高级IO——文件锁
文件锁也被称为记录所，文件锁如果深讲的话，内容不少（比如文件锁最起码分为了建议锁和强制性锁，暂时挖坑，后面填）。
文件锁作用
顾名思义，就是用来保护文件数据的。当多个进程共享读写同一个文件时，为了不让进程们各自读写数据时相互干扰，我们可以使用进程信号量来互斥实现，除了可以使用进程信号量以外，还可以使用我们本小节要讲的“文件锁”来实现，而且功能更丰富，使用起来相对还更容易些。
多进程读写文件
多进程共享读写同一个文件时，如果数据很重要的话，为了防止数据相互修改，应该满足如下读写条件：
①写与写应该互斥
当某个进程正在写文件，而且在数据没有写完时，其它进程不能写，否者会相互打乱对方写的数据。
②读与写也应该是互斥的
分两种情况：
1）某个进程正在写数据，而且在数据没有写完时，其它进程不能读数据。因为别人在没有写完之前，读到的数据是不完整的，所以读和写时互斥的。
2）某个进程正在读数据，在数据没有读完之前，其它进程不能写数据。因为可能会扰乱别人读到的数据。
③读与读共享
某个进程在读数时，就算数据没有读完，其它进程也可以共享读数据，并不需要互斥等别人读完后才能读。因为读文件是不会修改文件的内容，所以不用担心数据相互干扰的问题。
总结起来就是，多进程读写文件时，如果你想进行资源保护的话，完美的资源保护应该满足如下这样的。
1）写与写之间互斥
2）读与写之间互斥
3）读与读之间共享
如何实现以上读写要求？
如果使用信号量来实现保护的话，只能是一律互斥，包括读与读都是互斥的，不能够向上面描述的，既能互斥又能共享，但是文件锁可以做到。
文件锁的读锁与写锁
对文件加锁时可以加两种锁，分别是“读文件锁”和“写文件锁”，我们这里简称为读锁和写锁。
读锁、写锁之间关系
①读锁和读锁共享：可以重复加读锁，别人加了读锁在没有解锁之前，我依然可以加读锁，这就是共享。
②读锁与写锁互斥：别人加了读锁没有解锁前，加写锁会失败，反过来也是如此。
加锁失败后两种处理方式，
（1）阻塞，直到别人解锁然后加锁成功为止
（2）出错返回，不阻塞
③写锁与写锁互斥：别人加了写锁在没有解锁前，不能加写锁，加写锁会失败。
加锁失败后两种处理方式，
（1）阻塞，直到别人解锁然后加锁成功为止
（2）出错返回，不阻塞
使用文件锁对文件进行保护
读文件时加读锁，写文件时就加写锁，然后就可以很容易的实现符合如下要求的资源保护。
1）写与写之间互斥
2）读与写之间互斥
3）读与读之间共享
文件锁的加锁方式
（1）对整个文件内容加锁
对整个文件加锁是最常用的文件锁的加锁方式。当你对整个文件加锁时，如果文件的长度因为写入新数据或者截短而发生了变化，加锁内容的长度会自动变化，保证对内容变化着的整个文件加锁。
（2）对文件某部分内容加锁
不过一般来说是，对多少内容加锁，就对多少内容解锁，如果你是对整个文件加锁，就将整个文件解锁。但是实际上加锁和实际解锁的长度可以不相同，比如我对1000个字节的内容加了锁，但是可以只对其中的100字节解锁，不过这种情况用的少，知道有这么回事即可。
文件锁的实现——fcntl
实现文件锁时，我们还是需要使用fcntl函数。
再看看fcntl的函数
原型
#include <unistd.h> #include <fcntl.h> int fcntl(int fd, int cmd, .../*struct flock *flockptr */ );
功能
fcntl函数有多种功能，我们这里主要介绍实现文件锁的功能，当cmd被设置的是与文件锁相关的宏时，fcntl就是用于实现文件锁。
返回值
成功返回0，失败则返回-1，并且errno被设置。
参数
fd：文件描述符，指向需要被加锁的文件。
cmd：实现文件锁时，cmd有三种设置，F_GETLK、F_SETLK和F_SETLKW含义如下：
F_GETLK：
从内核获取文件锁的信息，将其保存到第三个参数，此时第三个参数为struct flock *flockptr。我们这里是要设置文件锁，而不是获取已有文件锁的信息，我们这里用不到这个宏。
F_SETLK：
设置第三个参数所代表的文件锁，而且设置的是非阻塞文件锁，也就是如果加锁失败不会阻塞。也就是说加锁失败后如果不想阻塞的话，就是由F_SETLK宏来决定的。
此时需要用到第三个参数，struct flock *flockptr。
使用举例：
第一步：定义一个struct flock flockptr结构体变量（这个结构体变量就是文件锁）。
第二步：设置flockptr的成员，表示你想设置什么样的文件锁。
第三步：通过第三个参数，将设置好的flockptr的地址传递给fcntl，设置你要的文件锁
F_SETLKW：
与F_SETLK一样，只不过设置的是阻塞文件锁，也就说加锁不成功的话就阻塞，是由F_SETLKW宏来决定的。
第三个参数：
第三个参数设置为什么视情况而定，如果fcntl用于实现文件锁的话，第三个参数为struct flock *flockptr，flockptr代表的就是文件锁。对flockptr的成员设置为特定的值，就可以将文件锁设置为你想要的锁。
struct flock结构体如下：
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) }
成员说明
l_type：锁类型
F_RDLCK：读锁（或称共享锁）
F_WRLCK：写锁
F_UNLCK：解锁
l_whence：加锁位置粗定位，设置同lseek的whence
SEEK_SET：文件开始处
SEEK_CUR：文件当前位置处
SEEK_END：文件末尾位置处
l_whence这个与lseek函数的whence是一个含义，off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
