Многопользовательская блокировка файлов

Непосредственное использование в Unix только функций открытия, закрытия, записи в файл и чтения из файла не обеспечивает полных возможностей совместного использования файлов. Для управления совместным доступом к открытым файлам Unix содержит дополнительные средства, обеспечиваемые через системную функцию fcntl. Функция эта имеет прототип

int fcntl(int handle, int cmd,...).

Параметр cmd задает операции, которые необходимо выполнить над файлом, указанным аргументом handle. Третий аргумент этой функции, который может быть указан после cmd, зависит от конкретного значения операции cmd. Имеется целый ряд возможных значений для аргумента операции функции fcntl, но большинство из них не будет рассматриваться здесь. Ограничимся только значениеми, относящимися к взаимной блокировке файлов и их записей. В этом случае функция fcntl приобретает вид

int fcntl(int handle, int cmd, struct flock *ldata).

Для этого варианта имеем три основных значения аргумента cmd. Они обозначаются символическими константами F_SETLK, F_SETLKW и F_GETLK. Структуры flock данных описываются в заголовочном файле в виде

struct flock

{short l _type; // тип блокировки

short l _whence; // код базовой позиции для отсчета смещения

off_t l _start; // смещение относительно базовой позиции

off_t l _len; // сколько байтов находится в заблокированной области

pid_t l _pid; // PID процесса, который блокировал файл

};

Сами символические константы операций блокировок обозначают следующее. Константа F_SETLK задает попытку применить блокировку к файлу и немедленно возвратить управление либо же отменить блокировку, если это действие задано типом блокировки, равным F_UNLCK. При неудачной попытке наложения блокировки с операцией, заданной константой F_SETLK, функция fcntl возвращает код -1. Константа F_SETLKW приказывает попытаться применить блокировку к файлу и приостановить работу, если блокировка уже наложена другим процессом. Константа F_GETLK делает запрос на получение описания блокировки, отвечающей данным в аргументе ldata (возвращаемая информация описывает первую блокировку, препятствующую наложению блокировки, которая задается структурой ldata).

Код базовой позиции для отсчета смещения задает либо начальную позицию в файле (константой SEEK_SET), либо текущую позицию в нем (константой SEEK_CUR), либо позицию конца файла (константой SEEK_END).

В пояснение описанных деталей отметим, что средства Unix позволяют управлять совместным доступом не только ко всему файлу, но и к отдельным участкам его. В частности, разрешить другим процессам только читать отдельные участки файла, а другим, может быть, разрешить изменять их. Поэтому указанные средства содержат не только указание разрешения вида доступа или соответственно запрета (блокировки) доступа, но и описание участка, к которому относится такой запрет. Именно с этой целью в состав структуры flock включены поля l_whence, l_start, l_len, причем поле l_len задает длину участка, на который распространяется действие конкретного вызова функции fcntl; поле l_start задает начальное смещение рассматриваемого участка относительно точки позиции, указанной параметром l_ whence. Последний, в свою очередь, значениями констант задает отсчет позиции относительно начала файла, относительно текущего положения указателя позиции в нем или относительно конца файла. В качестве указанных констант могут быть взяты соответственно значения 0, 1, 2 или именованные константы SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END из заголовочного файла stdio.h. Поле l_len может быть задано числом 0, тогда блокировка распространяется от указанного в структуре начала файла до его конца (причем при дальнейшем увеличении файла в процессе работы с ним эта блокировка распространяется дальше – до текущего конца файла).

В структуре данных flock тип блокировки, указываемый полем l_type, задается символическими константами, предварительно описанными в заголовочном файле. Эти константы следующие: F_RDLCK – установить на указанную в структуре область данных блокировку чтения; F_WRLCK – установить на указанную в структуре область данных блокировку записи; F_UNLCK – снять блокировку с указанной области. Функция fcntl может быть использована многократно для различных участков файла и для них с ее помощью могут быть установлены, изменены или сняты определенные виды блокировок.

