如何在 Linux 和 C 中使用文件作为互斥锁？

Question

我有不同的进程同时访问 Linux 中的命名管道，我想让这种访问互斥。

我知道可以使用放置在共享内存区域中的互斥锁来实现这一点，但作为一种家庭作业，我有一些限制。

于是，我想到的是在文件上使用锁定原语来实现互斥；我做了一些尝试，但我不能让它工作。

这是我试过的：

flock(lock_file, LOCK_EX)

// critic section

flock(lock_file, LOCK_UN)

不同的项目将使用不同的文件描述符但引用同一个文件。有可能实现这样的目标吗？你能提供一些例子吗。

Answer 1

标准的锁定文件技术使用诸如O_EXCLonopen()调用之类的选项来尝试创建文件。您使用锁存储进程的PID，因此您可以确定该进程是否仍然存在（kill()用于测试）。您必须担心并发性 - 很多。

脚步：

• 根据FIFO的名称确定锁定文件的名称
• 打开锁文件（如果存在）
• 检查使用它的进程是否存在
  • 如果其他进程存在，它有控制权（错误退出，或者等待它退出）
  • 如果其他进程不存在，则删除锁定文件
• 此时，上次检查时锁定文件不存在。
• 尝试使用创建open()和O_EXCL当中的其他选项。
• 如果可行，则您的进程创建了该文件 - 您有权继续。
• 将您的 PID 写入文件；关闭它。
• 打开 FIFO - 使用它。
• 完成后 ( atexit()?) 删除锁定文件。

担心如果您打开锁定文件但没有读取 PID 会发生什么……是另一个进程刚刚创建了它并且尚未将其 PID 写入其中，还是在这样做之前它就死了？可能最好退出 - 关闭文件并重试（可能在随机之后nanosleep()）。如果您多次获得空文件（比如连续 3 个），则假定该进程已死并删除锁定文件。

您可以考虑让拥有该文件的进程在 FIFO 打开时保持对该文件的咨询锁定。如果没有锁，则进程已经死亡。在打开文件和应用锁定之间仍然存在一个 TOCTOU（检查时间，使用时间）漏洞窗口。

仔细查看系统上的open()手册页，看看是否有其他选项可以帮助您。有时，进程使用目录 ( mkdir()) 而不是文件，因为即使是 root 也无法创建给定目录名称的第二个实例，但是您会遇到如何在资源打开的情况下知道进程的 PID 等问题。

Answer 2

我绝对建议使用实际的互斥锁（正如评论中所建议的那样）；例如，pthread 库提供了一个实现。但是，如果您想出于教育目的使用文件自己完成此操作，我建议您查看我不久前发布的这个答案，其中描述了在 Python 中执行此操作的方法。转换为 C，它应该看起来像这样（警告：未经测试的代码，使用风险自负；我的 C 也生锈了）：

// each instance of the process should have a different filename here
char* process_lockfile = "/path/to/hostname.pid.lock";
// all processes should have the same filename here
char* global_lockfile = "/path/to/lockfile";
// create the file if necessary (only once, at the beginning of each process)
FILE* f = fopen(process_lockfile, "w");
fprintf(f, "\n"); // or maybe write the hostname and pid
fclose(f);

// now, each time you have to lock the file:
int lock_acquired = 0;
while (!lock_acquired) {
    int r = link(process_lockfile, global_lockfile);
    if (r == 0) {
        lock_acquired = 1;
    }
    else {
        struct stat buf;
        stat(process_lockfile, &buf);
        lock_acquired = (buf.st_nlink == 2);
    }
}
// do your writing
unlink(global_lockfile);
lock_acquired = 0;

Answer 3

您的示例与您将要使用的一样好flock (2)（毕竟，这只是一个“咨询”锁（实际上根本不是锁））。我的 Mac OS X 系统上的手册页有几个可能很重要的附带条件：

锁位于文件上，而不是文件描述符上。也就是说，通过 dup(2) 或 fork(2) 复制的文件描述符不会导致锁的多个实例，而是导致对单个锁的多个引用。如果持有文件锁的进程分叉并且子进程显式解锁该文件，则父进程将失去其锁

和

被阻塞等待锁的进程可以被信号唤醒。

两者都暗示了它可能失败的方式。

// 本来是一条评论，但我想引用一定长度的手册页