[System Programming] 6장. 파일 및 레코드 잠금
6장. 파일 및 레코드 잠금
프로세스간 통신(IPC)과 동기화(Synchronization)
- Signal
- Event notification
- Pipe
- 프로세스 간 데이터 전송용 FIFO
- Socket
- 프로토콜 스택을 이용한 데이터 전송
- File Locking
- 다른 프로세스에 의한 파일 읽기/갱신 방지 목적의 파일 잠금
- Message Queue
- 메시지 단위로 데이터 전달
- Semaphore
- 동기화
- Shared Memory
- 메모리 공유
파일 및 레코드 잠금의 원리
- 어떻게 프로세스 사이에 데이터를 주고받을 수 있을까? (두 개의 ms word 창이 띄워진 것을 생각해 보자.)
- 한 프로세스가 파일에 쓴 내용을 다른 프로세스가 읽음
- 문제점
- 한 프로세스가 파일 내용을 수정하는 동안에 다른 프로세스가 그 파일을 읽는 경우
- 두 개의 프로세스가 하나의 파일에 동시에 접근하여 데이터를 쓰는 경우
이 두 프로세스 간 indepenent하게 동작하도록 한다. 그치만 어떤 경우에는 정보 교환이 가능하게 해야 할 경우도 있을 것이다.
잠금 (lock)
- 파일 혹은 레코드(파일의 일부 영역) 잠금
- 한 프로세스가 그 영역을 읽거나 수정할 때 다른 프로세스의 접근을 제한
- 잠금된 영역에 한 번에 하나의 프로세스만 접근
- 특히 레코드에 쓰기(혹은 수정)를 할 경우 대상 레코드에 대해 잠금을 해서 다른 프로세스가 접근하지 못하게 해야 한다.
잠금이 필요한 예
- 잠금이 없는 경우
(1) 프로세스 A가 잔액을 읽는다: 잔액 100만원
(2) 프로세스 B가 잔액을 읽는다: 잔액 100만원
(3) 프로세스 B가 잔액에 입금액을 더하여 레코드를 수정한다: 잔액 120만원
(4) 프로세스A가 잔액에 입금액을 더하여 레코드를 수정한다: 잔액 110만원
- 잠금 사용
(1) 프로세스A가 레코드에 잠금을 하고 잔액을 읽는다: 잔액 100만원
(2) 프로세스A가 잔액에 입금액을 더하여 레코드를 수정하고 잠금 을 푼다: 잔액 110만원
(3) 프로세스 B가 레코드에 잠금을 하고 잔액을 읽는다: 잔액 110만원
(4) 프로세스 B가 잔액에 입금액을 더하여 레코드를 수정하고 잠금 을 푼다: 잔액 130만원
잠금 구현
- flock() 함수
- 전체 파일을 잠근다.
- Concurrency 제약 (수정하고 있지 않은 부분까지 읽지 못하는 문제가 발생)
- concurrency: 두 개 이상의 프로세스가 동시에 실행되는 것
- 잠금의 종류
- 공유 잠금
- 전용 잠금
- fcntl() 함수
- 파일 및 레코드 잠금을 구현할 수 있다.
- 잠금의 종류
- F_RDLCK : 여러 프로세스가 공유 가능한 읽기 잠금 (공유잠금에 해당) (시험)
- F_WRLCK : 한 프로세스만 가질 수 있는 배타적인 쓰기 잠금(전용 잠금에 해당)
- 데이터를 읽기 전에 transaction은 읽기 잠금을 설정한다. 데이터를 쓰기 전에는 쓰기 잠금을 설정한다.
- 읽기 잠금은 쓰기 잠금과 충돌을 일으키며, 쓰기 잠금은 읽기 잠금 및 쓰기 잠금과 충돌을 일으킨다.
- 트랜잭션은 같은 데이터 항목에 대하여 다른 트랜잭션과 충돌을 일으키는 잠금이 없을 경우에만 잠금을 설정할 수 있다.
- 트랜잭션은 데이터 항목 x에서 쓰기 잠금이 없는 경우에만 x에서 읽기 잠금을 설정할 수 있다.
