Linux 多進程鎖的幾種實現方案

我們知道，多線程可以用多線程互斥量pthread_mutex_t實現線程之間上鎖，那么多進程之間如何共享鎖呢？

1. 文件鎖實現多進程鎖

由於文件鎖是存放到位於內存的系統文件表中， 所有進程/線程可通過系統訪問。如果不同進程使用同一文件鎖（寫鎖/排他鎖），當取得文件鎖時，進程可繼續執行；如果沒有取得鎖，則阻塞等待。而唯一標識該文件的是文件路徑，因此，可以通過一個共同的文件路徑，來實現多進程鎖機制。
參見文件鎖的本質核心和原理 | CSDN

關鍵點：
1）創建/打開一個唯一路徑的文件；
2）P操作，取得文件的寫鎖（排他鎖）；V操作，釋放文件的鎖；

static struct flock lock_it; /* 用於加鎖的flock對象 */
static struct unlock_it;     /* 用於解鎖的flock對象 */
static int lock_fd = -1; 

void
my_lock_init(char *pathname)
{
    char lock_file[1024]; /* 存放文件名的臨時緩存 */
    
    /* 由於mkstemp會修改參數的最后6個字符，為避免pathname是字符串常量，需要將字符串從pathname copy到臨時緩存lock_file中，然后作為創建唯一臨時文件的參數 */
    strncpy(lock_file, pathname, sizeof(lock_file));
    lock_fd = mkstemp(lock_file); /* 創建唯一的臨時文件並打開 */
    
    unlink(lock_file); /* 刪除指定文件名的文件，如果有進程打開了該文件，會在進程結束后所有指向該文件的描述符都關閉后刪除文件。這樣可以確保即使程序崩潰，臨時文件也會完全消失 */

    /* 設置flock對象的寫鎖屬性 */
    lock_it.l_type = F_WRLCK;
    lock_it.l_whence = SEEK_SET;
    lock_it.l_start = 0;
    lock_it.l_len = 0;

    /* 設置flock對象的解鎖屬性 */
    unlock_it.l_type = F_UNLCK;
    unlock_it.l_whence = SEEK_SET;
    unlock_it.l_start = 0;
    unlock_it.l_len = 0;
}

void
my_lock_wait()
{
    int rc;
    
    /* 取得寫鎖，如果阻塞等待時被中斷喚醒，則繼續恢復阻塞等待鎖資源 */
    whilel ((rc = fcntl(lock_fd, F_SETLKW, &lock_it)) < 0) {
        if (errno == EINTR) continue;
        else err_sys("my_lock_wait fcntl error");  /* 如果沒有調用my_lock_init就直接調用fcntl，將會失敗 */
    }
}

void 
my_lock_release()
{
    if (fcntl(lock_fd, F_SETLKW, &unlock_it) < 0)
        err_sys("my_lock_release fcntl error");
}

---

2. 多線程鎖實現多進程鎖

多線程之間天然共享內存/變量，而多進程各有自己的進程空間，它們之間是不共享數據的

2個關鍵步驟
1）互斥鎖變量存放到共享內存；
2）設置互斥鎖變量的進程共享屬性（PTHREAD_PROCESS_SHARED)；

static pthread_mutex_t *mptr; /* 互斥鎖變量指針，互斥鎖變量存放到共享內存 */

/**
* 多進程互斥鎖變量初始化
*/
void
my_lock_init()
{
    int fd;
    pthread_mutexattr_t mattr;

    /* 新建共享內存區域，但不映射到實際的普通文件 */
    fd = open("/dev/zero", O_RDWR, 0);
    if (fd < 0) err_sys("open error");
    mptr = mmap(0, sizeof(pthread_mutex_t), PORT_READ | PORT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mptr == MAP_FAILED) err_sys("mmap");
    if (close(fd)) err_sys("close error");
    
    pthread_mutexattr_init(&mattr);
    pthread_mutexattr_setpshared(&mattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
    phtread_mutex_init(mptr, &mattr);
}

/**
* 加鎖
*/
void
my_lock_wait()
{
  pthread_mutex_lock(mptr);
}

/**
* 解鎖
*/
void 
my_lock_release()
{
    pthread_mutex_unlock(mptr);
}

對於符合4.4BSD的Linux系統，直接支持匿名內存映射，可以通過指定mmap的參數flag = MAP_ANON，fd = -1，offset被忽略.
而上面將fd指向打開的/dev/zero，是更通用的做法，任何類Unix系統通常都支持。

# ifdef MAP_ANON
ptr = mmap(0, nchildren * sizeof(long), PORT_READ | PORT_WRITE, MAP_ANON | MAP_SHARED, -1 , 0);
#else
int fd;

fd = open("/dev/zero", O_RDWR, 0);
if (fd < 0)
    err_sys("open error");

ptr = mmap(0, nchildren * sizeof(long), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
close(fd);
#endif