Текст книги "Linux программирование в примерах"

Автор книги: Арнольд Роббинс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 44 (всего у книги 55 страниц)

14.2.2. Блокировка POSIX: fcntl() и lockf()

Системный вызов fcntl() (file control – управление файлом) используется для блокировки файла. (Другое использование fcntl() было описано в разделе 9.4.3 «Управление атрибутами файла: fcntl()».) Он объявлен следующим образом:

#include /* POSIX */

#include

int fcntl(int fd, int cmd); /* Not relevant for file locking */

int fcntl(int fd, int cmd, long arg); /* Not relevant for file locking */

int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

Аргументы следующие:

fd Дескриптор файла для открытого файла.

cmd Одна или более именованных констант, определенных в . Ниже они описаны более подробно.

lock Указатель на struct flock, описывающую нужный блок.

14.2.2.1. Описание блокировки

Прежде чем рассмотреть осуществление блокировки, давайте исследуем описание блокировки в операционной системе. Это делается при помощи структуры struct flock, которая описывает диапазон блокируемых байтов и вид нужной блокировки. Стандарт POSIX утверждает, что struct lock содержит «по крайней мере» определенные члены. Это позволяет разработчикам предоставлять при желании дополнительные члены структуры. Из слегка отредактированной справочной страницы fcntl(3):

struct flock {

 ...

 short l_type; /* Тип блокировки: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */

 short l_whence; /* Как интерпретируется l_start:

                    SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */

 off_t l_start; /* Начальное блокируемое смещение */

 off_t l_len; /* Число блокируемых байтов;

                 0 означает от начала до конца файла */

 pid_t l_pid; /* PID блокирующего процесса (только F_GETLK) */

 ...

};

Поле l_start является смешением начального байта блокируемого участка. l_len является длиной блокируемого участка, т. е. общим числом блокируемых байтов. l_whence указывает место в файле, относительно которого отсчитывается l_start, значения те же, что и для аргумента whence функции lseek() (см раздел 4.5 «Произвольный доступ: перемещения внутри файла»), отсюда и название поля. Эта структура самодостаточна: смещение l_start и значение l_whence не связаны с текущим файловым указателем для чтения или записи. Пример кода мог бы выглядеть таким образом:

struct employee { /* что угодно */ }; /* Описание сотрудника */

struct flock lock; /* Структура блока */

...

/* Заблокировать структуру для шестого сотрудника */

lock.l_whence = SEEK_SET; /* Абсолютное положение */

lock.l_start = 5 * sizeof(struct employee); /* Начало 6-й структуры */

lock.l_len = sizeof(struct employee); /* Блокировать одну запись */

Используя SEEK_CUR или SEEK_END, вы можете заблокировать участки, начиная от текущего смещения в файле или относительно конца файла соответственно. Для этих двух случаев l_start может быть отрицательным, пока абсолютное начало не меньше нуля. Таким образом, чтобы заблокировать последнюю запись в файле:

/* Заблокировать запись последнего сотрудника */

lock.l_whence = SEEK_END; /* Относительно EOF */

lock.l_start = -1 * sizeof (struct employee);

 /* Начало последней структуры */

lock.l_len = sizeof(struct employee); /* Заблокировать одну запись */

Установка l_len в 0 является особым случаем. Он означает блокировку файла от начального положения, указанного с помощью l_start и l_whence, и до конца файла. Сюда входят также любые области за концом файла. (Другими словами, если заблокированный файл увеличивается в размере, область блокировки расширяется таким образом, чтобы продолжать охватывать весь файл.) Таким образом, блокирование всего файла является вырожденным случаем блокирования одной записи:

lock.l_whence = SEEK_SET; /* Абсолютное положение */

lock.l_start = 0; /* Начало файла */

lock.l_len = 0; /* До конца файла */

Справочная страница fnctl(3) имеет примечание:

POSIX 1003.1-2001 допускает отрицательные значения l_len. (И если это так, описываемый блоком интервал охватывает байты с l_start + l_len вплоть до l_start – 1 включительно.) Однако, в этой ситуации системный вызов Linux для современных ядер возвращает EINVAL.

(Мы заметили, что справочная страница относится к версиям ядер 2.4.x; стоит проверить текущую справочную страницу, если ваша система новее.)

Теперь, когда мы знаем, как описать где блокируется файл, мы можем описать тип блокировки с помощью l_type. Возможные значения следующие:

F_RDLCK  Блокировка чтения. Для применения блокировки чтения файл должен быть открыт для чтения.

F_WRLCK  Блокировка записи. Для применения блокировки записи файл должен быть открыт для записи.

