Linux文件锁学习-flock, lockf, fcntl

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这三个函数的作用都是给文件加锁，那它们有什么区别呢？

首先flock和fcntl是系统调用，而lockf是库函数。lockf实际上是fcntl的封装，所以lockf和fcntl的底层实现是一样的，对文件加锁的效果也是一样的。后面分析不同点时大多数情况是将fcntl和lockf放在一起的。

下面首先看每个函数的使用，从使用的方式和效果来看各个函数的区别。

 

1. flock

l 函数原型

#include<sys/file.h>

int flock(int fd, int operation);  // Apply or remove an advisory lock on the open file specified by fd，只是建议性锁

其中fd是系统调用open返回的文件描述符，operation的选项有：

LOCK_SH ：共享锁

LOCK_EX ：排他锁或者独占锁

LOCK_UN : 解锁。

LOCK_NB：非阻塞（与以上三种操作一起使用）

 

关于flock函数，首先要知道flock函数只能对整个文件上锁，而不能对文件的某一部分上锁，这是于fcntl/lockf的第一个重要区别，后者可以对文件的某个区域上锁。

其次，flock只能产生劝告性锁。我们知道，linux存在强制锁（mandatory lock）和劝告锁（advisory lock）。所谓强制锁，比较好理解，就是你家大门上的那把锁，最要命的是只有一把钥匙，只有一个进程可以操作。所谓劝告锁，本质是一种协议，你访问文件前，先检查锁，这时候锁才其作用，如果你不那么kind，不管三七二十一，就要读写，那么劝告锁没有任何的作用。而遵守协议，读写前先检查锁的那些进程，叫做合作进程。

再加上，flock可以有共享锁和排它锁，lockf只支持排它锁，但是fcntl里面参数flock可以有RDLCK读锁。

再次，flock和fcntl/lockf的区别主要在fork和dup时候的区别，后面有讲。

另外，flock不能再NFS文件系统上使用，如果要在NFS使用文件锁，请使用fcntl。

 

2. lockf与fcntl

l 函数原型

#include <unistd.h>

int lockf(int fd, int cmd, off_t len);

   fd为通过open返回的打开文件描述符。

   cmd的取值为：

   F_LOCK：给文件互斥加锁，若文件以被加锁，则会一直阻塞到锁被释放。

   F_TLOCK：同F_LOCK，但若文件已被加锁，不会阻塞，而回返回错误。

   F_ULOCK：解锁。

   F_TEST：测试文件是否被上锁，若文件没被上锁则返回0，否则返回-1。

   len：为从文件当前位置的起始要锁住的长度。

   通过函数参数的功能，可以看出lockf只支持排他锁，不支持共享锁。

 

 

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );（用法：int ret = fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);）

其实的lock就是下面的数据结构：

struct flock {

... 

short l_type;/* Type of lock: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */

short l_whence; /* How to interpret l_start: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */ 

off_t l_start;   /* Starting offset for lock */ 

off_t l_len;     /* Number of bytes to lock */ 

pid_t l_pid; /* PID of process blocking our lock (F_GETLK only) */ 

...        

   }; 

    文件记录加锁相关的cmd 分三种：

F_SETLK：申请锁（读锁F_RDLCK，写锁F_WRLCK）或者释放所（F_UNLCK），但是如果kernel无法将锁授予本进程（被其他进程抢了先，占了锁），不傻等，返回error。

F_SETLKW：和F_SETLK几乎一样，唯一的区别，这厮是个死心眼的主儿，申请不到，就傻等。

F_GETLK：这个接口是获取锁的相关信息： 这个接口会修改我们传入的struct flock。

   通过函数参数功能可以看出fcntl是功能最强大的，它既支持共享锁又支持排他锁，即可以锁住整个文件，又能只锁文件的某一部分。

 

下面看fcntl/lockf的特性：

1. 可递归（同flock）

2. 加读锁（共享锁）文件必须是读打开的，加写锁（排他锁）文件必须是写打开。

3. 进程不能使用F_GETLK命令来测试它自己是否再文件的某一部分持有一把锁。

4. 进程终止时，他所建立的所有文件锁都会被释放（同flock）。

5. 任何时候关闭一个描述符时，则该进程通过这一描述符可以引用的文件上的任何一把锁都被释放（这些锁都是该进程设置的），这一点与flock不同。

fd1 = open(pathname, …);
lockf(fd1, F_LOCK, 0);
fd2 = dup(fd1);
close(fd2);
则在close(fd2)后，再fd1上设置的锁会被释放，如果将dup换为open，以打开另一描述符上的同一文件，则效果也一样。
fd1 = open(pathname, …);
lockf(fd1, F_LOCK, 0);
fd2 = open(pathname, …);
close(fd2);