Блокировка по чтению (константой F_RDLCK) может быть установлена только в том случае, если файл, на который она устанавливается текущей программой, открыт для чтения (т.е. с режимом O_RDONLY или O_RDWR). Блокировка по записи (константой F_WRLCK) может быть установлена только, если файл, на который она устанавливается текущей программой, открыт данной программой для записи (т.е. с режимом O_WRONLY или O_RDWR).

Блокировка чтения, задаваемая константой F_RDLCK, просто предотвращает установку другими процессами блокировки записи. Несколько процессов могут одновременно выполнять блокировку чтения для одного и того же участка файла. Блокировка по чтению может использоваться, чтобы предотвратить обновление данных, не скрывая их от просмотра другими процессами. Блокировка записи, задаваемая константой F_WRLCK, предотвращает установку другими процессами блокировок чтения и записи для файла. Для заданного участка файла может существовать только одна блокировка записи одновременно. Блокировка записи может использоваться для запрещения просмотра участков файла при выполнении обновлений.

Блокировка по чтению на участок файла может устанавливаться независимо различными процессами, но блокировку по записи может установить только один процесс. Попытки других процессов установить такую блокировку, пока она не снята процессом, установившем ее, оказываются неудачными. Эта неудача проявляется в том, что при использовании операции SETLK функция fcntl возвращает значение ‑1, а при использовании операции SETLKW в функции fcntl процесс приостанавливается до снятия блокировки другим процессом.

Заметим, что блокировка посредством вызова функции fcntl действует только, если ее использование систематически применяется всеми программами, обращающимися к файлу. Если некоторая программа обращается к тому же файлу операциями read или write без предварительных операций fcntl в попытках установить блокировку, то, к сожалению, никаких блокировок, предохраняющих несогласованное использование файла, не реализуется.

Следующая программа, приведенная листингом 2.4.1, демонстрирует использование функций открытия файла, закрытия файла, записи в файл, задание ограничения совместного доступа и аналогична по выполняемым действиям программе в листинге 2.3.1, написанной для другой ОС.

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

int main()

{char buffer[100]="Было прочитано ";

int len;

int fhandle;int fhandle;

char fname[ ]="myresult.txt";

struct flock lock={F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0};

fhandle=open(fname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0600);

fcntl(fhandle, F_SETLKW, &lock);

write(1, "Vvedite\n",8);

len=read(0, buffer+16, 80); // записываем вводимое после начального текста

write(fhandle, buffer, 16+len);

sleep(10);

lock.l_type=F_UNLCK;

fcntl(fhandle, F_SETLK, &lock);

close(fhandle);

}

Листинг 2.4.1. Программа ограничения доступа к файлу в Unix

В этом примере значение поля l_type структуры данных lock типа flock задается равным константе F_WRLCK, т.е. указывается блокировка при записи данной программой, которая равносильна запрету как по чтению, так и по записи для других процессов. Начальный адрес участка задается на основе начальной позиции в файле (константа SEEK_SET в поле l_whence) со смещением в l_start, равным нулю, т.е. указывается, что управляемый участок начинается с самого начала файла. Значение поля l_len задано нулевым, что равносильно указанию распространения действий до конца файла. Таким образом указано, что воздействию запрета на доступ для других процессов подлежит весь файл. Рассматриваемый запрет на запись осуществляется вызовом функции fcntl(fhandle, F_SETLKW, &lock) сразу после открытия файла. Если в последующие моменты времени до снятия этой блокировки другой процесс выполняет аналогичную функцию fcntl(fhandle, F_SETLKW, &lock), то он приостанавливается на этой функции до тех пор, пока блокировка не будет снята.

После записи в файл функция write задает отмену запрета на запись, установленного данным процессом. С этой целью выполняется функция fcntl(fhandle, F_SETLK, &lock), в параметре lock которой задано поле l_type, равное константе F_UNLCK, т.е. указывается отмена блокировки (того же участка, что и раньше был указан в этой структуре).

