由unix文件I/O引出的原子操作

第二遍看APUE，打算把知识点总结一下。

问题提出：当两个独立进程A、B同时对一个文件进行追加写操作时（假设这里打开时没有使用O_APPEND参数,即没有从文件尾打开），如果此时进程A调用lseek对该文件偏移量设为100（文件尾），同时内核切换为进程B，B将偏移量也设为100，然后B调用write函数使得B偏移量增加到110。之后内核切换为A，此时如果A调用write的话，还是会从100处开始写入，那么A之前写入的数据会被清除。

这里又涉及到打开文件的内核数据结构：



每个进程在进程表中都有一个记录项，其中含有一张文件描述符表，内容如上图。如果两个独立进程各自打开同一个文件，则有下图关系，分别有自己的文件表项（包含文件状态、偏移量等），APUE里讲的比较详细。



解决问题的方法是将这两个操作相对于其他进程而言成为原子操作，原子操作是不可分割的操作，在执行完毕时它不会被任何事件中断。

下面介绍一下原子操作：

对于单处理器原子操作

操作可以在一条指令内完成。因为进程的上下文切换是在总是在一条指令执行完成后，所以不会出现上述的并发问题。对于单处理器来说，一条处理器指令就是一个原子操作。

对于多处理器原子操作

在多处理器系统(Symmetric Multi-Processor，简称 SMP)中情况有所不同，由于系统中有多个处理器在独立的运行，即使在能单条指令中完成的操作也可能受到干扰。Intel x86指令集提供了指令前缀lock用于锁定前端串行总线（FSB），保证了指令执行时不会受到其他处理器的干扰。使用lock指令前缀后，处理器间对count内存的并发访问（读/写）被禁止，从而保证了指令的原子性。



x86架构处理器原子操作

在linux源码对应体系架构下可以找到原子操作的定义文件atomic.h，里面自加、自减等原子操作。



其中LOCK宏的定义在多处理器架构下，LOCK被定义为lock指令，单处理器架构，LOCK为空，因为此时并不需要 LOCK 指令前缀，处理器只要有可能，原子操作就会被编译成单个机器指令。。

ARM架构下原子操作

在对应源码目录下，找到atomic.h，同样也是内嵌汇编代码。

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回到初始问题，unix系统为其提供了一个原子操作，即open文件时候使用O_APPEND标志，这样使得内核在每次进行写操作之前，都会将偏移量设为文件尾，避免了上述问题。

unix系统针对文件I/O还有其他原子操作，例如函数pread和pwrite，调用pread相当于调用lseek后调用read，但是又实现了原子操作，其特点为：

调用pread时，不能中断其定位和读操作，因此其他进程无法将其打断。

不更新当前文件偏移量。

另外还有open函数中的O_CREAT和O_EXCL参数，同时使用这两个参数时，如果文件已经存在，则出错，因此可以用来检查文件是否存在。如果不存在，则创建它，这使得创建和测试成为一个原子操作。如果没有该原子操作的话，下面这段程序可以实现其功能，但是当两个进程同时操作时，还是会出现问题。

if((fd = open(pathname,O_WRONLY)) < 0){
if(errno == ENOENT){
if((fd = creat(path,mode)) < 0)
err_sys("creat error");
}else
err_sys("open error");
}

参考资料：

APUE

/article/5092800.html