[1]Область техники, к которой относится изобретение
[2]Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и, в частности, к обеспечению синхронизации доступа к разделяемым ресурсам вычислительной системы и обнаружения и устранения повисших блокировок с использованием блокировочных файлов.
[4]Во многих современных вычислительных системах имеются ресурсы (файлы, базы данных, участки оперативной памяти и пр.), доступ к которым осуществляется для параллельно выполняемых процессов. Для обеспечения корректного доступа применяются различные способы синхронизации доступа. При обеспечении синхронизации исключительный доступ предоставляется только одному процессу, а сам ресурс блокируется для записи и/или чтения для других процессов. Блокировка может осуществляться разными методами, однако возможны ситуации, когда ресурс оказывается заблокирован одновременно несколькими процессами, и ни один из них не может ни снять блокировку, ни выполнить необходимые операции с разделяемым ресурсом.
[5]Такое состояние обычно называют повисшей блокировкой (deadlock), определяют его наличие и затем устраняют с использованием разных механизмов.
[6]Так, известен способ синхронизации доступа к разделяемым ресурсам между параллельно выполняемыми процессами с использованием механизма блокировочных файлов [1], заключающийся в том, что
[7]- ассоциируют разделяемый ресурс с блокировочным файлом;
[8]- создают в ходе попытки доступа процесса (приложения) к разделяемому ресурсу блокировочный файл;
[9]- если такой блокировочный файл уже существует, эта операция будет завершена с ошибкой;
[10]- если такой блокировочный файл не существует, то создается блокировочный файл;
[11]- записывают в только что созданный и открытый блокировочный файл данные процесса, который его создал (например, идентификатор процесса, process ID (PID)) или др.);
[12]- обеспечивают выполнение процессом операций с разделяемым ресурсом;
[13]- снимают блокировку с разделяемого ресурса (файла) путем удаления блокировочного файла.
[14]Однако этот известный способ имеет недостаток. Так, если процесс, владеющий блокировкой, завершился некорректно и не удалил блокировочный файл, то больше ни один процесс не сможет получить доступ к разделяемому ресурсу, и возникает повисшая блокировка. Соответственно, надежность известного способа является невысокой.
[15]Известен также способ синхронизации доступа к разделяемым ресурсам вычислительной системы и обнаружения и устранения повисших блокировок с использованием блокировочных файлов [2], заключающийся в том, что
[16]- ассоциируют разделяемый ресурс с блокировочным файлом;
[17]- вызывают системный вызов атомарного эксклюзивного создания и открытия временного файла с уникальным именем и в той же файловой системе, в которой предполагается создание блокировочного файла, со стороны текущего процесса, пытающегося получить доступ к разделяемому ресурсу;
[18]- помещают во временный файл информацию о текущем процессе, который пытается обратиться к разделяемому ресурсу;
[19]- осуществляют системный вызов создания жесткой ссылки с именем блокировочного файла на временный файл;
[20]- если системный вызов создания жесткой ссылки выполнен успешно, то:
[21]- удаляют жесткую ссылку на временный файл;
[22]- обеспечивают выполнение текущим процессом операций с разделяемым ресурсом;
[23]- удаляют блокировочный файл;
[24]- если системный вызов создания жесткой ссылки выполнен с ошибкой, и ошибка не связана с тем, что файл с именем блокировочного файла уже существует, то удаляют временный файл;
[25]- если системный вызов создания жесткой ссылки выполнен с ошибкой, и ошибка связана с тем, что файл с именем блокировочного файла уже существует, то;
[26]- удаляют временный файл;
[27]- осуществляют поиск процесса, указанного в существующем блокировочном файле, выполняя следующие действия:
[28]- устанавливают файловую блокировку записи на блокировочный файл;
[29]- проверяют наличие в системе процесса, данные которого указаны в существующем блокировочном файле;
[30]- если текущий процесс в системе существует, то снимают файловую блокировку записи на блокировочный файл;
[31]- если текущий процесс в системе не существует, то выполняют устранение повисшей блокировки, осуществляя следующие действия:
[32]- удаляют из существующего блокировочного файла предыдущие данные несуществующего процесса;
[33]- заносят в блокировочный файл данные текущего процесса;
[34]- снимают файловую блокировку записи с существующего блокировочного файла;
[35]- обеспечивают выполнение текущим процессом операций с разделяемым ресурсом;
[36]- удаляют блокировочный файл.