- 트랜잭션은 데이터 항목 x에서 읽기 잠금과 쓰기 잠금이 없는 경우에만 x에서 쓰기 잠금을 설정할 수 있다.
flock()
#include <sys/file.h>
int flock(int fd, int operation);
//전체 파일을 잠근다. 성공하면 0, 실패하면 -1을 리턴
- fd는 대상이 되는 파일 디스크립터
- Operation
- LOCK_SH : fd가 참조하는 파일에 공유 잠금 설정
- LOCK_EX : fd가 참조하는 파일에 전용 잠금 설정
- LOCK_UN : fd가 참조하는 파일의 잠금을 해제
fcntl()
#include <sys/types.h> // primitive system data types
#include <unistd.h> // symbolic constants
#include <fcntl.h> // file control
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
//cmd에 따라 잠금 검사 혹은 잠금 설정을 한다. 성공하면 0 실패하면 -1을 리턴
- fd는 대상이 되는 파일 디스크립터
- cmd
- F_GETLK : 잠금 검사(fd가 현재 잠금이 걸려있는지의 여부)
- F_SETLK : 잠금 설정 혹은 해제
- F_SETLKW: 잠금 설정(블로킹 버전) 혹은 해제
- flock 구조체
- 잠금 종류, 프로세스 ID, 잠금 위치 등에 관한 정보를 담는 구조체
flock 구조체
struct flock {
short l_type; // 잠금 종류: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK
off_t l_start; // 잠금 시작 위치: 바이트 오프셋
short l_whence; // 기준 위치: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END
off_t l_len; // 잠금 길이: 바이트 수 (0이면 파일끝까지)
pid_t l_pid; // 프로세스 번호
};
cmd
- F_GETLK : 잠금 검사
- Flock 구조체 lock에 지정된 잠금 설정이 가능한지 검사
- 요청된 잠금 설정을 불가하게 하는 기존의 잠금이 있다면 기존의 잠금 정보가 lock 구조체에 담겨짐
- ‘기존의 담겨있는 잠금이 ~~이기 때문에 해당 잠금 설정을 불허한다.’
- short l_type; // 잠금 종류: F_RDLCK, F_WRLCK (- RDLCK 이나 WRLCK이 걸려있어 잠금 설정을 할 수 없다.)
- 기존의 잠금이 없다면 l_type 이 F_UNLCK 으로 설정됨(잠금이 걸려있지 않다는 의미)
- F_SETLK : 잠금 설정
- l_type이 F_RDLCK 혹은 F_WRLCK으로 설정됨 (잠금 요청)
- 요청 불허 시, 전역변수 errno가 EAGAIN으로 세팅
- F_SETLK : 잠금 설정
- l_type이 F_UNLCK으로 설정됨 (잠금 해제 요청)
- F_SETLKW: 잠금 설정(블로킹 버전) 혹은 해제
- 요청된 잠금 설정을 불가하게 하는 기존의 잠금이 있다면, 잠금이 가능할 때까지 블럭된 상태를 유지한다.
- 즉 잠금에 성공할 때까지 함수가 호출된 곳으로 리턴하지 않다가 잠금이 되고 나서야 돌아가는 것을 말한다.
(넌블럭킹은 승인이 거절되면 일단 리턴하고 그 이유만 보는 것이다.)
6.2 잠금 예제 및 잠금 함수
잠금 예제
- 학생 레코드를 질의하는 프로그램: rdlock.c
- 학생 레코드를 수정하는 프로그램: wrlock.c
- 핵심 idea
- 수정 프로그램에서 어떤 레코드를 수정하는 중에는 질의 프로그램에서 그 레코드를 읽을 수 없도록 레코드 잠금을 이용하여 제한한다.
rdlock.c (시험)
- 검색할 학번을 입력 받는다.
- 해당 레코드를 읽기 전에 그 레코드에 대해 읽기 잠금 (F_RDLCK)을 한다.
fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
- 해당 레코드 영역에 대해 잠금을 한 후에 레코드를 읽는다.
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include "student.h"
/* 잠금을 이용한 학생 데이터베이스 질의 프로그램 */
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, id;
struct student record;
struct flock lock;
if (argc < 2) {
fprintf(stderr, "사용법 : %s 파일\n", argv[0]);
exit(1);
}
if ((fd = open(argv[1], O_RDONLY)) == -1) {
perror(argv[1]);
exit(2);
}
printf("\n검색할 학생의 학번 입력:");
while (scanf("%d", &id) == 1) {
lock.l_type = F_RDLCK;
lock.l_whence = SEEK_SET;
lock.l_start = (id-START_ID)*sizeof(record); //학생의 고유 위치
lock.l_len = sizeof(record);
if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) { /* 읽기 잠금 (블락킹 모드)*/
perror(argv[1]);
exit(3);
}
lseek(fd, (id-START_ID)*sizeof(record), SEEK_SET);
if ((read(fd, (char *) &record, sizeof(record)) > 0) && (record.id != 0))
printf("이름:%s\t 학번:%d\t 점수:%d\n", record.name, record.id,
record.score);
else printf("레코드 %d 없음\n", id);
lock.l_type = F_UNLCK;
fcntl(fd, F_SETLK, &lock); /* 잠금 해제 (넌 블락킹;해제는 무조건 되기 때문에)*/
printf("\n검색할 학생의 학번 입력:");
}
close(fd);
exit(0);
}
$ rdlock stdb1
검색할 학생의 학번 입력: 140010
--
wrlock.c
-
수정할 학번을 입력 받는다.
