👏

O_EXCLで学ぶ：アトミック操作とレースコンディション

に公開
Linux
tech

1. はじめに

  • Linuxプログラミングを学んでいて出会った open(O_CREAT | O_EXCL)。
  • 最初は「ファイルを安全に作成するための便利なフラグ」くらいに思っていた。
  • しかしその背後にはプロセスの並行実行やアトミック操作という奥深い意味があった。
  • 本記事では、このフラグを入り口に、システムコール、アトミック、そしてタイムスライスとレースコンディションについて考えていく。

2. open(O_CREAT | O_EXCL) の役割と危険なパターン

2.1 フラグの意味

  • O_CREAT：ファイルがなければ新規作成する
  • O_EXCL：ファイルがすでに存在すればエラー（EEXIST）を返す

この組み合わせにより、「存在確認」と「新規作成」を一度に実行できる。

2.2 悪い例：access() → open()

存在確認と作成を分けて書くと、間に他のプロセスが割り込む可能性がある。
これはTOCTOU（Time Of Check To Time Of Use）問題と呼ばれる。

if (access("file.txt", F_OK) == -1) {
    open("file.txt", O_WRONLY | O_CREAT); // ← ここで割り込みが入るかも
}

3. レースコンディションはなぜ起きるのか

3.1 タイムスライスとは

  • OSは複数プロセスを同時に動いているように見せるため、CPU時間を細かく分割して使わせる。

  • 1つのプロセスがCPUを占有できる最大時間がタイムスライス。

    • 例: 10msごとに切り替え

3.2 割り込みの瞬間に起きること

  1. プロセスAが access() で「ファイルが存在しない」と判断
  2. しかしタイムスライスが切れてCPUがプロセスBに切り替わる
  3. プロセスBが同じファイルを open(O_CREAT) で作成
  4. 再びプロセスAが実行され、open() を実行
  5. → Aは「自分が作成した」と誤認してしまう
時間 →
┌──────────────┬──────────────┬──────────────┐
| プロセスA      | プロセスB     | プロセスA再開 |
| access(確認)  | open(作成)   | open(再試行)  |
└──────────────┴──────────────┴──────────────┘
               ↑タイムスライス終了 → CPUがAからBに切り替わる

これが典型的なレースコンディション発生シナリオ。

4. open(O_CREAT | O_EXCL) で解決できる理由

  • open(O_CREAT | O_EXCL) は存在確認＋新規作成を1回のシステムコールでアトミックに実行する。
  • OSが内部でinodeロックを取り、処理が割り込まれない。
  • これによりTOCTOU問題を解消できる。
  • ※補足：古いNFS環境では O_EXCL が完全に機能しないことがあり、ネットワークファイルシステムでは注意が必要。

5. アトミック操作とは何か

  • アトミック＝「分割されず、一連の操作が他プロセスから見て一瞬で終わる」こと。
  • ただし「システムコールだから常にアトミック」というわけではない。

6. 実験：レースを再現

ここでは、2つのプロセスを並列実行して TOCTOU を意図的に発生させ、その後 O_CREAT | O_EXCL で解消されることを確認します。
手元で簡単に再現できるように、ワンコマンドで並列起動するシェルスクリプトを用意しました。

6.1 悪い例：access() → open()（レースが起きうる）

// race_bad.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>   // access, usleep
#include <fcntl.h>    // open, O_*
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>

int main(void) {
    const char *filename = "race.txt";

    // 存在確認（TOCTOUの"TOC"）
    if (access(filename, F_OK) == -1) {
        // レースが起きやすいよう、意図的にスリープ（10ms）
        usleep(10 * 1000);

        // 作成（"TOU"）。この間に他プロセスが作成し得る
        int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
        if (fd == -1) {
            perror("open (bad)");
            exit(1);
        }
        printf("[bad] ファイル作成に成功: %s\n", filename);
        close(fd);
    } else {
        printf("[bad] 既に存在: %s\n", filename);
    }
    return 0;
}

6.2 良い例：open(O_CREAT | O_EXCL)（アトミックに解決）

// race_good.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>

int main(void) {
    const char *filename = "race.txt";

