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Linux系统编程—进程间同步

我们知道,线程间同步有多种方式,比如:信号量、互斥量、读写锁,等等。那进程间如何实现同步呢?本文介绍两种方式:互斥量和文件锁。

互斥量mutex

我们已经知道了互斥量可以用于在线程间同步,但实际上,互斥量也可以用于进程间的同步。为了达到这一目的,可以在pthread_mutex_init初始化之前,修改其属性为进程间共享。mutex的属性修改函数主要有以下几个:

主要应用函数:

pthread_mutexattr_t mattr 类型: 用于定义互斥量的属性
pthread_mutexattr_init函数:初始化一个mutex属性对象
pthread_mutexattr_destroy函数:销毁mutex属性对象 (而非销毁锁)
pthread_mutexattr_setpshared函数:修改mutex属性。

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);

我们重点看第二个参数:pshared,它有以下两个取值:

线程锁:PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默认属性即为线程锁,进程间私有)

进程锁:PTHREAD_PROCESS_SHARED

要想实现进程间同步,需要将mutex的属性改为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属性对象
pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //修改属性为进程间共享
pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr);                          //初始化一把mutex琐
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);          //销毁mutex属性对象
pthread_mutex_destroy(&mm->mutex);                  //销毁mutex
munmap(mm,sizeof(*mm));                             //释放映射区
return 0;
}

文件锁

顾名思义,就是通过文件实现锁机制。具体来讲,是通过借助 fcntl函数来实现锁机制。当操作文件的进程没有获得锁时,虽然可以打开文件,但无法对文件执行执行read、write操作。

fcntl函数:

函数原型:
int fcntl(int fd, int cmd, … /* arg */ );

函数作用:
获取、设置文件访问控制属性。

参数介绍:
参数cmd有以下取值:
F_SETLK (struct flock *)设置文件锁(trylock)
F_SETLKW (struct flock *) 设置文件锁(lock)W –> wait
F_GETLK (struct flock *)获取文件锁
数据类型flock原型如下:
struct flock {
​ …
​ short l_type; 锁的类型: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; 长度:0表示整个文件加锁
​ pid_t l_pid; 持有该锁的进程ID:(F_GETLK only)
​ …
};

进程间文件锁示例

多个进程对加锁文件进行访问:

#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;        /*选用写琐*/
//    f_lock.l_type = F_RDLCK;      /*选用读琐*/
f_lock.l_whence = SEEK_SET;
f_lock.l_start = 0;
f_lock.l_len = 0;               /* 0表示整个文件加锁 */
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;
}

文件锁类似于读写锁,依然遵循“读共享、写独占”特性。但是,如果进程不加锁直接操作文件,依然可访问成功,但数据势必会出现混乱。

既然文件锁可用应用在进程中,那在多线程中,可以使用文件锁吗?

答案是不行的。因为多线程间共享文件描述符,而给文件加锁,是通过修改文件描述符所指向的文件结构体中的成员变量来实现的。因此,多线程中无法使用文件锁。

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