[37]Если в ходе выполнения известного способа после проверки выясняется, что процесс, данные которого указаны в блокировочном файле, в данный момент в вычислительной системе не существует (например, произошел внутренний программный сбой, и приложение было принудительно выгружено операционной системой (ОС) из оперативной памяти), то это не помешает обеспечить доступ к разделяемому ресурсу другим процессам и позволит обеспечить отсутствие повисшей блокировки.
[38]Описанный способ принят за прототип.
[39]Однако этот способ также имеет недостатки.
[40]В известном способе надежность обнаружения повисшей блокировки зависит от сведений, которые указаны в блокировочном файле. В общем случае, ОС предоставляет уникальный идентификатор процесса (PID) только для запущенных в данный момент процессов. Если процесс был завершен, то его PID может быть назначен другому процессу.
[41]Кроме того, назначенный определенному процессу PID при перезагрузке ОС может быть присвоен другому процессу и, таким образом, утратит уникальность. Соответственно, операция удаления предыдущих данных несуществующего процесса (если текущий процесс в системе не существует) или снятия файловой блокировки записи на блокировочный файл (если текущий процесс в системе существует) вполне может быть выполнена неправильно, поскольку будет относиться к процессу, не связанному с разделяемым ресурсом.
[42]С учетом этого, для правильного назначения PID для процесса, уникального среди не только запущенных процессов, но и среди процессов, завершивших работу, целесообразна разработка и использование отдельной системы, в которой процессы будут отслеживаться и регистрироваться и которая будет следить за активностью процессов.
[43]Отсутствие же такой системы снижает надежность обнаружения и устранения повисшей блокировки. Однако наличие такой отдельной системы приведет к увеличению сложности реализации способа и увеличению потребления вычислительных ресурсов (оперативной памяти и процессора). Это может стать преградой для использования такого решения в вычислительных системах с ограниченными ресурсами (к примеру, встраиваемые системы).
[44]Раскрытие изобретения
[45]Техническим результатом является повышение надежности обнаружения и устранения повисших блокировок.
[46]Дополнительным техническим результатом является упрощение процесса обнаружения повисших блокировок и снижение потребления вычислительных ресурсов за счет исключения процедуры поиска процесса, указанного в существующем блокировочном файле.
[47]Для этого предлагается способ, заключающийся в том, что
[48]- ассоциируют разделяемый ресурс с блокировочным файлом;
[49]- вызывают системный вызов атомарного эксклюзивного создания и открытия временного файла с уникальным именем и в той же файловой системе, в которой предполагается создание блокировочного файла, со стороны текущего процесса, пытающегося получить доступ к разделяемому ресурсу;
[50]- создают рекомендательную эксклюзивную блокировку на временный файл;
[51]- осуществляют системный вызов создания жесткой ссылки с именем блокировочного файла на временный файл;
[52]- если системный вызов создания жесткой ссылки выполнен успешно, то удаляют жесткую ссылку на временный файл;
[53]- обеспечивают выполнение текущим процессом операций с разделяемым ресурсом;
[54]- удаляют жесткую ссылку на блокировочный файл;
[55]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с блокировочного файла;
[56]- закрывают открытый блокировочный файл;
[57]- если системный вызов создания жесткой ссылки выполнен с ошибкой, и ошибка не связана с тем, что файл с именем блокировочного файла уже существует, то
[58]- удаляют жесткую ссылку на временный файл;
[59]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с временного файла;
[60]- закрывают открытый временный файл;
[61]- если системный вызов создания жесткой ссылки выполнен с ошибкой, и ошибка связана с тем, что файл с именем блокировочного файла уже существует, то
[62]- удаляют жесткую ссылку на временный файл;
[63]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с временного файла;
[64]- закрывают открытый временный файл; открывают блокировочный файл;
[65]- устанавливают рекомендательную эксклюзивную блокировку на блокировочный файл;
[66]- если рекомендательная эксклюзивная блокировка на блокировочный файл успешно установлена, то
[67]- обеспечивают выполнение текущим процессом операций с разделяемым ресурсом;
[68]- удаляют жесткую ссылку на блокировочный файл;
[69]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с блокировочного файла;
[70]- закрывают открытый блокировочный файл;
[71]- если рекомендательную эксклюзивную блокировку на блокировочный файл установить не удалось, то закрывают открытый блокировочный файл.