    // 存在確認＋新規作成を1回のシステムコールで（アトミック）
    int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_EXCL, 0644);
    if (fd == -1) {
        if (errno == EEXIST) {
            printf("[good] 既に存在: %s\n", filename);
        } else {
            perror("open (good)");
            exit(1);
        }
    } else {
        printf("[good] ファイル作成に成功: %s\n", filename);
        close(fd);
    }
    return 0;
}

6.3 ビルド手順

gcc -O2 -Wall -o race_bad  race_bad.c
gcc -O2 -Wall -o race_good race_good.c

6.4 並列実行用シェルスクリプト

#!/bin/bash
# race_test.sh
# 使い方:
#   ./race_test.sh ./race_bad     # 悪い例（レース発生の可能性）
#   ./race_test.sh ./race_good    # 良い例（排他動作を確認）
# オプション:
#   RUNS=50 ./race_test.sh ./race_bad   # 50回連続で試行（レース再現性UP）

set -euo pipefail

prog=${1:-}
if [[ -z "${prog}" ]]; then
  echo "usage: $0 <program-path>"; exit 2
fi
if [[ ! -x "${prog}" ]]; then
  echo "error: '${prog}' が実行できません"; exit 2
fi

runs=${RUNS:-1}
file="race.txt"

echo ">>> 実行プログラム: ${prog}（${runs}回）"
echo

for i in $(seq 1 "${runs}"); do
  rm -f "${file}"

  # 2つのプロセスを「ほぼ同時」に起動
  "${prog}" & pid1=$!
  "${prog}" & pid2=$!

  wait "${pid1}" "${pid2}" || true

  # 結果を表示
  if [[ -e "${file}" ]]; then
    echo "[run ${i}] 結果: $(ls -l "${file}")"
  else
    echo "[run ${i}] 結果: ファイルなし"
  fi
done

保存後に実行権限を付与:
chmod +x race_test.sh

6.5 実行例と観察ポイント

悪い例（レースが起きうる）

./race_test.sh ./race_bad
# 期待される出力例（環境で異なる）:
# [bad] ファイル作成に成功: race.txt
# [bad] ファイル作成に成功: race.txt
# [run 1] 結果: -rw-r--r-- 1 you you 0 ... race.txt
  • 2プロセスとも「作成に成功」と出るケースがあり、TOCTOUが露呈します。
  • 再現性を上げたい場合は RUNS=50 などで多回数試行してください。

良い例（排他が効く）

./race_test.sh ./race_good
# 期待される出力例（環境で異なる）:
# [good] ファイル作成に成功: race.txt
# [good] 既に存在: race.txt
# [run 1] 結果: -rw-r--r-- 1 you you 0 ... race.txt
  • 片方だけが作成に成功し、もう一方は EEXIST 相当の結果になります。
  • O_CREAT | O_EXCL により、存在確認＋作成がアトミックに処理されたことを体感できます。

7. 公式ドキュメントで裏付け

open(O_CREAT | O_EXCL) はアトミック

  • The Open Group / POSIX: open()

    If O_CREAT and O_EXCL are set, open() shall fail if the file exists. The check for the existence of the file and the creation of the file if it does not exist shall be atomic with respect to other threads executing open() naming the same filename in the same directory with O_EXCL and O_CREAT set.
    https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/007904875/functions/open.html?utm_source=chatgpt.com

  • Linux man-pages: open(2)

    O_EXCL … On NFS, O_EXCL is supported only when using NFSv3 or later on kernel 2.6 or later. In NFS environments where O_EXCL support is not provided, programs that rely on it … will contain a race condition.
    https://man7.org/linux/man-pages/man2/open.2.html

8. まとめ：タイムスライスとアトミックを意識する

  • タイムスライスによるCPU切り替えが、並列実行環境では必ず起きる。
  • その切り替えがレースコンディションの根本原因。
  • open(O_CREAT | O_EXCL) は、割り込みの隙間をなくす。
  • システムコールの設計意図を理解することで、より堅牢なプログラムが書ける。

本記事で伝えたいこと

  • open(O_CREAT | O_EXCL) というフラグをきっかけに、

    • プロセススケジューリング（タイムスライス）
    • レースコンディション
    • アトミック操作
      を体系的に理解できる。

  • Linuxプログラミングは、APIの使い方を覚えるだけではなく、OS内部の仕組みと連動して理解することが重要。

GitHubで編集を提案

Discussion