Linux进程同步之记录锁（fcntl）

记录锁相当于线程同步中读写锁的一种扩展类型，可以用来对有亲缘或无亲缘关系的进程进行文件读与写的同步，通过fcntl函数来执行上锁操作。尽管读写锁也可以通过在共享内存区来进行进程的同步，但是fcntl记录上锁往往更容易使用，且效率更高。

记录锁的功能：当一个进程正在读或修改文件的某个部分是，它可以阻止其他进程修改同一文件区。对于这个功能阐述我认为有三点要解释的：

• 记录锁不仅仅可以用来同步不同进程对同一文件的操作，还可以通过对同一文件加记录锁，来同步不同进程对某一共享资源的访问，如共享内存，I/O设备。
• 对于劝告性上锁（POSIX定义的记录锁即是这种类型的锁），当一个进程通过上锁对文件进行操作时，它不能阻止另一个非协作进程对该文件的修改。
• 即使是强制性上锁（有些系统定义），也不能完全保证该文件不会被另一个进程修改。因为强制性锁对unlink函数没有影响，所以一个进程可以先删除该文件，然后再将修改后的内容保存为同一文件来实现修改。具体可参考《APUE》P367 。

1记录锁函数接口

记录上锁的POSIX接口函数fcntl如下：

[cpp] view plaincopy

1. /* Do the file control operation described by CMD on FD. 
2.    The remaining arguments are interpreted depending on CMD. */  
3. int fcntl (int __fd, int __cmd, ...);  
4.   
5. //根据cmd的不同有以下三种类型的调用   
6. int fcntl(int fd, int cmd);  
7. int fcntl(int fd, int cmd, long arg);  
8. int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);  

由函数名称可知fcntl的功能是对文件的控制操作，根据传入不同的操作类型命令cmd，fcntl会执行不同的操作，fcnt根据cmd不同，接收可变的参数。具体有以下五种类型的操作：

[cpp] view plaincopy

1. /* 
2. cmd = F_DUPFD，复制一个文件描述符； 
3. */  
4. int fcntl(int fd, int cmd);  
5.   
6. /* 
7. cmd = F_GETFD，获得文件描述符标志； 
8. cmd = F_SETFD，设置文件描述符标志；arg = 描述符标志的值，目前只定义了一个标志： FD_CLOEXEC 
9. int fcntl(int fd, int cmd); 
10. int fcntl(int fd, int cmd, long arg); 
11. */  
12.   
13. /* 
14. cmd = F_GETFL，获得文件状态标志； 
15. cmd = F_SETFL，设置文件状态标志；arg = 状态标志的值 
16. int fcntl(int fd, int cmd); 
17. int fcntl(int fd, int cmd, long arg); 
18. */  
19.   
20. /* 
21. cmd = F_GETOWN，获得当前接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID 
22. cmd = F_SETOWN，设置接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID；arg = 进程ID或进程组ID 
23. int fcntl(int fd, int cmd); 
24. int fcntl(int fd, int cmd, long arg); 
25. */  
26.   
27. /* 
28. Return value: 
29.  
30. 对于成功的调用，根据操作类型cmd不同，有以下几种情况： 
31.        F_DUPFD  返回新的文件描述符 
32.        F_GETFD  返回文件描述符标志 
33.        F_GETFL  返回文件状态标志 
34.        F_GETOWN 进程ID或进程组ID 
35.        All other commands  返回0 
36. 调用失败， 返回-1，并设置errno。 
37. */  

上面四个功能都是fcntl提供的很常用的操作，关于记录锁的功能就是fcntl提供的第五个功能，具体使用如下：

[cpp] view plaincopy

1. int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);  
2.   
3. /* 
4. cmd = F_GETLK，测试能否建立一把锁 
5. cmd = F_SETLK，设置锁 
6. cmd = F_SETLKW， 阻塞设置一把锁 
7.  
8. */  
9. //POSIX只定义fock结构中必须有以下的数据成员，具体实现可以增加   
10. struct flock {  
11.       short l_type;    /* 锁的类型: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */  
12.       short l_whence;  /* 加锁的起始位置:SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */  
13.       off_t l_start;   /* 加锁的起始偏移，相对于l_whence */  
14.       off_t l_len;     /* 上锁的字节数，如果为0，表示从偏移处一直到文件的末尾*/  
15.       pid_t l_pid;     /* 已经占用锁的PID(只对F_GETLK 命令有效) */  
16.       /*...*/  
17. };  
18. //Return value: 前面已经说明；  

F_SETLK：获取（l_type为F_RDLCK或F_WRLCK）或释放由lock指向flock结构所描述的锁，如果无法获取锁时，该函数会立即返回一个EACCESS或EAGAIN错误，而不会阻塞。

