linux下文件锁使用总结

news2024/11/25 13:44:42

     linux锁存在强制锁（mandatory lock）和劝告锁（advisory lock）。所谓强制锁，就是一个进程获取了那把锁（只有一把钥匙），只有一个进程可以操作，别的进程无能为力。所谓劝告锁，本质是一种协议，你访问文件前，先检查锁，这时候锁才其作用，如果不检查就要读写，那么劝告锁没有任何的作用。为了遵守协议，读写前先检查锁的那些进程通常称为合作进程。linux下可以使用fcntl，flock，lockf三个函数对文件上锁。

目录

1.fcntl(),flock(),lockf()三者区别和联系

1.1 flock和lockf/fcntl上锁互不影响

1.2 fcntl强制锁测试

2.fcntl()文件加锁（对文件部分或者整体）

2.1nginx使用fcnt实现进程同步（accept锁的一种实现）

3.flock文件加锁（对整个文件加锁）

2.1 flock说明1

2.2 锁继承与释放的语义

2.3 flock()的限制

4.lockf()文件加锁

1.fcntl(),flock(),lockf()三者区别和联系

（1）fcntl(),flock()是系统调用，lockf()是Glibc中的库函数，lockf()是对fcntl()的封装
（2）flock和lockf/fcntl加锁锁互不影响
（3) flock函数只能对整个文件上锁，这是于fcntl/lockf可以对文件的某一部分上锁
（4）flock可以有共享锁和排它锁，lockf只支持排它锁，fcntl里面参数flock可以有RDLCK读锁
（5）flock和fcntl/lockf在fork和dup时候也不相同
（6）flock不能在NFS文件系统上使用，在NFS中使用fcntl
 (7) 三个锁都可以递归，进程终止时，三者建立的所有文件锁都会被释放
（8）关闭一个描述符时，调用fcntl/lockf的进程通过该描述符引用文件上的任何一把锁都被释放（这些锁都是该进程设置的），flock则不是。
    例如：
        fd1 = open(pathname, …);
        lockf(fd1, F_LOCK, 0);
        fd2 = dup(fd1);
        close(fd2);
        则在close(fd2)后，在fd1上设置的锁会被释放，如果将dup换为open，以打开另一描述符上的同一文件，则效果也一样。
        fd1 = open(pathname, …);
        lockf(fd1, F_LOCK, 0);
        fd2 = open(pathname, …);
        close(fd2);

（9）fcntl/lockf获取的锁当fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁，flock则不是。
（原因：flock创建的锁是和文件打开表项（struct file）相关联的，而不是fd，所以复制出了fd都可以操作这把锁，所以子进程继承了父进程的锁。flock里面要关闭所有复制出的fd，锁才会释放）
（10）在执行exec后，新程序可以继承原程序的锁，三者相同。（说明：如果对fd设置了close-on-exec，则exec前会关闭fd，相应文件的锁也会被释放）
（11）fcntl/lockf支持强制锁，flock则不是。
     fcntl支持强制性锁：对一个特定文件打开并设置组ID位(S_ISGID)，并关闭其组执行位(S_IXGRP)，则对该文件开启了强制性锁机制。
     在Linux中如果要使用强制性锁，则要在文件系统mount时，使用-omand打开该机制。    

1.1 flock和lockf/fcntl上锁互不影响

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd, ret;
    int pid;
    printf("pid: %d\n", getpid());
    fd = open("./test-flock.txt", O_RDWR| O_CREAT);
    ret = flock(fd, LOCK_EX);
    perror("flock");
    printf("flock return ret : %d\n", ret);
    ret = lockf(fd, F_LOCK, 0);
    perror("flock");
    printf("lockf return ret: %d\n", ret);
    sleep(999999);
    return 0;
}

编译运行：

查看该进程锁状态：

/proc/locks下面有锁的信息含义如下：

1) POSIX 和 FLOCK 表示锁类型。flock系统调用产生的是FLOCK，fcntl调用F_SETLK，F_SETLKW或者lockf产生的是POSIX类型
2) ADVISORY表明是劝告锁
3) WRITE表示是写锁，另外还有读锁
4) 7473是持有锁的进程ID
5) 103:02:7100699表示对应磁盘文件所在设备的主设备号和次设备号，还有文件的inode number。
6) 0表示锁的起始位置
7) EOF表示的是结束位置
6)和7）两个字段对fcntl/lockf有用，对flock来是总是0和EOF