Заметим, что если не требуется принимать мер по управлению совместным использованием файла, то в программе для Unix достаточно просто не использовать функцию fcntl для этих целей. В частности, для упрощения рассматриваемого примера можно было отбросить из программы вызовы функции fcntl, описание и установки полей экземпляра lock структуры flock. В программах же для операционных систем MS Windows и OS/2 во всех случаях приходится использовать те же функции, что и в более сложном случае, причем с заданием всех их параметров.

В операционных системах Windows для блокировки участков файлов предназначена функция, имеющая прототип

BOOL LockFile(HANDLE hFile,

DWORD FileOffsetLow, DWORD FileOffsetHigh,

DWORD nNumberOfBytesToLockLow,

DWORD nNumberOfBytesToLockHigh).

Данная функция при удачном выполнении блокирует доступ к указанному в ней участку для всех других процессов. Эта функция предназначена в общем случае для работы с очень большими файлами, размер которых превосходит числа, задаваемые в формате DWORD (более чем 32-битные двоичные числа, что соответствует границе в 4Гбайта). Поэтому для задания смещения блокируемого участка используются два аргумента FileOffsetLow и FileOffsetHigh, задающие младшую и старшую части такого смещения. Аналогичным образом для задания числа байтов в блокируемом участке предназначены два аргумента nNumberOfBytesToLockLow и nNumberOfBytesToLockHigh, также задающие младшую и старшую части этого числа.

Удалось или нет заблокировать запрошенный участок, программа определяет по возвращаемому функцией LockFile логическому значению. При неудачном задании блокировки выполняемая программа не приостанавливается сама по себе, но для этого требуется выполнение дополнительных операторов, вызывающих системные функции, которые рассмотрим впоследствии. (Простейшим, но не эффективным решением являются многократные попытки успешно выполнить функцию блокировки LockFile до тех пор, пока она не вернет значение, свидетельствующее о успешно установленной блокировке.)

Обратной к функции LockFile является системная функция UnlockFile, которая имеет прототип

BOOL UnlockFile(HANDLE hFile,

DWORD FileOffsetLow, DWORD FileOffsetHigh,

DWORD cbUnlockLow, DWORD cbUnlockHigh),

где аргументы по своему назначению совпадают с уже рассмотренными в функции LockFile. Данная функция снимает блокировку с указанного в ней участка, давая тем самым свободный доступ к нему, если это, конечно, согласуется с общими режимами доступа для других процессов, определяемыми аргументом ShareMode в функции открытия файла CreateFile.

Кроме двух рассмотренных функций, предназначенных для управления блокировкой отдельных участков в Windows, эта ОС содержит несколько позже добавленные в нее функции, которые дают возможности расширенного управления выборочной блокировкой. Это – функции LockFileEx и UnlockFileEx, которые имеют прототипы

BOOL LockFileEx(HANDLE hFile, DWORD Flags,

DWORD dwReserved,

DWORD nNumberOfBytesToLockLow,

DWORD nNumberOfBytesToLockHigh,

LPOVERLAPPED lpOverlapped)

и

BOOL UnlockFileEx(HANDLE hFile, DWORD dwReserved,

DWORD nNumberOfBytesToUnlockLow,

DWORD nNumberOfBytesToUnlockHigh,

LPOVERLAPPED lpOverlapped).

По существу эти расширенные функции очень похожи на только что рассмотренные, но позволяют более сложное управление блокировкой за счет параметра Flags, в котором может находиться одна из следующих констант:

LOCKFILE_FAIL_IMMEDIATELY

LOCKFILE_EXCLUSIVE_LOCK

или их объединение. Первая из этих констант задает немедленное возвращение из системной функции при невозможности установить блокировку. При отсутствии этой константы происходит переход к состоянию ожидания, если заданный участок или его часть уже заблокированы другим процессом. Вторая константа дополнительно задает исключающую блокировку. При отсутствии последней константы блокировка является разделяемой между процессами, т.е. может быть установлена более чем одним процессом.

В двух последних функциях значение смещения рассматриваемого участка файла размещается внутри структуры данных, задаваемых последним аргументом. Как видим, полноценное блокирование участков файлов в ОС типа Windows задается в действительности еще сложней чем в Unix.

Дата добавления: 2014-01-05