F_SETLKW：F_SETLKW和F_SETLK的区别是，无法设置锁的时候，调用线程会阻塞到该锁能够授权位置。

F_GETLK：F_GETLK主要用来检测是否有某个已存在锁会妨碍将新锁授予调用进程，如果没有这样的锁，lock所指向的flock结构的l_type成员就会被置成F_UNLCK，否则已存在的锁的信息将会写入lock所指向的flock结构中

这里需要注意的是，用F_GETLK测试能否建立一把锁，然后接着用F_SETLK或F_SETLKW企图建立一把锁，由于这两者不是一个原子操作，所以不能保证两次fcntl之间不会有另外一个进程插入并建立一把相关的锁，从而使一开始的测试情况无效。所以一般不希望上锁时阻塞，会直接通过调用F_SETLK，并对返回结果进行测试，以判断是否成功建立所要求的锁。

2记录锁规则说明

前面我们说了记录锁相当于读写锁的一种扩展类型，记录锁和读写锁一样也有两种锁：共享读锁（F_RDLCK）和独占写锁（F_WRLCK）。在使用规则上和读写锁也基本一样：

• 文件给定字节区间，多个进程可以有一把共享读锁，即允许多个进程以读模式访问该字节区；
• 文件给定字节区间，只能有一个进程有一把独占写锁，即只允许有一个进程已写模式访问该字节区；
• 文件给定字节区间，如果有一把或多把读锁，不能在该字节区再加写锁，同样，如果有一把写锁，不能再该字节区再加任何读写锁。

如下表所示：

需要说明的是：上面所阐述的规则只适用于不同进程提出的锁请求，并不适用于单个进程提出的多个锁请求。即如果一个进程对一个文件区间已经有了一把锁，后来该进程又试图在同一文件区间再加一把锁，那么新锁将会覆盖老锁。

下面进行测试；第一个程序是在同一进程中测试能否在加写锁后，继续加读写锁。第二个程序是在在父进程中加写锁后，然后再子进程中测试能否继续加读写锁。

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2. int main()  
3. {    
4.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
5.     writew_lock(fd);  
6.   
7.     cout<<lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;  
8.     cout<<lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;  
9.   
10.     unlock(fd);  
11.   
12.     return 0;  
13. }  

执行结果为：

[cpp] view plaincopy

1. 0  
2. 0  

表明同一进程可以对已加锁的同一文件区间，仍然能获得加锁权限；

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2. int main()  
3. {  
4.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
5.     writew_lock(fd);  
6.   
7.     if (fork() == 0)  
8.     {  
9.         cout<<lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;  
10.         cout<<lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;  
11.   
12.         exit(0);  
13.     }  
14.   
15.     sleep(3);  
16.     unlock(fd);  
17.   
18.     return 0;  
19. }  

执行结果为：

[cpp] view plaincopy

1. 24791  
2. 24791  

表明不同进程不能对已加写锁的同一文件区间，获得加锁权限；

还有就是：加锁时，该进程必须对该文件有相应的文件访问权限，即加读锁，该文件必须是读打开，加写锁时，该文件必须是写打开。

3记录锁的粒度

这里要提到两个概念：记录上锁和文件上锁。

记录上锁：对于UNIX系统而言，“记录”这一词是一种误用，因为UNIX系统内核根本没有使用文件记录这种概念，更适合的术语应该是字节范围锁，因为它锁住的只是文件的一个区域。用粒度来表示被锁住文件的字节数目。对于记录上锁，粒度最大是整个文件。

文件上锁：是记录上锁的一种特殊情况，即记录上锁的粒度是整个文件的大小。

之所以有文件上锁的概念是因为有些UNIX系统支持对整个文件上锁，但没有给文件内的字节范围上锁的能力。

4记录锁的隐含继承与释放

关于记录锁的继承和释放有三条规则，如下：

（1）锁与进程和文件两方面有关，体现在：

• 当一个进程终止时，它所建立的记录锁将全部释放；
• 当关闭一个文件描述符时，则进程通过该文件描述符引用的该文件上的任何一把锁都将被释放。

对于第一个方面，可以建立如下测试代码：

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2.   
3. //process 1   
4. int main()  
5. {  
6.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
7.    
8.     writew_lock(fd);  
9.     cout<<"process 1 get write lock..."<<endl;  
10.       
11.     sleep(10);  
12.   
13.     cout<<"process 1 exit..."<<endl;  
14.     return 0;  
15. }  
16.   
17. //process 2   
18. int main()  
19. {  
20.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
21.   
22.     writew_lock(fd);  
23.     cout<<"process 2 get write lock..."<<endl;  
24.     unlock(fd);  
25.   
26.     return 0;  
27. }  

先启动进程1，然后立即启动进程2，执行结果如下：

[cpp] view plaincopy

1. process 1 get write lock...  
2. process 1 exit...  
3. process 2 get write lock...  

