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PHP程序中的文件锁、互斥锁、读写锁使用技巧解析

文件锁
全名叫 advisory file lock, 书中有提及。 这类锁比较常见,例如 mysql, php-fpm 启动之后都会有一个pid文件记录了进程id,这个文件就是文件锁。

这个锁可以防止重复运行一个进程,例如在使用crontab时,限定每一分钟执行一个任务,但这个进程运行时间可能超过一分钟,如果不用进程锁解决冲突的话两个进程一起执行就会有问题。

使用PID文件锁还有一个好处,方便进程向自己发停止或者重启信号。例如重启php-fpm的命令为

kill -USR2 `cat /usr/local/php/var/run/php-fpm.pid`
发送USR2信号给pid文件记录的进程,信号属于进程通信,会另开一个篇幅。

php的接口为flock,文档比较详细。先看一下定义,bool flock ( resource $handle , int $operation [, int &$wouldblock ] ).

  • $handle是文件系统指针,是典型地由 fopen() 创建的 resource(资源)。这就意味着使用flock必须打开一个文件。
  • $operation 是操作类型。
  • &$wouldblock 如果锁是阻塞的,那么这个变量会设为1.

需要注意的是,这个函数默认是阻塞的,如果想非阻塞可以在 operation 加一个 bitmask LOCK_NB. 接下来测试一下。

$pid_file = "/tmp/process.pid";
$pid = posix_getpid();
$fp = fopen($pid_file, 'w+');
if(flock($fp, LOCK_EX | LOCK_NB)){ echo "got the lock \n"; ftruncate($fp, 0); // truncate file fwrite($fp, $pid); fflush($fp); // flush output before releasing the lock sleep(300); // long running process flock($fp, LOCK_UN); // 释放锁定
} else { echo "Cannot get pid lock. The process is already up \n";
}
fclose($fp);

保存为 process.php,运行php process.php &, 此时再次运行php process.php,就可以看到错误提示。flock也有共享锁,LOCK_SH.

互斥锁和读写锁
sync模块中的Mutex:
Mutex是一个组合词,mutual exclusion。用pecl安装一下sync模块, pecl install sync。 文档中的SyncMutex只有两个方法,lock 和 unlock, 我们就直接上代码测试吧。没有用IDE写,所以cs异常丑陋,请无视。

$mutex = new SyncMutex("UniqueName");
for($i=0; $i<2; $i++){ $pid = pcntl_fork(); if($pid <0){ die("fork failed"); }elseif ($pid>0){ echo "parent process \n"; }else{ echo "child process {$i} is born. \n"; obtainLock($mutex, $i); }
}
while (pcntl_waitpid(0, $status) != -1) { $status = pcntl_wexitstatus($status); echo "Child $status completed\n";
}
function obtainLock ($mutex, $i){ echo "process {$i} is getting the mutex \n"; $res = $mutex->lock(200); sleep(1); if (!$res){ echo "process {$i} unable to lock mutex. \n"; }else{ echo "process {$i} successfully got the mutex \n"; $mutex->unlock(); } exit();
}

保存为mutex.php, run php mutex.php, output is

parent process
parent process
child process 1 is born.
process 1 is getting the mutex
child process 0 is born.
process 0 is getting the mutex
process 1 successfully got the mutex
Child 0 completed
process 0 unable to lock mutex.
Child 0 completed

这里子进程0和1不一定谁在前面。但是总有一个得不到锁。这里SyncMutex::lock(int $millisecond)的参数是 millisecond, 代表阻塞的时长, -1 为无限阻塞。

sync模块中的读写锁:
SyncReaderWriter的方法类似,readlock, readunlock, writelock, writeunlock,成对出现即可,没有写测试代码,应该和Mutex的代码一致,把锁替换一下就可以。

sync模块中的Event:
感觉和golang中的Cond比较像,wait()阻塞,fire()唤醒Event阻塞的一个进程。有一篇好文介绍了Cond, 可以看出Cond就是锁的一种固定用法。SyncEvent也一样。
php文档中的例子显示,fire()方法貌似可以用在web应用中。

上测试代码

for($i=0; $i<3; $i++){ $pid = pcntl_fork(); if($pid <0){ die("fork failed"); }elseif ($pid>0){ //echo "parent process \n"; }else{ echo "child process {$i} is born. \n"; switch ($i) { case 0: wait(); break; case 1: wait(); break; case 2: sleep(1); fire(); break; } }
}
while (pcntl_waitpid(0, $status) != -1) { $status = pcntl_wexitstatus($status); echo "Child $status completed\n";
}
function wait(){ $event = new SyncEvent("UniqueName"); echo "before waiting. \n"; $event->wait(); echo "after waiting. \n"; exit();
}
function fire(){ $event = new SyncEvent("UniqueName"); $event->fire(); exit();
}

这里故意少写一个fire(), 所以程序会阻塞,证明了 fire() 一次只唤醒一个进程。

pthreads模块
锁定和解锁互斥量:

函数:

pthread_mutex_lock (mutex)
pthread_mutex_trylock (mutex)
pthread_mutex_unlock (mutex)

用法:

线程用pthread_mutex_lock()函数去锁定指定的mutex变量,若该mutex已经被另外一个线程锁定了,该调用将会阻塞线程直到mutex被解锁。
pthread_mutex_trylock() will attempt to lock a mutex. However, if the mutex is already locked, the routine will return immediately with a "busy" error code. This routine may be useful in pthread_mutex_trylock().

