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在多進(jìn)程共享的應(yīng)用程序中，通過“鎖”來對同一個(gè)計(jì)算資源進(jìn)行協(xié)同是非常常見的做法，無論在單機(jī)或多機(jī)的系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)中，都需要依賴“鎖”機(jī)制來避免并發(fā)訪問導(dǎo)致的不確定結(jié)果，今天我們就來講講文件系統(tǒng)中的“鎖”。
首先，文件鎖也是一種互斥機(jī)制，可確保多個(gè)進(jìn)程以安全的方式讀取/寫入同一個(gè)文件。之所以要對這些多進(jìn)程業(yè)務(wù)進(jìn)行控制，就是因?yàn)檫@些進(jìn)程的調(diào)度是不可預(yù)期的，這種時(shí)序上的不可預(yù)期會(huì)對同一個(gè)文件資源產(chǎn)生競爭性訪問，從而帶來預(yù)期外的結(jié)果。
我們可以看一個(gè)例子，以便更好地理解這個(gè)問題。
假設(shè)我們有一個(gè) account.dat 文件，用于存儲(chǔ)帳戶余額，其初始值為“200”。并發(fā)系統(tǒng)有兩個(gè)進(jìn)程來更新這個(gè)文件上的余額值：
- 進(jìn)程 A：讀取當(dāng)前值，減去 20，然后將結(jié)果保存回文件中。
- 進(jìn)程 B：讀取當(dāng)前值，加 80，然后將結(jié)果寫回到文件中。
顯然，在順序執(zhí)行完這兩個(gè)進(jìn)程后，我們期望文件具有以下值：200-20 + 80 = 260。
但是，如果進(jìn)程的執(zhí)行不是按預(yù)期的順序直徑，在以下這種情況下，可能會(huì)出現(xiàn)不一樣的結(jié)果：
- 進(jìn)程 A 讀取文件的當(dāng)前值（200），并準(zhǔn)備進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算。
- 這時(shí)，進(jìn)程 B 讀取相同的文件并獲得當(dāng)前余額（200）。
- 進(jìn)程 A 計(jì)算 200-20 并將結(jié)果 180 保存回文件。
- 進(jìn)程 B 不知道余額已更新。因此，它仍將使用過時(shí)的值 200 計(jì)算 200 + 80，并將結(jié)果 280 寫入文件。
結(jié)果，account.dat 文件中保存的余額就是 280 而不是預(yù)期值 260。
Linux 中的文件鎖
像前面提到的，文件鎖是一種在多個(gè)進(jìn)程之間限制文件并發(fā)訪問的機(jī)制。它僅允許一個(gè)進(jìn)程在特定時(shí)間內(nèi)訪問文件，從而避免更新問題。
我們都知道 rm -rf /在 Linux 中是非常危險(xiǎn)的命令。如果我們以 root 用戶身份執(zhí)行該命令，它甚至可以刪除正在運(yùn)行的系統(tǒng)中的所有文件。這是因?yàn)?Linux 通常不會(huì)自動(dòng)給打開的文件加鎖，所以即使是正在運(yùn)行的文件，仍然有可能被 rm 命令刪除。Linux 支持兩種文件鎖：協(xié)同鎖（Advisory lock）和強(qiáng)制鎖（Mandatory lock）。
協(xié)同鎖（Advisory lock）
協(xié)同鎖定不是強(qiáng)制性鎖方案，僅當(dāng)參與的進(jìn)程通過顯式獲取鎖進(jìn)行協(xié)作時(shí)，它才有效。否則，如果某個(gè)進(jìn)程根本不知道鎖，則這個(gè)協(xié)同鎖會(huì)被忽略掉（意味著各個(gè)進(jìn)程間必須協(xié)商并遵守這個(gè)協(xié)同鎖的機(jī)制，才能發(fā)揮鎖的作用）。
下面這個(gè)例子可以幫助我們更容易地理解協(xié)同鎖機(jī)制。讓我們先回顧一下我們之前提到的賬戶文件的例子。
首先，我們假設(shè)文件 account.dat 仍包含初始值 “200”。
進(jìn)程 A 獲取 account.dat 文件的排他鎖，然后打開并讀取該文件以獲取當(dāng)前值：200。
我們必須了解，協(xié)同鎖不是由操作系統(tǒng)或文件系統(tǒng)設(shè)置的。因此，即使進(jìn)程 A 鎖定了文件，進(jìn)程 B 仍然可以通過系統(tǒng)調(diào)用自由讀取、寫入或刪除文件。
