linux文件I/O：文件锁的概念、函数以及代码实现

文件锁是一种用来保证多个进程对同一个文件的安全访问的机制。文件锁可以分为两种类型：建议性锁和强制性锁。建议性锁是一种协作式的锁，它只有在所有参与的进程都遵守锁的规则时才有效。强制性锁是一种强制式的锁，它由内核或文件系统来强制执行，不需要进程的配合。本文将主要介绍建议性锁的实现方法和相关函数。

1. flock函数

flock函数是一种使用文件描述符来实现文件锁的方法。flock函数的功能是对一个已打开的文件描述符fd进行锁定或解锁操作，它的函数原型如下：

#include 
int flock(int fd, int operation);

flock函数的用法如下：

• 打开一个文件，获得一个文件描述符fd。
• 调用flock函数，传入fd和想要的锁类型，例如LOCK_EX。
• 如果成功，返回0，表示获得了锁，可以对文件进行读写操作。
• 如果失败，返回-1，并设置errno，表示没有获得锁，可能是因为文件已经被其他进程锁定，或者其他错误发生。
• 在完成文件操作后，调用flock函数，传入fd和LOCK_UN，释放锁，关闭文件。

flock函数的参数如下：

• fd：一个已打开的文件描述符，必须是可读或可写的，不能是只执行的。
• operation：一个表示锁类型的整数，可以是LOCK_SH、LOCK_EX、LOCK_UN或LOCK_NB的组合。

• LOCK_SH：共享锁，允许多个进程同时对文件进行读操作，但不允许写操作。
• LOCK_EX：独占锁，只允许一个进程对文件进行读写操作，其他进程都不能访问文件。
• LOCK_UN：解锁，释放之前的锁定，允许其他进程访问文件。
• LOCK_NB：非阻塞，如果不能立即获得锁，不会等待，而是返回错误。

flock函数的注意事项如下：

• flock函数只能对整个文件进行锁定，不能对文件的部分区域进行锁定。
• flock函数的锁是与进程相关的，而不是与文件描述符相关的。也就是说，如果一个进程对一个文件加了锁，那么该进程的其他文件描述符也可以访问该文件，而不受锁的影响。同样，如果一个进程关闭了一个文件描述符，那么该进程的其他文件描述符仍然保持锁定状态，直到该进程退出或显式解锁。
• flock函数的锁是建议性的，也就是说，它只有在所有参与的进程都遵守锁的规则时才有效。如果有一个进程不使用flock函数，而是直接对文件进行读写操作，那么flock函数的锁就会失效，造成数据的不一致或损坏。

flock函数的代码示例如下：

// 一个使用flock函数的简单示例，对一个文件加上独占锁，写入一些数据，然后解锁
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 打开一个文件，获得一个文件描述符
    int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    // 调用flock函数，传入fd和LOCK_EX，加上独占锁
    if (flock(fd, LOCK_EX) == -1) {
        perror("flock");
        exit(1);
    }
    printf("Locked file\n");

    // 对文件进行写操作，写入一些数据
    char *data = "Hello, world!\n";
    if (write(fd, data, strlen(data)) == -1) {
        perror("write");
        exit(1);
    }
    printf("Wrote data to file\n");

    // 调用flock函数，传入fd和LOCK_UN，解锁文件
    if (flock(fd, LOCK_UN) == -1) {
        perror("flock");
        exit(1);
    }
    printf("Unlocked file\n");

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

2. fcntl函数

fcntl函数是一种使用文件描述符来实现文件锁的方法。fcntl函数的功能是对一个已打开的文件描述符fd进行各种控制操作。它的函数原型如下：

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

fcntl函数的用法如下：

• 打开一个文件，获得一个文件描述符fd。
• 调用fcntl函数，传入fd和F_GETLK，以及一个指向struct flock结构体的指针，获取文件锁的信息。
• 如果文件没有被其他进程锁定，或者锁的类型和想要的类型不冲突，可以继续调用fcntl函数，传入fd和F_SETLK或F_SETLKW，以及一个指向struct flock结构体的指针，设置文件锁的信息。
• 如果成功，返回0，表示获得了锁，可以对文件进行读写操作。
• 如果失败，返回-1，并设置errno，表示没有获得锁，可能是因为文件已经被其他进程锁定，或者其他错误发生。
• 在完成文件操作后，调用fcntl函数，传入fd和F_SETLK或F_SETLKW，以及一个指向struct flock结构体的指针，设置文件锁的类型为F_UNLCK，释放锁，关闭文件。

fcntl函数的参数如下：

• fd：一个已打开的文件描述符，必须是可读或可写的，不能是只执行的。
• cmd：一个表示控制操作的整数，可以是F_DUPFD、F_GETFD、F_SETFD、F_GETFL、F_SETFL、F_GETLK、F_SETLK或F_SETLKW之一。

