面试题：Python文件模式之专家题

'x' 模式的特殊用途

在Python中，文件模式 'x' 代表排他性创建。它用于创建一个新文件，如果文件已存在，则会引发 FileExistsError 异常。这确保了文件创建操作的原子性，因为在同一时刻只有一个进程或线程能够成功创建文件。

多进程并发创建文件场景下的问题

在多进程并发创建文件的场景中，虽然 'x' 模式提供了原子性创建，但如果多个进程同时尝试创建同一个文件，除了一个进程外，其他进程都会因 FileExistsError 异常而失败。这可能导致大量不必要的异常处理开销，影响效率。

设计机制避免问题

为了既保证原子性又提高效率，可以使用操作系统提供的文件锁机制。在Python中，可以使用 fcntl 模块（仅适用于Unix系统）或 msvcrt 模块（适用于Windows系统）来实现文件锁。以下以Unix系统为例，使用 fcntl 模块实现：

设计思路：
- 每个进程在尝试创建文件前，先获取文件锁。
- 只有获取到锁的进程才能创建文件，其他进程等待。
- 文件创建完成后，释放锁，允许其他进程尝试获取锁并创建文件。
代码示例：

import os
import fcntl


def create_file_atomically(file_path):
    lock_file = open(file_path + '.lock', 'w')
    try:
        fcntl.flock(lock_file.fileno(), fcntl.LOCK_EX)
        try:
            with open(file_path, 'x') as new_file:
                pass
            print(f"文件 {file_path} 创建成功")
        except FileExistsError:
            print(f"文件 {file_path} 已存在")
    finally:
        fcntl.flock(lock_file.fileno(), fcntl.LOCK_UN)
        lock_file.close()
        os.remove(file_path + '.lock')


if __name__ == '__main__':
    import multiprocessing

    file_path = 'test.txt'
    processes = []
    for _ in range(5):
        p = multiprocessing.Process(target=create_file_atomically, args=(file_path,))
        processes.append(p)
        p.start()

    for p in processes:
        p.join()

在上述代码中：

create_file_atomically 函数实现了原子性创建文件的逻辑。
首先打开一个锁文件 file_path + '.lock'。
使用 fcntl.flock 获取排他锁（fcntl.LOCK_EX）。
尝试以 'x' 模式创建目标文件，如果文件已存在，捕获 FileExistsError 异常。
最后释放锁并删除锁文件。

在 if __name__ == '__main__': 块中，启动多个进程并发调用 create_file_atomically 函数，模拟多进程并发创建文件的场景。这样既保证了文件创建的原子性，又避免了因频繁异常导致的效率问题。

对于Windows系统，可以使用 msvcrt.locking 函数实现类似的文件锁机制，原理类似，但函数调用和参数略有不同。

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多进程并发创建文件场景下的问题

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