对于第二个方面，可以进行如下测试：

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2. int main()  
3. {  
4.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
5.   
6.     if (fork() == 0)  
7.     {  
8.         int fd_1 = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
9.   
10.         readw_lock(fd_1);  
11.         cout<<"child get read lock..."<<endl;  
12.   
13.         sleep(3);  
14.   
15.         close(fd_1);  
16.         cout<<"close the file descriptor..."<<endl;  
17.   
18.         pause();  
19.     }  
20.   
21.     sleep(1);  
22.   
23.     writew_lock(fd);  
24.     cout<<"parent get write lock..."<<endl;  
25.     unlock(fd);  
26.   
27.     return 0;  
28. }  

程序的执行结果如下：

[cpp] view plaincopy

1. child get read lock...  
2. close the file descriptor...  
3. parent get write lock...  

可见，当关闭文件描述符时，与该文件描述符有关的锁都被释放，同样通过dup拷贝得到的文件描述符也会导致这种情况；

（2）由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁。即对于父进程建立的锁而言，子进程被视为另一个进程。记录锁本身就是用来同步不同进程对同一文件区进行操作，如果子进程继承了父进程的锁，那么父子进程就可以同时对同一文件区进行操作，这有违记录锁的规则，所以存在这么一条规则。

下面是测试代码（上面已经用过该代码进行测试）：

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2. int main()  
3. {  
4.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
5.     writew_lock(fd);  
6.   
7.     if (fork() == 0)  
8.     {  
9.         cout<<lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;  
10.         cout<<lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0)<<endl;  
11.   
12.         exit(0);  
13.     }  
14.   
15.     sleep(3);  
16.     unlock(fd);  
17.   
18.     return 0;  
19.   
20. }  

我们知道在前面已经说过，同一个进程可以重复对同一个文件区间加锁，后加的锁将覆盖前面加的锁。那么再假设如果子进程继承了父进程的锁，那么子进程可以对该锁进行覆盖，那么在子进程内对该锁是否能获得权限的测试应该是可以，但测试结果为：

[cpp] view plaincopy

1. 24791  
2. 24791  

表明已经进程24791已经占用该锁，所以假设不成立，子进程不会继承父进程的锁；

（3）执行exec后，新程序可以继承原执行程序的锁。但是，如果一个文件描述符设置了close-on-exec标志，在执行exec时，会关闭该文件描述符，所以对应的锁也就被释放了，也就无所谓继承了。

5记录锁的读和写的优先级

在读写锁中，我曾经测试过Linux 2.6.18中提供的读写锁函数是优先考虑等待读模式占用锁的线程，这种实现的一个很大缺陷就是出现写入线程饿死的情况。 那么在记录锁中是什么样的规则呢，需要说明的是这在POSIX标准中是没有说明的，要看具体实现。

具体进行以下2个方面测试：

1. 进程拥有读出锁，然后写入锁等待期间额外的读出锁处理；
2. 进程拥有写入锁，那么等待的写入锁和等待的读出锁的优先级；

测试1：父进程获得对文件的读锁，然后子进程1请求加写锁，随即进入睡眠，然后子进程2请求读锁，看进程2是否能够获得读锁。

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2. int main()  
3. {  
4.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
5.     readw_lock(fd);  
6.   
7.     //child  1   
8.     if (fork() == 0)  
9.     {  
10.         cout<<"child 1 try to get write lock..."<<endl;  
11.         writew_lock(fd);  
12.         cout<<"child 1 get write lock..."<<endl;  
13.   
14.         unlock(fd);  
15.         cout<<"child 1 release write lock..."<<endl;  
16.   
17.         exit(0);  
18.     }  
19.   
20.     //child 2   
21.     if (fork() == 0)  
22.     {  
23.         sleep(3);  
24.   
25.         cout<<"child 2 try to get read lock..."<<endl;  
26.         readw_lock(fd);  
27.         cout<<"child 2 get read lock..."<<endl;  
28.   
29.         unlock(fd);  
30.         cout<<"child 2 release read lock..."<<endl;  
31.         exit(0);  
32.     }  
33.   
34.     sleep(10);  
35.     unlock(fd);  
36.   
37.     return 0;  
38. }  

在Linux 2.6.18下执行结果如下：

[cpp] view plaincopy

1. child 1 try to get write lock...  
2. child 2 try to get read lock...  
3. child 2 get read lock...  
4. child 2 release read lock...  
5. child 1 get write lock...  
6. child 1 release write lock...  

