UNIX环境高级编程第14章高级I/O

这一章涉及很多概念和函数，包括：非阻塞I/O、记录锁、I/O复用、异步I/O、readv和writev函数以及内存映射。

非阻塞I/O

在Unix中，可以将系统调用分为两种，一种是“低速”系统调用，另一种是其他系统调用。前一种是可能导致主调进程永久阻塞的一种系统调用，比如管道，当另一端没有准备好时，一端对其读或写可能会永久阻塞。

一旦一个进程可能被永久阻塞这就表明程序有可能在某点彻底瘫痪，为了预防这样的情况发生，可以使用非阻塞I/O来避免。非阻塞I/O能够使得进程不会陷入永久阻塞的陷阱，当操作不能立即完成时，非阻塞I/O不会阻塞，其将会立即以出错的形式返回，表示操作继续执行就会阻塞。

有两种办法来将一个给定的文件描述符指定为非阻塞I/O：

(1) 在调用open( )函数获得文件描述符时，通过O_NONBLOCK标志来设置；

(2) 对于已存在的文件描述符，通过fcntl函数来设置O_NONBLOCK标志。

记录锁

Unix提供了用于支持单独文件读写保证的服务，那就是记录锁。实际上，记录锁并不能保证是在单独写一个文件，这和普通锁是一样的道理，你必须先持有锁，然后再修改文件，关键点是所有参与修改的进程先设置锁，但是有的进程压根就不上锁，因此也就谈不上保证单独读写。事实上，这里有个前提，那就是参与读写同一文件的进程必须都先加记录锁，然后才能通过记录锁提供保证。

对打开的文件加持记录锁是通过fcntl( )函数来完成的。其头文件及函数原型如下：

#include <fcntl.h>
 
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* struct flock *flockptr */ );

第一个参数为已打开文件的文件描述符。

第二个参数取F_GETLK（获取锁）、F_SETLK（设置/清除锁、排斥时返回）、F_SETLKW（设置锁、排斥时阻塞）。

第三个参数是一个具体的锁指针，可以用来设置锁的具体条件，比如从何处开始加锁、加锁多少字节，加持读锁、写锁还是解锁。

对于加锁起始位置可以在文件尾端开始，或者尾端后面开始，但不能在文件起始位置之前。

如果一把锁的 l_start 和 l_whence 都指向文件开始位置，并且 l_len 为0，那么表示该文件全部加锁，包括后续追加的内容也是在锁范围。

同一个进程新加锁会替换旧锁，比如进程768第一次在16-32字节处加了读锁，则第二次在16-32字节处加读锁或者写锁时，第一次的锁会被清除，第二个锁会生效，也即一个进程只能对同一个文件的同一区间加一把锁。同样的，我们不能使用F_GETLK来测试自己的进程是否持有锁，因为自己不会对自己排斥，一定会用自己的新锁去替换旧锁。

对于F_SETLKW需要注意的是防止导致死锁，因为F_SETLKW在锁不能满足的时候是阻塞而不是出错返回，两个进程各持有一把锁，同时两个进程都试图获得对方进程的锁时也会死锁。

记录锁的继承和释放

记录锁的继承和释放有三个规则：

1. 锁与进程和文件两个同时有关：也即，当一个进程结束后，锁自动释放，当一个文件关闭后，锁也自动释放，二者必须同时有效，锁才正常，只要任意一个无效，锁就释放。对于文件关闭来说，文件的重复打开或者文件描述符的复制等同于原文件描述符，具体如下：

fd1 = open(pathname, ...);     //打开文件
read_lock(fd1, ...);        　　//加锁
fd2 = dup(fd1);                //复制文件描述符
close(fd2);                    //关闭复制的文件描述符
 
fd1 = open(pathname, ...);        //打开文件
read_lock(fd1, ...);            　//加锁
fd2 = open(pathname, ...)        //重复打开文件
close(fd2);                      //关闭复制的文件描述符

对于上面的重复打开文件或者文件描述符的复制操作，当关闭fd2之后，锁也失效，因为锁和文件有关，文件被关闭了一次，锁就失效了。

2. 对于fork产生的子进程不继承父进程的锁，因为锁与进程有关，子进程是一个新进程，与原锁无关。

3. 对于执行exec之后的新程序会继承原锁，因为锁与进程有关，新程序只是替换了进程内部数据，进程本身不变，锁依然有效，当然，如果进程打开的文件描述符设置了close_on_exec那么该文件描述符会在exec时被关闭，由于锁与文件也有关，因此文件描述符被关闭后，锁就会释放。

记录锁与进程有关这是没有任何疑问的，而记录锁与文件描述符无关与文件有关有点令人困惑，这是因为内核底层是通过v节点表项中的记录锁指针来记录记录锁，并不能知道具体是哪个文件描述符设置的，所有的文件描述符都指向同一个v节点表项，因此只要有一个文件描述符关闭了，内核就会去释放该v节点表项中的记录锁。

建议性锁和强制性锁

建议性锁和强制性锁不是真实存在的两种锁，它们是两种机制。如前所述，记录锁并不能保证是在单独写一个文件，所有参与修改同一文件的进程，如果其中存在未使用记录锁的进程，那么记录锁则等同虚设。为了能够使得记录锁发挥作用，应该在所有修改进程中进行记录锁的检查与设置，这就是建议性锁，也即所有的进程在读写文件之前先设置记录锁，所有这些进程合计称为合作进程。建议性锁只是一个规则，并不是真实存在的锁，如果不遵守该项机制，那么建议性锁并不能保证单独写一个文件。

和建议性锁相对的是强制性锁，强制性锁会使内核检查每个文件读写行为，即使某些进程并未使用记录锁。强制性锁也不是一种锁，它也是一种机制，该规则是在一个文件的设置组ID位打开，且组执行位关闭时触发生效。