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Linux文件锁基本概念及其实例

[日期:2019-02-24] 来源:Linux公社  作者:醉落红尘 [字体: ]

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 linuxidc.c):

/* 文件保存为 linuxidc.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,linuxidc.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 "linuxidc.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:

Linux文件锁基本概念及其实例

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。

Linux文件锁基本概念及其实例

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linuxidc.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 "linuxidc.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:

Linux文件锁基本概念及其实例

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:

Linux文件锁基本概念及其实例

观察可知,读锁是共享锁。

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