[72]Следует обратить внимание на порядок действий над блокировочным файлом при освобождении ресурса. Сначала удаляют жесткую ссылку на блокировочный файл, далее снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с блокировочного файла и в завершение закрывают открытый блокировочный файл. При этом после удаления жесткой ссылки на блокировочный файл, файл на диске продолжает существовать, пока последний открыт хотя бы в одном процессе, и физически будет удален, когда последний процесс, держащий блокировочный файл открытый, закроет его. Однако попытка другого процесса создать другой блокировочный файл либо создать жесткую ссылку с именем блокировочного файла завершится успешно.
[73]Стоит отметить, что в предложенном способе для определения того, является ли существующая блокировка повисшей, отсутствует необходимость заносить сведения о процессе в блокировочный файл, а также отсутствует необходимость осуществлять поиск процесса по этим сведениям. Вместо этого осуществляется установка рекомендательной эксклюзивной блокировки (advisory lock). Если процесс, создавший блокировочный файл в системе по каким-то причинам завершился некорректно и не удалил блокировочный файл, то попытка другого процесса установить блокировку пройдет успешно. Если процесс, создавший блокировочный файл и удерживающий блокировку, в системе присутствует, то попытка другого процесса установить блокировку завершится ошибкой. Все это приводит к упрощению процесса обнаружения повисших блокировок и снижению потребления вычислительных ресурсов.
[74]Устраняется также необходимость в дополнительной системе, в которой бы регистрировались процессы, захватившие блокировку, и которая бы отслеживала их наличие в системе. При этом надежность обнаружения повисшей блокировки зависела бы от надежности работы дополнительной системы. Отсутствие дополнительной системы также приводит к упрощению процесса обнаружения повисших блокировок и снижению потребления вычислительных ресурсов.
[75]Осуществление изобретения
[76]Реализация предложенного способа может быть осуществлена в вычислительной системе, работающей под управлением POSIX-совместимой ОС, в частности ОС GNU/Linux, где механизм блокировочных файлов для синхронизации доступа к разделяемому ресурсу получил широкое распространение.
[77]Необходимым условием реализации предложенного способа является наличие в составе ОС вычислительной системы следующих средств, описанных в стандарте ISO/IEC/IEEE 9945:2009 [3]:
[78]- системных вызовов для работы с файлами (open, close, link, unlink);
[79]- поддержка жестких ссылок в ОС и файловой системой, в которой предполагается создание блокировочного файла;
[80]- операций атомарного эксклюзивного создания и открытия временного файла с уникальным именем (например, выполняемых с помощью системного вызова mkstemp);
[81]- поддержка файловых блокировок и наличие системных вызовов для работы с ними (fcntl и F_SETLKW).
[82]Все указанные средства присутствуют в ОС GNU/Linux, в частности, в доступном для любого пользователя дистрибутиве ОС Debian 6.
[83]Жесткие ссылки поддерживаются большинством файловых систем, в частности файловой системой Ext3 (Extended File System версии 3), поддерживаемой в ОС Debian.
[84]Для реализации способа в создаваемой или модернизируемой программе или программном модуле, предназначенном для работы с разделяемыми ресурсами, выполняют последовательно следующие действия.
[85]Ассоциируют разделяемый ресурс (например, последовательный порт, файл базы данных) с блокировочным файлом. Это можно сделать, к примеру, сформировав константу, содержащую путь к блокировочному файлу.
[86]В каждом процессе перед обращением к разделяемому ресурсу вызывают системный вызов mkstemp путем вызова одноименной системной функции, указав в качестве шаблона пути для создания временного файла путь в той же файловой системе, в которой предполагается создание блокировочного файла.
[87]Устанавливают рекомендательную эксклюзивную блокировку записи на временный файл, для чего вызывают системный вызов fcntl, передавая в качестве первого параметра номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла, в качестве второго значения - F_SETLKW, в качестве третьего значения - заполненную структуру flock, для установки блокировки временного файла.
