linux中fcntl()、lockf、flock的區別

fcntl()、lockf、flock的區別
——lvyilong316

這三個函數的作用都是給文件加鎖，那它們有什麼區別呢？首先flock和fcntl是系統調用，而lockf是庫函數。lockf實際上是fcntl的封裝，所以lockf和fcntl的底層實現是一樣的，對文件加鎖的效果也是一樣的。後面分析不同點時大多數情況是將fcntl和lockf放在一起的。下面首先看每個函數的使用，從使用的方式和效果來看各個函數的區別。

1.flock

l函數原型

#include<sys/file.h>

intflock(intfd,intoperation);//Applyorremoveanadvisorylockontheopenfilespecifiedbyfd，只是建議性鎖

其中fd是系統調用open返回的文件描述符，operation的選項有：

LOCK_SH：共享鎖

LOCK_EX：排他鎖或者獨占鎖

LOCK_UN:解鎖。

LOCK_NB：非阻塞（與以上三種操作一起使用）

關於flock函數，首先要知道flock函數只能對整個文件上鎖，而不能對文件的某一部分上鎖，這是於fcntl/lockf的第一個重要區別，後者可以對文件的某個區域上鎖。其次，flock只能產生勸告性鎖。我們知道，linux存在強制鎖（mandatorylock）和勸告鎖（advisorylock）。所謂強制鎖，比較好理解，就是你家大門上的那把鎖，最要命的是只有一把鑰匙，只有一個進程可以操作。所謂勸告鎖，本質是一種協議，你訪問文件前，先檢查鎖，這時候鎖才其作用，如果你不那麼kind，不管三七二十一，就要讀寫，那麼勸告鎖沒有任何的作用。而遵守協議，讀寫前先檢查鎖的那些進程，叫做合作進程。再次，flock和fcntl/lockf的區別主要在fork和dup。

(1)flock創建的鎖是和文件打開表項（structfile）相關聯的，而不是fd。這就意味著復制文件fd（通過fork或者dup）後，那麼通過這兩個fd都可以操作這把鎖（例如通過一個fd加鎖，通過另一個fd可以釋放鎖），也就是說子進程繼承父進程的鎖。但是上鎖過程中關閉其中一個fd，鎖並不會釋放（因為file結構並沒有釋放），只有關閉所有復制出的fd，鎖才會釋放。測試程序入程序一。

l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\n", fd1, fd2);
ret = flock(fd1,LOCK_EX);
printf("get lock1, ret: %d\n", ret);
ret = flock(fd2,LOCK_EX);
printf("get lock2, ret: %d\n", ret);
return 0;
}

運行結果如圖，對fd1上鎖，並不影響程序通過fd2上鎖。對於父子進程，參考程序二。

l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\n",fd, ret);
sleep(10);
printf("chile exit\n");
exit(0);
}
ret = flock(fd,LOCK_EX);
printf("parent get lock, fd: %d, ret: %d\n", fd, ret);
printf("parent exit\n");
return 0;
}

運行結果如圖，子進程持有鎖，並不影響父進程通過相同的fd獲取鎖，反之亦然。

(2)使用open兩次打開同一個文件，得到的兩個fd是獨立的（因為底層對應兩個file對象），通過其中一個加鎖，通過另一個無法解鎖，並且在前一個解鎖前也無法上鎖。測試程序如程序三：

l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\n", fd1, fd2);
ret = flock(fd1,LOCK_EX);
printf("get lock1, ret: %d\n", ret);
ret = flock(fd2,LOCK_EX);
printf("get lock2, ret: %d\n", ret);
return 0;
}

結果如圖，通過fd1獲取鎖後，無法再通過fd2獲取鎖。

(3)使用exec後，文件鎖的狀態不變。

(4)flock不能再NFS文件系統上使用，如果要在NFS使用文件鎖，請使用fcntl。

(5)flock鎖可遞歸，即通過dup或者或者fork產生的兩個fd，都可以加鎖而不會產生死鎖。

2.lockf與fcntl

l函數原型

#include<unistd.h>

intlockf(intfd,intcmd,off_tlen);

fd為通過open返回的打開文件描述符。

cmd的取值為：

F_LOCK：給文件互斥加鎖，若文件以被加鎖，則會一直阻塞到鎖被釋放。

F_TLOCK：同F_LOCK，但若文件已被加鎖，不會阻塞，而回返回錯誤。

F_ULOCK：解鎖。

F_TEST：測試文件是否被上鎖，若文件沒被上鎖則返回0，否則返回-1。

len：為從文件當前位置的起始要鎖住的長度。

通過函數參數的功能，可以看出lockf只支持排他鎖，不支持共享鎖。

#include<unistd.h>

#include<fcntl.h>

intfcntl(intfd,intcmd,.../*arg*/);

structflock{

...

shortl_type;/*Typeoflock:F_RDLCK,F_WRLCK,F_UNLCK*/

shortl_whence;/*Howtointerpretl_start:SEEK_SET,SEEK_CUR,SEEK_END*/

off_tl_start;/*Startingoffsetforlock*/

off_tl_len;/*Numberofbytestolock*/

pid_tl_pid;/*PIDofprocessblockingourlock(F_GETLKonly)*/

...