- 해당 레코드를 읽기 전에 그 레코드에 쓰기 잠금(F_WRLCK)을 한다.
fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
- 해당 레코드 영역에 대해 잠금을 한 후에 레코드를 수정한다.
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include "student.h"
/* 잠금을 이용한 학생 데이터베이스 수정 프로그램 */
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, id;
struct student record;
struct flock lock;
if (argc < 2) {
fprintf(stderr, "사용법 : %s 파일 \n", argv[0]);
exit(1);
}
if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) == -1) {
perror(argv[1]);
exit(2);
}
printf("\n수정할 학생의 학번 입력:");
while (scanf("%d", &id) == 1) {
lock.l_type = F_WRLCK;
lock.l_whence = SEEK_SET;
lock.l_start = (id-START_ID)*sizeof(record);
lock.l_len = sizeof(record);
if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) { /* 쓰기 잠금(blocking version) */
perror(argv[1]);
exit(3);
}
//읽기 전에 파일 잠금
lseek(fd, (long) (id-START_ID)*sizeof(record), SEEK_SET);
if ((read(fd, (char *) &record, sizeof(record)) > 0) && (record.id != 0))
printf("이름:%s\t 학번:%d\t 점수:%d\n",
record.name, record.id, record.score);
else printf("레코드 %d 없음\n", id);
printf("새로운 점수: ");
scanf("%d", &record.score);
lseek(fd, (long) -sizeof(record), SEEK_CUR);//학생 정보의 처음 위치로 돌아감
write(fd, (char *) &record, sizeof(record));
lock.l_type = F_UNLCK;
fcntl(fd, F_SETLK, &lock); /* 잠금 해제(넌 블락킹) */
printf("\n수정할 학생의 학번 입력:");
}
close(fd);
exit(0);
}
$ wrlock test.db
수정할 학생의 학번 입력 : 140010
이름:홍길동 학번:140010 점수:90
새로운 점수:
---
Non-blocking version
while (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1){
if (errno == EAGAIN) {
if (try++ < MAX) { // MAX 번 만큼 실행 도전!
sleep(1);
continue;
}
printf("%s다시 시도\n", arv[1]); //안되면 종료!
exit(2);
}
perror(agv[1]);
exit(3);
}
blocking version은 쓰기 설정이 요구되었으면 반영될 때까지 무한정 기다리는데 반해서
non-blocking version은 바로바로 return이 되기 때문에 errno 체크를 통해서 다시 한 번 설정할지 말지를 사용자가 결정하게 된다.
잠금 함수
fcntl()함수는 구조체를 사용하고 있기 때문에 번거로운 단점이 있다. 그래서 lockf는 구조체를 사용하지 않고 len이라는 변수로 기준점은 항상 현재 파일 위치로 정해 놓고 len 길이만 조절하여 파일에 접근한다.
#include <unistd.h>
int lockf(int fd, int cmd, off_t len);
/*
cmd에 따라 잠금 설정, 잠금 검사 혹은 잠금 해제 한다.
잠금 영역은 현재 파일 위치부터 len 길이 만큼이다.
len이 0이면 현재 파일 위치부터 파일끝까지임.
성공하면 0 실패하면 –1을 반환한다.
*/
- cmd
- F_LOCK : 지정된 영역에 대해 잠금을 설정한다. 이미 잠금이 설정되어 있으면 잠금이 해제될 때까지 기다렸다가 잠금을 한다. :블락킹
- F_TLOCK : 지정된 영역에 대해 잠금을 설정한다. 이미 잠금이 설정되어 있으면 기다리지 않고 오류(-1)를 반환한다. : 넌블락킹
- F_TEST : 지정된 영역이 잠금 되어 있는지 검사한다. 잠금이 설정되어 있지 않으면 0을 반환하고 잠금이 설정되어 있으면 –1을 반환한다.
- F_ULOCK : 지정된 영역의 잠금을 해제한다.
