Linux 文件锁 - fcntl

news2024/9/29 19:26:34

什么是文件锁？

即锁住文件，不让其他程序对文件做修改！

为什么要锁住文件？

案例，有两个程序，都对一个文件做写入操作。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define FILE_NAME       "flock_demo.txt"


int main(void) {
    int fd = -1;
    char buf[64] = "hello, data one!\n";    // 程序1写入文件内容
    //char buf[64] = "hi, data two!\n";     // 程序2写入文件内容

    fd = open(FILE_NAME, O_RDWR|O_CREAT, 00666);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "open file %s failed! reason: %s\n", FILE_NAME, strerror(errno));
        exit(-1);
    }

    int ret = write(fd, buf, sizeof(buf));
    if (-1 == ret) {
        fprintf(stderr, "write failed. reason: %s\n", strerror(errno));
        exit(-2);
    }

    printf("write successful! start sleep 10s...\n");
    sleep(10);

    close(fd);
    return 0;
}

程序1对文件flock_demo.txt写入hello, data one!

程序2对文件flock_demo.txt写入hi, data two!

然后都睡眠10秒后才调用close函数关闭文件，然后程序结束；

首先运行程序1，然后运行程序2，来看看运行后的文件结果！

 根据图片测试结果可知，程序1先将hello, data one!写入文件，然后睡眠10秒钟；然后程序2将hi, data two!写入文件，将程序1写入的内容给覆盖掉了，然后睡眠10秒；10秒后程序1执行close函数关闭文件退出程序，10秒后程序2执行close函数关闭文件退出程序。

但此时文件内容保存的是程序2写入的内容，程序1的调用者肯定就会很纳闷了，为什么我调用程序应该要写入hello, data one!才对，它为什么写入了hi, data two!呢？

如果此时程序1执行一次，而程序二不执行，那么程序1就可以正常将hello, data one!写入到文件中去，那么程序1的调用就很懵逼了，百思不得其解。。。

基于以上情况，我们操作文件前需要使用文件锁！

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl (int fd, int cmd, ... /* arg */ );

描述：文件上锁、解锁等。

 fd:

        文件描述符；

cmd：

        取值  F_GETLK,   F_SETLK 和 F_SETLKW，分别表示获取锁、设置锁和同步设置锁.

返回值：

        成功： 返回 0；或者返回：F_DUPFD、F_GETFD、F_GETFL、F_GETLEASE、F_GETOWN、F_GETSIG、F_GETPIPE_SZ；对于一个成功的调用，返回值取决于操作；

        失败： 返回 -1，并且设置错误编号 errno ，可用( strerror(errno) ) 查看. 

文件锁的表示

struct flock {

    short l_type;    /* Type of lock: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */

    short l_whence;  /* How to interpret l_start: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */

    off_t l_start;   /* Starting offset for lock */

    off_t l_len;     /* Number of bytes to lock */

    pid_t l_pid;     /* PID of process blocking our lock(F_GETLK only) */
};

l_type 有三种状态: 
F_RDLCK        设置读锁 
F_WRLCK       设置写锁
F_UNLCK        设置解锁


l_whence 也有三种方式: 
SEEK_SET 以文件开头为锁定的起始位置。 
SEEK_CUR 以目前文件读写位置为锁定的起始位置 
SEEK_END 以文件结尾为锁定的起始位置。 

// struct flock 结构体说明

struct flock {

    short l_type;          /*F_RDLCK, F_WRLCK, or F_UNLCK */

    off_t l_start;           /*offset in bytes, relative to l_whence */

    short l_whence;    /*SEEK_SET, SEEK_CUR, or SEEK_END */

    off_t l_len;            /*length, in bytes; 0 means lock to EOF */

    pid_t l_pid;           /*returned with F_GETLK */

};

l_type:  第一个成员是加锁的类型：只读锁，读写锁，或是解锁。

l_start和l_whence: 用来指明加锁部分的开始位置。

l_len: 是加锁的长度。设0表示对整个文件加锁。

l_pid: 是加锁进程的进程id。

举例：

我们现在需要把一个文件的前三个字节加读锁，则该结构体的l_type=F_RDLCK, l_start=0,

l_whence=SEEK_SET,  l_len=3,  l_pid=-1，然后调用fcntl函数时，

cmd参数设F_SETLK.

