10月
1
1999
分類:
最近更新:
2011-01-03
如何以 semaphore 進行資源的共用互斥鎖定
在 Unix 系統中，資源的共用機制，通常以檔案鎖最為常見，也最為容易使用，只要使用 flock() 即可對檔案進行 LOCK_SH (共享鎖定)、 LOCK_EX (互斥鎖定)。但是其他的資源就沒這麼方便，例如共享記憶體完全沒有提供鎖定功能，此時就必須借助其他的行程間通訊機制進行協調，例如「號誌」(semaphore)。
本文即在說明，如何以號誌實作一個如 flock() 具有 LOCK_SH, LOCK_EX, LOCK_UN, LOCK_NB 四種參數的「資源共用互斥鎖定函數」。
這是一篇我寫的舊文章。因為前陣子要對其他人說明共用與排他的資源鎖定觀念，所以又翻了出來，重新排版。
關於 semaphore 的中文譯名，我當初(1999年)是依《新洞悉UNIX系列叢書 - 系統程式設計篇》的用法。它將 semaphore 譯為「信號」，而 signal 譯為「訊號」。不過這兩個名詞實在很容易混淆，故我現在改用「號誌」稱呼 semaphore 。
實作說明
我將運用 semget(), semctl(), semop() 實作一個 lock_shm() 的資源共用互斥鎖定函數。它的行為模仿 flock()，定義了下列四個上鎖行為。
- LOCK_SH - 加上共享鎖定(讀取鎖定)
- LOCK_EX - 加上排他鎖定(寫入鎖定)
- LOCK_NB - 不擱置( non-blocking ，配合前兩者使用 )
- LOCK_UN - 解除鎖定
此函數提供了一個近似 flock() 行為的鎖定函數。lock_shm() 並不是直接對共享記憶體上鎖。事實上 Unix 並沒有鎖定共享記憶體的動作，所以我是用號誌的互斥動作對共享記憶體上鎖。換言之，lock_shm() 不只是個「共享記憶體鎖」，更是一個「共用互斥資源鎖」。「共用互斥」之英文為: Mutual exclusion - 可共用、也可排他。可以很多人一起使用；也可排除他人只給自已用。
BSD 家族使用 mmap() 將檔案內容映射到記憶體，藉此達成行程間共用記憶體的目的。由於此機制是透過檔案描述子 (fd) 實現，所以可以對檔案描述子上鎖。從這些 IPC 機制間的差異，可以略約窺探到 SVR 家族與 BSD 家族之設計理念的差異。
上鎖流程示意圖
上圖假設有 1 、 2 、 3 三個行程打算上鎖的四個階段。 其中被紅色方框圍住的動作，表示被擱置了。 擱置動作是由作業系統處理的。
- 行程 1 想加上共享鎖(SHLOCK)。
- 行程 1 先鎖住 EXLOCK ，再加上 SHLOCK 。
- 行程 2 想鎖住 EXLOCK ，但被擱置。
- 行程 3 想鎖住 EXLOCK ，但被擱置。
- 行程 1 完成上鎖動作。
- 行程 1 加上 SHLOCK 後，解開 EXLOCK ，完成上鎖動作。
- 行程 2 鎖住 EXLOCK ，但被擱置，等 行程 1 之前加上的 SHLOCK 解開。
- 行程 3 依然被擱置在等待鎖住 EXLOCK 的地方。
- 行程 1 解鎖，行程 2 結束等待，完成上鎖動作。
- 行程 1 解開 SHLOCK 。
- 行程 2 已無 SHLOCK ， 行程 2 結束擱置狀態，完成上鎖動作。
- 行程 3 依然被擱置在等待鎖住 EXLOCK 的地方。
- 行程 2 解鎖，行程 3 結束等待，完成上鎖。
- 行程 2 解開 EXLOCK 。
- 行程 3 鎖住 EXLOCK ，再加上 SHLOCK ，最後解開 EXLOCK ，完成上鎖動作。
實作方式
因為同時要應付 LOCK_EX 及 LOCK_SH 兩種情形，故需要兩個號誌為一組。 一個號誌控制排他鎖(EXLOCK - exclusion lock)，另一個號誌控制共用鎖(SHLOCK - shared lock)。
因為排他鎖的特性是，一次只能用一個，故此號誌的初值為 1。 而共用鎖則是可以同時好幾個使用者共用，故此號誌的初值設為 0 。
還有一點要注意的是，排他鎖與共用鎖不會同時存在，當共用鎖被鎖上時，想鎖上排他鎖的動作就會被擱置，等到共用鎖全部都解除之後，才能鎖上排他鎖。同樣地，後來的共用鎖上鎖動作，又必須等待前一個排隊中的排他鎖上鎖動作解除後才可以鎖上。 亦即後來的排他鎖必須等前面的共用鎖全部解除；後來的共用鎖必須等前面的排他鎖解除。
如何鎖上共用鎖
-
鎖上排他鎖: EXLOCK.sem_op -1 。
等待先前的排他鎖解除，並防止後來的上鎖動作插隊。當 EXLOCK 等於 0 時，試圖將其減一的動作，就會被系統擱置，直到 EXLOCK 的值大於等於 -1 的絕對值。 -
鎖上共用鎖: SHLOCK.sem_op +1 。
因為共用鎖可以同時鎖上多個，所以上鎖動作是用加的。 SHLOCK 的值，會等於目前取得共用權利的程序的數目。 -
解除排他鎖: EXLOCK.sem_op +1 。
讓後來的上鎖動作可以繼續動作。 但是後到的 LOCK_EX 將會等待 SHLOCK 的值變為 0。而在它等待的時間裡，後到的 LOCK_SH 將會等待它解除 EXLOCK。