F_UNLCK  Освобождение предыдущей блокировки.

Таким образом, полная спецификация блокировки включает установку в структуре struct flock значений четырех полей: трех для указания блокируемой области и четвертого для описания нужного типа блока.

Значение F_UNLCK для l_type снимает блокировку. В общем, это простейший способ снять те самые блоки, которые были установлены ранее, но можно «расщепить» блок, освободив диапазон байтов в середине ранее установленного более крупного блока. Например:

struct employee { /* что угодно */ }; /* Описание сотрудника */

struct flock lock; /* Структура блока */

...

/* Заблокировать сотрудников 6-8 */

lock.l_whence = SEEK_SET; /* Абсолютное положение */

lock.l_start = 5 * sizeof(struct employee); /* Начало 6-й структуры */

lock.l_len = sizeof(struct employee) * 3; /* Заблокировать 3 записи */

/* ...установка блокировки (см. следующий раздел)... */

/* Освобождение записи 7: предыдущий блок расщепляется на два: */

lock.l_whence = SEEK_SET; /* Абсолютное положение */

lock.l_start = 6 * sizeof(struct employee); /* Начало 7-й структуры */

lock.l_len = sizeof(struct employee) * 1; /* Разблокирование 1-й записи */

/* ...снятие блокировки (см. следующий раздел)... */

14.2.2.2. Установка и снятие блокировок

После заполнения структуры struct flock следующим шагом является запрос блокировки. Этот шаг осуществляется с помощью соответствующего значения аргумента cmd функции fcntl():

F_GETLK   Узнать, можно ли установить блокировку.

F_SETLK   Установить или снять блокировку.

F_SETLKW  Установить блокировку, подождав, пока это будет возможным.

Команда F_GETLK является командой «Мама, можно мне?» Она осведомляется, доступна ли описанная struct flock блокировка. Если она доступна, блокировка не устанавливается; вместо этого операционная система изменяет поле l_type на F_UNLCK. Другие поля остаются без изменений.

Если блокировка недоступна, операционная система заполняет различные поля сведениями, описывающими уже установленные блокировки, которые препятствуют установке новой. В этом случае l_pid содержит PID процесса, владеющего соответствующей блокировкой.[152]152
  Справочная страница GNU/Linux fcntl(3) указывает, что этих сведений может быть недостаточно, процесс может находиться на другой машине! При блокировках по сети есть и другие проблемы, в общем, использование блокировки в файловых системах, смонтированных для удаленных компьютеров, не является удачной мыслью – Примеч. автора.


[Закрыть] Если блокировка уже установлена, нет другого выбора, кроме ожидания в течение некоторого времени и новой попытки установки блокировки или вывода сообщения об ошибке и отказа от дальнейших попыток.

Команда F_SETLK пытается установить указанную блокировку. Если fcntl() возвращает 0, блокировка была успешно установлена. Если она возвращает -1, блокировку установил другой процесс. В этом случае в errno устанавливается либо EAGAIN (попытайтесь снова позже) или EACCESS (нет доступа). Возможны два значения, чтобы удовлетворить старым системам.

Команда F_SETLKW также пытается установить указанную блокировку. Она отличается от F_SETLK тем, что будет ждать, пока установка блокировки не окажется возможной.

Выбрав соответствующее значение для аргумента cmd, передайте его в качестве второго аргумента fcntl() вместе с указателем на заполненную структуру struct flock в качестве третьего аргумента:

struct flock lock;

 int fd;

 /* ...открыть файл, заполнить struct flock... */

 if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0) {

 /* Установить не удалось, попытаться восстановиться */

}

Функция lockf()[153]153
  В системе GNU/Linux lockf() реализована в виде «оболочки» вокруг fcntl() – Примеч. автора.


[Закрыть] предоставляет альтернативный способ установки блокировки в текущем положении файла.

#include /* XSI */

int lockf(int fd, int cmd, off_t len);

Дескриптор файла fd должен быть открыт для записи. len указывает число блокируемых байтов: от текущего положения (назовем его pos) до pos + len байтов, если len положительно, или от pos – len до pos – 1, если len отрицательно. Команды следующие:

F_LOCK   Устанавливает исключительную блокировку диапазона. Вызов блокируется до тех пор, пока блокировка диапазона не станет возможной.

F_TLOCK  Пытается установить блокировку. Это похоже на F_LOCK, но если блокировка недоступна, F_TLOCK возвращает ошибку.

F_ULOCK  Разблокирует указанный раздел. Это может вызвать расщепление блокировки, как описано выше.

