多进程文件锁

一、多进程文件锁

当多个用户共同使用、操作一个文件的情况下，这时，Linux通常采用的方法是给文件上锁，来避免共享的资源产生竞争的状态

1.文件锁方式

对当前读写文件进行加锁处理，简单说下两种加锁方式：

flock()：文件级别的锁，针对整个文件进行加锁。 flock用于对文件施加建议性锁。

fcntl()函数：段级别的锁，能够针对文件的某个部分进行加锁。 而fcntl不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制性锁，还能对文件的某一记录进行上锁，也就是记录锁。

2.文件锁类型

文件锁包括建议性锁和强制性锁。

 建议性锁要求每个上锁文件的进程都要检查是否有锁存在，并且尊重已有的锁。在一般情况下，内核和系统都不使用建议性锁。

强制性锁是由内核执行的锁，当一个文件被上锁进行写入操作的时候，内核将阻止其它任何文件对其进行读写操作。采用强制性锁对性能的影响很大，每次读写操作都必须检查是否有锁存在。

记录锁又分为读取锁和写入锁

读取锁又称共享锁，能使多个进程都在文件的同一部分建立读取锁。

写入锁又称为排斥锁，在任何时刻只能有一个进程在文件的某个部分建立写入锁

在文件的同一部分不能同时建立读取锁和写入锁。

3.fcntl函数说明

（1）fcntl函数格式  具体的知识可以参看unix环境高级编程

Fcntl函数语法要点：

所需头文件：#include

                     #include

                     #include

函数原型：int fcntl(int fd,cmd,struct flock *lock)

函数传入值：fd：文件描述符

                     Cmd：F_DUPFD：复制文件描述符

F_GETFD：获得fd的close-on-exec标志，若标志未设置，则文件经过exec函数之后仍保持打开状态。

F_SETFD：设置close-on-exec标志，该标志以参数arg的FD_CLOEXEC位决定。

F_GETFL：得到open设置的标志

F_SETFL：改变open设置的标志

F_GETFK：根据lock描述，决定是否上文件锁

F_SETFK：设置lock描述的文件锁

F_SETLKW：这是F_SETLK的阻塞版本（命令名中的W表示等待（wait））。如果存在其它锁，则调用进程睡眠；如果捕捉到信号则睡眠中断

     这三种是在文件锁时cmd 使用的三种命令

F_GETOWN：检索将收到SIGIO和SIGURG信号的进程号或进程组号

F_SETOWN：设置进程号或进程组号

                     Lock：结构为flock，设置记录锁的具体状态

函数返回值：成功：0

                     -1：出错

Lock的结构如下所示：

Struct flock{

Short l_type;

Off_t l_start;

Short l_whence;

Off_t l_len;

Pid_t l_pid;

}

Lock结构变量取值：

L_type：F_RDLCK：读取锁（共享锁）

              F_WRLCK：写入锁（排斥锁）

              F_UNLCK：解锁

L_stat：相对位移量（字节）

L_whence：相对位移量的起点（同lseek的whence）：SEEK_SET：当前位置为文件开头，新位置为偏移量的大小

                                    SEEK_CUR：当前位置为文件指针位置，新位置为当前位置加上偏移量

                                    SEEK_END：当前位置为文件的结尾，新位置为文件的大小加上偏移量大小

L_len：加锁区域长度

l_pid:具有阻塞当前进程的锁，其持有进程的进程号存放在l_pid中，仅由F_GETLK  返回

（2）fcntl 使用实例

  下面首先给出了使用fcnt函数的文件记录锁功能的代码实现。在该代码中，首先给flock结构体的对应

赋予相应的值。

  接着调用两次fcntl函数。用F_GETLK命令判断是否可以进行flock所描述的锁操作:若可以进行，则flock

结构体的l_type会被设置为F_UNLCK，其他域不变；若不行，则l_pid被设置为拥有文件锁的进程号，其他域不变。

   用F_SETLK和F_SETLKW命令设置flock结构所描述的锁操作，后者是前者的阻塞版。

   当第一次调用fcntl时，使用F_GETLK命令获得当前文件被上锁的情况，由此可以判断能不能上锁操作；当第二次调用fcntl时，使用F_SETLKW命令对指定文件进行上锁/解锁操作。因为F_SETLKW命令是阻塞式操作，因此当不能把上锁/解锁操作进行下去时，运行被阻塞，直到能够进行操作为止。

实例说明

  开启两个终端，在两个终端上同时运行./write_lock 程序，

  当为写入锁，同一时刻只能有一个写入锁存在,

  同一时刻只能一个进程对同一个文件写

  注意运行的结果

  

  1.首先运行右边终端中的程序，提示 write lock set by 3638  进程号

  2.容纳后运行左边终端中的程序，提示 write lock already set by 3683

  3.右边终端敲  回车  ，释放读锁

  4.左边终端敲  回车  ， 提示 write lock set by 3639

 

set_lock.h

1. #ifndef _LOCK_SET_H
   
2. #define _ LOCK_SET_H
   
3. #include<sys/types.h>
   
4. #include<unistd.h>
   
5. #include<fcntl.h>
   
6. #include<stdio.h>
   
7. 
   
8. 
   
9. int lock_set(int fd,int type);
   
10. 
    
11. #endif

set_lock.c

1. /* lock_set.c */
   
2. #include"lock_set.h"
   
3. int lock_set(int fd, int type)
   
4. {
   
5.     struct flock old_lock, lock;
   
6.     lock.l_whence = SEEK_SET;
   
7.     lock.l_start = 0;
   
8.     lock.l_len = 0;
   
9.     lock.l_type = type;
   
10.     lock.l_pid = -1;
    
11.     
    