如何鎖上排他鎖
-
鎖上排他鎖: EXLOCK.sem_op -1 。
如果 EXLOCK 等於 1 ，則減一的動作會使 EXLOCK 變為 0 (1 + -1 = 0)。如果 EXLOCK 等於 0 ，則試圖減一的動作將會被擱置。 -
等待共用鎖全部解除: SHLOCK.sem_op 等於 0。
等待 SHLOCK 的值變為 0 ，亦即所有的共用鎖都已解除。 我第一步都先鎖上排他鎖，就是為了防止後來的上鎖動作插隊。
如何解除鎖定
這講起來比較麻煩，我就懶得細述了，看個人理解能力吧。
- if ( EXLOCK =1 and SHLOCK > 0 ) then SHLOCK -1 (解除 SHLOCK)
- if ( EXLOCK =0 and has process wait SHLOCK be zero) then SHLOCK -1 (解除 SHLOCK)
- if ( EXLOCK =0 but no process wait SHLOCK be zero) then EXLOCK +1 (解除 EXLOCK)
實作內容
程式是我從我的一個舊軟體 (Firebird BBS library) 中的 bcache.c 中擷取出來的。bcache.c 是一個共享記憶體使用模組，並利用號誌來實作其中的 lock_shm() 功能。舊文的內容已經不能編譯了，故我這次改版時順便改寫了程式碼，並在 Ubuntu 10.04 下編譯實測過。
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/* Firebird BBS, The TIP Project. 資料快取模組: bcache.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/ipc.h>
//#include "bbsdefs.h"
//#include "config.h"
//#include "struct.h"
#include <sys/sem.h>
#if !defined(LOCK_SH)
#define LOCK_SH 1 /* shared lock */
#endif
#if !defined(LOCK_EX)
#define LOCK_EX 2 /* exclusive lock */
#endif
#if !defined(LOCK_NB)
#define LOCK_NB 4 /* don't block when locking */
#endif
#if !defined(LOCK_UN)
#define LOCK_UN 8 /* unlock */
#endif
/* write by rock
求 IPC 鍵值。
須傳入一檔案名稱，若該檔不存在， IPC_key() 會自動建立。
RC: 成功(鍵值)、失敗(-1)
See also: stat(), ftok()
*/
static int IPC_key(const char*ipcname) {
struct stat st;
int fd;
if( stat(ipcname, &st) == 0 && S_ISREG( st.st_mode) )
return st.st_ino;
if((fd=creat(ipcname, 0644))<0)
return -1;
fstat(fd, &st);
close(fd);
return st.st_ino; // 以 i_node 的值做為 IPC key
//不理會 SYSV 的 ftok() 函數。
// ftok() 是 SVR 所提供的函數，在 POSIX 及 BSD 中沒有。
//return ftok(ipcname,proj);
}
/*
NAME: lock_shm() 鎖定共享記憶體。
LOCK_SH 加上共享鎖定(讀取鎖定)
LOCK_EX 加上互斥鎖定(寫入鎖定)
LOCK_NB 不擱置( non-blocking ，配合前兩者使用 )
LOCK_UN 解除鎖定
此函數提供了一個近似 flock() 行為的 shm 鎖定函數。
RC: 成功(0)、失敗(-1)
See also: semget(), semctl(), semop()
*/
int lock_shm(const char*shmname,int op) {
enum { EXLOCK, SHLOCK} lock;
struct sembuf lockop={0, 0, SEM_UNDO} /* sem 操作指令*/;
int semkey, semid;
ushort sem_val[] = {
1 /*Init value of EXLOCK*/,
0 /*Init value of SHLOCK*/ };
if( (semkey=IPC_key(shmname)) < 0) //嘗試建立 sem
return -1;
if( (semid=semget(semkey, 2, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0640)) >= 0) {