1.2 fcntl强制锁测试

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
#include <fcntl.h>
 
int main(int argc, char **argv) {
  if (argc > 1) {
    int fd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if(fd == -1) {
      perror("open");
      exit(1);
    }
    static struct flock lock;
 
    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_start = 0;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_len = 0;
    lock.l_pid = getpid();
 
    int ret = fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
    printf("Return value of fcntl:%d\n",ret);
    if(ret==0) {
        sleep(99999);
    }
  }
}

1) 使用mount命令带“mand”参数重新挂载根文件系统

 2)建立两个测试文件

touch mandatory.txt   

touch advisory.txt

3)查看文件属性

4) mandatory.txt 设置组ID位(S_ISGID)，关闭执行位(S_IXGRP)

chmod g+s,g-x mandatory.txt

5)查看文件属性

 6)测试劝告锁

文件设置锁：

绕过锁修改文件：

 结论：绕过锁可以轻松的往文件中写入数据。 

7)测试强制锁

文件上锁：

 绕过锁修改文件：

 结论：绕过锁不能往文件中写入数据。 

2.fcntl()文件加锁（对文件部分或者整体）

     当有多个进程(线程)要访问同一个文件的时候，为了防止问导致的不一致，就需要考虑同步问题。fcntl是linux系统提供的系统api，可以使用它来给文件指定部分进行加锁。其声明如下：
int fcntl(int filedes, int cmd, ... /* struct flock *flockptr */ ); 
参数说明：
    该函数拥有可变参数的函数声明，该函数除了可以给文件上锁，还可以指定fd属性，例如：网络编程指定io fd的阻塞和非阻塞属性时常用
    filedes：是要操作的文件描述符，对与记录锁相关的操作
    cmd：相关锁操作，只能是F_GETLK, F_SETLK, 或者 F_SETLKW
        F_GETLK：从内核获取文件锁的信息，将其保存到第三个参数
        F_SETLK：设置非阻塞文件锁，第三个参数传入锁设置
        F_SETLKW：设置阻塞文件锁，第三个参数传入锁设置
    flockptr：flock结构体的指针，文件加解锁锁时才使用，其定义如下：
        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：只读锁，读写锁，或是解锁
                F_RDLCK： 读锁，共享锁
                F_WRLCK： 写锁
                F_UNLCK： 解锁
        l_start：相对于l_whence的位置（细定位）
        l_whence：加锁的开始位置（粗定位）
            SEEK_SET：文件开头
            SEEK_CUR：文件当前位置
            SEEK_END：文件末尾位置
        l_len：是加锁的长度，
        l_pid：是加锁进程的进程id，由文件锁自动设置
        说明：
            加锁起始位置：l_whence + l_start
            加锁长度：l_len
        例如：对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
返回值：
    成功返回0，失败-1，errno被设置。
    
加读锁（共享锁）文件必须是读打开的，加写锁（排他锁）文件必须是写打开。
进程不能使用F_GETLK命令来测试它自己是否再文件的某一部分持有一把锁。

//文件加锁
int file_lock(int fd) {
  struct flock lock_info;
  memset(&lock_info, 0x00, sizeof(lock_info));
  lock_info.l_type = F_WRLCK;
  lock_info.l_whence = SEEK_SET;
  lock_info.l_start = 0;
  lock_info.l_len = 0;
  return fcntl(fd, F_SETLK, &lock_info);
}

//文件解锁
int file_ulock(int fd, bool lock) {
  struct flock lock_info;
  memset(&lock_info, 0x00, sizeof(lock_info));
  lock_info.l_type = F_UNLCK;
  lock_info.l_whence = SEEK_SET;
  lock_info.l_start = 0;
  lock_info.l_len = 0;
  return fcntl(fd, F_SETLK, &lock_info);
}

