Linux系統(tǒng)中的競爭與冒險處理方法

? ? 大家好，我是ST。

? ??今天主要和大家聊一聊，如何理解Linux系統(tǒng)中的競爭與冒險。

第一：競爭冒險基本簡介

? ??假設有兩個獨立的進程A和進程B都對同一個文件進行追加寫操作（也就是在文件末尾寫入數(shù)據(jù)），每一個進程都調用了open函數(shù)打開了該文件，但未使用O_APPEND標志，此時，各數(shù)據(jù)結構之間的關系如圖。每個進程都有它自己的進程控制塊PCB，有自己的文件表（意味著有自己獨立的讀寫位置偏移量），但是共享同一個inode節(jié)點（也就是對應同一個文件）。假定此時進程A處于運行狀態(tài)，B未處于等待運行狀態(tài)，進程A調用了lseek函數(shù)，它將進程A的該文件當前位置偏移量設置為1500字節(jié)處（假如這里是文件末尾），剛好此時進程A的時間片耗盡，然后內核切換到了進程B，進程 B 執(zhí)行 lseek 函數(shù)，也將其對該文件的當前位置偏移量設置為 1500 個字節(jié)處（文件末尾）。然后進程 B 調用 write 函數(shù)，寫入了 100 個字節(jié)數(shù)據(jù)，那么此時在進程 B 中，該文件的當前位置偏移量已經(jīng)移動到了 1600 字節(jié)處。B 進程時間片耗盡，內核又切換到了進程 A，使進程 A 恢復運行，當進程 A 調用 write 函數(shù)時，是從進程 A 的該文件當前位置偏移量（1500 字節(jié)處）開始寫入，此時文件 1500 字節(jié)處已經(jīng)不再是文件末尾了，如果還從 1500字節(jié)處寫入就會覆蓋進程 B 剛才寫入到該文件中的數(shù)據(jù)。

? ??以上給大家所描述的這樣一種情形屬于競爭狀態(tài)（也成為了競爭冒險），操作共享資源的兩個進程（或線程），其操作之后的所得到的結果往往是不可預期的，因為每個進程（或線程）去操作文件的順序是不可預期的，即這些進程獲得 CPU 使用權的先后順序是不可預期的，完全由操作系統(tǒng)調配，這就是所謂的競爭狀態(tài)。既然存在競爭狀態(tài)，那么該如何規(guī)避或消除這種狀態(tài)呢？接下來給大家介紹原子操作。

第二：原子操作方法
? ? ?所謂的原子操作，是有多步操作組成的一個操作，原子操作要么一步也不執(zhí)行，一旦執(zhí)行，必須要執(zhí)行完所有步驟，不可能只執(zhí)行所有步驟中的一個子集。

（1）O_APPEND實現(xiàn)原子操作

? ? ?前面提到過，進程A和進程B都對同一個文件進行追加操作，導致進程A寫入的數(shù)據(jù)覆蓋了進程B寫入的數(shù)據(jù)，解決辦法就是將“先定位到文件末尾”，然后寫，這兩個步驟組成一個原子操作。

? ? ?當open函數(shù)的 flags 參數(shù)中包含了 O_APPEND 標志，每次執(zhí)行 write 寫入操作時都會將文件當前寫位置偏移量移動到文件末尾，然后再寫入數(shù)據(jù)，這里“移動當前寫位置偏移量到文件末尾、寫入數(shù)據(jù)”這兩個操作步驟就組成了一個原子操作，加入 O_APPEND 標志后，不管怎么寫入數(shù)據(jù)都會是從文件末尾寫，這樣就不會導致出現(xiàn)“進程 A 寫入的數(shù)據(jù)覆蓋了進程 B 寫入的數(shù)據(jù)”這種情況了。

（2）pread()和pwrite()

? ? ?pread()和pwrite()都是系統(tǒng)調用，與read()、write()函數(shù)的作用一樣，用于讀取和寫入數(shù)據(jù)。區(qū)別在于，pread()和 pwrite()可用于實現(xiàn)原子操作，調用 pread 函數(shù)或 pwrite 函數(shù)可傳入一個位置偏移量 offset 參數(shù)，用于指定文件當前讀或寫的位置偏移量，所以調用 pread 相當于調用 lseek 后再調用 read；同理，調用 pwrite相當于調用 lseek 后再調用 write。所以可知，使用 pread 或 pwrite 函數(shù)不需要使用 lseek 來調整當前位置偏移量，并會將“移動當前位置偏移量、讀或寫”這兩步操作組成一個原子操作。

? ? ?pread、pwrite函數(shù)原型如下所示：

#include 
ssize_t?pread(int?fd,void *buf,size_t count,off_t offset);
ssize_t pwrite(int fd,const void *buf,size_t count,off_t offset);

函數(shù)參數(shù)和返回值含義如下：

fd、buf、count 參數(shù)與 read 或 write 函數(shù)意義相同。

offset：表示當前需要進行讀或寫的位置偏移量。

返回值：返回值與 read、write 函數(shù)返回值意義一樣。

雖然 pread（或 pwrite）函數(shù)相當于 lseek 與 pread（或 pwrite）函數(shù)的集合，但還是有下列區(qū)別：

(1)調用 pread 函數(shù)時，無法中斷其定位和讀操作（也就是原子操作）；

?(2)不更新文件表中的當前位置偏移量。

實例代碼實現(xiàn)：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(void)
{
 unsigned char buffer[100];
 int fd;
 int ret;
 /* 打開文件 test_file */
 fd = open("./test_file", O_RDWR);
 if (-1 == fd) {
 perror("open error");
 exit(-1);
 }
 /* 使用 pread 函數(shù)讀取數(shù)據(jù)(從偏移文件頭 1024 字節(jié)處開始讀取) */
 ret = pread(fd, buffer, sizeof(buffer), 1024);
 if (-1 == ret) {
 perror("pread error");
 goto err;
 }
 /* 獲取當前位置偏移量 */
 ret = lseek(fd, 0, SEEK_CUR);
 if (-1 == ret) {
 perror("lseek error");
 goto err;
 }
 printf("Current Offset: %d
", ret);
 ret = 0;
err:
 /* 關閉文件 */
 close(fd);
 exit(ret);
}

? ? 在當前目錄下存在一個文件test_file，直接使用pread函數(shù)讀取100個字節(jié)數(shù)據(jù)，從偏移文件頭部1024字節(jié)處，讀取完成之后再使用lseek函數(shù)獲取到文件當前位置偏移量，并將其打印出來。假如pread函數(shù)會改變文件中記錄的當前位置偏移量，則打印出來的數(shù)據(jù)應用是1024+100=1124;如果不會改變文件表中的記錄的當前位置偏移量，則打印出來的數(shù)據(jù)應該是0。