};

文件記錄加鎖相關的cmd分三種：

F_SETLK：申請鎖（讀鎖F_RDLCK，寫鎖F_WRLCK）或者釋放所（F_UNLCK），但是如果kernel無法將鎖授予本進程（被其他進程搶了先，占了鎖），不傻等，返回error。

F_SETLKW：和F_SETLK幾乎一樣，唯一的區別，這厮是個死心眼的主兒，申請不到，就傻等。

F_GETLK：這個接口是獲取鎖的相關信息：這個接口會修改我們傳入的structflock。

通過函數參數功能可以看出fcntl是功能最強大的，它既支持共享鎖又支持排他鎖，即可以鎖住整個文件，又能只鎖文件的某一部分。

下面看fcntl/lockf的特性：

(1)上鎖可遞歸，如果一個進程對一個文件區間已經有一把鎖，後來進程又企圖在同一區間再加一把鎖，則新鎖將替換老鎖。

(2)加讀鎖（共享鎖）文件必須是讀打開的，加寫鎖（排他鎖）文件必須是寫打開。

(3)進程不能使用F_GETLK命令來測試它自己是否再文件的某一部分持有一把鎖。F_GETLK命令定義說明，返回信息指示是否現存的鎖阻止調用進程設置它自己的鎖。因為，F_SETLK和F_SETLKW命令總是替換進程的現有鎖，所以調用進程絕不會阻塞再自己持有的鎖上，於是F_GETLK命令絕不會報告調用進程自己持有的鎖。

(4)進程終止時，他所建立的所有文件鎖都會被釋放，隊醫flock也是一樣的。

(5)任何時候關閉一個描述符時，則該進程通過這一描述符可以引用的文件上的任何一把鎖都被釋放（這些鎖都是該進程設置的），這一點與flock不同。如：

fd1=open(pathname,…);

lockf(fd1,F_LOCK,0);

fd2=dup(fd1);

close(fd2);

則在close(fd2)後，再fd1上設置的鎖會被釋放，如果將dup換為open，以打開另一描述符上的同一文件，則效果也一樣。

fd1=open(pathname,…);

lockf(fd1,F_LOCK,0);

fd2=open(pathname,…);

close(fd2);

(6)由fork產生的子進程不繼承父進程所設置的鎖，這點與flock也不同。

(7)在執行exec後，新程序可以繼承原程序的鎖，這點和flock是相同的。（如果對fd設置了close-on-exec，則exec前會關閉fd，相應文件的鎖也會被釋放）。

(8)支持強制性鎖：對一個特定文件打開其設置組ID位(S_ISGID)，並關閉其組執行位(S_IXGRP)，則對該文件開啟了強制性鎖機制。再Linux中如果要使用強制性鎖，則要在文件系統mount時，使用_omand打開該機制。

3.兩種鎖的關系

那麼flock和lockf/fcntl所上的鎖有什麼關系呢？答案時互不影響。測試程序如下：

#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\n", ret);
ret = lockf(fd, F_LOCK, 0);
printf("lockf return ret: %d\n", ret);
sleep(100);
return 0;
}

測試結果如下：

$./a.out

flockreturnret:0

lockfreturnret:0

可見flock的加鎖，並不影響lockf的加鎖。兩外我們可以通過/proc/locks查看進程獲取鎖的狀態。

$psaux|grepa.out|grep-vgrep

123751188490.00.011904440pts/5S+01:090:00./a.out

$sudocat/proc/locks|grep18849

1:POSIXADVISORYWRITE1884908:02:8526740EOF

2:FLOCKADVISORYWRITE1884908:02:8526740EOF

我們可以看到/proc/locks下面有鎖的信息：我現在分別敘述下含義：

1)POSIXFLOCK這個比較明確，就是哪個類型的鎖。flock系統調用產生的是FLOCK，fcntl調用F_SETLK，F_SETLKW或者lockf產生的是POSIX類型，有次可見兩種調用產生的鎖的類型是不同的；

2)ADVISORY表明是勸告鎖；

3)WRITE顧名思義，是寫鎖，還有讀鎖；

4)18849是持有鎖的進程ID。當然對於flock這種類型的鎖，會出現進程已經退出的狀況。

5)08:02:852674表示的對應磁盤文件的所在設備的主設備好，次設備號，還有文件對應的inodenumber。

6)0表示的是所的其實位置

7)EOF表示的是結束位置。這兩個字段對fcntl類型比較有用，對flock來是總是0和EOF。