2.1nginx使用fcnt实现进程同步（accept锁的一种实现）

ngx_err_t
ngx_trylock_fd(ngx_fd_t fd)
{
    struct flock  fl;

    ngx_memzero(&fl, sizeof(struct flock));
    fl.l_type = F_WRLCK;
    fl.l_whence = SEEK_SET;

    if (fcntl(fd, F_SETLK, &fl) == -1) {
        return ngx_errno;
    }

    return 0;
}


ngx_err_t
ngx_lock_fd(ngx_fd_t fd)
{
    struct flock  fl;

    ngx_memzero(&fl, sizeof(struct flock));
    fl.l_type = F_WRLCK;
    fl.l_whence = SEEK_SET;

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &fl) == -1) {
        return ngx_errno;
    }

    return 0;
}


ngx_err_t
ngx_unlock_fd(ngx_fd_t fd)
{
    struct flock  fl;

    ngx_memzero(&fl, sizeof(struct flock));
    fl.l_type = F_UNLCK;
    fl.l_whence = SEEK_SET;

    if (fcntl(fd, F_SETLK, &fl) == -1) {
        return  ngx_errno;
    }

    return 0;
}

3.flock文件加锁（对整个文件加锁）

#include <sys/file.h>

int flock (int fd, int operation);
fd：文件对应描述符fd
operation：操作方式
    LOCK_SH:共享锁
    LOCK_EX:互斥锁
    LOCK_UN:解锁
    LOCK_NB:非阻塞
返回值：Returns 0 on success, or -1 on error

2.1 flock说明1

   在默认情况下，如果另一个进程已经持有了文件上的一个不兼容的锁，那么flock()会阻塞。
如果需要防止这种情况的出现，可以在operation参数中对这些值取OR（|）。
在这种情况下，如果一个进程已经持有了文件上的一个不兼容锁，那么flock()就会阻塞，相反，它会返回-1，并将errno设置成EWOULDBLOCK。
任意数量的进程可同时持有一个文件上的共享锁，但任意时刻只能有一个进程能够持有一个文件上的互斥锁，进程A先设置了锁，
进程B后设置锁的支持情况如下：
A进程                B进程
                 LOCK_SH       LOCK_EX  
LOCK_SH          是              否
LOCK_EX          否              是

无论程序以什么模式打开了文件（读、写或者读写），该文件上都可以放置一把共享锁或互斥锁。
在实际操作过程中，参数operation可以指定对应的值将共享锁转换成互斥锁（反之亦然）。
将一个共享锁转换成互斥锁，如果另一个进程要获取该文件的共享锁则会阻塞，除非operation参数指定了LOCK_NB标记，即：(LOCK_SH | LOCK_NB)。
锁的转换过程不是一个原子操作，在转换的过程中首先会删除既有的锁，然后创建新锁。
    

2.2 锁继承与释放的语义

        flock()根据operation参数传入LOCK_UN的值来释放一个文件锁。此外锁会在相应的文件描述符被关闭之后自动释放。同时当一个文件描述符被复制时（dup()、dup2()、或一个fcntl() F_DUPFD操作），新的文件描述符会引用同一个文件锁。

flock(fd, LOCK_EX);
new_fd = dup(fd);
flock(new_fd, LOCK_UN);
上面代码先在fd上设置一个互斥锁，然后通过fd创建一个指向相同文件的新文件描述符new_fd，最后通过new_fd来解锁。
新的文件描述符指向了同一个锁。所以如果通过一个特定的文件描述符获取了一个锁并且创建了该描述符的一个或多个副本后，如果不显示的调用一个解锁操作，只有当文件描述符副本都被关闭了之后锁才会被释放。

如果使用fork()创建一个子进程，子进程会复制父进程中的所有描述符，从而使得它们也会指向同一个文件锁。
如下代码会导致一个子进程删除一个父进程的锁：
flock (fd, LOCK_EX);
if (0 == fork ()) {
    flock (fd, LOCK_UN);
}
有时候可以利用这些语义来将一个文件锁从父进程传输到子进程：在fork()之后，父进程关闭其文件描述符，然后锁就只在子进程的控制之下了。
通过fork()创建的锁在exec()中会得以保留（除非在文件描述符上设置了close-on-exec标记并且该文件描述符是最后一个引用底层的打开文件描述的描述符）。
如果程序中使用open()来获取第二个引用同一个文件的描述符，那么flock()会将其视为不同的文件描述符。
如下代码会在第二个flock()上阻塞。
fd1 = open ("test.txt", O_RDWD);
fd2 = open ("test.txt", O_RDWD);
flock (fd1, LOCK_EX);
flock (fd2, LOCK_EX);


