Linux 2.6 中的文件锁

本文的目的是想帮助读者理清 Linux 2.6中文件锁的概念以及 Linux 2.6 都提供了何种数据结构以及关键的系统调用来实现文件锁，从而可以帮助读者更好地使用文件锁来解决多个进程读取同一个文件的互斥问题。本文主要描述了 Linux 中各类文件锁的概念，使用场景，内核中描述文件锁的数据结构以及与文件锁密切相关的系统调用等内容。

在多任务操作系统环境中，如果一个进程尝试对正在被其他进程读取的文件进行写操作，可能会导致正在进行读操作的进程读取到一些被破坏或者不完整的数据；如果两个进程并发对同一个文件进行写操作，可能会导致该文件遭到破坏。因此，为了避免发生这种问题，必须要采用某种机制来解决多个进程并发访问同一个文件时所面临的同步问题，由此而产生了文件加锁方面的技术。

早期的 UNIX 系统只支持对整个文件进行加锁，因此无法运行数据库之类的程序，因为此类程序需要实现记录级的加锁。在 System V Release 3 中，通过 fcntl 提供了记录级的加锁，此后发展成为 POSIX 标准的一部分。本文将基于 2.6.23 版本的内核来探讨 Linux 中文件锁的相关技术。

Linux 中的文件锁

Linux 支持的文件锁技术主要包括劝告锁（advisory lock）和强制锁（mandatory lock）这两种。此外，Linux 中还引入了两种强制锁的变种形式：共享模式强制锁（share-mode mandatory lock）和租借锁（lease）。

在 Linux 中，不论进程是在使用劝告锁还是强制锁，它都可以同时使用共享锁和排他锁（又称为读锁和写锁）。多个共享锁之间不会相互干扰，多个进程在同一时刻可以对同一个文件加共享锁。但是，如果一个进程对该文件加了排他锁，那么其他进程则无权再对该文件加共享锁或者排他锁，直到该排他锁被释放。所以，对于同一个文件来说，它可以同时拥有很多读者，但是在某一特定时刻，它只能拥有一个写者，它们之间的兼容关系如表 1 所示。

表 1. 锁间的兼容关系

	是否满足请求
当前加上的锁	共享锁	排他锁
无	是	是
共享锁	是	否
排他锁	否	否

劝告锁

劝告锁是一种协同工作的锁。对于这一种锁来说，内核只提供加锁以及检测文件是否已经加锁的手段，但是内核并不参与锁的控制和协调。也就是说，如果有进程不遵守“游戏规则”，不检查目标文件是否已经由别的进程加了锁就往其中写入数据，那么内核是不会加以阻拦的。因此，劝告锁并不能阻止进程对文件的访问，而只能依靠各个进程在访问文件之前检查该文件是否已经被其他进程加锁来实现并发控制。进程需要事先对锁的状态做一个约定，并根据锁的当前状态和相互关系来确定其他进程是否能对文件执行指定的操作。从这点上来说，劝告锁的工作方式与使用信号量保护临界区的方式非常类似。

劝告锁可以对文件的任意一个部分进行加锁，也可以对整个文件进行加锁，甚至可以对文件将来增大的部分也进行加锁。由于进程可以选择对文件的某个部分进行加锁，所以一个进程可以获得关于某个文件不同部分的多个锁。

强制锁

与劝告锁不同，强制锁是一种内核强制采用的文件锁，它是从 System V Release 3 开始引入的。每当有系统调用 open()、read() 以及write() 发生的时候，内核都要检查并确保这些系统调用不会违反在所访问文件上加的强制锁约束。也就是说，如果有进程不遵守游戏规则，硬要往加了锁的文件中写入内容，内核就会加以阻拦：

如果一个文件已经被加上了读锁或者共享锁，那么其他进程再对这个文件进行写操作就会被内核阻止；

如果一个文件已经被加上了写锁或者排他锁，那么其他进程再对这个文件进行读取或者写操作就会被内核阻止。

如果其他进程试图访问一个已经加有强制锁的文件，进程行为取决于所执行的操作模式和文件锁的类型，归纳如表 2 所示：

 

 

本文转自IBM Developerworks中国

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