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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