l_start：精定位，相对l_whence的偏移，与lseek的offset的含义完全一致
通过l_whence和l_start的值，就可以用来指定从文件的什么位置开始加锁，不过一般来说，我们会将l_whence指定为SEEK_SET，l_start指定为0，表示从整个文件头上开始加锁。
l_len：从l_whence和l_start所指定的起始地点算起，对文件多长的内容加锁。
如果l_len被设置0，表示一直加锁到文件的末尾，如果文件长度是变化的，将自动调整加锁的末尾位置。
将l_whence和l_start设置为SEEK_SET和0，然后再将l_len设置为0，就表示从文件头加锁到文件末尾，其实就是对整个文件加锁。
flockptr.l_whence=SEEK_SET; flockptr.l_start=0; flockptr.l_len=0;
就就表示对整个文件加锁。
如果只是对文件中间的某段加锁，这只是区域加锁，加区域锁时可以给文件n多个的独立区域加锁。
l_pid：当前正加着锁的那个进程的PID
只有当我们获取一个已存在锁的信息时，才会使用这个成员，这个成员的值不是我们设置的，是由文件锁自己设置的，我们只是获取以查看当前那个进程正加着锁。对于我们目前设置文件锁来说，这个成员用不到。
代码演示
使用文件锁的互斥操作，解决父子进程向同一文件写“hello ”，“world\n”时，hello hello world相连的问题。
file_lock.h
1 #ifndef H_FILELOCK_H 2 #define H_FILELOCK_H 3 4 #include <unistd.h> 5 #include <fcntl.h> 6 7 //非阻塞设置写锁 8 #define SET_WRFLCK(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 9 set_filelock(fd, F_SETLK, F_WRLCK, l_whence, l_offset, l_len) 10 //阻塞设置写锁 11 #define SET_WRFLCK_W(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 12 set_filelock(fd, F_SETLKW, F_WRLCK, l_whence, l_offset, l_len) 13 14 //非阻塞设置读锁 15 #define SET_RDFLCK(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 16 set_filelock(fd, F_SETLK, F_RDLCK, l_whence, l_offset, l_len) 17 //阻塞设置读锁 18 #define SET_RDFLCK_W(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 19 set_filelock(fd, F_SETLKW, F_RDLCK, l_whence, l_offset, l_len) 20 21 //解锁 22 #define UNLCK(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 23 set_filelock(fd, F_SETLK, F_UNLCK, l_whence, l_offset, l_len) 24 25 /* 调用这个函数,即可实现阻塞加读锁/阻塞加写锁, 非阻塞加读锁/非阻塞加写锁/解锁 */ 26 static void set_filelock(int fd, int ifwait, int l_type, int l_whence, int l_offset, int l_len) 27 { 28 int ret = 0; 29 struct flock flck; 30 31 flck.l_type = l_type; 32 flck.l_whence = l_whence; 33 flck.l_start = l_offset; 34 flck.l_len = l_len; 35 36 ret = fcntl(fd, ifwait, &flck); 37 if(ret == -1) 38 { 39 perror("fcntl fail"); 40 exit(-1); 41 } 42 } 43 44 45 46 #endif
main.c
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdio.h> 3 #include <stdlib.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include <fcntl.h> 6 #include <string.h> 7 #include <sys/types.h> 8 #include <sys/stat.h> 9 #include <fcntl.h> 10 #include <errno.h> 11 #include "file_lock.h" 12 13 14 void print_err(char *str, int line, int err_no) 15 { 16 printf("%d, %s: %s\n", line, str, strerror(err_no)); 17 exit(-1); 18 } 19 20 int main(void) 21 { 22 int fd = 0; 23 int ret = 0; 24 25 fd = open("./file", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664); 