[88]Вызывают системный вызов link с помощью одноименной функции, передавая в качестве первого параметра путь к временному файлу, а в качестве второго параметра - путь к блокировочному файлу с которым ассоциирован разделяемый ресурс.
[89]Если функция link возвращает 0, то:
[90]- удаляют жесткую ссылку на временный файл, вызывая системный вызов unlink;
[91]- обеспечивают выполнение текущим процессом операций с разделяемым ресурсом;
[92]- удаляют жесткую ссылку на блокировочный файл, для чего вызывают системный вызов unlink, передавая в качестве параметра путь к блокировочному файлу;
[93]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с блокировочного файла, для чего вызывают системный вызов fcntl, передавая в качестве первого параметра номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла, в качестве второго значения - F_SETLKW, в качестве третьего значения - заполненную структуру flock, для снятия блокировки;
[94]- закрывают открытый блокировочный файл, вызывая системный вызов close, передавая в качестве параметра номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла;
[95]Если функция link возвращает - 1, и в errno (error return value) содержится код ошибки, отличный от EEXISTS, то
[96]- удаляют жесткую ссылку на временный файл, для чего вызывают системный вызов unlink, передавая в качестве параметра путь к временному файлу;
[97]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с временного файла, для чего вызывают системный вызов fcntl, передавая в качестве первого параметра номер файлового дескриптора открытого временного файла, в качестве второго значения - F_SETLKW, в качестве третьего значения - заполненную структуру flock, для снятия блокировки;
[98]- закрывают открытый временный файл, вызывая системный вызов close, передавая в качестве параметра номер файлового дескриптора открытого временного файла;
[99]Если функция link возвращает - 1, и в errno содержится код ошибки EEXISTS, то
[100]- удаляют жесткую ссылку на временный файл, для чего вызывают системный вызов unlink, передавая в качестве параметра путь к временному файлу;
[101]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с временного файла, для чего вызывают системный вызов fcntl, передавая в качестве первого параметра номер файлового дескриптора открытого временного файла, в качестве второго значения - F_SETLKW, в качестве третьего значения - заполненную структуру flock, для снятия блокировки;
[102]- закрывают открытый временный файл, вызывая системный вызов close, передавая в качестве параметра номер файлового дескриптора открытого временного файла;
[103]- открывают блокировочный файл, для чего выполняют системный вызов open, передавая в качестве первого параметра путь к блокировочному файлу, с которым ассоциирован разделяемый ресурс, а в качестве второго параметра - режим чтения, и запоминают возвращаемый номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла;
[104]- устанавливают файловую блокировку записи, для чего вызывают системный вызов fcntl, передавая в качестве первого параметра номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла, в качестве второго значения - F_SETLKW, в качестве третьего значения - заполненную структуру flock, для установки блокировки файла;
[105]- если операция установки файловой блокировки прошла успешно, то считают, что была обнаружена и устранена повисшая блокировка и текущий процесс захватил разделяемый ресурс, после чего
[106]- обеспечивают выполнение текущим процессом операций с разделяемым ресурсом;
[107]- удаляют жесткую ссылку на блокировочный файл, для чего вызывают системный вызов unlink, передавая в качестве параметра путь к блокировочному файлу;
[108]- снимают рекомендательную эксклюзивную блокировку с блокировочного файла, для чего вызывают системный вызов fcntl, передавая в качестве первого параметра номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла, в качестве второго значения - F_SETLKW, в качестве третьего значения - заполненную структуру flock, для снятия блокировки;
[109]- закрывают открытый блокировочный файл, вызывая системный вызов close, передавая в качестве параметра номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла;
[110]- если не удалось установить файловую блокировку, то закрывают открытый блокировочный файл, вызывая системный вызов close, передавая в качестве параметра номер файлового дескриптора открытого блокировочного файла;
[111]Реализовать действия предложенного способа в составе программы или функции может специалист в области программирования (программист).
[112]Источники информации
[113]1. Джонсон М.К., Троан Э.В. Разработка приложений в среде Linux, 2-е изд., Москва, 2007, стр. 231-232.
[114]2. Патент РФ №2526282, приоритет от 21.09.2012 г.
[115]3. Стандарт ISO/IEC/IEEE 9945:2009 Information technology - Portable Operating System Interface (POSIX®) Base Specifications, Issue 7.