2.3 flock()的限制

flock()放置的锁有如下限制
(1)只能对整个文件进行加锁。这种粗粒度的加锁会限制协作进程间的并发。假如存在多个进程，其中各个进程都想同时访问同一个文件的不同部分。
(2)flock()只能放置劝告式锁(非强制的，一个进程给文件设置了锁，另一个进程不设置锁可以直接操作文件)。也就是一个进程可以简单地忽略另一个进程在文件上放置的锁。要使得劝告式加锁模型能够正常工作，所有访问文件的进程都必须要配合，即在执行文件IO之前先放置一把锁。
(3)很多NFS实现不识别flock()放置的锁。


4.lockf()文件加锁

函数原型：
#include <unistd.h>

int lockf(int fd, int cmd, off_t len);
参数说明：
   fd：通过open返回的打开文件描述符。
   cmd：
       F_LOCK：给文件互斥加锁，若文件以被加锁，则会一直阻塞到锁被释放。
       F_TLOCK：同F_LOCK，但若文件已被加锁，不会阻塞，而回返回错误。
       F_ULOCK：解锁。
       F_TEST：测试文件是否被上锁，若文件没被上锁则返回0，否则返回-1。
   len：从文件当前位置的起始要锁住的长度。
返回值：
    On success, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
通过函数参数的功能，可以看出lockf只支持排他锁，不支持共享锁。

flock和lockf/fcntl上锁互不影响

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd, ret;
    int pid;
    printf("pid: %d\n", getpid());
    fd = open("./test-flock.txt", O_RDWR| O_CREAT);
    ret = flock(fd, LOCK_EX);
    perror("flock");
    printf("flock return ret : %d\n", ret);
    ret = lockf(fd, F_LOCK, 0);
    perror("flock");
    printf("lockf return ret: %d\n", ret);
    sleep(999999);
    return 0;
}

编译运行：

查看该进程锁状态：

 

/proc/locks下面有锁的信息含义如下：

1) POSIX 和 FLOCK 表示锁类型。flock系统调用产生的是FLOCK，fcntl调用F_SETLK，F_SETLKW或者lockf产生的是POSIX类型
2) ADVISORY表明是劝告锁
3) WRITE表示是写锁，另外还有读锁
4) 7473是持有锁的进程ID
5) 103:02:7100699表示对应磁盘文件所在设备的主设备号和次设备号，还有文件的inode number。
6) 0表示锁的起始位置
7) EOF表示的是结束位置
6)和7）两个字段对fcntl/lockf有用，对flock来是总是0和EOF

fcntl强制锁测试

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
#include <fcntl.h>
 
int main(int argc, char **argv) {
  if (argc > 1) {
    int fd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if(fd == -1) {
      perror("open");
      exit(1);
    }
    static struct flock lock;
 
    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_start = 0;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_len = 0;
    lock.l_pid = getpid();
 
    int ret = fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
    printf("Return value of fcntl:%d\n",ret);
    if(ret==0) {
        sleep(99999);
    }
  }
}

1.使用mount命令带“mand”参数重新挂载根文件系统

 2.建立两个测试文件

touch mandatory.txt   

touch advisory.txt

3. 查看文件属性

4.mandatory.txt 设置组ID位(S_ISGID)，关闭执行位(S_IXGRP)

chmod g+s,g-x mandatory.txt

5.查看文件属性

 5.测试劝告锁

文件设置锁：

绕过锁修改文件：

 结论：绕过锁可以轻松的往文件中写入数据。 

6.测试强制锁

文件上锁：

 绕过锁修改文件：

 结论：绕过锁不能往文件中写入数据。 

 

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