Linux系統編程—進程間同步

2020 年 9 月 21 日
筆記

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。那進程間如何實現同步呢？本文介紹兩種方式：互斥量和文件鎖。

互斥量mutex

我們已經知道了互斥量可以用於在執行緒間同步，但實際上，互斥量也可以用於進程間的同步。為了達到這一目的，可以在pthread_mutex_init初始化之前，修改其屬性為進程間共享。mutex的屬性修改函數主要有以下幾個：

主要應用函數：

pthread_mutexattr_t mattr 類型：用於定義互斥量的屬性
pthread_mutexattr_init函數：初始化一個mutex屬性對象
pthread_mutexattr_destroy函數：銷毀mutex屬性對象 (而非銷毀鎖)
pthread_mutexattr_setpshared函數：修改mutex屬性。

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);

我們重點看第二個參數：pshared，它有以下兩個取值：

執行緒鎖：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默認屬性即為執行緒鎖，進程間私有)

進程鎖：PTHREAD_PROCESS_SHARED

要想實現進程間同步，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屬性對象
    pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //修改屬性為進程間共享

    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);          //銷毀mutex屬性對象
    pthread_mutex_destroy(&mm->mutex);                  //銷毀mutex
    munmap(mm,sizeof(*mm));                             //釋放映射區

    return 0;
}

文件鎖

顧名思義，就是通過文件實現鎖機制。具體來講，是通過藉助 fcntl函數來實現鎖機制。當操作文件的進程沒有獲得鎖時，雖然可以打開文件，但無法對文件執行執行read、write操作。

fcntl函數：

函數原型：
int fcntl(int fd, int cmd, … /* arg */ );

函數作用：
獲取、設置文件訪問控制屬性。

參數介紹：
參數cmd有以下取值：
F_SETLK (struct flock *)設置文件鎖（trylock）
F_SETLKW (struct flock *) 設置文件鎖（lock）W –> wait
F_GETLK (struct flock *)獲取文件鎖
數據類型flock原型如下：
struct flock {
…
short l_type; 鎖的類型：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表示整個文件加鎖
pid_t l_pid; 持有該鎖的進程ID：(F_GETLK only)
…
};

進程間文件鎖示例

多個進程對加鎖文件進行訪問：

#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表示整個文件加鎖 */

    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;
}

文件鎖類似於讀寫鎖，依然遵循「讀共享、寫獨佔」特性。但是，如果進程不加鎖直接操作文件，依然可訪問成功，但數據勢必會出現混亂。

既然文件鎖可用應用在進程中，那在多執行緒中，可以使用文件鎖嗎？

答案是不行的。因為多執行緒間共享文件描述符，而給文件加鎖，是通過修改文件描述符所指向的文件結構體中的成員變數來實現的。因此，多執行緒中無法使用文件鎖。

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