linux fcntl文件锁定超时

Question

标准的 linux fcntl 调用不提供超时选项。我正在考虑使用信号实现超时锁定。

这里是阻塞锁的描述：

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F_SETLKW

这个命令应该等同于F_SETLK，除了如果共享或排他锁被其他锁阻塞，线程将等待直到请求被满足。 如果在 fcntl() 等待区域时接收到要捕获的信号，则 fcntl() 应被中断。 从信号处理程序返回时，fcntl() 应返回 -1 和 errno设置为[EINTR]，不做锁操作。

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那么我需要使用什么样的信号来指示要中断的锁呢？而且由于我的进程中有多个线程在运行，我只想中断这个阻塞文件锁的IO线程，其他线程不应该受到影响，但是信号是进程级别的，我不知道如何处理这种情况。

补充：

我用信号写了一个简单的实现。

int main(int argc, char **argv) {
  std::string lock_path = "a.lck";

  int fd = open(lock_path.c_str(), O_CREAT | O_RDWR, S_IRWXU | S_IRWXG | S_IRWXO);

  if (argc > 1) {
    signal(SIGALRM, [](int sig) {});
    std::thread([](pthread_t tid, unsigned int seconds) {
      sleep(seconds);
      pthread_kill(tid, SIGALRM);
    }, pthread_self(), 3).detach();
    int ret = file_rwlock(fd, F_SETLKW, F_WRLCK);

    if (ret == -1) std::cout << "FAIL to acquire lock after waiting 3s!" << std::endl;

  } else {
    file_rwlock(fd, F_SETLKW, F_WRLCK);
    while (1);
  }

  return 0;
}

通过运行./main，然后运行./main a，我希望第一个进程永远持有锁，第二个进程尝试获取锁并在 3 秒后中断，但第二个进程刚刚终止。

谁能告诉我我的代码有什么问题？

Answer 1

那么我需要使用什么样的信号来指示锁定是 被打断了？

最明显的信号选择是SIGUSR1 或SIGUSR2。提供这些是为了满足用户定义的目的。

还有SIGALRM，如果您使用产生此类信号的计时器来进行计时，这将是很自然的，并且即使以编程方式生成也有意义，只要您不使用它其他用途。

而且由于我的服务器中有多个线程在运行 进程，我只想中断这个阻塞的 IO 线程 文件锁，其他线程不应该受到影响，但信号是 进程级别的，我不知道如何处理这种情况。

您可以通过pthread_kill() 函数向多线程进程中的选定线程传递信号。这也适用于多个线程同时等待锁的情况。

使用常规的kill()，您还可以选择让所有线程阻塞所选信号（sigprocmask()），然后让线程在尝试之前立即解除阻塞。当所选信号被传递到过程时，如果有任何此类线程可用，则不会显示它的线程将不会接收它。

示例实现

这假设已经设置了一个信号处理程序来处理选定的信号（它不需要做任何事情），并且要使用的信号编号可通过符号LOCK_TIMER_SIGNAL 获得。它提供了所需的超时行为作为围绕fcntl() 的包装函数，并使用问题中描述的命令F_SETLKW。

#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#define _GNU_SOURCE

#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>

// glibc does not provide a wrapper function for this syscall:    
static pid_t gettid(void) {
    return syscall(SYS_gettid);
}

/**
 * Attempt to acquire an fcntl() lock, with timeout
 *
 * fd: an open file descriptor identifying the file to lock
 * lock_info: a pointer to a struct flock describing the wanted lock operation
 * to_secs: a time_t representing the amount of time to wait before timing out
 */    
int try_lock(int fd, struct flock *lock_info, time_t to_secs) {
    int result;
    timer_t timer;

    result = timer_create(CLOCK_MONOTONIC,
            & (struct sigevent) {
                .sigev_notify = SIGEV_THREAD_ID,
                ._sigev_un = { ._tid = gettid() },
                // note: gettid() conceivably can fail
                .sigev_signo = LOCK_TIMER_SIGNAL },
            &timer);
    // detect and handle errors ...

    result = timer_settime(timer, 0,
            & (struct itimerspec) { .it_value = { .tv_sec = to_secs } },
            NULL);

    result = fcntl(fd, F_SETLKW, lock_info);
    // detect and handle errors (other than EINTR) ...
    // on EINTR, may want to check that the timer in fact expired

    result = timer_delete(timer);
    // detect and handle errors ...

    return result;
}

这符合我的预期。

注意事项：

• 信号处置是进程范围的属性，而不是每个线程的属性，因此您需要在整个程序中协调您对信号的使用。在这种情况下，try_lock 函数本身修改其所选信号的处置是没有用的（而且可能很危险）。
• timer_* 接口提供 POSIX 间隔计时器，但指定特定线程从此类计时器接收信号的规定是 Linux 特定的。
• 在 Linux 上，您需要与 -lrt 链接以使用 timer_* 函数。
• 以上内容解决了 Glibc 的 struct sigevent 不符合其自己的文档（至少在相对较旧的 2.17 版本中）这一事实。文档声称struct sigevent 有一个成员sigev_notify_thread_id，但实际上它没有。相反，它有一个包含相应成员的未记录联合，并且它提供了一个宏来修补差异 - 但该宏不能作为指定初始化程序中的成员指示符。
• fcntl 锁在每个进程的基础上运行。因此，同一进程的不同线程不能通过这种锁相互排斥。此外，同一进程的不同线程可以修改通过其他线程获得的fcntl() 锁，而无需任何特别努力或通知任一线程。
• 您可以考虑为此目的创建和维护每个线程的静态计时器，而不是在每次调用时创建然后销毁一个新计时器。
• 注意fcntl() 如果被不终止线程的任何 信号中断，将返回EINTR。因此，您可能希望使用一个信号处理程序来设置一个肯定的每线程标志，您可以通过该标志来验证是否收到了实际的计时器信号，以便在它被不同的信号中断时重试锁定。
• 由您来确保线程不会因其他原因接收到所选信号，或者通过其他方式确认在锁定失败并显示 EINTR 的情况下时间实际上已过期。

Answer 2

更好的解决方案可能是使用select():

https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Waiting-for-I_002fO.html

#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>

int
input_timeout (int filedes, unsigned int seconds)
{
  fd_set set;
  struct timeval timeout;

  /* Initialize the file descriptor set. */
  FD_ZERO (&set);
  FD_SET (filedes, &set);

  /* Initialize the timeout data structure. */
  timeout.tv_sec = seconds;
  timeout.tv_usec = 0;

  /* select returns 0 if timeout, 1 if input available, -1 if error. */
  return TEMP_FAILURE_RETRY (select (FD_SETSIZE,
                                     &set, NULL, NULL,
                                     &timeout));
}

int
main (void)
{
  fprintf (stderr, "select returned %d.\n",
           input_timeout (STDIN_FILENO, 5));
  return 0;
}