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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。

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

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

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

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    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

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    for($i=0; $i<3; $i++){
      $pid = pcntl_fork();
      if($pid <0){
        die("fork failed");
      }elseif ($pid>0){
        //echo "parent process ";
      }else{
        echo "child process {$i} is born. ";
        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 ";
    }
     
    function wait(){
      $event = new SyncEvent("UniqueName");
      echo "before waiting. ";
      $event->wait();
      echo "after waiting. ";
      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：

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    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。

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    #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 ", 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)

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    $lock = new SyncSemaphore("UniqueName", 2);
     
    for($i=0; $i<2; $i++){
      $pid = pcntl_fork();
      if($pid <0){
        die("fork failed");
      }elseif ($pid>0){
        echo "parent process ";
      }else{
        echo "child process {$i} is born. ";
        obtainLock($lock, $i);
      }
    }
     
    while (pcntl_waitpid(0, $status) != -1) {
      $status = pcntl_wexitstatus($status);
      echo "Child $status completed ";
    }
     
    function obtainLock ($lock, $i){
      echo "process {$i} is getting the lock ";
      $res = $lock->lock(200);
      sleep(1);
      if (!$res){
        echo "process {$i} unable to lock lock. ";
      }else{
        echo "process {$i} successfully got the lock ";
        $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。
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    $key = ftok('/tmp', 'c');
     
    $sem = sem_get($key);
     
    for($i=0; $i<2; $i++){
      $pid = pcntl_fork();
      if($pid <0){
        die("fork failed");
      }elseif ($pid>0){
        //echo "parent process ";
      }else{
        echo "child process {$i} is born. ";
        obtainLock($sem, $i);
      }
    }
     
    while (pcntl_waitpid(0, $status) != -1) {
      $status = pcntl_wexitstatus($status);
      echo "Child $status completed ";
    }
    sem_remove($sem); // finally remove the sem
     
    function obtainLock ($sem, $i){
      echo "process {$i} is getting the sem ";
      $res = sem_acquire($sem, true);
      sleep(1);
      if (!$res){
        echo "process {$i} unable to get sem. ";
      }else{
        echo "process {$i} successfully got the sem ";
        sem_release($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

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    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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