ファイルロック

ファイルロックとは

ファイルロックは、コンピュータシステムにおいて、複数のプロセスが同時にファイルにアクセスする際に発生する競合を防ぐための機構です。特定のプロセスがファイルを使用している間、他のプロセスからのアクセスを制限することで、データの整合性を保ちます。これにより、データの損失や破損を防ぎ、システム全体の安定性を向上させる重要な役割を果たしています。

ファイルロックの概要

ファイルロックの主な目的は、「仲裁更新」と呼ばれる問題を防ぐことです。これは、複数のプロセスが同じファイル内のデータ（例えば、口座残高など）を同時に変更しようとする際に発生します。

仲裁更新問題の例

1. プロセスAとプロセスBが、同じファイルの同じレコード（例えば、顧客の口座情報）を読み込みます。
2. プロセスAが、読み込んだレコードの口座残高を変更し、ファイルに書き戻します。
3. その後、プロセスBも同様に、自身が保持しているレコードを変更し、ファイルに書き戻します。

この時、プロセスBが書き戻したレコードには、プロセスAによる変更が反映されておらず、結果としてプロセスAの変更が上書きされてしまい、データの整合性が失われてしまいます。

ファイルロックは、このような仲裁更新の問題を防ぐために、ファイルへの更新をシリアライズ（逐次化）し、一度に一つのプロセスのみがファイルに書き込めるようにします。多くのオペレーティングシステムでは、ファイル全体ではなく、レコード単位でロックする「レコードロック」もサポートされており、より効率的な並行処理を実現しています。

ファイルロックの利用例

ファイルロックは、様々な場面で利用されています。

電子メールのスプールファイル

UNIX系システムで伝統的に使用されるmbox形式のメールスプールファイルは、複数のメールメッセージを一つのファイルに保存します。そのため、複数のプロセスが同時に書き込みや削除を行うと、仲裁更新問題が発生し、メールの消失や重複が発生する可能性があります。

これを防ぐため、ファイルロック機構やロックファイルを用いてmboxをロックし、ファイルの同時書き込みを制御します。

データベースの保守作業

データベースの保守作業では、データベースを構成する物理ファイル全体をロックすることがあります。これにより、他のプロセスがファイルにアクセスするのを防ぎ、データの整合性を保ちながら安全に保守作業を行うことができます。

ファイルロックの実装

ファイルロックの実装は、オペレーティングシステムによって異なります。以下に、主要なオペレーティングシステムでの実装例を説明します。

Windows

Windowsでは、以下の3つの機構でファイルアクセスを管理しています。

1. 共用アクセス制御: ファイル全体へのリード、ライト、削除を許可または制限します。
2. バイト単位のロック: ファイルの一部分へのアクセスを制御します。
3. 実行中ファイルの制限: 実行中のファイルへの書き込みや削除を禁止します。

Windowsのファイル共有機構では、ファイルアクセス時にバイト単位ロックを使用すると、自動的に全クライアントのファイルキャッシュが無効化されます。これにより、ファイルアクセスが遅くなることがあります。

また、ファイルロックに関するエラー処理にバグがあると、ファイルがロックされたままになり、他のアプリケーションからアクセスできなくなることがあります。このような場合、Windowsタスクマネージャーで問題のあるプロセスを終了させることで、ファイルアクセスが可能になることがあります。

UNIX

UNIX系システムでは、ファイルは自動的にロックされません。ファイルロックには、`fcntl`や`flock`といった機構が使われます。これらのロックは基本的にはアドバイザリー（助言）であり、ロックに従わないプログラムもファイルにアクセスできます。そのため、強制的にロックをかける機構も存在します。

UNIXのロックには、共有ロック（複数のプロセスが同時にかけられる）と排他ロック（一つのプロセスのみがかけられる）があります。排他ロックは、共有ロックと同時にかけられません。

UNIXにおけるファイルロックの問題点

`flock`や`fcntl`には、他のオペレーティングシステムに慣れたプログラマーから見ると奇異な点があります。

- `flock`は、NFSなどのネットワークファイルシステムでは正しく機能しない場合があります。
- 同じファイルに対して複数のファイル記述子を持つ場合、一つの記述子でロックをかけても、別の記述子をクローズするとロックが解除されてしまうことがあります。

Linux

Linuxでは、`dnotify`機構や`inotify`機構でファイルの変化を通知できます。強制ロックもサポートされていますが、バグが多く、あまり使われません。

TRON

BTRONには、他のOSとは異なるファイルシステムを採用しており、厳密にはファイルロックという概念はありません。ファイルシステムはTADと呼ばれ、仮身と実身から構成されています。仮身は二重に開くことができず、実身は複数の仮身を持つことができます。同一実身に対する更新は、他の仮身に対してアラートを返す仕組みになっています。

Java

Javaでは、`java.io.FileInputStream`と`java.io.FileOutputStream`でファイル操作時に自動的にロックがかかります。明示的にロックを使用するには、`java.nio.channels.FileChannel`の`lock()`メソッドを使用します。

C/C++

C11およびC++17では、`fopen()`関数で排他アクセスモードを指定できるようになりました。

ロックファイル

ロックファイルは、シェルスクリプトなどでファイルロックの代替として使われる手法です。ロックファイルが存在することで、他のプロセスに対してリソースがロックされていることを知らせます。

ロックファイルの操作はアトミックである必要があります。ロックファイルを作成する際には、存在しないことを確認してから作成する必要があります。この処理には、専用のシステムコールや一時的なファイル名を使用するなどの手法があります。

ファイルロックの注意点

ファイルロックを誤って使用すると、パフォーマンスの低下やデッドロックを引き起こす可能性があります。ロックをかける時間はできるだけ短くすることが推奨されます。

まとめ

ファイルロックは、複数のプロセスが同時にファイルにアクセスする環境において、データの整合性を保つために不可欠な機能です。オペレーティングシステムによって実装方法が異なるため、利用する環境に応じて適切なロック機構を選択することが重要です。