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文件鎖
1．fcntl()函數說明
前面講述的5個基本函數實現了文件的打開、讀/寫等基本操作，本節將討論在文件已經共享的情況下如何操作，也就是當多個用戶共同使用、操作一個文件的情況。這時，Linux通常采用的方法是給文件上鎖，來避免共享的資源產生競爭的狀態。
文件鎖包括建議性鎖和強制性鎖。建議性鎖要求每個上鎖文件的進程都要檢查是否有鎖存在，并且尊重已有的鎖。在一般情況下，內核和系統都不使用建議性鎖。強制性鎖是由內核執行的鎖，當一個文件被上鎖進行寫入操作時，內核將阻止其他任何文件對其進行讀寫操作。采用強制性鎖對性能的影響很大，每次讀寫操作都必須檢查是否有鎖存在。
在Linux中，實現文件上鎖的函數有lockf()和fcntl()，其中lockf()用于對文件施加建議性鎖，而fcntl()不僅可以施加建議性鎖，還可以施加強制性鎖。同時，fcntl()還能對文件的某一記錄上鎖，也就是記錄鎖。
記錄鎖又可分為讀取鎖和寫入鎖，其中讀取鎖又稱為共享鎖，它能夠使多個進程都能在文件的同一部分建立讀取鎖。而寫入鎖又稱為排斥鎖，在任何時刻只能有一個進程在文件的某個部分建立寫入鎖。當然，在文件的同一部分不能同時建立讀取鎖和寫入鎖。
fcntl()函數具有很豐富的功能，它可以對已打開的文件描述符進行各種操作，不僅包括管理文件鎖，還包括獲得設置文件描述符和文件描述符標志、文件描述符的復制等很多功能。本節主要介紹fcntl()函數建立記錄鎖的方法，關于它的其他操作，感興趣的讀者可以參看fcntl手冊。
2．fcntl()函數格式
用于建立記錄鎖的fcntl()函數語法要點如表2.6所示。
表2.6 fcntl()函數語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
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| 函數原型 |
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock) |
| 函數傳入值 |
fd：文件描述符 |
| cmd |
F_DUPFD：復制文件描述符 |
| F_GETFD：獲得fd的close-on-exec標志，若標志未設置，則文件經過exec()函數之后仍保持打開狀態 |
| F_SETFD：設置close-on-exec標志，該標志由參數arg的FD_CLOEXEC位決定 |
| F_GETFL：得到open設置的標志 |
| F_SETFL：改變open設置的標志 |
| F_GETLK：根據lock描述，決定是否上文件鎖 |
| F_SETLK：設置lock描述的文件鎖 |
F_SETLKW：這是F_SETLK的阻塞版本（命令名中的W表示等待（wait））。
在無法獲取鎖時，會進入睡眠狀態；如果可以獲取鎖或者捕捉到信號則會返回
|
| lock：結構為flock，設置記錄鎖的具體狀態，后面會詳細說明 |
| 函數返回值 |
成功：0
1：出錯
|
這里，lock的結構如下所示：
struct flock
{
short l_type;
off_t l_start;
short l_whence;
off_t l_len;
pid_t l_pid;
}
lock結構中每個變量的取值含義如表2.7所示。
表2.7 lock結構變量取值
| l_type |
F_RDLCK：讀取鎖（共享鎖） |
| F_WRLCK：寫入鎖（排斥鎖） |
| F_UNLCK：解鎖 |
| l_start |
加鎖區域在文件中的相對位移量（字節），與l_whence值一起決定加鎖區域的起始位置 |
l_whence：
相對位移量的起點（同lseek的whence）
|
SEEK_SET：當前位置為文件的開頭，新位置為偏移量的大小 |
| SEEK_CUR：當前位置為文件指針的位置，新位置為當前位置加上偏移量 |
| SEEK_END：當前位置為文件的結尾，新位置為文件的大小加上偏移量的大小 |
| l_len |
加鎖區域的長度 |
為加鎖整個文件，通常的方法是將l_start設置為0，l_whence設置為SEEK_SET，l_len設置為0。
3．fcntl()使用實例
下面首先給出了使用fcntl()函數的文件記錄鎖功能的代碼實現。在該代碼中，首先給flock結構體的對應位賦予相應的值。
接著調用兩次fcntl()函數。用F_GETLK命令判斷是否可以進行flock結構所描述的鎖操作：若可以進行，則flock結構的l_type會被設置為F_UNLCK，其他域不變；若不可進行，則l_pid被設置為擁有文件鎖的進程號，其他域不變。
用F_SETLK和F_SETLKW命令設置flock結構所描述的鎖操作，后者是前者的阻塞版。
