linux系统编程：IO读写过程的原子性操作实验

所谓原子性操作指的是：内核保证某系统调用中的所有步骤（操作）作为独立操作而一次性加以执行，其间不会被其他进程或线程所中断。

举个通俗点的例子：你和女朋友OOXX的时候，突然来了个电话，势必会打断你们高潮的兴致，最好的办法就是，你们做这事的时候，把通讯设备关机，就能确保，这次的事情很圆满的完成，这就是一次原子性操作。

在多进程IO过程中，如果操作不具有原子性，就可能会导致数据混乱，相互覆盖等情况。这种现象也叫竞争状态。

所谓竞争状态指的是：操作共享资源的两个进程（或线程），其结果取决于一个无法预期的顺序，因为进程获取的cpu执行时间是不确定的。

1,假想的，以独占方式创建一个文件

下面这段代码，用open和O_CREAT标志演示一个独占方式创建文件， 什么叫独占方式创建文件？  就是该进程始终认为这个文件是他打开的，或者是他创建的

/*================================================================
*   Copyright (C) 2018 . All rights reserved.
*   
*   文件名称：bad_exclusive_open.c
*   创 建 者：ghostwu(吴华)
*   创建日期：2018年01月11日
*   描    述：
*
================================================================*/

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>


int main(int argc, char *argv[])
{
    if( argc < 2 || strcmp( argv[1], "--help" ) == 0 ){
        printf( "usage:%s filename
", argv[0] );
        exit( -1 );
    }

    printf( "pid=%d, %s文件不存在
", getpid(), argv[1] );

    int fd = -1;

    fd = open( argv[1], O_WRONLY );
    if( fd < 0 ){
        sleep( 5 );
        printf( "pid=%d, 结束睡眠
", getpid() );
        //其他错误原因，导致文件打开失败
        if( errno != ENOENT ) {
            perror( "open" );
            exit( -1 );
        }else {
            //文件不存在　导致文件打开失败
            fd = open( argv[1], O_WRONLY | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR );    
            if( fd < 0 ) {
                printf( "文件%s创建失败
", argv[1] );
                exit( -1 );
            }
            printf( "文件%s,创建并打开成功:fd=%d
", argv[1], fd );
            printf( "进程id=%d
", getpid() );
            close( fd );
        }
    }else {
        printf( "文件%s,打开成功:fd=%d
", argv[1], fd );
        printf( "进程id=%d
", getpid() );
        close( fd );
    }


    return 0;
}

假如，我们要创建一个不存在的test.txt文件。

为了演示方便，在程序第一次判断文件不存在的情况下，让进程挂起( sleep 5 )交出cpu的执行时间，这个时候，我们可以这样测试，两种方法：

1，在另一个终端，登录另一个账户(如root账户)，创建test.txt文件

2，在另一个终端，再开启一个进程

方法一：用shell脚本创建一个test.txt，并赋予其他组的权限为rw

createfile.sh

#!/bin/bash
#创建文件,并改变权限配合测试

touch test.txt
sudo chmod a+rw test.txt

实验结果：左边的进程依然认为这个文件是他创建并打开的!

方法二，在另一个终端，再开一个进程测试 

两个进程都认为，test.txt是他们自己创建并打开的

2，如何保证独占方式创建一个文件?

 非常简单，只需要把加一个标志O_EXCL，结合O_CREAT

fd = open( argv[1], O_WRONLY | O_CREAT | O_EXCL, S_IRUSR | S_IWUSR );

再次按照上面的2种方式测试，得到的结果就是：

如果在sleep期间，别的进程创建了文件，那么该进程会报错

3，seek与write结合，产生相互覆盖

/*================================================================
*   Copyright (C) 2018 . All rights reserved.
*   
*   文件名称：seek_file.c
*   创 建 者：ghostwu(吴华)
*   创建日期：2018年01月11日
*   描    述：
*
================================================================*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#ifndef BUFSIZE
#define BUFSIZE 50
#endif


int main(int argc, char *argv[])
{
    if( argc < 3 || strcmp( argv[1], "--help" ) == 0 ) {
        printf( "usage:%s filename w<string>
", argv[1] );
        exit( -1 );
    }

    if( argv[2][0] != 'w' ) {
        printf( "必须以w开头
" );
        exit( -1 );
    }

    int fd = -1;
    fd = open( argv[1], O_RDWR );
    
    if( fd < 0 ) {
        printf( "文件%s打开失败
", argv[1] );
        exit( -1 );
    }

    if ( -1 == lseek( fd, 0, SEEK_END ) ) {
        printf( "指针移动到尾部失败
" );
        exit( -1 );
    }

    sleep( 5 );

    char buf[BUFSIZE];
    ssize_t nwrite;

    strcpy( buf, &argv[2][1] );

    nwrite = write( fd, buf, strlen( buf ) );
    if( -1 == nwrite ) {
        printf( "文件写入失败
" );
        exit( -1 );
    }
    printf( "pid=%d,向文件%s写入了%ld个字节
", getpid(), argv[1], nwrite );

    return 0;
}

如果第一个进程执行到seek与write之间，交出 cpu, 被执行相同代码的第二个进程中断，那么这两个进程在写入数据前都把指针移动到相同的位置，如果一个进程先完成，那么后一个进程会覆盖前面进程写入的数据

试验结果：

第二个进程后结束： 第一个进程写入的123被第二个进程的4567覆盖，产生结果 4567

第一个进程后结束：第一个进程写入的4567被第二个进程的123覆盖，产生结果 1237

如何避免数据覆盖？打开文件时候，加入O_APPEND标志

fd = open( argv[1], O_RDWR | O_APPEND );

总结：

1）理解原子性操作

2）理解标志O_CREAT与O_EXCL结合的意义

3）理解O_APPEND标志

4）理解竞争状态