文件锁的使用浅析

概述

在多数unix系统中，当多个进程/线程同时编辑一个文件时，该文件的最后状态取决于最后一个写该文件的进程。

对于有些应用程序，如数据库，各个进程需要保证它正在单独地写一个文件。这时就要用到文件锁。

文件锁（也叫记录锁）的作用是，当一个进程读写文件的某部分时，其他进程就无法修改同一文件区域。

能够实现文件锁的函数主要有2个：flock和fcntl。

早期的伯克利版本只支持flock，该函数只能对整个文件加锁，不能对文件的一部分加锁。

lockf是在fcntl基础上构造的函数，它提供了一个简化的接口。它们允许对文件中任意字节区域加锁，短至一个字节，长至整个文件。

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fcntl函数

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, .../*struct flock *flockptr*/);
#返回值：若成功，返回值依赖于cmd，失败返回-1

cmd是F_GETLK, F_SETLK, F_SETLKW中的一个。第三个参数是指向flock结构的指针，flock结构如下：

struct flock {
short l_type;/* one of F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
short l_whence;/* SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
off_t l_start;/* offset in bytes, relative to l_whence */
off_t l_end;/* length, in bytes, 0 means lock to EOF */
off_t l_pid;/* returned with F_GETLK */
};

其中，

• 锁类型：共享读锁F_RDLCK，独占性写锁F_WRLCK，解锁F_UNLCK
• 加锁或解锁区域的起始字节偏移量（l_start, l_whence）
• 区域字节长度（L_len）
• 进程的id持有的锁能阻塞当前进程，仅由F_GETLK返回
• 锁可以在文件尾处开始或者越过尾端开始，但是不能在文件起始位置之前开始
• 若l_len=0, 表示锁的范围可以扩大到最大可能偏移量，这意味着不管向文件中追加多少数据，它们都可以处于锁的范围内，而且起始位置可以任意
• 设置l_start和l_whence指向文件的起始位置，并且指定l_len=0，以实现对整个文件加锁（一般l_start=0, l_whence=SEEK_SET）

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锁的使用

使用锁的基本规则：

• 任意多个进程在一个给定的字节上可以有一把共享的读锁（F_RDLCK），但是在一个给定的字节上只能有一个进程有一把独占性写锁（F_WRLCK）
• 如果在一个给定字节上已经有一把或多把读锁，则不能在该字节上再加写锁，如果在一个字节上已经有一把独占性写锁，则不能再对它加任何读锁
• 对于单个进程而言，如果进程对某个文件区域已经有了一把锁，然后又试图在相同区域再加一把锁，则新锁会替换旧锁
• 加读锁时，该描述符必须是读打开，加写锁时，该描述符必须是写打开

fcntl三种cmd的使用：

• F_GETLK：判断由flockptr所描述的锁是否会被另一把锁所排斥（阻塞），如果存在一把锁阻止创建由flockptr所描述的锁，由该现有锁的信息将重写flockptr指向的信息。如果不存在这种情况，则除了将l_type设置为F_UNLCK之处，flockptr所指向结构中的其他信息保持不变
• F_SETLK：设置由flockptr所描述的锁，如果程序试图获得一把锁，而系统阻止程序获得该锁，则fcntl会立即返回错误，errno设置为EACCES或EAGAIN。当l_type=F_UNLCK时，此命令用来清除指定的锁
• F_SETLKW：F_SETLK的阻塞版本（wait）。如果程序尝试获得的锁无法被授予，调用进程会进入休眠直到进程获得锁或者信号中断

注意：用F_GETLK 测试能否创建一把锁，然后用F_SETLK尝试建立锁之间并非原子操作，也就是说两次调用之间有可能另一进程插入并创建了相同的锁。如果不希望在等待锁变为可用时产生阻塞，就必须处理由F_SETLK返回的可能出错值

下面是测试一把锁的例子:

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

pid_t lock_test(int fd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
{
    struct flock lock;
    
    lock.l_type = type;
    lock.l_start = offset;
    lock.l_whence = whence;
    l   ock.l_len = len;
    
    if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) < 0) {
        printf("fcntl error: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    
    if (lock.l_type == F_UNLCK) {
        return 0;
    }
    
    return lock.l_pid;
}

锁的继承与释放

锁的继承和释放有以下三条原则：

• 锁与进程和文件两者相关联。即当一个进程终止时，它所建立的所有锁均释放，对于描述符而言，无论它何时关闭，进程通过它引用的文件上的任何一把锁也都会释放
• 由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁
• 执行exec后，新程序可以继承原程序的锁。注意，如果对一个文件描述符设置了执行时关闭标志，那么当作为exec的一部分关闭该文件描述符时，将释放相应文件的所有锁

避免死锁

如果两个进程互相等待对方持有并且不释放的资源时，这两个进程就会进入死锁状态。

如果一个进程已经控制了文件中的一个加锁区域，然后它又试图对另一个进程控制的区域加锁，那么它就会进入睡眠，并有可能发生死锁。

检测到死锁时，内核必须选择一个进程接收错误返回。

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总结

在多进程或多线程环境中，当多个应用需要读写同一个文件时，需要考虑对文件加锁，以保证对文件修改的一致性。

在使用文件锁时，应明确应用模式，防止死锁。

更多关于文件锁的使用细节，请参考《UNIX环境高级编程》。