F_TEST   Проверяет, доступна ли блокировка. Если доступна, возвращает 0 и устанавливает блокировку. В противном случае возвращает -1 и устанавливает в errno EACCESS.

Возвращаемое значение равно 0 в случае успеха и -1 при ошибке, с соответствующим значением в errno. Возможные значения ошибок включают:

EAGAIN Файл заблокирован, для F_TLOCK или F_TEST.

EDEADLK Для F_TLOCK эта операция создала бы тупик.[154]154
  Тупик (deadlock) является ситуацией, при которой оба процесса блокируются, причем каждый из них ждёт, пока другой освободит определенный ресурс – Примеч. автора.


[Закрыть]

ENOLCK Операционная система не смогла выделить блок.

Полезна комбинация F_TLOCK и EDEADLK: если вы знаете, что тупик не может возникнуть никогда, используйте F_LOCK. В противном случае, стоит обезопасить себя и использовать F_TLOCK. Если блокировка доступна, она осуществляется, но если нет, у вас появляется возможность восстановления вместо блокирования в ожидании, возможно, навечно.

Завершив работу с заблокированным участком, его следует освободить. Для fcntl() возьмите первоначальную struct lock, использованную для блокирования, и измените поле l_type на F_UNLCK. Затем используйте F_SETLK в качестве аргумента cmd:

lock.l_whence = ... ; /* Как раньше */

lock.l_start = ... ; /* Как раньше */

lock.l_len = ... ; /* Как раньше */

lock.l_type = F_UNLCK; /* Разблокировать */

if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0) {

 /* обработать ошибку */

}

/* Блокировка была снята */

Код, использующий lockf(), несколько проще. Для краткости мы опустили проверку ошибок:

off_t curpos, len;

curpos = lseek(fd, (off_t)0, SEEK_CUR); /* Получить текущее положение */

len = ... ; / * Установить соответствующее число блокируемых байтов */

lockf(fd, F_LOCK, len); / * Осуществить блокировку */

/* ...здесь использование заблокированного участка... */

lseek(fd, curpos, SEEK_SET); / * Вернуться к началу блокировки */

lockf(fd, F_ULOCK, len); /* Разблокировать файл */

Если вы не освободите блокировку явным образом, операционная система сделает это за вас в двух случаях. Первый случай, когда процесс завершается (либо при возвращении из main(), либо с использованием функции exit(), которую мы рассматривали в разделе 9.1.5.1 «Определение статуса завершения процесса»). Другим случаем является вызов close() с дескриптором файла: больше об этом в следующем разделе.

14.2.2.3. Предостережения по поводу блокировок

Имеется несколько предостережений, о которых нужно знать при блокировках файлов:

• Как описано ранее, вспомогательная блокировка является именно этим. Не взаимодействующий процесс может делать все, что хочет, за спиной (так сказать) процесса, осуществляющего блокировку.

• Эти вызовы не следует использовать в сочетании с библиотекой . Эта библиотека осуществляет свое собственное буферирование. Хотя вы можете получить с помощью fileno() дескриптор нижележащего файла, действительное положение в файле может быть не там, где вы думаете. В общем, стандартная библиотека ввода/вывода не понимает блокировок файлов.

• Держите в уме, что блокировки после fork не наследуются порожденными процессами, но они остаются на своем месте после exec.

• Вызов close() с любым открытым для файла дескриптором удаляет все блокировки файла процессом, даже если другие дескрипторы для файла остаются открытыми.

То, что close() работает таким образом, является неудачным, но поскольку так была реализована первоначальная блокировка в fcntl(), POSIX ее стандартизует. Стандартизация такого поведения позволяет избежать порчи существующего кода для Unix.

14.2.3. Блокирование BSD: flock()

4.2 BSD представило свой собственный механизм блокировки, flock()[155]155
  Удачно, что название flock() отличается от lockf(), поскольку их семантика различна. Это также страшно сбивает с толку. Держите свое руководство под рукой. – Примеч. автора.


[Закрыть]. Функция объявлена следующим образом:

#include /* Обычный */

int flock(int fd, int operation);

Дескриптор fd представляет открытый файл. Имеются следующие операции:

LOCK_SH  Создает совместную блокировку. Может быть несколько совместных блокировок.

LOCK_EX  Создает исключительную блокировку. Может быть лишь одна такая блокировка.

LOCK_UN  Удаляет предыдущую блокировку.

LOCK_NB  При использовании побитового ИЛИ с LOCK_SH или LOCK_EX позволяет избежать блокирования функции, если блокировка файла невозможна.

