IPC之记录锁详解

短命女 2022-09-25 08:17 227阅读 0赞

**基本概念：**

当两个人同时编辑一个文件时，其后果将如何？在大多数unix系统中，该文件的最后状态取决于写该文件的最后一个进程，

记录锁（record locking）的功能是：当一个进程正在读或者修改文件的某个部分时，使用记录锁可以阻止其他进程修改同一区域。

POSIX.1标准是使用fcntl方法控制记录锁，函数原型如下

FCNTL(2)                   Linux Programmer's Manual                  FCNTL(2)
    
    NAME
           fcntl - manipulate file descriptor
    
    SYNOPSIS
           #include <unistd.h>
           #include <fcntl.h>
    
           int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

对于记录锁，cmd是F\_GETLK, F\_SETLK 或 F\_SETLKW。第三个参数是一个指向flock结构的指针。

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) */
    };

对flock结构说明如下：

1.所希望的锁类型：F\_RDLCK（共享读锁）,F\_WRLCK（独占写锁）,F\_UNLCK（解锁一个区域）

2.要加锁或解锁区域的起始字节偏移量（l\_start和l\_whence）

3.要加锁或解锁区域的字节长度（l\_len）

4.进程的ID（l\_pid）持有的锁能阻塞当前进程（仅由F\_GETLK返回）

关于加锁和解锁区域的说明：

1.指定区域起始偏移量的两个元素与lseek函数中的最后两个参数类似。l\_whence可选用值是SEEK\_SET, SEEK\_CUR, SEEK\_END

2.锁可以在当前文件尾端处开始或者越过文件尾端处开始，但是不能在文件起始位置之前开始

3.如若l\_len为0，则表示锁的范围可以扩展到最大可能偏移量，这意味着不管向文件中追加写了多少数据，它们都可以处于锁的范围内

4.为了对整个文件加锁，可以设置l\_start为0，l\_whence为SEEK\_SET，l\_len为0

**锁的互斥性：**

对于单进程：

如果一个进程对一个文件区间已经有了一把锁，后来该进程又企图在同一个文件区间再加一把锁，那么新锁将替换已有锁。

对于多进程，如图示：

![20160817003158978][]

**加读锁时。该描述符必须是读打开。加写锁时，该描述符必须是写打开。**

**说明一下fcntl函数的3种命令：**

F\_GETLK：判断所描述的锁是否会被另外一把锁排斥，如果不存在这种情况，l\_type被设置为F\_UNLCK

F\_SETLK：设置锁，如果锁被排斥，那么fcntl会立即出错返回，此时errno设置为EACCES或EAGIN  
F\_SETLKW：这个命令是F\_SETLK的阻塞版本，如果需要设置的锁被排斥，那么进程会休眠等待锁成功设置。

应该了解，用F\_GETLK测试能否建立一把锁，然后用F\_SETLK或F\_SETLKW企图建立那把锁，这两者不是一个原子操作。因此不能保证在这两次fcntl调用之间不会有另一个进程插入并建立一把相同的锁。

**程序1，设置读锁,，gcc flock\_read.c -o readflock**

#include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <errno.h>
    
    void Perror(const char *s)
    {
        perror(s);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    /* 检查锁，如果返回0，可以加锁, 否则表示存在写锁或者读锁 */
    pid_t lock_test(int fd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
    {
        struct flock lock;
    
        lock.l_type = type;
        lock.l_start = offset;
        lock.l_whence = whence;
        lock.l_len = len;
    
        if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) < 0)
            Perror("fcntl error");
    
        /* 这里F_UNLCK并不表示文件不存在锁，表示允许加读or写锁 */
        if (lock.l_type == F_UNLCK)
            return 0;
    
        return lock.l_pid;
    }
    
    /* 设置锁 or 解锁 */
    int lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
    {
        struct flock lock;
    
        lock.l_type = type;
        lock.l_start = offset;
        lock.l_whence = whence;
        lock.l_len = len;
    
        return(fcntl(fd, cmd, &lock));
    }
    
    int main()
    {
        // 创建文件
        int fd = open("./test.temp", O_RDONLY | O_CREAT | O_EXCL, 0777);
        if (fd == -1) {
            printf("file exeit\n");
            fd = open("./test.temp", O_RDONLY, 0777);
        } else {
            printf("create file success\n");
        }
    
        pid_t pid = getpid();
        printf("the proc pid:%d\n", pid);
    
