Linux系统编程之文件锁机制

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概述

在多任务操作系统中，文件锁是一种非常重要的机制，可用于防止多个进程同时对同一文件进行读写操作，从而避免数据损坏或竞争条件。Linux系统提供了多种文件锁机制，包括：强制锁和建议锁。

强制锁

当一个进程对文件设置了强制锁后，其他进程试图对该文件进行读写操作时会被阻塞，直到锁被释放。强制锁主要用于保护文件的完整性，防止数据损坏。

fcntl函数提供了细粒度的文件锁控制，可以用来实现强制锁。其函数原型如下。

#include <fcntl.h> int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);

fd：文件描述符。

cmd：命令类型，常用的取值如下。

（1）F_SETLKW：设置锁并等待，如果无法立即获取锁，则阻塞直到锁可用。

（2）F_SETLK：设置锁但不等待，如果无法立即获取锁，则返回错误。

（3）F_GETLK：获取锁状态。

arg：可选参数，通常是一个指向struct flock结构体的指针，用于指定锁的类型和范围。

返回值：成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno以指示错误原因。

struct flock结构体用于描述文件锁的信息，其原型如下。

struct flock { short l_type; short l_whence; off_t l_start; off_t l_len; pid_t l_pid; };

l_type：锁的类型，取值为F_RDLCK（共享锁）、F_WRLCK（排他锁）、F_UNLCK（解锁）。

（1）共享锁：多个进程可以同时持有共享锁，但如果有任何一个进程持有排他锁，则其他进程无法获取共享锁。

（2）排他锁：只有当没有任何其他进程持有共享锁或排他锁时，才能成功获取排他锁。一旦某个进程持有排他锁，其他进程将无法获取任何形式的锁。

l_whence：偏移量的起点，取值为SEEK_SET（从文件开头开始）、SEEK_CUR（从当前位置开始）、SEEK_END（从文件末尾开始）。

l_start：锁定区域的起始偏移量。

l_len：锁定区域的长度，0表示锁定到文件末尾。

l_pid：加锁进程的PID，仅在F_GETLK时有用。

在下面的示例代码中，我们首先打开或创建hope_wisdom.txt文件，并获取了其文件描述符fd。接着，使用fcntl函数设置了排他锁，锁定了整个文件内容。然后，我们写入字符串数据”Hello, World”。最后，我们对文件描述符fd进行了解锁，并关闭了文件。

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <errno.h> #include <string.h> int main() { // 打开文件 char *filename = "hope_wisdom.txt"; int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0644); if (fd == -1) { perror("File open failed"); exit(EXIT_FAILURE); } // 设置排他锁 struct flock lock; lock.l_type = F_WRLCK; lock.l_start = 0; lock.l_whence = SEEK_SET; lock.l_len = 0; if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) { perror("Fail to acquire exclusive lock"); close(fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 写入数据 const char *data = "Hello, World"; write(fd, data, strlen(data)); // 解锁 lock.l_type = F_UNLCK; if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) { perror("Fail to release lock"); close(fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 关闭文件 close(fd); return 0; }

建议锁

建议锁不会强制阻止其他进程对文件进行操作，而是依赖于应用程序遵守锁的存在。如果一个进程尝试对已加锁的文件进行操作，但没有检查锁状态，那么该操作可能会成功。建议锁主要用于协调多个合作进程之间的文件访问。

flock函数是常用的一种文件锁机制，可以用来实现建议锁。与fcntl函数相比，flock提供了一个更高级别的接口，适用于简单的文件锁需求。其函数原型如下。

#include <sys/file.h> int flock(int fd, int operation);

fd：文件描述符。

operation：锁的操作类型，常见的取值如下。

（1）LOCK_SH：共享锁，允许多个进程同时读取文件。多个进程可以同时持有共享锁，但如果有任何一个进程持有排他锁，则其他进程无法获取共享锁。

（2）LOCK_EX：排他锁，只允许一个进程对文件进行写操作。当一个进程获取到排他锁后，其他进程无法获取任何形式的锁（包括排他锁和共享锁）。这意味着，其他进程在尝试获取共享锁或排他锁时都会被阻塞，直到第一个进程释放排他锁。

（3）LOCK_UN：解锁。

（4）LOCK_NB：非阻塞模式，如果无法立即获取锁，则返回错误。

返回值：成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno以指示错误原因。

建议锁的使用，与强制锁类似，故这里就不给出示例代码了。

总结

每个打开的文件都有一个唯一的文件描述符，而强制锁和建议锁是绑定到这个文件描述符上的。当一个进程关闭文件描述符时，与该文件描述符关联的所有锁都会被自动释放。

另外，当一个进程通过fork函数创建子进程时，子进程会继承父进程中所有打开的文件描述符及其关联的锁。如果子进程关闭了继承的文件描述符，与该文件描述符关联的所有锁都会被自动释放。