进程互斥与竞态

http://www.cnblogs.com/zhenjing/archive/2011/07/15/process_mutex_race.html

缘起

在linux编程中，经常有这样的要求：特定进程(尤其是daemon进程)有且只有一个，即特定资源只能由一进程拥有。问题是：如何保证特定进程间的“互斥”关系(只有一个实例)？当检测到“互斥（锁定）”时，其余进程可直接退出，而无需同步。

互斥与同步

互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

(以上摘自百度知道)

Linux提供的同步机制：信号量、文件锁(文件记录锁和文件锁)、互斥量、条件变量。其中后两者需要依赖于共享内存才能用于进程间同步，因此只有文件锁是进程生存期的资源，其他的都属于内核生存期资源。除此之外，信号也可用于进程同步。

网络端口

如果进程需要监听特定的端口(如60000)，那么在进程起来之后，可直接尝试连接该特定端口，只要能够连上，即可说明该端口已被使用，进程退出。由于listen/connect均是原子操作，故该判断过程不存在竞态。这种方法极其简单且可靠。

既然端口可用于判断，自然会想利用unix socket来作为替代技术(unix socket远大于65535)。但是由于unix socket将在文件系统上创建一个文件，该文件必须被显式删除，后续的bind方能正常工作，故该方法存在缺陷：没有可靠的办法保证文件必定被删除。(后面分析)

文件锁

另一种很常见的方法是：在特定的路径(路径可为配置参数)下创建一个“众所皆知”的文件，并利用独占锁/写锁保证在进程生存期内有且只有一个进程拥有该文件锁。文件锁属于进程生存期资源，不管进程是否正常终止，进程终止后，文件锁一定被释放。

作为一个加强，可将拥有文件锁的进程PID写入文件，从而在删除锁文件时更“可靠”。问题是：若考虑删除文件，该方案将存在缺陷：删除文件和创建文件是两个系统调用，存在“竞态”。后面将讨论文件删除问题。

信号量和进程锁(共享内存)

信号量和进程锁都属于内核生存期资源。若进程异常终止，信号量和进程锁可能处于“不确定状态”，加上进程无法“得知”是否有其他进程使用相同的信号量或进程锁，导致后续进程不能正常工作。不推荐。

系统调用与竞态

linux系统编程中，经常会出现“竞态(race condition)”，即多进程的资源获取冲突或者访问时序问题。Linux提供的绝大多数系统调用函数保证函数调用过程是原子的(并非所有的系统调用均是原子的，见附录)，即单函数调用在返回或终止之前，该函数的操作是原子的，不受其他系统调用影响。但很多系统调用往往需要配合使用，由多个系统调用组成的调用组合，操作系统是无法保证原子性的！这意味着：2个以上系统调用组合在多进程环境下将出现“竞态”。如何避免竞态是linux系统编程的一个大问题。

文件操作的竞态分析

凡涉及多于2个的系统调用，必存在竞态：

示例1：lseek+read

off_t orig;

orig = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);    /* Save current offset */

lseek(fd, offset, SEEK_SET);

s = read(fd, buf, len);

lseek(fd, orig, SEEK_SET);        /* Restore original file offset */

示例2：access+create

if(access(file, F_OK) !=0){

       int fd = open((char*)arg, O_RDWR|O_CREAT, 0644);

}

示例3：删除nfs文件系统的文件夹

Cloes(fd);

Remove_Dir(path);

注：fd指向的文件已经被删除，在fd被close之前，该文件将被重命名为.nfs***的临时文件。

示例4：unit socket (TLPI 57-3)

struct sockaddr_un addr;

int sfd, cfd;

ssize_t numRead;

char buf[BUF_SIZE];

sfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

if (sfd == -1)

    errExit("socket");

/* Construct server socket address, bind socket to it,

   and make this a listening socket */

if (remove(SV_SOCK_PATH) == -1 && errno != ENOENT)

    errExit("remove-%s", SV_SOCK_PATH);

memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));

addr.sun_family = AF_UNIX;

strncpy(addr.sun_path, SV_SOCK_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);

if (bind(sfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(struct sockaddr_un)) == -1)

    errExit("bind");

if (listen(sfd, BACKLOG) == -1)

    errExit("listen");

