linux中fcntl()、lockf、flock的区别

fcntl() 、l ockf
、flock的区别

——lvyilong316

这 三个函数的作用都是给文件加锁，那它们有什么区别呢？首先 flock
和 fcntl 是系统调用，而 lockf 是库函数
。 lockf 实际上是 fcntl 的封装
，所以 lockf 和 fcntl 的底层实现是一样的，对文件加锁的效果也是一样的。后面分析不同点时大多数情况是将
fcntl 和 lockf 放在一起的。下面首先看每个函数的使用，从使用的方式和效果来看各个函数的区别。

1. flock

l  函数原型

#include <sys/file.h>

int flock(int fd, int operation);  // Apply or remove an  advisory lock
 on the open file specified by fd ，只是建议性锁

其中 fd 是系统调用 open 返回的文件描述符，
operation 的选项有：

LOCK_SH  ：共享锁

LOCK_EX  ：排他锁或者独占锁

LOCK_UN :  解锁。

LOCK_NB ：非阻塞（与以上三种操作一起使用）

关于 flock 函数，首先要知道 flock 函数只能对整个文件上锁，而不能对文件的某一部分上锁
，这是于 fcntl /lock f 的第一个重要区别，后者可以对文件的某个区域上锁。其次，
flock 只能产生劝告性锁 。 我们知道，
linux 存在强制锁（ mandatory lock ）和劝告锁（
advisory lock ）。所谓强制锁，比较好理解，就是你家大门上的那把锁，最要命的是只有一把钥匙，只有一个进程可以操作。所谓劝告锁，本质是一种协议，你访问文件前，先检查锁，这时候锁才其作用，如果你不那么
kind ，不管三七二十一，就要读写，那么劝告锁没有任何的作用。而遵守协议，读写前先检查锁的那些进程，叫做合作进程。再次，
flock 和 fcntl /lockf
的区别主要在 fork 和 dup 。

(1)  flock 创建的锁是和文件打开表项（ struct
  file ）相关联的，而不是 fd 。这就意味着复制文件
fd （通过 fork 或者 dup
）后，那么通过这两个 fd 都可以操作这把锁（例如通过一个 fd
加锁，通过另一个 fd 可以释放锁），也就是说 子进程继承父进程的锁
。但是上锁过程中关闭其中一个 fd ，锁并不会释放（因为 file
结构并没有释放），只有关闭所有复制出的 fd ，锁才会释放。测试程序入程序一。

l  程序一

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#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 ;
}



运行结果如图，对 fd1 上锁，并不影响程序通过 fd2 上锁。对于父子进程，参考程序二。

l  程序二

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#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 ;
}



运行结果如图，子进程持有锁，并不影响父进程通过相同的 fd 获取锁，反之亦然。

(2) 使用 open 两次打开同一个文件，得到的两个
fd 是独立的（因为底层对应两个 file 对象），通过其中一个加锁，通过另一个无法解锁，并且在前一个解锁前也无法上锁。测试程序如程序三：

l  程序三

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#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 ;
}


结果如图，通过 fd1 获取锁后，无法再通过 fd2 获取锁。

(3)  使用 exec 后，文件锁的状态不变。

(4)  flock 不能再 NFS 文件系统上使用，如果要在
NFS 使用文件锁，请使用 fcntl 。

(5) flock 锁可递归，即通过 dup 或者或者
fork 产生的两个 fd ，都可以加锁而不会产生死锁。

2.  lockf 与 fcntl

l  函数原型

#include <unistd.h>

int lockf(int fd, int cmd, off_t len);

fd 为通过 open 返回的打开文件描述符。

cmd 的取值为：

F_LOCK ：给文件互斥加锁，若文件以被加锁，则会一直阻塞到锁被释放。

F_TLOCK ：同 F_LOCK ，但若文件已被加锁，不会阻塞，而回返回错误。

F_ULOCK ：解锁。

F_TEST ：测试文件是否被上锁，若文件没被上锁则返回 0
，否则返回 -1 。

len ：为从文件当前位置的起始要锁住的长度。

通过函数参数的功能，可以看出 lockf 只支持排他锁，不支持共享锁。

#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) */ 

...        

