linux文件鎖
本文中不涉及線程的文件鎖，想了解可以參考pthread 的man手冊。
建議鎖、強制鎖、記錄鎖
- 建議鎖
如果某一個進程對一個文件持有一把鎖之後，其他進程仍然可以直接對文件進行操作(open, read, write)而不會被系統禁止，即使這個進程沒有持有鎖。只是一種編程上的約定。建議鎖只對遵守建議鎖準則的進程生效(程序在操作前應該自覺的檢查所的狀態之後才能進行後續操作)。 - 強制鎖
試圖實現一套內核級的鎖操作。當有進程對某個文件上鎖之後，其他進程會在open、read或write等文件操作時發生錯誤。 - 記錄鎖
只對文件中自己所關心的那一部分加鎖。記錄鎖是更細粒度的文件鎖。記錄鎖存在於文件結構體中，並不與文件描述符相關聯，會在進程退出時候被釋放掉。
flock 和 lockf 都是建議鎖。
fcntl 系統調用可以支持強制鎖。
[fcntl()、lockf、flock的區別](http://blog.chinaunix.net/uid-28541347-id-5678998.html
這三個函數的作用都是給文件加鎖，那它們有什麼區別呢？首先flock和fcntl是系統調用，而lockf是庫函數。lockf 實際上是對fcntl的封裝，所以 lockf 和 fcntl 的底層實現是一樣的，對文件加鎖的效果也是一樣的。後面分析不同點時大多數情況是將fcntl和lockf放在一起的。下面首先看每個函數的使用，從使用的方式和效果來看各個函數的區別。
flock 函數
函數原型
#include <sys/file.h>
int flock(int fd, int operation); // Apply or remove an advisory lock on the open file specified by fd
其中fd是系統調用open返回的文件描述符，operation的選項有：
LOCK_SH ：共享鎖
LOCK_EX ：排他鎖或者獨佔鎖
LOCK_UN : 解鎖。
LOCK_NB：非阻塞（與以上三種操作一起使用）
關於flock函數，首先要知道flock函數只能對整個文件上鎖，而不能對文件的某一部分上鎖，這是於fcntl/lockf的第一個重要區別，後者可以對文件的某個區域上鎖。其次，flock只能產生勸告性鎖。我們知道，linux存在強制鎖（mandatory lock）和勸告鎖（advisory lock）。再次，flock和fcntl/lockf的區別主要在fork和dup。
使用exec後，文件鎖的狀態不變。除非使用了close-on-exec標誌，否則flock都是可以穿越exec的。
flock不能在NFS文件系統上使用，如果要在NFS使用文件鎖，請使用fcntl。
flock鎖可遞歸，即通過dup或者或者fork產生的兩個fd，都可以加鎖而不會產生死鎖。也就是說持有flock鎖的進程還可以再次上鎖而不會引起死鎖。
flock創建的鎖是和文件描述符相關聯的。
這就意味着複製文件fd（通過fork或者dup）後，那麼通過這兩個fd都可以操作這把鎖（例如通過一個fd加鎖，通過另一個fd可以釋放鎖），也就是說子進程繼承父進程的鎖。但是上鎖過程中關閉其中一個fd，鎖並不會釋放（因爲file結構並沒有釋放），只有關閉所有複製出的fd，鎖纔會釋放。
fork與dup會繼承flock鎖
程序一
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main (int argc, char ** argv)
{
int ret;
int fd1 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
int fd2 = dup(fd1);
printf("fd1: %d, fd2: %d\n", fd1, fd2);
ret = flock(fd1,LOCK_EX);
printf("get lock1, ret: %d\n", ret);
ret = flock(fd2,LOCK_EX);
printf("get lock2, ret: %d\n", ret);
return 0;
}
運行結果：對fd1上鎖，並不影響程序通過fd2上鎖。
對於父子進程。
程序二
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main (int argc, char ** argv)
{
int ret;
int pid;
int fd = open("./tmp.txt",O_RDWR);
if ((pid = fork()) == 0){
ret = flock(fd,LOCK_EX);
printf("chile get lock, fd: %d, ret: %d\n",fd, ret);
sleep(10);
printf("chile exit\n");
exit(0);
}
ret = flock(fd,LOCK_EX);
printf("parent get lock, fd: %d, ret: %d\n", fd, ret);
printf("parent exit\n");
return 0;
}
運行結果：子進程持有鎖，並不影響父進程通過相同的fd獲取鎖，反之亦然。
多次open獲取到的文件描述符fd，不繼承flock鎖
使用open兩次打開同一個文件，得到的兩個fd是獨立的（因爲底層對應兩個file對象），通過其中一個加鎖，通過另一個無法解鎖，並且在前一個解鎖前也無法上鎖。
程序三
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main (int argc, char ** argv)
{
int ret;
int fd1 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
int fd2 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
printf("fd1: %d, fd2: %d\n", fd1, fd2);
ret = flock(fd1,LOCK_EX);
printf("get lock1, ret: %d\n", ret);
ret = flock(fd2,LOCK_EX);
printf("get lock2, ret: %d\n", ret);
return 0;
}
結果：通過fd1獲取鎖後，無法再通過fd2獲取鎖。
lockf與fcntl
函數原型
#include <unistd.h>
int lockf(int fd, int cmd, off_t len);
fd爲通過open返回的打開文件描述符。
cmd的取值爲：
F_LOCK：給文件互斥加鎖，若文件以被加鎖，則會一直阻塞到鎖被釋放。
F_TLOCK：同F_LOCK，但若文件已被加鎖，不會阻塞，而回返回錯誤。
F_ULOCK：解鎖。
F_TEST：測試文件是否被上鎖，若文件沒被上鎖則返回0，否則返回-1。
len：爲從文件當前位置的起始要鎖住的長度。
通過函數參數的功能，可以看出lockf只支持排他鎖，不支持共享鎖。
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
struct flock {
...
short l_type;/* Type of lock: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
short l_whence; /* How to interpret l_start: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
off_t l_start; /* Starting offset for lock */
off_t l_len; /* Number of bytes to lock */
pid_t l_pid; /* PID of process blocking our lock (F_GETLK only) */
...