1. 文件上锁

struct flock fflock;
memset(&fflock, 0, sizeof(struct flock));

// 上锁
fflock.l_type = F_WRLCK;        /* 写锁 */
//fflock.l_type = F_RDLCK;      /* 读锁 */

fflock.l_whence = SEEK_SET;    
fflock.l_start = 0;
fflock.l_len = 0;    // 为0，锁整个文件
fflock.l_pid = -1;

// 上锁或解锁，判断是否成功
//if (fcntl(fd, F_SETLKW, &fflock) < 0) {
if (fcntl(fd, F_SETLK, &fflock) < 0) {
    fprintf(stderr, "set file lock failed! reason: %s\n", strerror(errno));
    return -1;
}

2. 文件解锁

struct flock fflock;
memset(&fflock, 0, sizeof(struct flock));

fflock.l_type = F_UNLCK;    // 解锁
fflock.l_whence = SEEK_SET;    
fflock.l_start = 0;
fflock.l_len = 0;    // 为0，解锁整个文件
fflock.l_pid = -1;


// 上锁或解锁，判断是否成功
//if (fcntl(fd, F_SETLKW, &fflock) < 0) {
if (fcntl(fd, F_SETLK, &fflock) < 0) {
    fprintf(stderr, "set file lock failed! reason: %s\n", strerror(errno));
    return -1;
}

3. 获取文件是否上锁

struct flock fflock;
memset(&fflock, 0, sizeof(struct flock));

// 获取当前文件是否已经上锁
int ret = fcntl(fd, F_GETLK, &fflock);    // F_GETLK
if (-1 == ret) {
    fprintf(stderr, "fcntl get lock failed! reason: %s\n", strerror(errno));
    return -1;
}

// 文件已上锁
if (fflock.l_type != F_UNLCK) {

    if (fflock.l_type == F_RDLCK) {    // 文件已上读锁
        printf("flock has been set to read lock by %d\n", fflock.l_pid);
        // return;        

    } else if (fflock.l_type == F_WRLCK) {    // 文件已上写锁
        printf("flock has been set to write lock by %d\n", fflock.l_pid);
        // return;
    }
    
    return -1;
}

例：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>      // file lock
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define FILE_NAME       "flock_demo.txt"

int flock_set(int fd, int type) {
    // 获取当前进程id
    printf("pid = %d come in.\n", getpid());

    struct flock fflock;
    memset(&fflock, 0, sizeof(struct flock));

    // 获取当前文件是否已经上锁
    int ret = fcntl(fd, F_GETLK, &fflock);
    if (-1 == ret) {
       fprintf(stderr, "fcntl get lock failed! reason: %s\n", strerror(errno));
       return -1;
    }

    // 文件已上锁
    if (fflock.l_type != F_UNLCK) {
        if (fflock.l_type == F_RDLCK) {
            printf("flock has been set to read lock by %d\n", fflock.l_pid);
        } else if (fflock.l_type == F_WRLCK) {
            printf("flock has been set to write lock by %d\n", fflock.l_pid);
        }
        return -1;

    }


    // lock file
    fflock.l_type = type;
    fflock.l_whence = SEEK_SET;
    fflock.l_start = 0;
    fflock.l_len = 0;
    fflock.l_pid = -1;

    // 上锁或解锁，判断是否成功
    //if (fcntl(fd, F_SETLKW, &fflock) < 0) {
    if (fcntl(fd, F_SETLK, &fflock) < 0) {
        fprintf(stderr, "set file lock failed! reason: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    switch(fflock.l_type) {
        case F_RDLCK: {
            printf("read lock is set by %d\n", getpid());
        }
        break;

        case F_WRLCK: {
            printf("write lock is set by %d\n", getpid());
        }
        break;

        case F_UNLCK: {
            printf("lock is released by %d\n", getpid());
        }
        break;

        default:
        break;
    }

    printf("Process pid = %d out.\n", getpid());
    return 0;
}


int main(void) {
    int fd = -1;

    fd = open(FILE_NAME, O_RDWR|O_CREAT, 00666);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "open file %s failed! reason: %s\n", FILE_NAME, strerror(errno));
        exit(-1);
    }