注：该程序在remove和bind之间存在竞态，即有可能另一程序删除该被刚创建的unix socket文件。对于其他的系统资源，如POSIX信号量，POSIX消息队列，POSIX共享内存，其本质也是文件(通常位于/dev/shm/)，且这些文件和普通文件一样可“加锁”！

文件锁示例

文件锁机制是一个可靠的进程间同步机制(信号量等机制存在缺陷)。使用该机制并不要求删除“锁文件”，不当的文件删除反而会引入潜在问题。

“锁文件”删除场景分析：

1)      创建后立马删除(create + unlink)

这种做法将导致其他进程“看不到”锁文件，从而创建另一个新文件。

2)      删除文件时未加锁

文件锁和文件记录锁若使用不当，锁会因其他操作而释放，从而导致删除文件时，删除进程并未锁定该文件。若此场景出现，则意味着锁文件的“创建+删除”并非原子操作，从而出现竞态。

3)      程序异常终止

删除文件这个美好的愿望可能因程序异常终止而无法实现。

4)      “创建+删除”原子操作且正常执行

只有在这样的条件下，方能保证完美删除锁文件。(但谁能保证程序永远正确呢？)

总之，使用锁文件同步进程无需也不应该去删除锁文件。下面的例子是来自TLPI(The Linux Programming Interface) 55-4：

int createPidFile(const char *progName, const char *pidFile, int flags)

{

    int fd;

    char buf[BUF_SIZE];

    fd = open(pidFile, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

    if (fd == -1)

        errExit("Could not open PID file %s", pidFile);

    if (flags & CPF_CLOEXEC) {

        /* Set the close-on-exec file descriptor flag */

        flags = fcntl(fd, F_GETFD);                     /* Fetch flags */

        if (flags == -1)

            errExit("Could not get flags for PID file %s", pidFile);

        flags |= FD_CLOEXEC;                            /* Turn on FD_CLOEXEC */

        if (fcntl(fd, F_SETFD, flags) == -1)            /* Update flags */

            errExit("Could not set flags for PID file %s", pidFile);

    }

    if (lockRegion(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0) == -1) {

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

            fatal("PID file '%s' is locked; probably "

                     "'%s' is already running", pidFile, progName);

        else

            errExit("Unable to lock PID file '%s'", pidFile);

    }

    if (ftruncate(fd, 0) == -1)

        errExit("Could not truncate PID file '%s'", pidFile);

    snprintf(buf, BUF_SIZE, "%ld\n", (long) getpid());

    if (write(fd, buf, strlen(buf)) != strlen(buf))

        fatal("Writing to PID file '%s'", pidFile);

    return fd;

}

几点说明：

1)      O_CREAT的open方式将保证锁文件被创建或正确打开，即使多个进程同时执行也没有问题。Open是原子的，有且只有一个文件被创建。

2)      lockRegion采用的是文件记录锁，也可以换成文件锁(flock)。只有fcntl才能用于NFS。

3)      将进程PID写入锁文件有助于其他程序判断该锁文件是否有效(和文件是否锁定无关)，对安全删除锁文件有帮助，比如垃圾清理进程。

另一种实现：

int fd = open(lockfile.c_str(), O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, 0644);

if(fd < 0){

    if(errno == EEXIST){

        fd = open(lockfile.c_str(), O_RDWR);

    }

}

if(fd < 0){

    char buf[512] = {0};

    strerror_r(errno, buf, 512);

    exit(-1);

}

 

if(writelock(fd) < 0){  // only one process will get the lock.

    char buf[512] = {0};

    strerror_r(errno, buf, 512);

    exit(-1);

}

几点说明：

1)      O_CREAT|O_EXCL将保证有且只有一个进程能够创建锁文件。

2)      通过文件锁保证有且只有一个进程获得文件锁。

3)      第一种实现更为简单且优雅。

附录

不保证原子性的系统调用：

1) write() -- write N bytes to PIPE，if N > PIPE_BUF, then write is not atomic!

2) flock() -- lock convert is not guarantee to be atomic. fcntl() guarantee all operators are atomic.