• F_DUPFD：复制文件描述符，返回一个新的文件描述符，指向同一个文件。
• F_GETFD：获取文件描述符的标志，返回一个整数，表示是否设置了FD_CLOEXEC标志，该标志表示在执行exec函数时，自动关闭文件描述符。
• F_SETFD：设置文件描述符的标志，传入一个整数，表示是否设置FD_CLOEXEC标志。
• F_GETFL：获取文件状态标志，返回一个整数，表示文件的访问模式和其他标志，例如O_RDONLY、O_WRONLY、O_APPEND等。
• F_SETFL：设置文件状态标志，传入一个整数，表示文件的访问模式和其他标志，例如O_RDONLY、O_WRONLY、O_APPEND等。
• F_GETLK：获取文件锁的信息，传入一个指向struct flock结构体的指针，返回该结构体的内容，表示文件是否被其他进程锁定，以及锁的类型、起始位置、长度和持有者等信息。
• F_SETLK：设置文件锁，传入一个指向struct flock结构体的指针，表示要设置的锁的类型、起始位置、长度等信息，如果成功，返回0，表示获得了锁，如果失败，返回-1，并设置errno，表示没有获得锁，可能是因为文件已经被其他进程锁定，或者其他错误发生。
• F_SETLKW：设置文件锁，与F_SETLK类似，但是如果不能立即获得锁，会阻塞等待，直到获得锁或者被信号中断。

• arg：一个可选的参数，根据cmd的不同，可以是一个整数、一个指针或者省略。如果是一个整数，表示要设置的标志或文件描述符。如果是一个指针，表示要传入或返回的struct flock结构体的地址。如果省略，表示不需要传入任何参数。

fcntl函数的注意事项如下：

• fcntl函数可以对文件的部分区域进行锁定，而不是整个文件。这可以通过设置struct flock结构体的l_whence、l_start和l_len字段来实现。l_whence表示锁的起始位置的参考点，可以是SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）或SEEK_END（文件结尾）。l_start表示锁的起始位置的偏移量，可以是正数、负数或零。l_len表示锁的长度，如果是正数，表示从起始位置向后锁定的字节数，如果是负数，表示从起始位置向前锁定的字节数，如果是零，表示从起始位置到文件结尾的所有字节。
• fcntl函数的锁是与文件描述符相关的，而不是与进程相关的。也就是说，如果一个进程对一个文件加了锁，那么该进程的其他文件描述符不能访问该文件，而受锁的影响。同样，如果一个进程复制了一个文件描述符，那么复制的文件描述符也会继承锁的状态，直到所有的文件描述符都关闭或显式解锁。
• fcntl函数的锁是建议性的，也就是说，它只有在所有参与的进程都遵守锁的规则时才有效。如果有一个进程不使用fcntl函数，而是直接对文件进行读写操作，那么fcntl函数的锁就会失效，造成数据的不一致或损坏。

fcntl函数的代码示例如下：

// 一个使用fcntl函数的简单示例，对一个文件的前10个字节加上共享锁，读取数据，然后解锁
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 打开一个文件，获得一个文件描述符
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    // 定义一个struct flock结构体，表示要设置的锁的信息
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_RDLCK; // 共享锁
    lock.l_whence = SEEK_SET; // 文件开头
    lock.l_start = 0; // 起始位置
    lock.l_len = 10; // 长度

    // 调用fcntl函数，传入fd和F_SETLK，以及lock的地址，设置文件锁
    if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {
        perror("fcntl");
        exit(1);
    }
    printf("Locked file\n");

    // 对文件进行读操作，读取前10个字节的数据
    char buf[11]; // 定义一个缓冲区，多留一个字节存放'\0'
    if (read(fd, buf, 10) == -1) {
        perror("read");
        exit(1);
    }
    buf[10] = '\0'; // 添加字符串结束符
    printf("Read data from file: %s\n", buf); // 打印读取的数据

    // 调用fcntl函数，传入fd和F_SETLK，以及lock的地址，设置文件锁的类型为F_UNLCK，解锁文件
    lock.l_type = F_UNLCK; // 解锁
    if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {
        perror("fcntl");
        exit(1);
    }
    printf("Unlocked file\n");

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}