可知在有写入进程等待的情况下，对于读出进程的请求，系统会一直给予的。那么这也就可能导致写入进程饿死的局面。

测试2：父进程获得写入锁，然后子进程1和子进程2分别请求获得写入锁和读写锁，看两者的响应顺序；

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2. int main()  
3. {   
4.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
5.     writew_lock(fd);  
6.   
7.     //child  1   
8.     if (fork() == 0)  
9.     {  
10.         sleep(3);  
11.   
12.         cout<<"child 1 try to get write lock..."<<endl;  
13.         writew_lock(fd);  
14.         cout<<"child 1 get write lock..."<<endl;  
15.   
16.         unlock(fd);  
17.         cout<<"child 1 release write lock..."<<endl;  
18.   
19.         exit(0);  
20.     }  
21.   
22.     //child 2   
23.     if (fork() == 0)  
24.     {  
25.         cout<<"child 2 try to get read lock..."<<endl;  
26.         readw_lock(fd);  
27.         cout<<"child 2 get read lock..."<<endl;  
28.   
29.         unlock(fd);  
30.         cout<<"child 2 release read lock..."<<endl;  
31.   
32.         exit(0);  
33.     }  
34.   
35.     sleep(10);  
36.     unlock(fd);  
37.   
38.     return 0;  
39. }  

在Linux 2.6.18下执行结果：

[cpp] view plaincopy

1. child 2 try to get read lock...  
2. child 1 try to get write lock...  
3. child 2 get read lock...  
4. child 2 release read lock...  
5. child 1 get write lock...  
6. child 1 release write lock...  

将上面代码该成child2 sleep 3s，child1不sleep

[cpp] view plaincopy

1. //调用的函数，在文章末尾贴出   
2. int main()  
3. {   
4.     int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);  
5.     writew_lock(fd);  
6.   
7.     //child  1   
8.     if (fork() == 0)  
9.     {  
10.         cout<<"child 1 try to get write lock..."<<endl;  
11.         writew_lock(fd);  
12.         cout<<"child 1 get write lock..."<<endl;  
13.   
14.         unlock(fd);  
15.         cout<<"child 1 release write lock..."<<endl;  
16.   
17.         exit(0);  
18.     }  
19.   
20.     //child 2   
21.     if (fork() == 0)  
22.     {  
23.         sleep(3);  
24.   
25.         cout<<"child 2 try to get read lock..."<<endl;  
26.         readw_lock(fd);  
27.         cout<<"child 2 get read lock..."<<endl;  
28.   
29.         unlock(fd);  
30.         cout<<"child 2 release read lock..."<<endl;  
31.   
32.         exit(0);  
33.     }  
34.   
35.     sleep(10);  
36.     unlock(fd);  
37.   
38.     return 0;  
39. }  

在Linux 2.6.18下执行结果如下：

[cpp] view plaincopy

1. child 1 try to get write lock...  
2. child 2 try to get read lock...  
3. child 1 get write lock...  
4. child 1 release write lock...  
5. child 2 get read lock...  
6. child 2 release read lock...  

由上可知在Linux 2.6.18下，等待的写入锁进程和读出锁进程的优先级由FIFO的请求顺序进程响应。

6记录锁的使用封装

[cpp] view plaincopy

1. void lock_init(flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)  
2. {  
3.     if (lock == NULL)  
4.         return;  
5.   
6.     lock->l_type = type;  
7.     lock->l_whence = whence;  
8.     lock->l_start = start;  
9.     lock->l_len = len;  
10. }  
11.   
12. int readw_lock(int fd)  
13. {  
14.     if (fd < 0)  
15.     {  
16.         return -1;  
17.     }  
18.   
19.     struct flock lock;  
20.     lock_init(&lock, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0);  
21.   
22.     if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)  
23.     {  
24.         return -1;  
25.     }  
26.       
27.     return 0;  
28. }  
29.   
30. int writew_lock(int fd)  
31. {  
32.     if (fd < 0)  
33.     {  
34.         return -1;  
35.     }  
36.   
37.     struct flock lock;  
38.     lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);  
39.   
40.     if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)  
41.     {  
42.         return -1;  
43.     }  
44.   
45.     return 0;  
46. }  
47.   
48. int unlock(int fd)  
49. {  
50.     if (fd < 0)  
51.     {  
52.         return -1;  
53.     }  
54.   
55.     struct flock lock;  
56.     lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);  
57.   
58.     if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)  
59.     {  
60.         return -1;  
61.     }  
62.   
63.     return 0;  
64. }  
65.   
66. pid_t lock_test(int fd, short type, short whence, off_t start, off_t len)  
67. {  
68.     flock lock;  
69.     lock_init(&lock, type, whence, start, len);  
70.   
71.     if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == -1)  
72.     {  
73.         return -1;  
74.     }  
75.   
76.     if(lock.l_type == F_UNLCK)  
77.         return 0;  
78.     return lock.l_pid;  
79. }  

Jun 28, 2013 PM16:06 @lab  困呀。。。