《unix高级环境编程》高级 I/O——记录锁

        当多个进程在编辑同一个文件时，在 UNIX 系统中，文件的最后状态取决于写该文件的最后一个进程，但是进程必须要确保它正在单独写一个文件，所以需要用到记录锁机制。记录锁的功能：当一个进程在读或修改文件的某一部分时，它可以阻止其他进程修改同一个文件区，记录锁也称为字节范围锁，因为它锁定的只是文件中的一个区域或整个文件。

fcntl 记录锁

        记录锁可以通过 fcntl 函数进行控制，该函数的基本形式如下：

/* fcntl记录锁 */
/*
 * 函数功能：记录锁；
 * 返回值：若成功则依赖于cmd的值，若出错则返回-1；
 * 函数原型：
 */
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, .../* struct flock *flockptr */);
/*
 * 说明：
 * cmd的取值可以如下：
 * F_GETLK              获取文件锁
 * F_SETLK、F_SETLKW    设置文件锁
 * 第三个参数flockptr是一个结构指针，如下：
 */
struct flock
{
    short l_type;       /* F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
    off_t l_start;      /* offset in bytes, relative to l_whence */
    short l_whence;     /* SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
    off_t l_len;        /* length, in bytes; 0 means lock to EOF */
    pid_t l_pid;        /* returned with F_GETLK */
};

对 flock 结构如下说明：

1. 锁的类型：F_RDLCK （共享读锁）、F_WRLCK（独占性写锁）或 F_UNLCK（解锁）；
2. 加锁或解锁的区域的起始字节偏移量由 l_start 和 l_whence 两者决定，其中 l_whenc 的参数和 lseek 函数的 whence 参数一样；l_start 是相对偏移量，l_whenc 是相对偏移量的起点，SEEK_SET（文件起始位置）, SEEK_CUR（文件当前位置）, SEEK_END（文件尾端）；
3. 区域的长度由 l_len 决定；若 l_len 为0，则表示锁的区域从其起点（由 l_start 和 l_whence 两者决定）开始直到最大可能偏移量为止；
4. 该区域可以在当前文件的尾端处开始或越过尾端处开始，但是不能在文件的起始端之前开始；

        共享读锁和独占性写锁的基本规则是：多个进程在一个给定的字节上可以有一把共享读锁，但是在一个给定的字节上只能有一个进程独用一把写锁。若在一个给定的字节上已经有一把或多把读锁，则不能在该字节上再加上写锁；若在一个给定的字节上已经有一把独占性的写锁，则不能再对其加任何的读锁。这些规则如下表所示：

        上面的兼容性规则适用于不同进程提出的请求，并不适用于单个进程提出的多个锁请求；若是一个进程对一个文件区间已经加上一把锁，后来该进程又企图在同一个文件取件加上另一把锁，那么新锁会替换掉老锁。

        加读锁时文件描述符必须是以读打开的，加写锁时文件描述符必须是写打开的。以下是 fcntl 函数的三种命令：

1. F_GETLK：读取锁信息。判断由 flockptr 所描述的锁是否会被另外一把锁所排斥。如果存在一把锁，它阻止创建由 flockptr 所描述的锁，则把该现存锁的信息写到 flockptr 指向的结构中，如果不存在这中情况，则除了将 l_type 设置为 UNLCK 之外，flockptr 所指向结构的其他信息保持不变。
2. F_SETLK：设置锁，在锁已经被占用的情况下，马上返回错误。设置由 flockptr 所描述的锁，如果试图建立一把锁（读锁或者写锁），而按上述兼容性规则不能允许，则 fcntl立 即出错返回，此时 errno 设置为 EACCES 或 EAGAIN。此命令也用来消除由 flockpt r说明的锁（l_type 为 UNLOCK）。
3. F_SETLKW： 设置锁，如果锁被其他进程占用，则阻塞。这是 F_SETLK 的阻塞版本，如果因为当前在所请求区间的某个部分另一个进程已经有一把锁，因而按兼容性规则由 flockptr 所请求的锁不能被创建，则使调用进程休眠，如果请求创建的锁已经可用或者休眠由信号终端，则该进程被唤醒。

锁的隐含继承和释放

        关于记录锁的自动继承和释放有以下三条规则：

1. 锁与进程和文件两方面相关：当一个进程终止时，它所建立的锁全部释放；第二：任何时候关闭一个描述符时，则该进程通过这一描述符可以引用的文件上的任何一把锁都释放；则必须执行以下步骤：
   • fd1 = open(pathname, ...);
   • read_lock(fd1,...);
   • fd2 = dup(fd1);
   • close(fd2);
2. 由 fork 产生的子进程不继承父进程所设置的锁；
3. 在执行 exec 后，新程序可以继承原执行程序的锁；但是，如果对一个文件描述符设置了 close-on-exec 标志，那么当作为exec 的一部分关闭该文件描述符时，对相应文件的所有锁都被释放了。

测试程序：

#include <fcntl.h>
#include "apue.h"

int lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset, int whence, off_t len);
int lock_test(int fd, int type, off_t offset, int whence, off_t len);

int main(void)
{
    int fd, tmp;
    pid_t pid;
    pid = getpid();
    printf("pid: %d\n", pid);

    fd = open("lock.txt", O_RDWR);
    if(fd < 0)
        err_sys("open file error");

    tmp = lock_reg(fd, F_SETLK, F_WRLCK, 4, SEEK_SET, 1);
    if(tmp < 0)
        err_sys("F_SETLK error");
    else
        printf("F_SETLK success\n");

    sleep(3);
    tmp = lock_test(fd, F_WRLCK, 3, SEEK_SET, 2);
    if(tmp == 0)
        printf("not lock\n");
    else
        printf("locked\n");
    close(fd);
    exit(0);
}
int lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
{
    struct flock lock;

    lock.l_len = len;
    lock.l_start = offset;
    lock.l_type = type;
    lock.l_whence = whence;

    return(fcntl(fd, cmd, &lock));
}
int lock_test(int fd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
{
    struct flock lock;

    lock.l_len = len;
    lock.l_start = offset;
    lock.l_type = type;
    lock.l_whence = whence;

    if(fcntl(fd, F_GETLK, &lock) < 0)
        err_sys("fcntl error");
    if(lock.l_type == F_UNLCK)
        return(0);
    return(lock.l_pid);
}

参考资料：

《UNIX高级环境编程》