Sperren von Dateien: Gleichzeitige Zugriffe auf Dateien

SELFHTML aktuell Artikel Programmiertechnik Sperren von Dateien
	Sperren von Dateien: Gleichzeitige Zugriffe auf Dateien
	Einführung Arten von Dateisperren Sperrstufen

Einführung

Dieser Artikel behandelt das Sperren von Dateien in PHP, Perl, Python und Java. Es werden zum einen die Grundlagen veranschaulicht und zum anderen konkrete Codebeispiele geliefert, mit deren Hilfe es möglich ist, Dateien auf korrekte Weise zu sperren.

In Webanwendungen kommt es häufiger vor, dass auf Dateien zugegriffen werden muss - sowohl lesend als auch schreibend. Hierbei treten allerdings Probleme auf: Wenn mehrere Prozesse gleichzeitig auf die Datei zugreifen, kann es zu Konflikten kommen, und in ungünstigen Fällen kann der Inhalt der Datei durcheinandergebracht oder gar komplett gelöscht werden. Natürlich finden Zugriffe auf die gleiche Datei nie exakt gleichzeitig statt (selbst auf Mehrprozessorsystemen nicht), aber wenn bestimmte Aktionen nicht atomar ablaufen, das heißt, wenn sie unterbrochen werden können und zwischenzeitlich eine andere Aktion bevorzugt wird, dann kommt es zu eben diesen Problemen. Folgendes Beispiel soll dies verdeutlichen:

Gegeben sei ein einfaches Script, das eine Datei öffnet, eine Zahl, die in dieser Datei gespeichert ist, ausliest, den Dateiinhalt löscht und dann die Zahl um eins erhöht wieder hineinschreibt (also ein einfacher Zähler). Bricht man diese Aktionen in ihre Bestandteile herunter, für die heutige Betriebssysteme garantieren können, dass sie atomar ablaufen, d.h. nicht unterbrochen werden können, dann werden folgende Schritte durchgeführt:

Datei zum Lesen- und Schreiben öffnen
Den Inhalt der Datei auslesen
Den Dateiinhalt löschen (truncate)
Die Zahl um 1 erhöht in die Datei schreiben
(Die Datei schließen)

Folgendes Szenario zeigt, wie bereits dieses einfache Script zum Stolpern gebracht werden kann. Vorraussetzung ist, dass zwei Besucher das Script fast zeitgleich aufrufen. Die Aktionen (da sie die gleiche Datei betreffen) werden zwar nie exakt zeitgleich ausgeführt, aber die Reihenfolge ist absolut zufällig. Im folgenden soll gezeigt werden, was im ungünstigsten Fall passieren kann (die beiden Scriptaufrufe sind jeweils andersfarbig hervorgehoben), der Zähler sei am Anfang z.B. 42:

Script 1 öffnet die Datei
Script 1 liest den Inhalt der Datei aus, weiß, dass der Zähler 42 ist
Script 2 öffnet die Datei
Script 1 löscht den Inhalt der Datei
Script 2 liest den Inhalt der Datei aus - und stellt fest: sie ist leer, nimmt daher 0 an
Script 1 schreibt 43 in die Datei
Script 1 schließt die Datei
Script 2 löscht den Inhalt der Datei
Script 2 schreibt 1 in die Datei
Script 2 schließt die Datei

Wie dieses Beispiel zeigt, kann das fast gleichzeitige Ausführen von Scripten zu Probleme führen, die man auf einem Client-System in der Regel nicht gewohnt ist. Man nennt diese Probleme auch race conditions. Der Ausweg aus dieser Situation (im Dateifall) ist das Sperren von Dateien, auf Englisch file locking genannt. Damit kann verhindert werden, dass die Dateien von mehr als einem Programm gleichzeitig verwendet werden.

Arten von Dateisperren

Es gibt zwei Arten von Dateisperren:

Verpflichtende Sperren (Mandatory Locking): Diese Dateisperren sind intuitiv am einfachsten zu begreifen: Sobald ein Programm die Datei sperrt, kann kein anderes Programm Änderungen an der Datei vornehmen, bis die Sperre wieder aufgehoben wurde (was implizit durch das Schließen der Datei oder das Beenden des Programms geschehen kann oder explizit durch das Programm selbst).
Freiwillige (kooperative) Sperren (Advisory Locking): Bei freiwilligen Dateisperren werden die normalen Dateizugriffsfunktionen nicht beeinträchtigt, d.h. ein bösartiges Programm könnte problemlos die Datei überschreiben, während sie von einem anderen gesperrt ist. Allerdings soll kooperatives Sperren auch nicht vor derartigen Fällen schützen, sondern gutartigen Programmen helfen, sich nicht gegenseitig in die Quere zu kommen. Zudem sind selbst verpflichtende Sperren prinzipbedingt nicht vollkommen immun gegen bösartige Programme (die könnten das Programm, das die Datei sperrt, zum Beispiel auch gewaltsam beenden).

Unterschiedliche Betriebssysteme implementieren Sperren unterschiedlich. Microsoft Windows implementiert ausschließlich verpflichtende Sperren. UNIX-artige Betriebssysteme wie Linux, FreeBSD oder Mac OS X implementieren hauptsächlich freiwillige Sperren, während verpflichtende Sperren zumindest unter Linux wahlweise unterstützt werden, sofern sie über ein vergleichsweise aufwändiges Verfahren dateisystem- und dateiweise aktiviert werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass immer nur kooperative Sperren verwendet werden, denn wenn jedes Programm, das auf die Datei zugreifen will, die Dateisperrfunktionalität nutzt, gibt es keine effektiven Unterschiede zwischen kooperativen und verpflichtenden Sperren - bei verpflichtenden Sperren werden zusätzlich jedoch Dateizugriffe von anderen Programmen untersagt, die diese Funktionalität nicht nutzen.

Sperrstufen

Ferner gibt es zwei verschiedene Stufen, eine Datei zu sperren:

Exklusive Sperre (exclusive lock): Solange diese Sperre in Kraft ist, ist es nicht möglich, dass die Datei von einem anderen Programm gesperrt wird (egal in welcher Stufe).
Mitbenutzbare Sperre (shared lock): Solange diese Sperre in Kraft ist, ist es nicht möglich, dass die Datei von einem anderen Programm exklusiv gesperrt wird, jedoch dürfen andere Programme die Datei problemlos mit einer weiteren mitbenutzbaren Sperre belegen.

Wenn ein Programm den Inhalt einer Datei lediglich auslesen will, dann ist eine mitbenutzbare Sperre das Mittel der Wahl. Denn für die Dauer des Lesevorgangs dürfen andere Programme die Datei natürlich weiterhin auslesen, der Schreibzugriff (bei dem eine exklusive Sperre verwendet würde) muss jedoch bis zum Ende des Lesevorgangs warten. Wenn ein Programm auf die Datei selbst schreiben will, dann ist eine exklusive Sperre das Mittel der Wahl, denn dann müssen alle anderen Zugriffe bis zum Ende des Schreibvorgangs warten.

Dateisperren in verschiedenen Betriebssystemen

Sperren von Dateien