6. 由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁，这点与flock也不同。（因为flock创建的锁是和文件打开表项（struct file）相关联的，而不是fd，所以复制出了fd都可以操作这把锁，所以子进程继承了父进程的锁。flock里面要关闭所有复制出的fd，锁才会释放）

7. 在执行exec后，新程序可以继承原程序的锁，这点和flock是相同的。（如果对fd设置了close-on-exec，则exec前会关闭fd，相应文件的锁也会被释放）。

8. 支持强制性锁（跟flock不同）。下面会讲。

 

 

3. 两种锁的关系

那么flock和lockf/fcntl所上的锁有什么关系呢？答案时互不影响。测试程序如下：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main(int argc, char **argv)
{
    int fd, ret;
    int pid;
    fd = open("./tmp.txt", O_RDWR);
    ret = flock(fd, LOCK_EX);
    printf("flock return ret : %d\n", ret);
    ret = lockf(fd, F_LOCK, 0);
    printf("lockf return ret: %d\n", ret);
    sleep(100);
    return 0;
}

测试结果如下：

$./a.out

flock return ret : 0

lockf return ret: 0

 

可见flock的加锁，并不影响lockf的加锁。两外我们可以通过/proc/locks查看进程获取锁的状态。

$ps aux | grep a.out | grep -v grep

123751   18849  0.0  0.0  11904   440 pts/5    S+   01:09   0:00 ./a.out

$sudo cat /proc/locks | grep 18849

1: POSIX  ADVISORY  WRITE 18849 08:02:852674 0 EOF

2: FLOCK  ADVISORY  WRITE 18849 08:02:852674 0 EOF

 

我们可以看到/proc/locks下面有锁的信息：我现在分别叙述下含义：

1) POSIX FLOCK 这个比较明确，就是哪个类型的锁。flock系统调用产生的是FLOCK，fcntl调用F_SETLK，F_SETLKW或者lockf产生的是POSIX类型，可见两种调用产生的锁的类型是不同的；

2) ADVISORY表明是劝告锁；

3) WRITE顾名思义，是写锁，还有读锁；

4) 18849是持有锁的进程ID。当然对于flock这种类型的锁，会出现进程已经退出的状况。

5) 08:02:852674表示的对应磁盘文件的所在设备的主设备好，次设备号，还有文件对应的inode number。

6) 0表示的是所的其实位置

7) EOF表示的是结束位置。 这两个字段对fcntl类型比较有用，对flock来是总是0 和EOF。

 

 

fcntl支持强制性锁：对一个特定文件打开其设置组ID位(S_ISGID)，并关闭其组执行位(S_IXGRP)，则对该文件开启了强制性锁机制。再Linux中如果要使用强制性锁，则要在文件系统mount时，使用-omand打开该机制。

 

用fcntl加锁：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char **argv) {
  if (argc > 1) {
    int fd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if(fd == -1) {
      printf("Unable to open the file\n");
      exit(1);
    }
    static struct flock lock;

    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_start = 0;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_len = 0;
    lock.l_pid = getpid();

    int ret = fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
    printf("Return value of fcntl:%d\n",ret);
    if(ret==0) {
      while (1) {
        scanf("%c", NULL);
      }
    }
  }
}

使用mount命令带“mand”参数来重新挂载根文件系统，如下所示。这将在文件系统级别使能强制锁功能。注意：你必须切换到root用户才能执行下面的命令。

# mount -oremount,mand /

在可执行的（file_lock所在的）目录中创建两个名为“advisory.txt”和“mandatory.txt”的文件。对于“mandatory.txt”使能Set-Group-ID，同时不使能Group-Execute-Bit，如下所示：

# touch advisory.txt
# touch mandatory.txt
# chmod g+s,g-x mandatory.txt

 

测试协同锁：

执行示例程序，以“advisory.txt”作为参数。


# ./file_lock advisory.txt
此程序将等待用户的输入。

从另一个终端或控制台，尝试输入以下命令行（不检查锁，直接输入）：


# ls >>advisory.txt
在上面的例子中，ls命令会将其输出写入到advisory.txt文件中。即使我们获得了一个写入锁，仍然会有一些进程（非合作）能够往文件里写入数据。这就是所谓的“协同”锁。

 

测试强制锁：

再次执行示例程序，以“mandatory.txt”作为参数。

# ./file_lock mandatory.txt

从另一个终端或控制台，尝试输入以下命令行：

# ls >>mandatory.txt
在上面的例子中，ls命令在将其输出写入到mandatory.txt文件之前，会等待文件锁被删除。虽然它仍然是一个非合作进程，但强制锁起了作用。

 

（完）