當第一次調用fcntl()時，使用F_GETLK命令獲得當前文件被上鎖的情況，由此可以判斷能不能進行上鎖操作；當第二次調用fcntl()時，使用F_SETLKW命令對指定文件進行上鎖/解鎖操作。因為F_SETLKW命令是阻塞式操作，所以，當不能把上鎖/解鎖操作進行下去時，運行會被阻塞，直到能夠進行操作為止。
文件記錄鎖的功能代碼具體如下所示：
/* lock_set.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;
/* 判斷文件是否可以上鎖 */
fcntl(fd, F_GETLK, &lock);
if (lock.l_type != F_UNLCK)
{
/* 判斷文件不能上鎖的原因 */
if (lock.l_type == F_RDLCK) /* 該文件已有讀取鎖 */
{
printf("Read lock already set by %d\n", lock.l_pid);
}
else if (lock.l_type == F_WRLCK) /* 該文件已有寫入鎖 */
{
printf("Write lock already set by %d\n", lock.l_pid);
}
}
/* l_type 可能已被F_GETLK修改過 */
lock.l_type = type;
/* 根據不同的type值進行阻塞式上鎖或解鎖 */
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;
}/* end of switch */
return 0;
}
下面的實例是文件寫入鎖的測試用例，這里首先創建了一個hello文件，之后對其上寫入鎖，后釋放寫入鎖。代碼如下所示：
/* write_lock.c */
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "lock_set.c"
int main(void)
{
int fd;
/* 首先打開文件 */
fd = open("hello",O_RDWR | O_CREAT, 0644);
if(fd < 0)
{
printf("Open file error\n");
exit(1);
}
/* 給文件上寫入鎖 */
lock_set(fd, F_WRLCK);
getchar();
/* 給文件解鎖 */
lock_set(fd, F_UNLCK);
getchar();
close(fd);
exit(0);
}
為了能夠使用多個終端，更好地顯示寫入鎖的作用，本實例主要在PC上測試，讀者可將其交叉編譯，下載到目標板上運行。下面是在PC上的運行結果。為了使程序有較大的靈活性，筆者采用文件上鎖后由用戶輸入任意鍵使程序繼續運行。建議讀者開啟兩個終端，并且在兩個終端上同時運行該程序，以達到多個進程操作一個文件的效果。在這里，筆者首先運行終端一，請讀者注意終端二中的第一句。
終端一：
$ ./write_lock
write lock set by 4994
release lock by 4994
終端二：
$ ./write_lock
write lock already set by 4994
write lock set by 4997
release lock by 4997
由此可見，寫入鎖為互斥鎖，同一時刻只能有一個寫入鎖存在。
接下來的程序是文件讀取鎖的測試用例，原理與上面的程序一樣。
/* fcntl_read.c */
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "lock_set.c"
int main(void)
{
int fd;
fd = open("hello",O_RDWR | O_CREAT, 0644);
if(fd < 0)
{
printf("Open file error\n");
exit(1);
}
/* 給文件上讀取鎖 */
lock_set(fd, F_RDLCK);
getchar();
/* 給文件解鎖 */
lock_set(fd, F_UNLCK);
getchar();
close(fd);
exit(0);
}
同樣開啟兩個終端，并首先啟動終端一上的程序，其運行結果如下所示。
終端一：
$ ./read_lock
read lock set by 5009
release lock by 5009
終端二：
$ ./read_lock
read lock set by 5010
release lock by 5010
讀者可以將此結果與寫入鎖的運行結果相比較，可以看出，讀取鎖為共享鎖，當進程5009已設置讀取鎖后，進程5010仍然可以設置讀取鎖。
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