尝试着去锁定一个互斥量,然而,若互斥量已被锁定,程序会立刻返回并返回一个忙错误值。该函数在优先级改变情况下阻止死锁是非常有用的。线程可以用pthread_mutex_unlock()解锁自己占用的互斥量。在一个线程完成对保护数据的使用,而其它线程要获得互斥量在保护数据上工作时,可以调用该函数。若有一下情形则会发生错误:

  • 互斥量已经被解锁
  • 互斥量被另一个线程占用

互斥量并没有多么“神奇”的,实际上,它们就是参与的线程的“君子约定”。写代码时要确信正确地锁定,解锁互斥量。

Q:有多个线程等待同一个锁定的互斥量,当互斥量被解锁后,那个线程会第一个锁定互斥量?
A:除非线程使用了优先级调度机制,否则,线程会被系统调度器去分配,那个线程会第一个锁定互斥量是随机的。

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
typedef struct ct_sum
{ int sum; pthread_mutex_t lock;
}ct_sum;
void * add1(void *cnt)
{ pthread_mutex_lock(&(((ct_sum*)cnt)->lock)); for(int i=0; i < 50; i++) { (*(ct_sum*)cnt).sum += i; } pthread_mutex_unlock(&(((ct_sum*)cnt)->lock)); pthread_exit(NULL); return 0;
}
void * add2(void *cnt)
{ pthread_mutex_lock(&(((ct_sum*)cnt)->lock)); for(int i=50; i<101; i++) { (*(ct_sum*)cnt).sum += i; } pthread_mutex_unlock(&(((ct_sum*)cnt)->lock)); pthread_exit(NULL); return 0;
}
int main(void)
{ pthread_t ptid1, ptid2; ct_sum cnt; pthread_mutex_init(&(cnt.lock), NULL); cnt.sum=0; pthread_create(&ptid1, NULL, add1, &cnt); pthread_create(&ptid2, NULL, add2, &cnt); pthread_join(ptid1,NULL); pthread_join(ptid2,NULL); printf("sum %d\n", cnt.sum); pthread_mutex_destroy(&(cnt.lock)); return 0;
}

信号量
sync模块中的信号量:
SyncSemaphore文档中显示,它和Mutex的不同之处,在于Semaphore一次可以被多个进程(或线程)得到,而Mutex一次只能被一个得到。所以在SyncSemaphore的构造函数中,有一个参数指定信号量可以被多少进程得到。
public SyncSemaphore::__construct ([ string $name [, integer $initialval [, bool $autounlock ]]] ) 就是这个$initialval (initial value)

$lock = new SyncSemaphore("UniqueName", 2);
for($i=0; $i<2; $i++){ $pid = pcntl_fork(); if($pid <0){ die("fork failed"); }elseif ($pid>0){ echo "parent process \n"; }else{ echo "child process {$i} is born. \n"; obtainLock($lock, $i); }
}
while (pcntl_waitpid(0, $status) != -1) { $status = pcntl_wexitstatus($status); echo "Child $status completed\n";
}
function obtainLock ($lock, $i){ echo "process {$i} is getting the lock \n"; $res = $lock->lock(200); sleep(1); if (!$res){ echo "process {$i} unable to lock lock. \n"; }else{ echo "process {$i} successfully got the lock \n"; $lock->unlock(); } exit();
}

这时候两个进程都能得到锁。

  • sysvsem模块中的信号量
  • sem_get 创建信号量
  • sem_remove 删除信号量(一般不用)
  • sem_acquire 请求得到信号量
  • sem_release 释放信号量。和 sem_acquire 成对使用。
$key = ftok('/tmp', 'c');
$sem = sem_get($key);
for($i=0; $i<2; $i++){ $pid = pcntl_fork(); if($pid <0){ die("fork failed"); }elseif ($pid>0){ //echo "parent process \n"; }else{ echo "child process {$i} is born. \n"; obtainLock($sem, $i); }
}
while (pcntl_waitpid(0, $status) != -1) { $status = pcntl_wexitstatus($status); echo "Child $status completed\n";
}
sem_remove($sem); // finally remove the sem
function obtainLock ($sem, $i){ echo "process {$i} is getting the sem \n"; $res = sem_acquire($sem, true); sleep(1); if (!$res){ echo "process {$i} unable to get sem. \n"; }else{ echo "process {$i} successfully got the sem \n"; sem_release($sem); } exit();
}

这里有一个问题,sem_acquire()第二个参数$nowait默认为false,阻塞。我设为了true,如果得到锁失败,那么后面的sem_release会报警告 PHP Warning:  sem_release(): SysV semaphore 4 (key 0x63000081) is not currently acquired in /home/jason/sysvsem.php on line 33, 所以这里的release操作必须放在得到锁的情况下执行,前面的几个例子中没有这个问题,没得到锁执行release也不会报错。当然最好还是成对出现,确保得到锁的情况下再release。
此外,ftok这个方法的参数有必要说明下,第一个 必须是existing, accessable的文件, 一般使用项目中的文件,第二个是单字符字符串。返回一个int。

输出为

parent process
parent process
child process 1 is born.
process 1 is getting the mutex
child process 0 is born.
process 0 is getting the mutex
process 1 successfully got the mutex
Child 0 completed
process 0 unable to lock mutex.
Child 0 completed

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