26 if(fd == -1) print_err("./file", __LINE__, errno); 27 28 ret = fork(); 29 if(ret > 0) 30 { 31 32 while(1) 33 { 34 SET_WRFLCK_W(fd, SEEK_SET, 0, 0); 35 write(fd, "hello ", 6); 36 write(fd, "world\n", 6); 37 UNLCK(fd, SEEK_SET, 0, 0); 38 } 39 } 40 else if(ret == 0) 41 { 42 while(1) 43 { 44 SET_WRFLCK_W(fd, SEEK_SET, 0, 0); 45 write(fd, "hello ", 6); 46 write(fd, "world\n", 6); 47 UNLCK(fd, SEEK_SET, 0, 0); 48 } 49 } 50 51 return 0; 52 } 53 54
文件锁原理
多个进程读——图A
仔细看上面图的话，很多人可能会感觉“画错了吧，怎么锁链表上全是A进程呢？”
假如前提条件是：父进程创建fd,子进程继承这个fd。加锁只涉及加读锁。加锁只对整个文件加锁
那么上面图，如果锁是共享锁，没画错。如果是互斥锁，画错了。
假如前提条件是：父进程创建fd,子进程继承这个fd。加锁只涉及加读锁。锁是互斥锁。但是加锁都是对文件部分片段加锁，各个片段不重复。
上面那幅图也是对的
还需要注意一点，上面那个锁链表只是一个示意图，内核实现不一定是这样的。一个fd也就是一个文件，后面对这个文件的加锁，无论是互斥锁，共享锁... 锁定的范围无论是文件局部，还是全部。都可以串成一个锁链表。也可以向进程调度队列那样，根据不同加锁原因设置不同锁链表。这些我都是内核实现问题，都是有可能的。上图只是个逻辑画法。
只允许一个进程写（写写互斥，写读互斥）——图B
链表上节点代表是一把锁（读锁和写锁），节点存在时表示没有解锁，如果解锁了锁节点就不存在了。锁节点记录了锁的基本信息。
①锁类型
②加锁的起始位置（l_whence、l_start）
③加锁的长度（l_len）
④当前正在加着锁的那个进程的PID
加锁时，进程会检查共享的文件锁链表。
进程想加读锁
1）如果链表上只有读锁节点
所有目前其它进程对该文件只加了读锁，由于读锁时共享的，所以不管链表上有几个读锁节点，当前进程都能成功加读锁。见上面图A
提问：链表上可不可以存在n多个读锁节点？
答：可以，因为读锁是共享的，不管别的进程有没有解读锁，所有的进程都可以加读锁，每加一个读锁，链表上就多一个读锁节点，只有当解锁时节点才被删除。
2）如果链表上有一个写锁节点
表明目前有进程对文件加了写锁，锁节点还存在，表示人家目前还没有解锁，读锁和写锁是互斥的，所以当前不能加读锁，别人解锁后才能加读锁，加锁后链表上就插入一个读锁节点。
提问：链表上能不能同时存在多个写锁节点？
答：不可能，因为写锁是互斥的，目前只能有一个进程在给文件加写锁，在解锁之前，别的进程不能加写锁。所以链表上不可能有大于一个的写锁节点，否者就不能实现互斥了。
提问：链表上会不会同时存在读锁节点和写锁节点？
答：读锁节点和写锁节点也是互斥的，链表上有读锁节点就不可能存在写锁节点，反过来有写锁节点就不可能有读锁节点。
进程想加写锁
1）如果链表上有读锁节点，别人还没有解锁，读锁与写锁互斥，不能加写锁。
2）如果链表上有写锁节点，别人还没有解锁，写锁与写锁互斥，多以当前进程不能加写锁
对比进程信号量
1）进程信号量：进程间共享信号量集合，通过检查集合中信号量的值，从而知道自己能不能操作
2）文件锁：进程共享文件锁链表，通过检查链表上的锁节点，从而知道自己能不能操作
文件锁其它值得注意的地方
（a）在同一进程中，如果多个文件描述符指向同一文件，只要关闭其中任何一个文件描述符，那么该进程加在文件上的文件锁将会被删除，也就是该进程在“文件锁链表”上的“读锁写锁”节点会被删除。进程终止时会关闭所有打开的文件描述符，所以进程结束时会自动删除所有加的文件锁。
（b）父进程所加的文件锁，子进程不会继承，我们在讲进程控制时就说过。加锁是进程各自私人事情，不能继承，就好比你老爸有抽烟的嗜好，难道这也需要继承吗，肯定不是的。
（c）多线程间能不能使用fcntl实现的文件锁呢？
可以，但是线程不能使用同一个open返回的文件描述符，线程必须使用自己open所得到的文件描述符才有效。
代码演示
file_lock.h
1 #ifndef H_FILELOCK_H 2 #define H_FILELOCK_H 3 4 #include <unistd.h> 5 #include <fcntl.h> 6 7 //非阻塞设置写锁 8 #define SET_WRFLCK(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 9 set_filelock(fd, F_SETLK, F_WRLCK, l_whence, l_offset, l_len) 10 //阻塞设置写锁 11 #define SET_WRFLCK_W(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 12 set_filelock(fd, F_SETLKW, F_WRLCK, l_whence, l_offset, l_len) 13 14 //非阻塞设置读锁 15 #define SET_RDFLCK(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 16 set_filelock(fd, F_SETLK, F_RDLCK, l_whence, l_offset, l_len) 