if( semctl(semid, 0, SETALL, sem_val) < 0) // 初始 sem 的值
return -1;
}
else {
if((semid=semget(semkey,1,0)) < 0) //sem 可能建立了，取得semid
return -1;
}
/*{
ushort sval[2];
semctl(semid,0,GETALL,sval);
printf("[%d] Value of EXLOCK:%d, Value of SHLOCK:%d\n",
semid, sval[EXLOCK], sval[SHLOCK]);
}*/
/*
non-blocking 鎖定，只要多設一個旗標 IPC_NOWAIT 即達目的。
連傳回值也一樣：當無法立即取得對 sem 的操作時， semop() 不會被擱置，
會立即返回(傳回 -1 )，並設定 errno 為 EAGAIN 。
*/
if( op & LOCK_NB )
lockop.sem_flg |= IPC_NOWAIT;
if( op & LOCK_EX ) {
lockop.sem_num = EXLOCK;
lockop.sem_op = -1;
if( semop(semid, &lockop, 1) < 0 )
return -1;
//printf("EXLOCK... wait SHLOCK be zero\n");
lockop.sem_num = SHLOCK;
lockop.sem_op = 0;
return semop(semid, &lockop, 1);
}
else if( op & LOCK_SH ) {
lockop.sem_num = EXLOCK;
lockop.sem_op = -1;
if( semop(semid, &lockop, 1) < 0 )
return -1;
//printf("EXLOCK... wait to get SHLOCK\n");
lockop.sem_num = SHLOCK;
lockop.sem_op = 1;
if( semop(semid, &lockop, 1) < 0 )
return -1;
//printf("SHLOCK ok\n");
lockop.sem_num = EXLOCK;
lockop.sem_op = 1;
//printf("Release EXLOCK\n");
return semop(semid, &lockop, 1);
}
//以下動作皆為 LOCK_UN
if( semctl(semid, 0, GETALL, sem_val) < 0 )
return -1;
//printf("LOCK_UN, EXLOCK:%d, SHLOCK:%d\n",sem_val[0], sem_val[1]);
/*
如果沒有程序在等待取得鎖定的話，那解除鎖定的動作，將會是"刪除 sem "，而不
是"改變 sem 的值"。
如果有程序等待取得 LOCK_EX 的話，那就是在等待 SHLOCK 的值變為 0 。
如果有程序等待取得 LOCK_SH 的話，那就是在等待 EXLOCK 的值增加。
*/
if( semctl(semid, SHLOCK, GETZCNT, 0) == 0 &&
semctl(semid, EXLOCK, GETNCNT, 0) == 0 )
{
//printf("may remove...");
if( sem_val[EXLOCK] <= 1 && sem_val[SHLOCK] == 0) {
/*printf("remove sem %d,Z:%d,N:%d\n", semid,
semctl(semid,SHLOCK,GETZCNT,0),
semctl(semid,EXLOCK,GETNCNT,0));
*/
return semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0);
}
}
if( sem_val[EXLOCK] >0 && sem_val[SHLOCK] > 0 ) {
lockop.sem_num = SHLOCK;
lockop.sem_op = -1;
//printf("EXLOCK >0 and SHLOCK >0: UNLOCK SHLOCK\n");
return semop(semid, &lockop, 1);
}
else if( sem_val[EXLOCK] <= 0 ) {
if( semctl(semid, SHLOCK, GETZCNT, NULL) >0 ) {
lockop.sem_num = SHLOCK;
lockop.sem_op = -1;
//printf("UNLOCK SHLOCK\n");
}
else {
lockop.sem_num = EXLOCK;
lockop.sem_op = 1;
//printf("UNLOCK EXLOCK\n");
