[Linux]--底层文件 I/O 操作之文件锁

此系列笔记参考华清远见《嵌入式 Linux 应用程序开发标准教程》

fcntl()函数
　　当多个用户共同使用、操作一个文件的情况，这时，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。）
　　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()，其中 lockf()用于对文件施加建议性锁，而 fcntl()不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制锁。同时，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。 而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上建立写入锁。
　　当然，在文件的同一部分不能同时建立读取锁和写入锁。

fcntl()是一个非常通用的函数，它可以对已打开的文件描述符进行各种操作，不仅包括管理文件锁，还包括获得和设置文件描述符和文件描述符标志、文件描述符的复制等很多功能。下面建立记录锁的方法。

/*lock_set.c*/
int lock_set(int fd,int type)
{
    struct flock old_lock,lock;
    lock.l_type = type;
    lock.l_start = 0;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_len = 0;
    lock.l_pid = -1;

    //判断文件是否加锁
    fcntl(fd,F_GETLK,&lock);
    if(lock.l_type != F_UNLCK)
    {
        //判断问价不能加锁的原因
        if(lock.l_type == F_RDLCK) //该文件已有读取锁
        {
            printf("Read lock already set by %d \n",lock.l_pid);
        }else if(lock.l_type == F_WRLCK) //该文件已有写入锁
        {
            printf("Write lock already set by %d\n", lock.l_pid);
        }
    }

    lock.l_type = type;

    //根据不同的type值进行阻塞式上锁或者解锁
    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;
}

下面的实例是文件写入锁的测试用例，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：

//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 <fcntl.h>

#include "lock_set.c"

int main()
{
    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);
    }

    //给文件加锁
    lock_set(fd,F_WRLCK);
    getchar();

    //给文件解锁
    lock_set(fd,F_UNLCK);
    getchar();
    close(fd);
    exit(0);
}

该部分的运行步骤及结果如下：

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。

/* 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 "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);
    }
    /* 给文件上读取锁 */
    lock_set(fd, F_RDLCK);
    getchar();

    /* 给文件解锁 */
    lock_set(fd, F_UNLCK);
    getchar();
    close(fd);
    exit(0);
}

由此可见，读取锁为共享锁