mutex瑣

pid = fork();
if (pid == 0) {
for (i = 0; i < 10; i++) {
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
(mm->num)++;
pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
printf("-child----------num++%d\n", mm->num);
}
} else if (pid > 0) {
for ( i = 0; i < 10; i++) {
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
mm->num += 2;
pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
printf("-------parent---num+=2%d\n", mm->num);
}
wait(NULL);
}

pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr);//銷燬mutex屬性物件
pthread_mutex_destroy(&mm->mutex);//銷燬mutex
munmap(mm,sizeof(*mm));//釋放對映區

return 0;
}

檔案鎖

顧名思義，就是通過檔案實現鎖機制。具體來講，是通過藉助 fcntl函式來實現鎖機制。當操作檔案的程序沒有獲得鎖時，雖然可以開啟檔案，但無法對檔案執行執行read、write操作。

fcntl函式：

函式原型：

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

函式作用：

獲取、設定檔案訪問控制屬性。

引數介紹：

引數cmd有以下取值：

F_SETLK (struct flock *)設定檔案鎖（trylock）

F_SETLKW (struct flock *)設定檔案鎖（lock）W --> wait

F_GETLK (struct flock *)獲取檔案鎖

資料型別flock原型如下：

struct flock {

...

short l_type;鎖的型別：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK

short l_whence;偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END

off_t l_start;起始偏移：1000

off_t l_len;長度：0表示整個檔案加鎖

pid_t l_pid;持有該鎖的程序ID：(F_GETLK only)

...

};

程序間檔案鎖示例

多個程序對加鎖檔案進行訪問：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

void sys_err(char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
struct flock f_lock;

if (argc < 2) {
printf("./a.out filename\n");
exit(1);
}

if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0)
sys_err("open");

f_lock.l_type = F_WRLCK;/*選用寫瑣*/
//f_lock.l_type = F_RDLCK;/*選用讀瑣*/ 

f_lock.l_whence = SEEK_SET;
f_lock.l_start = 0;
f_lock.l_len = 0;/* 0表示整個檔案加鎖 */

fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
printf("get flock\n");

sleep(10);

f_lock.l_type = F_UNLCK;
fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
printf("un flock\n");

close(fd);

return 0;
}

檔案鎖類似於讀寫鎖，依然遵循“讀共享、寫獨佔”特性。但是，如果程序不加鎖直接操作檔案，依然可訪問成功，但資料勢必會出現混亂。

既然檔案鎖可用應用在程序中，那在多執行緒中，可以使用檔案鎖嗎？

答案是不行的。因為多執行緒間共享檔案描述符，而給檔案加鎖，是通過修改檔案描述符所指向的檔案結構體中的成員變數來實現的。因此，多執行緒中無法使用檔案鎖。

原文釋出時間為：2018-09-19

本文作者：良許

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