По умолчанию запросы блокировки файла будут блокировать функцию (не давать ей вернуться), если существует конкурирующая блокировка. Запрашивающая функция возвращается, когда конкурирующая блокировка файла снимается и осуществляется запрошенная функцией блокировка файла. (Это предполагает, что по умолчанию имеется возможность возникновения тупика.) Чтобы попытаться заблокировать файл без блокирования функции, добавьте посредством побитового ИЛИ значение LOCK_NB к имеющемуся значению operation.

Отличительными моментами flock() являются следующие:

• Блокировка с помощью flock() является вспомогательной; программа, не использующая блокировку, может прийти и испортить без всяких сообщений об ошибках файл, заблокированный с помощью flock().

• Блокируется весь файл. Нет механизма для блокировки только части файла.

• То, как был открыт файл, не влияет на тип блокировки, который может быть использован. (Сравните это с fcntl(), при использовании которой файл должен быть открыт для чтения для получения блокировки чтения, или для записи для блокировки записи.)

• Несколько открытых для одного и того же файла дескрипторов используют совместную блокировку. Для удаления блокировки может использоваться любой из них. В отличие от fcntl(), когда нет явного разблокирования, блокировка не удаляется до тех пор, пока не будут закрыты все открытые дескрипторы файла.

• Процесс может иметь лишь одну блокировку файла с помощью flock(); последовательный вызов flock() с двумя различными типами блокировок изменяет тип блокировки на новый.

• На системах GNU/Linux блокировки flock() совершенно независимы от блокировок fcntl(). Многие коммерческие системы Unix реализуют flock() в виде «оболочки» поверх fcntl(), но их семантика различается.

Мы не рекомендуем использовать flock() в новых программах, поскольку ее семантика не такая гибкая и поскольку она не стандартизована POSIX. Поддержка ее в GNU/Linux осуществляется главным образом для обратной совместимости с программным обеспечением, написанным для старых систем BSD Unix.

ЗАМЕЧАНИЕ. Справочная страница GNU/Linux flock(2) предупреждает, что блокировки flock() не работают для смонтированных удаленных файлов. Блокировки fcntl() работают, при условии, что у вас достаточно новая версия Linux и сервер NFS поддерживает блокировки файлов

14.2.4. Обязательная блокировка

Большинство коммерческих систем Unix поддерживают в дополнение к вспомогательной обязательную блокировку файлов. Обязательная блокировка работает лишь с fcntl(). Обязательная блокировка файла контролируется установками прав доступа файла, в частности, путем добавления к файлу бита setgid с помощью команды chmod.

$ echo hello, world > myfile /* Создать файл */

$ ls -l myfile /* Отобразить права доступа */

-rw-r–r– 1 arnold devel 13 Apr 3 17:11 myfile

$ chmod g+s myfile /* Добавить бит setgid */

$ ls -l myfile /* Показать новые права доступа */

-rw-r-Sr– 1 arnold devel 13 Apr 3 17:11 myfile

Бит права на исполнение группой должен быть оставлен сброшенным. S показывает, что бит setgid установлен, но что бит права на исполнение – нет; если бы были установлены оба бита, была бы использована строчная буква s.

Комбинация установленного бита setgid и сброшенного бита права на исполнение группой обычно бессмысленно. По этой причине, она была выбрана разработчиками System V для обозначения «использования обязательного блокирования». И в самом деле, добавления этого бита достаточно, чтобы заставить коммерческую систему Unix, такую как Solaris, использовать блокировку файлов.

На системах GNU/Linux несколько другая история. Для обязательных блокировок файл должен иметь установленный бит setgid, но этого одного недостаточно. Файловая система, содержащая файл, также должна быть смонтирована с опцией mand в команде mount.

Мы уже рассмотрели файловые системы, разделы диска, монтирование и команду mount, главным образом, в разделе 8.1 «Монтирование и демонтирование файловых систем». Мы можем продемонстрировать обязательную блокировку с помощью небольшой программы и файловой системой для тестирования на гибком диске. Для начала, вот программа:

1  /* ch14-lockall.c – Демонстрация обязательной блокировки. */

2

3  #include /* для fprintf(), stderr, BUFSIZ */

4  #include /* объявление errno */

5  #include /* для флагов open() */

6  #include /* объявление strerror() */

7  #include /* для ssize_t */

8  #include

9  #include /* для mode_t */

10

11 int

12 main(int argc, char **argv)

13 {

14  int fd;

15  int i, j;

16  mode_t rw_mode;

17  static char message[] = "hello, worldn";

18  struct flock lock;

19

20  if (argc != 2) {

21   fprintf(stderr, "usage: %s filen", argv[0]);

22   exit(1);

