linux文件锁

linux文件锁

• 建议锁、强制锁、记录锁
• [fcntl()、lockf、flock的区别](http://blog.chinaunix.net/uid-28541347-id-5678998.html
• flock 函数
• 函数原型
• flock创建的锁是和文件描述符相关联的。
• fork与dup会继承flock锁
• 多次open获取到的文件描述符fd，不继承flock锁
• lockf与fcntl
• 函数原型
• fcntl/lockf的特性：
• fcntl/lockf的关系

本文中不涉及线程的文件锁，想了解可以参考pthread 的man手册。

建议锁、强制锁、记录锁

• 建议锁
  如果某一个进程对一个文件持有一把锁之后，其他进程仍然可以直接对文件进行操作(open, read, write)而不会被系统禁止，即使这个进程没有持有锁。只是一种编程上的约定。建议锁只对遵守建议锁准则的进程生效(程序在操作前应该自觉的检查所的状态之后才能进行后续操作)。
• 强制锁
  试图实现一套内核级的锁操作。当有进程对某个文件上锁之后，其他进程会在open、read或write等文件操作时发生错误。
• 记录锁
  只对文件中自己所关心的那一部分加锁。记录锁是更细粒度的文件锁。记录锁存在于文件结构体中，并不与文件描述符相关联，会在进程退出时候被释放掉。

flock 和 lockf 都是建议锁。
fcntl 系统调用可以支持强制锁。

[fcntl()、lockf、flock的区别](http://blog.chinaunix.net/uid-28541347-id-5678998.html

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 实际上是对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。

flock 函数

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

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）。再次，flock和fcntl/lockf的区别主要在fork和dup。

使用exec后，文件锁的状态不变。除非使用了close-on-exec标志，否则flock都是可以穿越exec的。
flock不能在NFS文件系统上使用，如果要在NFS使用文件锁，请使用fcntl。
flock锁可递归，即通过dup或者或者fork产生的两个fd，都可以加锁而不会产生死锁。也就是说持有flock锁的进程还可以再次上锁而不会引起死锁。

flock创建的锁是和文件描述符相关联的。

这就意味着复制文件fd（通过fork或者dup）后，那么通过这两个fd都可以操作这把锁（例如通过一个fd加锁，通过另一个fd可以释放锁），也就是说子进程继承父进程的锁。但是上锁过程中关闭其中一个fd，锁并不会释放（因为file结构并没有释放），只有关闭所有复制出的fd，锁才会释放。

fork与dup会继承flock锁

程序一

    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/file.h>
    int main (int argc, char ** argv)
    {
        int ret;
        int fd1 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
        int fd2 = dup(fd1);
        printf("fd1: %d, fd2: %d
", fd1, fd2);
        ret = flock(fd1,LOCK_EX);
        printf("get lock1, ret: %d
", ret);
        ret = flock(fd2,LOCK_EX);
        printf("get lock2, ret: %d
", ret);
        return 0;
    }

运行结果：对fd1上锁，并不影响程序通过fd2上锁。

对于父子进程。
程序二

   #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/file.h>
    int main (int argc, char ** argv)
    {
        int ret;
        int pid;
        int fd = open("./tmp.txt",O_RDWR);
        if ((pid = fork()) == 0){
            ret = flock(fd,LOCK_EX);
            printf("chile get lock, fd: %d, ret: %d
",fd, ret);
            sleep(10);
            printf("chile exit
");
            exit(0);
        }
        ret = flock(fd,LOCK_EX);
        printf("parent get lock, fd: %d, ret: %d
", fd, ret);
        printf("parent exit
");
        return 0;
    }

运行结果：子进程持有锁，并不影响父进程通过相同的fd获取锁，反之亦然。

多次open获取到的文件描述符fd，不继承flock锁

使用open两次打开同一个文件，得到的两个fd是独立的（因为底层对应两个file对象），通过其中一个加锁，通过另一个无法解锁，并且在前一个解锁前也无法上锁。

程序三

    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/file.h>
    int main (int argc, char ** argv)
    {
        int ret;
        int fd1 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
        int fd2 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
        printf("fd1: %d, fd2: %d
", fd1, fd2);
        ret = flock(fd1,LOCK_EX);
        printf("get lock1, ret: %d
", ret);
        ret = flock(fd2,LOCK_EX);
        printf("get lock2, ret: %d
", ret);
        return 0;
    }

结果：通过fd1获取锁后，无法再通过fd2获取锁。

lockf与fcntl

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 */ );
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（记录锁）。

fcntl/lockf的特性：

1. 上锁可递归，如果一个进程对一个文件区间已经有一把锁，后来进程又企图在同一区间再加一把锁，则新锁将替换老锁。
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。F_GETLK命令定义说明，返回信息指示是否现存的锁阻止调用进程设置它自己的锁。因为，F_SETLK和F_SETLKW命令总是替换进程的现有锁，所以调用进程绝不会阻塞再自己持有的锁上，于是F_GETLK命令绝不会报告调用进程自己持有的锁。**
4. 进程终止时，他所建立的所有文件锁都会被释放，对于flock也是一样的。
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。如：

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。
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：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。

fcntl/lockf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
", ret);
        ret = lockf(fd, F_LOCK, 0);
        printf("lockf return ret: %d
", 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 18849
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：

• 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，有次可见两种调用产生的锁的类型是不同的；
• ADVISORY表明是劝告锁；
• WRITE顾名思义，是写锁，还有读锁；
• 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。
• 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。
• 0表示的是所的其实位置
• 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。