17 //阻塞设置读锁 18 #define SET_RDFLCK_W(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 19 set_filelock(fd, F_SETLKW, F_RDLCK, l_whence, l_offset, l_len) 20 21 //解锁 22 #define UNLCK(fd, l_whence, l_offset, l_len)\ 23 set_filelock(fd, F_SETLK, F_UNLCK, l_whence, l_offset, l_len) 24 25 /* 调用这个函数,即可实现阻塞加读锁/阻塞加写锁, 非阻塞加读锁/非阻塞加写锁/解锁 */ 26 static void set_filelock(int fd, int ifwait, int l_type, int l_whence, int l_offset, int l_len) 27 { 28 int ret = 0; 29 struct flock flck; 30 31 flck.l_type = l_type; 32 flck.l_whence = l_whence; 33 flck.l_start = l_offset; 34 flck.l_len = l_len; 35 36 ret = fcntl(fd, ifwait, &flck); 37 if(ret == -1) 38 { 39 perror("fcntl fail"); 40 exit(-1); 41 } 42 } 43 44 45 46 #endif
main.c
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <pthread.h> 5 #include <sys/types.h> 6 #include <sys/stat.h> 7 #include <fcntl.h> 8 #include <string.h> 9 #include <errno.h> 10 #include "file_lock.h" 11 #include <sys/file.h> 12 13 14 15 void print_err(char *str, int line, int err_no) 16 { 17 printf("%d, %s: %s\n", line, str, strerror(err_no)); 18 exit(-1); 19 } 20 21 void *pth_fun(void *pth_arg) 22 { 23 int fd = 0; 24 25 fd = open("./file", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664); 26 if(fd == -1) print_err("open ./file fail", __LINE__, errno); 27 while(1) 28 { 29 SET_WRFLCK_W(fd, SEEK_SET, 0, 0); 30 write(fd, "hello ", 6); 31 write(fd, "world\n", 6); 32 UNLCK(fd, SEEK_SET, 0, 0); 33 } 34 35 return NULL; 36 } 37 38 int main(void) 39 { 40 int fd = -1; 41 int ret = -1; 42 pthread_t tid; 43 44 fd = open("./file", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664); 45 if(fd == -1) print_err("open ./file fail", __LINE__, errno); 46 47 48 ret = pthread_create(&tid, NULL, pth_fun, NULL); 49 if(ret == -1) print_err("pthread_create fail", __LINE__, ret); 50 51 52 while(1) 53 { 54 SET_WRFLCK_W(fd, SEEK_SET, 0, 0); 55 write(fd, "hello ", 6); 56 write(fd, "world\n", 6); 57 UNLCK(fd, SEEK_SET, 0, 0); 58 } 59 60 61 return 0; 62 }
文件锁的实现——flock
lock与fcntl所实现的文件锁一样，既能够用在多进程上，也能用在多线程上，而且使用起来比fcntl的实现方式更方便，只是使用这个函数时，需要注意一些小细节。
flock函数
原型
#include<sys/file.h> int flock(int fd, int operation);
功能
按照operation的要求，对fd所指向的文件加对应的文件锁。加锁不成功时会阻塞。
参数
fd：指向需要被加锁的文件
operation：
LOCK_SH：加共享锁
LOCK_EX：加互斥锁
LOCK_UN：解锁
返回值
成功返回0，失败返回-1，errno被设置
代码演示
用于多进程
