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PHP程序中的文件鎖、互斥鎖、讀寫鎖使用技巧解析

編輯：PHP綜合

文件鎖
全名叫 advisory file lock, 書中有提及。這類鎖比較常見，例如 mysql, php-fpm 啟動之後都會有一個pid文件記錄了進程id，這個文件就是文件鎖。

這個鎖可以防止重復運行一個進程，例如在使用crontab時，限定每一分鐘執行一個任務，但這個進程運行時間可能超過一分鐘，如果不用進程鎖解決沖突的話兩個進程一起執行就會有問題。

使用PID文件鎖還有一個好處，方便進程向自己發停止或者重啟信號。例如重啟php-fpm的命令為

kill -USR2 `cat /usr/local/php/var/run/php-fpm.pid`
發送USR2信號給pid文件記錄的進程，信號屬於進程通信，會另開一個篇幅。

php的接口為flock，文檔比較詳細。先看一下定義，bool flock ( resource $handle , int $operation [, int &$wouldblock ] ).

$handle是文件系統指針，是典型地由 fopen() 創建的 resource(資源)。這就意味著使用flock必須打開一個文件。
$operation 是操作類型。
&$wouldblock 如果鎖是阻塞的，那麼這個變量會設為1.

需要注意的是，這個函數默認是阻塞的，如果想非阻塞可以在 operation 加一個 bitmask LOCK_NB. 接下來測試一下。

$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($fp, LOCK_UN);  // 釋放鎖定
} else {
  echo "Cannot get pid lock. The process is already up \n";
}
fclose($fp);

保存為 process.php，運行php process.php &, 此時再次運行php process.php，就可以看到錯誤提示。flock也有共享鎖，LOCK_SH.

互斥鎖和讀寫鎖
sync模塊中的Mutex：
Mutex是一個組合詞，mutual exclusion。用pecl安裝一下sync模塊, pecl install sync。文檔中的SyncMutex只有兩個方法，lock 和 unlock，我們就直接上代碼測試吧。沒有用IDE寫，所以cs異常丑陋，請無視。

$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();
}

保存為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

這裡子進程0和1不一定誰在前面。但是總有一個得不到鎖。這裡SyncMutex::lock(int $millisecond)的參數是 millisecond, 代表阻塞的時長， -1 為無限阻塞。

sync模塊中的讀寫鎖：
SyncReaderWriter的方法類似，readlock, readunlock, writelock, writeunlock,成對出現即可，沒有寫測試代碼，應該和Mutex的代碼一致，把鎖替換一下就可以。

sync模塊中的Event：
感覺和golang中的Cond比較像，wait()阻塞，fire()喚醒Event阻塞的一個進程。有一篇好文介紹了Cond, 可以看出Cond就是鎖的一種固定用法。SyncEvent也一樣。
php文檔中的例子顯示，fire()方法貌似可以用在web應用中。

上測試代碼

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();
}

這裡故意少寫一個fire(), 所以程序會阻塞，證明了 fire() 一次只喚醒一個進程。

pthreads模塊
鎖定和解鎖互斥量:

函數：

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

用法：

線程用pthread_mutex_lock()函數去鎖定指定的mutex變量，若該mutex已經被另外一個線程鎖定了，該調用將會阻塞線程直到mutex被解鎖。
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().

　　嘗試著去鎖定一個互斥量，然而，若互斥量已被鎖定，程序會立刻返回並返回一個忙錯誤值。該函數在優先級改變情況下阻止死鎖是非常有用的。線程可以用pthread_mutex_unlock()解鎖自己占用的互斥量。在一個線程完成對保護數據的使用，而其它線程要獲得互斥量在保護數據上工作時，可以調用該函數。若有一下情形則會發生錯誤：

互斥量已經被解鎖
互斥量被另一個線程占用

互斥量並沒有多麼“神奇”的，實際上，它們就是參與的線程的“君子約定”。寫代碼時要確信正確地鎖定，解鎖互斥量。

Q：有多個線程等待同一個鎖定的互斥量，當互斥量被解鎖後，那個線程會第一個鎖定互斥量？
A：除非線程使用了優先級調度機制，否則，線程會被系統調度器去分配，那個線程會第一個鎖定互斥量是隨機的。

#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; 
}

信號量
sync模塊中的信號量：
SyncSemaphore文檔中顯示，它和Mutex的不同之處，在於Semaphore一次可以被多個進程(或線程)得到，而Mutex一次只能被一個得到。所以在SyncSemaphore的構造函數中，有一個參數指定信號量可以被多少進程得到。
public SyncSemaphore::__construct ([ string $name [, integer $initialval [, bool $autounlock ]]] ) 就是這個$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();
}

這時候兩個進程都能得到鎖。

sysvsem模塊中的信號量
sem_get 創建信號量
sem_remove 刪除信號量（一般不用）
sem_acquire 請求得到信號量
sem_release 釋放信號量。和 sem_acquire 成對使用。

$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();
}

這裡有一個問題，sem_acquire()第二個參數$nowait默認為false，阻塞。我設為了true，如果得到鎖失敗，那麼後面的sem_release會報警告 PHP Warning: sem_release(): SysV semaphore 4 (key 0x63000081) is not currently acquired in /home/jason/sysvsem.php on line 33, 所以這裡的release操作必須放在得到鎖的情況下執行，前面的幾個例子中沒有這個問題，沒得到鎖執行release也不會報錯。當然最好還是成對出現，確保得到鎖的情況下再release。
此外，ftok這個方法的參數有必要說明下，第一個必須是existing, accessable的文件, 一般使用項目中的文件，第二個是單字符字符串。返回一個int。

輸出為

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