        // check read
        pid_t lockpid = lock_test(fd, F_RDLCK, 0, SEEK_SET, 0);
        if (lockpid == 0)
            printf("check read lockable, ok\n");
        else
            printf("check read lockable, can't. have write lock, owner pid:%d\n", lockpid);
    
        // set read lock
        if (lock_reg(fd, F_SETLK, F_RDLCK, 0, SEEK_SET, 0) < 0)
            printf("set read lock failed\n");
        else
            printf("set read lock success\n");
    
        sleep(60);
        return 0;
    }

**程序2，设置写锁,，gcc flock\_write.c -o writeflock**

#include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <errno.h>
    
    void Perror(const char *s)
    {
        perror(s);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    /* 检查锁，如果返回0，可以加锁, 否则表示存在写锁或者读锁 */
    pid_t lock_test(int fd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
    {
        struct flock lock;
    
        lock.l_type = type;
        lock.l_start = offset;
        lock.l_whence = whence;
        lock.l_len = len;
    
        if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) < 0)
            Perror("fcntl error");
    
        /* 这里F_UNLCK并不表示文件不存在锁，表示允许加读or写锁 */
        if (lock.l_type == F_UNLCK)
            return 0;
    
        return lock.l_pid;
    }
    
    /* 设置锁 or 解锁 */
    int lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
    {
        struct flock lock;
    
        lock.l_type = type;
        lock.l_start = offset;
        lock.l_whence = whence;
        lock.l_len = len;
    
        return(fcntl(fd, cmd, &lock));
    }
    
    int main()
    {
        // 创建文件
        int fd = open("./test.temp", O_WRONLY | O_CREAT | O_EXCL, 0777);
        if (fd == -1) {
            printf("file exeit\n");
            fd = open("./test.temp", O_WRONLY, 0777);
        } else {
            printf("create file success\n");
        }
    
        pid_t pid = getpid();
        printf("the proc pid:%d\n", pid);
    
        // check write
        pid_t lockpid = lock_test(fd, F_WRLCK, 0, SEEK_SET, 0);
        if (lockpid == 0)
            printf("check write lockable, ok\n");
        else
            printf("check write lockable, can't. have read or write lock, owner pid:%d\n", lockpid);
    
        // set write lock
        if (lock_reg(fd, F_SETLK, F_WRLCK, 0, SEEK_SET, 0) < 0)
            printf("set write lock failed\n");
        else
            printf("set write lock success\n");
    
        sleep(60);
        return 0;
    }

**测试1，进程1设置读锁，进程2再设置读锁：**

**![20160817004630199][]**

**测试2，进程1设置读锁，进程2再设置写锁：**

**![20160817004634733][]**

**测试3，进程1设置写锁，进程2再设置读锁：**

**![20160817004638233][]**

**测试4，进程1设置写锁，进程2再设置写锁：**

![20160817004642075][]

**锁的隐含继承和释放：**

1.进程终止时，它所建立的锁全部释放。

2.无论一个描述符何时关闭，该进程通过这一描述符引用建立的任何一把锁都会释放。

3.由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁。

4.在执行exec后，新程序可以继承原执行程序的锁。因为执行exec前后还是一个进程。我们 只是改变进程执行的程序，并没有创建新的进程。

**建议性锁和强制性锁：**

**建议性锁**：建议锁又称协同锁。对于这种类型的锁 ，内核只是提供加减锁以及检测是否加锁的操作，但是不提供锁的控制与协调工作。也就是说，如果应用程序对某个文件进行操作时，没有检测是否加锁或者无视加锁而直接向文件写入数据，内核是不会加以阻拦控制的。因此，建议锁，不能阻止进程对文件的操作，而只能依赖于大家自觉的去检测是否加锁然后约束自己的行为

**强制性锁**：内核会检查每一个open、read、write，验证调用进程是否违背了正在访问的文件上的某一把锁。

**经过测试：unubtu 14是建议性锁**

参考：《unix环境高级编程》·第三版

End;

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[20160817004630199]: /images/20220718/8ed5ded0b0d845f1ab02dd34f6e97497.png
[20160817004634733]: /images/20220718/ee56b367e28a4801838828ffae80e388.png
[20160817004638233]: /images/20220718/be9a593be9a14d338fc0fcb6e73d927b.png
[20160817004642075]: /images/20220718/587071ea5df946749edb0b05c8880c2b.png