- 잠금과 해제가 분리되어 있음
wrlockf.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include "student.h"
/* 잠금 함수를 이용한 학생 데이터베이스 수정 프로그램 */
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, id;
struct student record;
if (argc < 2) {
fprintf(stderr, "사용법 : %s file\n", argv[0]);
exit(1);
}
if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) == -1) {
perror(argv[1]);
exit(2);
}
printf("\n수정할 학생의 학번 입력:");
while (scanf("%d", &id) == 1) {
lseek(fd, (long) (id-START_ID)*sizeof(record), SEEK_SET);
if (lockf(fd, F_LOCK, sizeof(record)) == -1) { // 쓰기 잠금; 블락킹
perror(argv[1]);
exit(3);
}
if ((read(fd, (char *) &record, sizeof(record)) > 0) && (record.id != 0))
printf("이름:%s\t 학번:%d\t 점수:%d\n",
record.name, record.id, record.score);
else printf("레코드 %d 없음\n", id);
printf("새로운 점수: ");
scanf("%d", &record.score);
lseek(fd, (long) -sizeof(record), SEEK_CUR);
write(fd, (char *) &record, sizeof(record));
lseek(fd, (long) (id-START_ID)*sizeof(record), SEEK_SET);
lockf(fd, F_ULOCK, sizeof(record)); // 잠금 해제
printf("\n수정할 학생의 학번 입력:");
}
close(fd);
exit(0);
}
6.3 권고 잠금과 강제 잠금
권고 잠금과 강제 잠금
- 권고 잠금 (advisory locking)
- 지금까지 살펴본 잠금: 잠금을 할 수 있지만 강제되지는 않음.
- 즉 이미 잠금 된 파일의 영역에 대해서도 잠금 규칙을 무시하고 읽거나 쓰는 것이 가능
- 모든 관련 프로세스들이 자발적으로 잠금 규칙을 준수해야만 이 기능이 가능한 것.
- **강제 잠금 **(mandatory locking)
- 이미 잠금 된 파일 영역에 대해 잠금 규칙을 무시하고 읽거나 쓰는 것이 불가능
- 커널이 잠금 규칙을 강제하므로 시스템의 부하가 증가
- System V 계열에서 제공됨.
- Linux의 경우 파일 시스템을 마운트할 때
-o mand옵션을 사용 해서 마운트 해야 제공됨
default는 권고 잠금이다.(강제 잠금을 원하면 위와 같이 옵션을 명시)
강제 잠금
- 강제 잠금을 하는 방법
- 해당 파일에 대해 set-group-ID 비트를 설정하고
- group-execute 비트를 끄면 된다 (3번째 ‘x’ 위치에 S가 들어간다. )
$ chmod 2644 mandatory.txt (set-group-ID 비트 설정) # group은 4: read만 가능하도록 하였음
$ ls -l mandatory.txt
-rw-r-Sr-- 1 chang faculty 160 1월 31일 11:48 stdb1
- 강제 잠금 규칙
넌 블락킹은 바로 리턴되고 오류 넘버를 리턴
대상 영역의 현재 잠금 상태가 읽기 잠금 일 때 넌 블로킹이든 블로킹이든 읽기 잠금 요청은 허락된다.
강제 잠금을 하는 방법
- special bits
- #define S_ISUID 0004000 /* set uid on execution */
- #define S_ISGID 0002000 /* set group id on execution */
- #define S_ISVTX 0001000 /* save text(sticky bit) */
file_lock.c
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char **argv) {
static struct flock lock;
int fd, ret, c;
if (argc < 2) {
fprintf(stderr, "사용법: %s 파일\n",
argv[0]);
exit(1);
}
fd = open(argv[1], O_WRONLY);
if (fd == -1) {
printf("파일 열기 실패 \n");
exit(1);
}
lock.l_type = F_WRLCK;
lock.l_start = 0;
lock.l_whence = SEEK_SET;
lock.l_len = 0; //파일 전체
lock.l_pid = getpid();
ret = fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
if(ret == 0) { // 파일 잠금 성공하면
c = getchar();
}
}
실행
- 강제 잠금 설정
$ file_lock mandatory.txt #강제 잠금 설정이 되어 있기 때문에 블락 되어 있음
-
$ ls >> mandatory.txt
- # 잠금 해제 때 까지 블록
# ls 명령어가 종료되지 않음
강제 잠금을 이미 한 상태에서 쓰기 잠금을 요청하기 때문에 프롬프트가 나오지 않는 것이다.
- 강제 잠금 미설정 (권고 잠금)
$ file_lock advisory.txt
$
$ ls >> advisory.txt
$ # 잠금 여부에 관계 없이 ls 명령어 결과가 advisory.txt에 저장됨
핵심 개념
- 한 레코드 혹은 파일에 대한
- 읽기 잠금은 여러 프로세스가 공유할 수 있지만
- 쓰기 잠금은 공유한 수 없으며 한 프로세스만 가질 수 있다.
- fcntl() 시스템 호출을 이용하여 지정된 영역에 대해 잠금 검사, 잠금 설정 혹은 잠금 해제를 할 수 있다.
- lockf() 함수를 이용하여 지정된 영역에 대해 잠금 검사, 잠금 설정 혹은 잠금 해제를 할 수 있다
- 두 개가 다른 점은 fcntl은 lock 정보를 담는 구조체로 파일 잠금을 하는 것이지만 lockf는 len이라는 파일의 길이로 파일 잠금을 어디를 해야할지는 정하는 것이 다르다.
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