小何讲Linux： 文件锁及其实例

1. 文件锁基本概念

Linux中软件、硬件资源都是文件（一切皆文件），文件在多用户环境中是可共享的。

文件锁是用于解决资源的共享使用的一种机制：当多个用户需要共享一个文件时，Linux通常采用的方法是给文件上锁，来避免共享的资源产生竞争的状态。

文件锁包括建议性锁和强制性锁：

建议性锁：要求每个使用上锁文件的进程都要检查是否有锁存在，并且尊重已有的锁。在一般情况下，内核和系统都不使用建议性锁，它们依靠程序员遵守这个规定。

强制性锁：是由内核执行的锁，当一个文件被上锁进行写入操作的时候，内核将阻止其他任何文件对其进行读写操作。采用强制性锁对性能的影响很大，每次读写操作都必须检查是否有锁存在。

在Linux中，实现文件上锁的函数有lockf()和fcntl()

lockf()用于对文件施加建议性锁


fcntl()不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制锁。


fcntl()还能对文件的某一记录上锁，也就是记录锁。


记录锁又可分为读取锁和写入锁，其中读取锁又称为共享锁，它能够使多个进程都能在文件的同一部分建立读取锁。


写入锁又称为排斥锁，在任何时刻只能有一个进程在文件的某个部分建立写入锁。


在文件的同一部分不能同时建立读取锁和写入。

2. fcntl()函数格式

fcntl是一个非常通用的函数，它可以对已打开的文件进行各种操作，包括管理文件锁、获得和设置文件描述符标志、获得和设置文件状态标志、文件描述符的复制等很多功能，

所需头文件

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h>

函数原型：int fcntl(int fd,int cmd,...);

int fcntl(int fd,int cmd,long arg);

int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock)

函数传入值fd：被参数cmd操作的文件描述符

函数原型

int fcntl(int fd,int cmd,long arg);

int fcnt1(int fd, int cmd, struct flock *lock)

函数传入值cmd

F_DUPFD：复制一个现存的描述符

F_GETFD：获得fd的close-on-exec（执行时关闭）文件描述符标志，若标志未设置，则文件经过exec()函数之后仍保持打开状态

F_SETFD：设置close-on-exec 标志，该标志由参数arg 的FD_CLOEXEC位决定

F_GETFL：得到open设置的标志

F_SETFL ：改变open设置的标志

F_GETLK：根据lock参数值，决定是否可以上文件锁

F_SETLK：设置lock参数值的文件锁

关于close_on_exec

close_on_exec 是一个进程所有文件描述符（文件句柄）的位图标志，每个比特位代表一个打开的文件描述符，用于确定在调用系统调用execve()时需要关闭的文件句柄（参见include/fcntl.h）。当一个程序使用fork()函数创建了一个子进程时，通常会在该子进程中调用execve()函数加载执行另一个新程序。此时子进程将完全被新程序替换掉，并在子进程中开始执行新程序。若一个文件描述符在close_on_exec中的对应比特位被设置，那么在执行execve()时该描述符将被关闭，否则该描述符将始终处于打开状态。

函数传入值cmd

F_SETLKW：这是F_SETLK的阻塞版本（命令名中的W表示等待（wait））。在无法加锁时，会进入睡眠状态；如果可以加锁或者捕捉到信号则会返回

lock：是一个指向flock结构的指针，设置记录锁的具体状态

函数返回值

成功时，返回值依赖于第二个参数cmd

-1：出错



cmd取值方式

F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW： 获得／设置记录锁的功能，成功则返回0，若有错误则返回-1，错误原因存于errno。

F_GETLK ：
测试由lock所描述的锁是否能使用。如果存在一把锁，它阻止创建由lock所描述的锁，则将这把现存锁的信息写到lock指向的结构中（l_type-已有锁的类型,l_pid-加锁的进程号）。如果不存在这种情况，则除了将l_type设置为F_UNLCK之外，lock所指向的结构中的其他信息保持不变。