如果進(jìn)程 B 不嘗試在獲取鎖的情況下，就執(zhí)行文件操作，則可以說進(jìn)程 B 與進(jìn)程 A 沒有使用協(xié)同鎖機(jī)制進(jìn)行合作，仍然會(huì)帶來不可預(yù)期的結(jié)果。
現(xiàn)在，讓我們看一下鎖如何在協(xié)作流程中發(fā)揮作用：
- 進(jìn)程 B 嘗試在讀取文件之前（與進(jìn)程 A 協(xié)作）獲得對 account.dat 文件的鎖。
- 由于進(jìn)程 A 已獲得文件鎖，因此進(jìn)程 B 必須等待進(jìn)程 A 釋放鎖。
- 進(jìn)程 A 計(jì)算 100-20 并將 80 寫回到文件中。
- 進(jìn)程 A 釋放鎖。
- 進(jìn)程 B 現(xiàn)在獲取一個(gè)鎖并讀取文件，并獲取更新的值：180。
- 進(jìn)程 B 開始其邏輯，并將結(jié)果 260（180 + 80）寫回到文件中。
- 進(jìn)程 B 釋放鎖，以便其他協(xié)作進(jìn)程可以繼續(xù)讀寫該文件。
強(qiáng)制鎖（Mandatory Lock）
與協(xié)作鎖不同，強(qiáng)制鎖不需要參與進(jìn)程之間的任何合作。一旦在文件上激活了強(qiáng)制鎖，操作系統(tǒng)便會(huì)阻止其他進(jìn)程讀取或?qū)懭胛募?/p>
要在 Linux 中啟用強(qiáng)制性文件鎖定，必須滿足兩個(gè)要求：
- 我們必須使用 mand 選項(xiàng)掛載文件系統(tǒng)（掛載-o mand FILESYSTEM MOUNT_POINT）。
- 我們必須為要鎖定的文件（chmod g + s，g-x FILE）打開 set-group-ID 位，并關(guān)閉組執(zhí)行位。
使用強(qiáng)制鎖之后，這個(gè)鎖會(huì)在操作系統(tǒng)級別進(jìn)行管理和控制。
檢查系統(tǒng)中的所有鎖
slocks 命令
lslocks 命令是 util-linux 軟件包的一個(gè)組件，在所有 Linux 發(fā)行版中都可用，通過這個(gè)命令可以列出系統(tǒng)中所有當(dāng)前持有的文件鎖。
在以下列表中，我們可以看到系統(tǒng)中所有當(dāng)前鎖定的文件，還可以看到每個(gè)鎖的詳細(xì)信息，例如鎖的類型以及哪個(gè)進(jìn)程持有該鎖。
/ proc /locks
/ proc / locks 不是命令，它是 procfs 虛擬文件系統(tǒng)中的文件。該文件包含所有當(dāng)前文件鎖，lslocks 命令也依賴于此文件來生成列表。
要獲取 / proc / locks 的信息，我們執(zhí)行“ cat / proc / locks”：
我們從第一行開始，了解/ proc / locks 文件系統(tǒng)中鎖信息的組織方式：
- 第一列是序列號(hào)。
- 第二個(gè)字段指示使用的鎖類別，例如 FLOCK（來自 flock 系統(tǒng)調(diào)用）或 POSIX（來自 lockf，fcntl 系統(tǒng)調(diào)用）。
- 此列用于說明鎖類型。它可以有兩個(gè)值：ADVISORY 或 MANDATORY。
- 第四個(gè)字段顯示該鎖是 WRITE 還是 READ 鎖。
- 第五個(gè)字段是鎖的進(jìn)程 ID。
- 該字段包含一個(gè)冒號(hào)分隔的字符串，以“ major-device：minor-device：inode”的格式顯示鎖定文件的 ID。
- 此列以及最后一列顯示了被鎖定文件的鎖定區(qū)域的開始和結(jié)束。在此示例行中，整個(gè)文件被鎖定（0-EOF）。
由于分布式文件系統(tǒng)主要用于多個(gè)客戶端中共享文件，客戶端的應(yīng)用程序并發(fā)訪問文件是很常見的操作，在實(shí)際應(yīng)用中，渲染、HPC 等業(yè)務(wù)都需要使用到文件鎖，鎖的支持對分布式文件系統(tǒng)而言至關(guān)重要。YRCloudFile 支持 POSIX 語義中的協(xié)同鎖和共享鎖，用戶可以通過 flock 或 fcntl 等系統(tǒng)調(diào)用來對文件進(jìn)行鎖操作，鎖的粒度可以支持到文件級別或文件內(nèi)的指定區(qū)間。