    // 1.F_WRLCK
    int ret = flock_set(fd, F_WRLCK);   // 写锁
    //int ret = flock_set(fd, F_WRLCK); // 读锁
    if (-1 != ret) {
        getchar();

        // 2.F_UNLCK
        flock_set(fd, F_UNLCK);
        getchar();
    }

    close(fd);
    return 0;
}

用以上的代码编译一个读锁程序，编译一个写锁程序：

main函数中替换以下代码进行编译

int ret = flock_set(fd, F_WRLCK);   // 写锁
int ret = flock_set(fd, F_WRLCK);   // 读锁

gcc file_lock.c -o file_w_lock
gcc file_lock.c -o file_r_lock

1. 设置锁使用：F_SETLK

情况一：读锁 和 读锁

 结论：可以看出，两个程序都可以对文件进行加读锁！

情况二：读锁 和 写锁

结论：当文件上读锁后，就无法再给文件上写锁，且也无法检测处文件上锁状态；

即(./file_w_lock)执行代码  int ret = fcntl(fd, F_GETLK, &fflock);  后，其 fflock.l_type != F_UNLCK ，所以没法做中断操作；下面再对文件进行上锁操作，就函数返回-1了！

情况三：写锁 和 读锁

 结论：文件上写锁后，再给文件上读锁，可以被检测出来文件已经上锁了，程序就返回结束了

情况四：写锁 和 写锁

 结论：文件上写锁后，再给文件上写锁，可以被检测出来文件已经上锁了，程序就返回结束了

2. 设置锁使用：F_SETLKW

使用F_SETLKW会有等待阻塞的情况！

情况一：读锁 和 读锁

结论：可以看出，两个程序都可以对文件进行加读锁！ 

情况二：读锁 和 写锁

先给文件上读锁，再个文件上写锁，此时上写锁程序在获取文件的上锁状态时，被阻塞在此等待；

当我们在程序1那里按下回车键后，对文件解锁；右边程序就可以正常对文件上写锁了；否则会一直阻塞。。。

情况三：写锁 和 读锁

 文件上写锁后，再给文件上读锁，可以被检测出来文件已经上写锁了，程序就返回结束了

情况四：写锁 和 写锁

结论：文件上写锁后，再给文件上写锁，可以被检测出来文件已经上写锁了，程序就返回结束了 

3. 其他情况

这里还有另一种情况，就是程序1对文件上锁，程序2没有对文件上锁，然后对文件做写入操作

程序1还是上面的程序代码；

程序2代码如下：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>

#define FILE_NAME       "flock_demo.txt"


int main(void) {
    int fd = -1;
    char buf[64] = "write file data...\n";

    fd = open(FILE_NAME, O_RDWR|O_CREAT, 00666);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "open file %s failed! reason: %s\n", FILE_NAME, strerror(errno));
        exit(-1);
    }

    int ret = write(fd, buf, sizeof(buf));
    if (-1 == ret) {
        fprintf(stderr, "write failed. reason: %s\n", strerror(errno));
        exit(-2);
    }

    printf("write successful!\n");

    close(fd);
    return 0;
}

gcc file_write.c -o file_write
 

文件上读锁：

程序1给文件上读锁后，程序2依然可以 对文件做写入操作！

文件上写锁：

程序1给文件上写锁后，程序2依然可以对文件做写入操作！

结论：

        由以上两个测试可知，给文件上锁，仅仅对相应也给文件上锁的程序可以限制，对于没有对文件上锁的程序无任何限制！

        所以，在开发中，就得做出规定，大家对文件操作时都得对文件上锁后再进行操作！

总结

        文件上锁的几种情况已经列举出来了，使用时注意一下就行！

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