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。

$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($fp, LOCK_UN);  // 释放锁定
} else {
  echo "Cannot get pid lock. The process is already up \n";
}
fclose($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。

$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();
}

保存为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

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

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();
}

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：

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。

#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)

$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();
}

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。

$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();
}

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

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