Linux C/C++ 单实例进程设计

Linux C/C++ 单实例进程设计

概述

当我们使用 C/C++ 开发一个守护进程或者一个服务端程序的时候，有时需要将该程序变成单进程，防止重复打开 socket 端口或者提供重复的服务。如果某个进程同时有多个实例运行，那么每个实例都可能尝试打开同一个端口或执行某个预定的操作，于是造成该操作的重复执行，这很可能导致出错。

在 POSIX 系统中可以使用文件和记录锁机制来达成单实例进程设计。

文件和记录锁机制为一种方法提供了基础，该方法保证一个守护进程只有一个副本在运行。如果每一个守护进程创建一个固定名字的文件，并在该文件的整体上加一把写锁，那么只允许创建一把这样的写锁。在此之后创建写锁的尝试都会失败，这向后续进程副本指明已有一个副本正在运行。

文件和记录锁提供了一种方便的互斥机制。如果守护进程在一个文件的整体上得到一把写锁，那么在该守护进程终止时，这把锁将被自动删除。这就简化了复原所需的处理，去除了对以前的守护进程实例需要进行清理的有关操作。
——《UNIX 环境高级编程（第 3 版）》

示例

#include       // included for `fprintf`
#include      // included for `open`
#include       // included for `errno`
#include      // inlcuded for `strerror`
#include      // included for `exit`
#include    // included for `flock`

#define PIDFILE "/var/run/hello.pid"

int isRunning(const char *pidfile) {
    int fd = -1;
    char buf[16] = { 0x00 };

    if (-1 == (fd = open(pidfile, O_RDWR | O_CREAT, 0666))) {
        fprintf(stderr, "can't open or create %s: %s\n",
                pidfile, strerror(errno));
        exit(1);
    }

    if (flock(fd, LOCK_EX | LOCK_NB) < 0) {
        int save_errno = errno;
        if ((save_errno == EAGAIN) || (save_errno == EACCES)) {
            close(fd);
            return 1;
        }

        fprintf(stderr, "can't lock %s: %s\n", pidfile, strerror(save_errno));
        exit(1);
    }
    ftruncate(fd, 0);
    snprintf(buf, sizeof(buf) - 1, "%ld", (long)getpid());
    write(fd, buf, strlen(buf) + 1);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (isRunning(PIDFILE)) {
        fprintf(stderr, "another instance is already running.\n");
        exit(1);
    }
    
    while (1) {
        pause();
    }
    return 0;
}
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每个进程都将尝试创建一个文件并将自己的 PID 号写入到文件中，如果文件已经上锁，那么 flock 函数就会失败并返回 EAGAIN 错误码。

在上述示例中，isRunning 函数返回 1 表明已经有另一个实例进程在运行。否则将使用 ftruncate 函数将文件长度截断为 0, 将进程 ID (通过 getpid 接口获得) 写入该文件。

函数说明

#include 

int flock(int fd, int operation);
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其中 fd 是要操作的文件描述符。operation 可以是以下的值：

• LOCK_SH —— Shared lock 共享锁，在给定时间，多个进程可能持有给定文件的共享锁。
• LOCK_EX —— Exclusive lock 独占锁，在给定的时间，只有一个进程可以持有给定文件的独占锁。
• LOCK_UN —— Unlock 删除此进程所持有的已存在的锁。

如果另一个进程持有不兼容的锁，则对 flock() 的调用可能会阻塞。要发出非阻塞请求，请将 LOCK_NB（通过“或”运算）与上述任何 operation 一起使用。

单个文件不能同时具有共享和独占锁。

编译运行

在命令行执行 gcc 进行编译：

gcc -Wall -Werror -o hello hello.c
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因为 pid 文件指定在 /var/run 目录，所以需要 root 权限执行，否则会报 can't open or create /var/run/hello.pid: Permission denied 错误。

sudo ./hello
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进程启动后，可以看到创建了 /var/run/hello.pid 文件。当再启动一个终端执行 hello 进程时将会得到报错信息：

sudo ./hello
another instance is already running.
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因为已经有另一个进程实例在运行，所以通过文件和记录锁机制就能够达到单实例进程的目的。

参考资料

[1] 《UNIX 环境高级编程（第 3 版）》13.5 单实例守护进程
[2] QNX 7.1 交叉编译 cron

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