};
文件記錄加鎖相關的cmd 分三種：
F_SETLK：申請鎖（讀鎖F_RDLCK，寫鎖F_WRLCK）或者釋放所（F_UNLCK），但是如果kernel無法將鎖授予本進程（被其他進程搶了先，佔了鎖），不傻等，返回error。
F_SETLKW：和F_SETLK幾乎一樣，唯一的區別，這廝是個死心眼的主兒，申請不到，就傻等。
F_GETLK：這個接口是獲取鎖的相關信息： 這個接口會修改我們傳入的struct flock。
通過函數參數功能可以看出 fcntl 是功能最強大的，它既支持共享鎖又支持排他鎖，即可以鎖住整個文件，又能只鎖文件的某一部分（記錄鎖）。
fcntl/lockf的特性：
- 上鎖可遞歸，如果一個進程對一個文件區間已經有一把鎖，後來進程又企圖在同一區間再加一把鎖，則新鎖將替換老鎖。
- 加讀鎖（共享鎖）文件必須是讀打開的，加寫鎖（排他鎖）文件必須是寫打開。
- ** 進程不能使用F_GETLK命令來測試它自己是否再文件的某一部分持有一把鎖。F_GETLK命令定義說明，返回信息指示是否現存的鎖阻止調用進程設置它自己的鎖。因爲，F_SETLK和F_SETLKW命令總是替換進程的現有鎖，所以調用進程絕不會阻塞再自己持有的鎖上，於是F_GETLK命令絕不會報告調用進程自己持有的鎖。**
- 進程終止時，他所建立的所有文件鎖都會被釋放，對於flock也是一樣的。
- 任何時候關閉一個描述符時，則該進程通過這一描述符可以引用的文件上的任何一把鎖都被釋放（這些鎖都是該進程設置的），這一點與flock不同。如：
fd1 = open(pathname, …);
lockf(fd1, F_LOCK, 0);
fd2 = dup(fd1);
close(fd2);
則在close(fd2)後，再fd1上設置的鎖會被釋放，如果將dup換爲open，以打開另一描述符上的同一文件，則效果也一樣。
fd1 = open(pathname, …);
lockf(fd1, F_LOCK, 0);
fd2 = open(pathname, …);
close(fd2);
- 由fork產生的子進程不繼承父進程所設置的鎖，這點與flock也不同。
- 在執行exec後，新程序可以繼承原程序的鎖，這點和flock是相同的。（如果對fd設置了close-on-exec，則exec前會關閉fd，相應文件的鎖也會被釋放）。
- 支持強制性鎖：對一個特定文件打開其設置組ID位(S_ISGID)，並關閉其組執行位(S_IXGRP)，則對該文件開啓了強制性鎖機制。再Linux中如果要使用強制性鎖，則要在文件系統mount時，使用_omand打開該機制。
fcntl/lockf的關係
那麼flock和lockf/fcntl所上的鎖有什麼關係呢？答案時互不影響。測試程序如下：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int fd, ret;
int pid;
fd = open("./tmp.txt", O_RDWR);
ret = flock(fd, LOCK_EX);
printf("flock return ret : %d\n", ret);
ret = lockf(fd, F_LOCK, 0);
printf("lockf return ret: %d\n", ret);
sleep(100);
return 0;
}
測試結果如下：
$./a.out
flock return ret : 0
lockf return ret: 0
可見flock的加鎖，並不影響lockf的加鎖。兩外我們可以通過/proc/locks查看進程獲取鎖的狀態。
$ps -aux | grep a.out | grep -v grep 18849
123751 18849 0.0 0.0 11904 440 pts/5 S+ 01:09 0:00 ./a.out
$sudo cat /proc/locks | grep 18849
1: POSIX ADVISORY WRITE 18849 08:02:852674 0 EOF
2: FLOCK ADVISORY WRITE 18849 08:02:852674 0 EOF
我們可以看到/proc/locks下面有鎖的信息：我現在分別敘述下含義：
- POSIX FLOCK 這個比較明確，就是哪個類型的鎖。flock系統調用產生的是FLOCK，fcntl調用F_SETLK，F_SETLKW或者lockf產生的是POSIX類型，有次可見兩種調用產生的鎖的類型是不同的；
- ADVISORY表明是勸告鎖；
- WRITE顧名思義，是寫鎖，還有讀鎖；
- 18849是持有鎖的進程ID。當然對於flock這種類型的鎖，會出現進程已經退出的狀況。
- 08:02:852674表示的對應磁盤文件的所在設備的主設備好，次設備號，還有文件對應的inode number。
- 0表示的是所的其實位置
- EOF表示的是結束位置。 這兩個字段對fcntl類型比較有用，對flock來是總是0 和EOF。