}
return semop(semid, &lockop, 1);
}
return 0;
}
因為實作上的技術問題，一個設計不良的解鎖動作(LOCK_UN)，可能會破壞掉目前正在等待取得鎖定的程序隊伍。 例如: 行程a 尚未鎖上任何排他鎖或共用鎖，卻要求解鎖。此時會誤將行程b 加上的鎖給解除了。如果此時有另一行程c 正等待行程b 解除鎖定，就會誤以為行為b 已經解除鎖定(實際上是被行程a 越過界給解除了)，開始存取資源，造成行程b 和行程c 互搶資源。
這個問題在技術上並不難克服。只是我懶得做了。
以下是測試程式:
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#if !defined(LOCK_SH)
#define LOCK_SH 1 /* shared lock */
#endif
#if !defined(LOCK_EX)
#define LOCK_EX 2 /* exclusive lock */
#endif
#if !defined(LOCK_NB)
#define LOCK_NB 4 /* don't block when locking */
#endif
#if !defined(LOCK_UN)
#define LOCK_UN 8 /* unlock */
#endif
int lock_shm(const char*shmname,int op);
void dump(char *prog) {
char buf[80];
sprintf(buf,"dump[%s].",prog);
write(1, buf, strlen(buf));
sleep(1);
}
void main(int argc, char* argv[]) {
char shmname[] = "TEST_BCACHE";
int i;
char *prog;
prog= argv[1];
printf("[%s]LOCK_EX:%d\n", prog, lock_shm(shmname,LOCK_EX) );
for(i = 0; i < 5; i++)
dump(prog);
printf("\n[%s]LOCK_UN:%d\n", prog, lock_shm(shmname,LOCK_UN) );
printf("[%s]LOCK_SH:%d\n", prog, lock_shm(shmname,LOCK_SH) );
for(i =0; i <5; i++)
dump(prog);
printf("\n[%s]LOCK_UN:%d\n", prog, lock_shm(shmname,LOCK_UN) );
printf("[%s]LOCK_EX:%d\n", prog, lock_shm(shmname,LOCK_EX) );
for(i =0; i <5; i++)
dump(prog);
printf("\n[%s]LOCK_UN:%d\n", prog, lock_shm(shmname,LOCK_UN) );
}
執行範例:
$ gcc -o testlock testlock.c lock_shm.c
$ ./testlock a & ./testlock b &
[1] 3285
[2] 3286
$ [a]LOCK_EX:0
dump[a].dump[a].dump[a].dump[a].dump[a].
[a]LOCK_UN:0
[b]LOCK_EX:0
dump[b].dump[b].dump[b].dump[b].dump[b].
[b]LOCK_UN:0
[a]LOCK_SH:0
dump[a].[b]LOCK_SH:0
dump[b].dump[a].dump[b].dump[a].dump[b].dump[a].dump[b].dump[a].dump[b].
[a]LOCK_UN:0
[b]LOCK_UN:0
[a]LOCK_EX:0
dump[a].dump[a].dump[a].dump[a].dump[a].
[a]LOCK_UN:0
[b]LOCK_EX:0
dump[b].dump[b].dump[b].dump[b].dump[b].
[b]LOCK_UN:0
[1]- Done ./testlock a
[2]+ Done ./testlock b
先跑幾隻丟到背景，等執行一部份後，再跑幾隻到背景，就可以觀察數隻程式利用號誌協調執行順序的情形了。以前面的執行範例為例，行程a 先取得了排他鎖，所以一開始只會看到 dump[a] 。接著換行程b 取得排他鎖，所以接著只會看到 dump[b] 。再接著，行程a 與 b 取得共用鎖，所以 dump[a], dump[b] 將交錯出現。
參考文件
這三個函式，我在 Solaris, Linux 和 FreeBSD 都使用過。都被納入 POSIX 規格之中，具有可攜性。
樂多舊網址: http://blog.roodo.com/rocksaying/archives/14848695.html