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手把手帶你實現一個Linux內核文件系統：「鏈接」
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在多進程共享的應用程序中，通過“鎖”來對同一個計算資源進行協同是非常常見的做法，無論在單機或多機的系統、數據庫、文件系統中，都需要依賴“鎖”機制來避免并發訪問導致的不確定結果，今天我們就來講講文件系統中的“鎖”。
首先，文件鎖也是一種互斥機制，可確保多個進程以安全的方式讀取/寫入同一個文件。之所以要對這些多進程業務進行控制，就是因為這些進程的調度是不可預期的，這種時序上的不可預期會對同一個文件資源產生競爭性訪問，從而帶來預期外的結果。
我們可以看一個例子，以便更好地理解這個問題。
假設我們有一個 account.dat 文件，用于存儲帳戶余額，其初始值為“200”。并發系統有兩個進程來更新這個文件上的余額值：
- 進程 A：讀取當前值，減去 20，然后將結果保存回文件中。
- 進程 B：讀取當前值，加 80，然后將結果寫回到文件中。
顯然，在順序執行完這兩個進程后，我們期望文件具有以下值：200-20 + 80 = 260。
但是，如果進程的執行不是按預期的順序直徑，在以下這種情況下，可能會出現不一樣的結果：
- 進程 A 讀取文件的當前值（200），并準備進行進一步的計算。
- 這時，進程 B 讀取相同的文件并獲得當前余額（200）。
- 進程 A 計算 200-20 并將結果 180 保存回文件。
- 進程 B 不知道余額已更新。因此，它仍將使用過時的值 200 計算 200 + 80，并將結果 280 寫入文件。
結果，account.dat 文件中保存的余額就是 280 而不是預期值 260。
Linux 中的文件鎖
像前面提到的，文件鎖是一種在多個進程之間限制文件并發訪問的機制。它僅允許一個進程在特定時間內訪問文件，從而避免更新問題。
我們都知道 rm -rf /在 Linux 中是非常危險的命令。如果我們以 root 用戶身份執行該命令，它甚至可以刪除正在運行的系統中的所有文件。這是因為 Linux 通常不會自動給打開的文件加鎖，所以即使是正在運行的文件，仍然有可能被 rm 命令刪除。Linux 支持兩種文件鎖：協同鎖（Advisory lock）和強制鎖（Mandatory lock）。
協同鎖（Advisory lock）
協同鎖定不是強制性鎖方案，僅當參與的進程通過顯式獲取鎖進行協作時，它才有效。否則，如果某個進程根本不知道鎖，則這個協同鎖會被忽略掉（意味著各個進程間必須協商并遵守這個協同鎖的機制，才能發揮鎖的作用）。
下面這個例子可以幫助我們更容易地理解協同鎖機制。讓我們先回顧一下我們之前提到的賬戶文件的例子。
首先，我們假設文件 account.dat 仍包含初始值 “200”。
進程 A 獲取 account.dat 文件的排他鎖，然后打開并讀取該文件以獲取當前值：200。
我們必須了解，協同鎖不是由操作系統或文件系統設置的。因此，即使進程 A 鎖定了文件，進程 B 仍然可以通過系統調用自由讀取、寫入或刪除文件。
如果進程 B 不嘗試在獲取鎖的情況下，就執行文件操作，則可以說進程 B 與進程 A 沒有使用協同鎖機制進行合作，仍然會帶來不可預期的結果。
現在，讓我們看一下鎖如何在協作流程中發揮作用：
- 進程 B 嘗試在讀取文件之前（與進程 A 協作）獲得對 account.dat 文件的鎖。
- 由于進程 A 已獲得文件鎖，因此進程 B 必須等待進程 A 釋放鎖。
- 進程 A 計算 100-20 并將 80 寫回到文件中。
- 進程 A 釋放鎖。
- 進程 B 現在獲取一個鎖并讀取文件，并獲取更新的值：180。
- 進程 B 開始其邏輯，并將結果 260（180 + 80）寫回到文件中。
- 進程 B 釋放鎖，以便其他協作進程可以繼續讀寫該文件。
強制鎖（Mandatory Lock）
與協作鎖不同，強制鎖不需要參與進程之間的任何合作。一旦在文件上激活了強制鎖，操作系統便會阻止其他進程讀取或寫入文件。
要在 Linux 中啟用強制性文件鎖定，必須滿足兩個要求：
- 我們必須使用 mand 選項掛載文件系統（掛載-o mand FILESYSTEM MOUNT_POINT）。
- 我們必須為要鎖定的文件（chmod g + s，g-x FILE）打開 set-group-ID 位，并關閉組執行位。
使用強制鎖之后，這個鎖會在操作系統級別進行管理和控制。
檢查系統中的所有鎖
slocks 命令
lslocks 命令是 util-linux 軟件包的一個組件，在所有 Linux 發行版中都可用，通過這個命令可以列出系統中所有當前持有的文件鎖。
在以下列表中，我們可以看到系統中所有當前鎖定的文件，還可以看到每個鎖的詳細信息，例如鎖的類型以及哪個進程持有該鎖。
/ proc /locks
/ proc / locks 不是命令，它是 procfs 虛擬文件系統中的文件。該文件包含所有當前文件鎖，lslocks 命令也依賴于此文件來生成列表。
要獲取 / proc / locks 的信息，我們執行“ cat / proc / locks”：
我們從第一行開始，了解/ proc / locks 文件系統中鎖信息的組織方式：
- 第一列是序列號。
- 第二個字段指示使用的鎖類別，例如 FLOCK（來自 flock 系統調用）或 POSIX（來自 lockf，fcntl 系統調用）。
- 此列用于說明鎖類型。它可以有兩個值：ADVISORY 或 MANDATORY。
- 第四個字段顯示該鎖是 WRITE 還是 READ 鎖。
- 第五個字段是鎖的進程 ID。
- 該字段包含一個冒號分隔的字符串，以“ major-device：minor-device：inode”的格式顯示鎖定文件的 ID。
- 此列以及最后一列顯示了被鎖定文件的鎖定區域的開始和結束。在此示例行中，整個文件被鎖定（0-EOF）。
由于分布式文件系統主要用于多個客戶端中共享文件，客戶端的應用程序并發訪問文件是很常見的操作，在實際應用中，渲染、HPC 等業務都需要使用到文件鎖，鎖的支持對分布式文件系統而言至關重要。YRCloudFile 支持 POSIX 語義中的協同鎖和共享鎖，用戶可以通過 flock 或 fcntl 等系統調用來對文件進行鎖操作，鎖的粒度可以支持到文件級別或文件內的指定區間。