23  }

24

25  rw_mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH; / * 0644 */

26  fd = open(argv[1], O_RDWR|O_TRUNC|O_CREAT|O_EXCL, rw_mode);

27  if (fd < 0) {

28   fprintf(stderr, "%s: %s: cannot open for read/write: %sn",

29    argv[0], argv[1], strerror(errno));

30   (void)close(fd);

31   return 1;

32  }

33

34  if (write(fd, message, strlen(message)) != strlen(message)) {

35   fprintf(stderr, "%s: %s: cannot write: %sn",

36    argv[0], argv[1], strerror(errno));

37   (void)close(fd);

38   return 1;

39  }

40

41  rw_mode |= S_ISGID; /* добавить бит обязательной блокировки */

42

43  if (fchmod(fd, rw_mode) < 0) {

44   fprintf(stderr, "%s: %s: cannot change mode to %o: %sn",

45    argv[0], argv[1], rw_mode, strerror(errno));

46   (void)close(fd);

47   return 1;

48  }

49

50  /* заблокировать файл */

51  memset(&lock, '', sizeof(lock));

52  lock.l_whence = SEEK_SET;

53  lock.l_start = 0;

54  lock.l_len =0; /* блокировка всего файла */

55  lock.l_type = F_WRLCK; /* блокировка записи */

56

57  if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0) {

58   fprintf(stderr, "%s: %s: cannot lock the file: %sn",

59    argv[0], argv[1], strerror(errno));

60   (void)close(fd);

61   return 1;

62  }

63

64  pause();

65

66  (void)close(fd);

67

68  return 0;

69 }

Программа устанавливает права доступа и создает файл, указанный в командной строке (строки 25 и 26). Затем она записывает в файл некоторые данные (строка 34). Строка 41 добавляет к правам доступа бит setgid, а строка 43 изменяет их. (Системный вызов fchmod() обсуждался в разделе 5.5.2 «Изменение прав доступа: chmod() и fchmod()».)

Строки 51–55 устанавливают struct flock для блокировки всего файла, а затем блокировка осуществляется реально в строке 57. Выполнив блокировку, программа засыпает, используя системный вызов pause() (см. раздел 10.7 «Сигналы для межпроцессного взаимодействия»). После этого программа закрывает дескриптор файла и завершается. Вот расшифровка с комментариями, демонстрирующая использование обязательной блокировки файлов:

$ fdformat /dev/fd0 /* Форматировать гибкий диск */

Double -sided, 80 tracks, 18 sec/track. Total capacity 1440 kB.

Formatting ... done

Verifying ... done

$ /sbin/mke2fs /dev/fd0 /* Создать файловую систему Linux */

/* ...множество вывода опущено... */

$ su /* Стать root, чтобы использовать mount */

Password: /* Пароль не отображается */

# mount -t ext2 -о mand /dev/fd0 /mnt/floppy /* Смонтировать гибкий

диск, с возможностью блокировок */

# suspend /* Приостановить оболочку root */

[1]+ Stopped su

$ ch14-lockall /mnt/floppy/x & /* Фоновая программа */

[2] 23311 /* содержит блокировку */

$ ls -l /mnt/floppy/x /* Посмотреть файл */

-rw-r-Sr– 1 arnold devel 13 Apr 6 14:23 /mnt/floppy/x

$ echo something > /mnt/floppy/x /* Попытаться изменить файл */

bash2: /mnt/floppy/x: Resource temporarily unavailable

 /* Возвращается ошибка */

$ kill %2 /* Завершить программу с блокировкой */

$ /* Нажать ENTER */

[2]– Terminated ch14-lockall /mnt/floppy/x /* Программа завершена */

$ echo something > /mnt/floppy/x /* Новая попытка изменения работает */

$ fg /* Вернуться в оболочку root */

su

# umount /mnt/floppy /* Демонтировать гибкий диск */

# exit /* Работа с оболочкой root закончена */

$

Пока выполняется ch14-lockall, она владеет блокировкой. Поскольку это обязательная блокировка, перенаправления ввода/вывода оболочки завершаются неудачей. После завершения ch14-lockall блокировки освобождаются, и перенаправление ввода/вывода достигает цели. Как упоминалось ранее, под GNU/Linux даже root не может аннулировать обязательную блокировку файла.

Немного отклоняясь в сторону, гибкие диски представляют отличный испытательный стенд для изучения того, как использовать инструменты, работающие с файловыми системами. Если вы сделаете что-то, что разрушит данные на гибком диске, это вряд ли будет катастрофическим, тогда как экспериментирование с действующими разделами на обычных жестких дисках значительно более рискованно.