F_SETLK ： 按照第三个参数lock指向的flock结构体所描述的锁的信息设置或者清除一个文件的锁。

F_SETLK： 被用来实现共享(或读)锁(F_RDLCK)或独占(写)锁(F_WRLCK)，同样可以去掉这两种锁(F_UNLCK)。如果共享锁或独占锁不能被设置，fcntl()将立即返回EAGAIN

3. fcntl()使用实例

在该下面的实例中，首先给flock结构体的对应字段赋予相应的值。

接着使用两次fcntl()函数，分别用于判断文件是否可以上锁和给相关文件上锁，这里用到的cmd值分别为F_GETLK和F_SETLK（或F_SETLKW）。

用 F_GETLK 命令判断是否可以进行flock 结构所描述的锁操作：

若可以加锁，则flock结构的l_type会被设置为F_UNLCK，其他域不变；

否则，则l_pid被设置为拥有文件锁的进程号，l_type被设置为已有锁的类型，其他域不变。

文件记录所功能源代码如下（文件保存为 mylock.c）：

/* 文件保存为 mylock.c */

int lock_set(int fd,int type)
{
struct flock old_lock,lock;
lock.l_whence = SEEK_SET;
lock.l_start = 0;
lock.l_len = 0;
lock.l_type = type;
lock.l_pid = -1;

fcntl(fd,F_GETLK,&lock);

if(lock.l_type != F_UNLCK)
{

if (lock.l_type == F_RDLCK)
{
printf("Read lock already set by %d\n",lock.l_pid);
}
else if (lock.l_type == F_WRLCK)
{
printf("Write lock already set by %d\n",lock.l_pid);
}
}

lock.l_type = type;

if ((fcntl(fd,F_SETLKW,&lock)) < 0)
{
printf("Lock failed : type = %d\n",lock.l_type);
return 1;
}

switch (lock.l_type)
{
case F_RDLCK:
{
printf("Read lock set by %d\n",getpid());
}
break;
case F_WRLCK:
{
printf("write lock set by %d\n",getpid());
}
break;
case F_UNLCK:
{
printf("Release lock by %d\n",getpid());
return 1;
}
break;

default:
break;

}
return 0;
}

下面的实例是文件写入锁的测试用例，文件名为，wirte_lock.c 。

这里首先创建了一个hello 文件，之后对其上写入锁，最后释放写入锁，代码如下所示：

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include "mylock.c"
int main(void)
{
int fd;/* 首先打开文件*/
fd = open("hello",O_RDWR | O_CREAT, 0644);if(fd < 0)
{
printf("Open file error\n");
exit(1);
}
lock_set(fd, F_WRLCK);  	/* 给文件上写入锁*/
getchar();             /*程序暂停，按回车键继续*/
lock_set(fd, F_UNLCK);	/* 给文件解锁*/
getchar();
close(fd);
exit(0);
return 0;
}

运行截图如下：



在PC机上测试：

开启两个终端，并且在两个终端上同时运行该程序，以达到多个进程操作一个文件的效果。

首先在终端1运行，然后在终端2上运行，注意终端二中的第一行输出。



由此可见，写入锁为互斥锁，同一时刻只能有一个写入锁存在。

接下来的程序是文件读取锁的测试用例，原理和上面的程序一样。文件名为read_lock.c。

#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "mylock.c"
int main(void)
{
int fd;fd = open("hello",O_RDWR | O_CREAT, 0644);if(fd < 0)
{
printf("Open file error\n");
exit(1);
}
lock_set(fd, F_RDLCK);	/* 给文件上读取锁*/
getchar();
lock_set(fd, F_UNLCK);	/* 给文件解锁*/
getchar();
close(fd);
exit(0);
return 0;
}

运行结果如下：



同样开启两个终端，并首先启动终端一上的程序，其运行结果如下所示：



观察可知，读锁是共享锁。