}; 

文件记录加锁相关的 cmd  分三种：

F_SETLK ：申请锁（读锁 F_RDLCK ，写锁 F_WRLCK
）或者释放所（ F_UNLCK ），但是如果 kernel
无法将锁授予本进程（被其他进程抢了先，占了锁），不傻等，返回 error 。

F_SETLKW ：和 F_SETLK 几乎一样，唯一的区别，这厮是个死心眼的主儿，申请不到，就傻等。

F_GETLK ：这个接口是获取锁的相关信息： 这个接口会修改我们传入的 struct flock
。

通过函数参数功能可以看出 fcntl 是功能最强大的，它既支持共享锁又支持排他锁，即可以锁住整个文件，又能只锁文件的某一部分。

下面看 fcntl /lockf 的特性：

(1)  上锁可递归，如果一个进程对一个文件区间已经有一把锁，后来进程又企图在同一区间再加一把锁，则新锁将替换老锁。

(2)  加读锁（共享锁）文件必须是读打开的，加写锁（排他锁）文件必须是写打开。

(3)  进程不能使用 F_GETLK 命令来测试它自己是否再文件的某一部分持有一把锁。
F_GETLK 命令定义说明，返回信息指示是否现存的锁阻止调用进程设置它自己的锁。因为， F_SETLK
和 F_SETLKW 命令总是替换进程的现有锁，所以调用进程绝不会阻塞再自己持有的锁上，于是
F_GETLK 命令绝不会报告调用进程自己持有的锁。

(4)  进程终止时，他所建立的所有文件锁都会被释放，队医 flock 也是一样的。

(5)  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被释放（这些锁都是该进程设置的），这一点与
flock 不同 。如：

fd 1 = open(pathname, …);

lockf(fd1, F_LOCK, 0);

fd2 = dup(fd1);

close(fd2);

则在 close (fd2) 后，再 fd1
上设置的锁会被释放，如果将 dup 换为 open
，以打开另一描述符上的同一文件，则效果也一样。

fd 1 = open(pathname, …);

lockf(fd1, F_LOCK, 0);

fd2 = open(pathname, …);

close(fd2);

(6)  由 fork 产生的子进程不继承父进程所设置的锁，这点与
flock 也不同。

(7)  在执行 exec 后，新程序可以继承原程序的锁，这点和
flock 是相同的。（如果对 fd 设置了 close-on-exec
，则 exec 前会关闭 fd ，相应文件的锁也会被释放）。

(8)  支持强制性锁：对一个特定文件打开其设置组 ID 位
(S _ISGID ) ，并关闭其组执行位 (S_IXGRP)
，则对该文件开启了强制性锁机制。再 L i nux 中如果要使用强制性锁，则要在文件系统
mount 时，使用 _omand 打开该机制。

3.  两种锁的关系

那么 flock 和 lockf /fcntl
所上的锁有什么关系呢？答案时互不影响。测试程序如下：

点击( 此处 )折叠或打开

#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 ;
}

测试结果如下：

$./a.out

flock return ret : 0

lockf return ret: 0

可见 flock 的加锁，并不影响 lockf 的加锁。两外我们可以通过
/proc/lock s 查看进程获取锁的状态。

$ps aux | grep a.out | grep -v grep

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

我们可以看到 /proc/locks 下面有锁的信息：我现在分别叙述下含义：

1)  POSIX FLOCK  这个比较明确，就是哪个类型的锁。 flock
系统调用产生的是 FLOCK ， fcntl
调用 F_SETLK ， F_SETLKW 或者
lockf 产生的是 POSIX 类型，有次可见两种调用产生的锁的类型是不同的；

2)  ADVISORY 表明是劝告锁；

3)  WRITE 顾名思义，是写锁，还有读锁；

4)  18849 是持有锁的进程 ID 。当然对于
flock 这种类型的锁，会出现进程已经退出的状况。

5)  08:02:852674 表示的对应磁盘文件的所在设备的主设备好，次设备号，还有文件对应的
inode number 。

6)  0 表示的是所的其实位置

7)  EOF 表示的是结束位置。 这两个字段对 fcntl
类型比较有用，对 flock 来是总是 0  和
EOF 。