Linux文件编程4-文件锁定(fcntl)

• 文件锁定
  • 函数和参数
  • 建议性锁
  • 强制性锁

文件锁定

当多个用户同时操作同一个文件时，为了避免共享资源产生竞争状态，我们可以给文件上锁。文件锁分为建议性锁和强制性锁。建议性锁会给文件设置一个标志位，但是，如果对文件操作之前不对该标志位进行检测，那么建议性锁就会形同虚设，其他进程依旧可以对文件进行操作。而强制性锁会让上锁的进程“霸占”这个文件的一些权限，比如一个进程A对文件F设置了一个只允许读操作的强制性锁（读取锁），那么进程B就只能对文件F进行读取，而不能写入或执行，这种锁定状态会一直持续到进程A给文件F解锁。强制性锁可以避免对文件的破坏性操作。当我们使用open、read、write等函数操作文件时，内核都会检测该文件是否被加了强制性锁，如果是，则会导致操作失败。除了锁定文件，文件的某一个状态记录也可以被上锁，称为记录锁。

函数和参数

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
/**
 * @description 默认建议性锁，开启强制性锁需要对系统进行设置
 * @param fd    文件描述符
 * @param cmd   上锁的方式
 * @param lock  上各种锁，锁住哪里
 * @return int  执行成功返回0，执行失败返回-1
 */
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock* lock);

cmd	作用
F_GETLK	根据lock描述，决定是否上锁
F_SETLK	根据lock描述，设置锁

结构体flock的定义如下：

struct flock{
    short int l_type;   // 锁定状态
    short int l_whence; // 锁定的起始位置
    off_t     l_start;  // 起始位置相对于l_whence的偏移量
    off_t     l_len;    // 锁定区域的大小
    pid_t     l_pid;    // 执行锁定动作的进程
}

l_type	作用
F_RDLCK	读取锁，多个进程可以同时建立读取锁
F_WRLCK	写入锁，任何时刻只有一个进程可以建立写入锁
F_UNLCK	解除锁定

建议性锁

为了测试建议性锁，我们需要两个程序，程序"lockFile.cpp"负责给文件上锁，并持续占用文件；程序"writeFile.cpp"负责检测建议锁，并向文件中写入内容。由于linux默认建议性锁，所以不需要对系统进行额外配置。
"lockFile.cpp"的内容如下：

/**
 * file name:   lockFile.cpp
 */
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <error.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    struct flock lock;
    int res, fd = open("myFile.txt", O_RDWR|O_CREAT, S_IRWXU);
    if(fd > 0){
        lock.l_type     = F_WRLCK;          // 写入锁
        lock.l_whence   = SEEK_SET;         // 文件起始位置
        lock.l_start    = 0;                // 不偏移
        lock.l_len      = 0;                // 当len=0时代表锁定到文件的末尾；len=非零正整数时代表锁定的字符数
        lock.l_pid      = getpid();         // 获得当前进程pid号

        res = fcntl(fd, F_SETLK, &lock);    // 设置写入锁，不允许其他进程写入

        if(res==0){
            printf("file has been locked. pid:%d\n", getpid());
            while(true);                    // 保持锁定占用状态
        }
    }
    return 0;
}

运行程序后，终端会陷入while函数中，同时输出该进程的PID值为1078。
我们打开另一个终端，键入命令，查看该进程是否对文件加锁：

$ sudo cat /proc/locks | grep 1078

2: POSIX ADVISORY WRITE 1078 08:20:3446 0 EOF

从输出中可以看出，该进程加了一个写入锁。

而后，我们通过"writeFile.cpp"文件向"myFile.txt"中写入内容。

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <error.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    struct flock lock;
    int res, fd = open("myFile.txt", O_RDWR|O_CREAT, S_IRWXU);

    if(fd > 0){
        char buf[] = "I have an apple.";
        int count  = strlen(buf);
        int size   = write(fd, buf, count);
        if(size==-1){
            printf("写入失败.\n");
        }
        else{
            printf("写入成功.\n");
        }

        close(fd);
    }

    return 0;
}

执行后发现，可以向"myFile.txt"中写入内容。这就证明了，虽然我们给文件加了写入锁，但由于该锁的性质是建议锁，所以其他进程仍然可以向文件中写入内容。

强制性锁

若要使用强制性锁，需要在root权限下通过mount命令，用-o mand选项来打开该机制。

我们先将"lockFile.cpp"程序终止掉，然后在终端中执行：

$ sudo mount -o remount,mand /

然后重复建议性锁的步骤，发现"writeFile.cpp"无法向"myFile.txt"中写入内容。