12.     /* 判断文件是否可以上锁 */
    
13.     fcntl(fd, F_GETLK, &lock);
    
14.     if (lock.l_type != F_UNLCK)
    
15.     {
    
16.         /* 判断文件不能上锁的原因 */
    
17.         if (lock.l_type == F_RDLCK) /* 该文件已有读取锁 */
    
18.         {
    
19.             printf("Read lock already set by %d\n", lock.l_pid);
    
20.         }
    
21.         else if (lock.l_type == F_WRLCK) /* 该文件已有写入锁 */
    
22.         {
    
23.             printf("Write lock already set by %d\n", lock.l_pid);
    
24.         }            
    
25.     }
    
26.     
    
27.     /* l_type 可能已被F_GETLK修改过 */
    
28.     lock.l_type = type;
    
29.     /* 根据不同的type值进行阻塞式上锁或解锁 */
    
30.     if ((fcntl(fd, F_SETLKW, &lock)) < 0)
    
31.     {
    
32.         printf("Lock failed:type = %d\n", lock.l_type);
    
33.         return 1;
    
34.     }
    
35.         
    
36.     switch(lock.l_type)
    
37.     {
    
38.         case F_RDLCK:
    
39.         {
    
40.             printf("Read lock set by %d\n", getpid());
    
41.         }
    
42.         break;
    
43.         case F_WRLCK:
    
44.         {
    
45.             printf("Write lock set by %d\n", getpid());
    
46.         }
    
47.         break;
    
48.         case F_UNLCK:
    
49.         {
    
50.             printf("Release lock by %d\n", getpid());
    
51.             return 1;
    
52.         }
    
53.         break;
    
54.         default:
    
55.         break;
    
56.     }/* end of switch */
    
57.     return 0;
    
58. }

write_lock.c

1. /* write_lock.c */
   
2. #include <unistd.h>
   
3. #include <sys/file.h>
   
4. #include <sys/types.h>
   
5. #include <sys/stat.h>
   
6. #include <stdio.h>
   
7. #include <stdlib.h>
   
8. #include "lock_set.h"
   
9. 
   
10. int main(void)
    
11. {
    
12.     int fd;
    
13. 
    
14.     /* 首先打开文件 */
    
15.     fd = open("hello", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    
16.     if(fd < 0)
    
17.     {
    
18.         printf("Open file error\n");
    
19.         exit(1);
    
20.     }
    
21. 
    
22.     /* 给文件上写入锁 */
    
23.     lock_set(fd, F_WRLCK);
    
24.     getchar();
    
25.     /* 给文件解锁 */
    
26.     lock_set(fd, F_UNLCK);
    
27.     getchar();
    
28.     close(fd);
    
29.     return 0;
    
30. }

4.flock函数说明

简单介绍下flock()函数：

       表头文件  #include

　　定义函数  int flock(int fd,int operation);

　　函数说明  flock()会依参数operation所指定的方式对参数fd所指的文件做各种锁定或解除锁定的动作。此函数只能锁定整个文件，无法锁定文件的某一区域。

　　参数  operation有下列四种情况:

　　 LOCK_SH 建立共享锁定。多个进程可同时对同一个文件作共享锁定。

　 LOCK_EX 建立互斥锁定。一个文件同时只有一个互斥锁定。

　 LOCK_UN 解除文件锁定状态。

　　 LOCK_NB 无法建立锁定时，此操作可不被阻断，马上返回进程。通常与LOCK_SH或LOCK_EX 做OR(|)组合。

　　单一文件无法同时建立共享锁定和互斥锁定，而当使用dup()或fork()时文件描述词不会继承此种锁定。

　　返回值  返回0表示成功，若有错误则返回-1，错误代码存于errno。

为了更好的移植性，对于文件的打开与关闭我选择了fopen和fclose的组合，但flock的第一个参数要求的是int类型的文件描述符。这里对fopen返回的FILE类型的文件指针进行转换，转换为int型的文件描述符（假设open函数返回的文件描述符为fd，而fopen返回的文件指针为*fp，则fd等价于fp->_fileno）.

下面为两个进程的实例：

int main(void)

{

    FILE *fp = NULL;

    int i = 20; 

    

    if ((fp = fopen("./file_lock.test", "r+b")) == NULL) //打开文件

        printf("file open error!\n");

    if (flock(fp->_fileno, LOCK_EX) != 0) //给该文件加锁

        printf("file lock by others\n");

    while(1) //进入循环,加锁时间为20秒,打印倒计时

    {   

        printf("%d\n", i--);

        sleep(1);

        if (i == 0)

            break;

    }   

    fclose(fp); //20秒后退出,关闭文件

    flock(fp->_fileno, LOCK_UN); //文件解锁

    return 0;

 

}

 

int main(void)

{

    FILE *fp = NULL;

    int i = 0;

    

    if ((fp = fopen("./file_lock.test", "r+b")) == NULL) //打开文件

        printf("file open error!\n");

    flock(fp->_fileno, LOCK_EX); //文件加锁

    while(1) //进入循环

    {   

        printf("%d\n", i++);

        sleep(1);

    }   

    fclose(fp); //关闭文件

    flock(fp->_fileno, LOCK_UN); //释放文件锁

    return 0;

 

}

首先运行file1.c,紧接着运行file2.c（运行file1.c后20秒内要运行file2.c否则看不到现象）

现象是:file1.c执行起来以后，开始倒计时。此时运行file2.c会阻塞在加锁处。当file1.c运行20秒后关闭文件，并释放文件锁后，file2.c会开始运行。