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdio.h> 3 #include <stdlib.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include <fcntl.h> 6 #include <string.h> 7 #include <sys/types.h> 8 #include <sys/stat.h> 9 #include <fcntl.h> 10 #include <errno.h> 11 #include <sys/file.h> 12 13 14 void print_err(char *str, int line, int err_no) 15 { 16 printf("%d, %s: %s\n", line, str, strerror(err_no)); 17 exit(-1); 18 } 19 20 int main(void) 21 { 22 int fd = 0; 23 int ret = 0; 24 25 26 ret = fork(); 27 if(ret > 0) 28 { 29 //使用flock必须在每个进程独立打开文件才行，为了避免笔尖相互覆盖还要加O_APPEND 30 fd = open("./file", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC|O_APPEND, 0664); 31 if(fd == -1) print_err("./file", __LINE__, errno); 32 33 while(1) 34 { 35 flock(fd, LOCK_SH); 36 write(fd, "hello ", 6); 37 write(fd, "world\n", 6); 38 flock(fd, LOCK_UN); 39 } 40 } 41 else if(ret == 0) 42 { 43 fd = open("./file", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC|O_APPEND, 0664); 44 if(fd == -1) print_err("./file", __LINE__, errno); 45 46 while(1) 47 { 48 flock(fd, LOCK_SH); 49 write(fd, "hello ", 6); 50 write(fd, "world\n", 6); 51 flock(fd, LOCK_UN); 52 } 53 } 54 55 return 0; 56 } 57 58
flock用于多进程时，各进程必须独立open打开文件，对于非亲缘进程来说，不用说打开文件时肯定是各自独立调用open打开的。需要你注意的是亲缘进程（父子进程），子进程不能使用从父进程继承而来的文件描述符，父子进程flock时必须使用独自open所返回的文件描述符。
这一点与fcntl实现的文件锁不一样，父子进程可以使用各自open返回的文件描述符加锁，但是同时子进程也可以使用从父进程继承而来的文件描述符加锁。
用于多线程
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <pthread.h> 5 #include <sys/types.h> 6 #include <sys/stat.h> 7 #include <fcntl.h> 8 #include <string.h> 9 #include <errno.h> 10 #include <sys/file.h> 11 12 13 14 void print_err(char *str, int line, int err_no) 15 { 16 printf("%d, %s: %s\n", line, str, strerror(err_no)); 17 exit(-1); 18 } 19 20 void *pth_fun(void *pth_arg) 21 { 22 int fd = 0; 23 24 fd = open("./file", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664); 25 if(fd == -1) print_err("open ./file fail", __LINE__, errno); 26 while(1) 27 { 28 flock(fd, LOCK_EX); 29 write(fd, "hello ", 6); 30 write(fd, "world\n", 6); 31 flock(fd, LOCK_UN); 32 } 33 34 return NULL; 35 } 36 37 int main(void) 38 { 39 int fd = -1; 40 int ret = -1; 41 pthread_t tid; 42 43 fd = open("./file", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664); 44 if(fd == -1) print_err("open ./file fail", __LINE__, errno); 45 46 47 ret = pthread_create(&tid, NULL, pth_fun, NULL); 48 if(ret == -1) print_err("pthread_create fail", __LINE__, ret); 49 50 51 while(1) 52 { 53 flock(fd, LOCK_EX); 54 write(fd, "hello ", 6); 55 write(fd, "world\n", 6); 56 flock(fd, LOCK_UN); 57 } 58 59 60 return 0; 61 }
用于多线程时与用于多进程一样，各线程必须使用各自open所返回的文件描述符才能加锁。
