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第一部分 标准IO及文件IO(第6章 文件锁)

原文 http://blog.csdn.net/u013162035/article/details/79059214

2018-01-15 02:01:06阅读(489)

当多个用户共同使用,操作一个文件的情况,Linux通常采用的方法就是给文件上锁,来避免共享资源产生竞争的状态。
文件锁有两种类型:建议性锁和强制性锁
 建议性锁,也称协同锁。要求参与操作的进程之间协同合作。假设进程“A”获得一个WRITE锁,并开始向文件中写入内容;此时,进程“B”并没有试图获取一个锁,它仍然可以打开文件并向文件中写入内容。在此过程中,进程“B”就是一个非合作进程。如果进程“B”试图获取一个锁,那么整个过程就是一个合作的过程,从而可以保证操作的“序列化”。
只有当参与操作的进程是协同合作的时候,协同锁才能发挥作用。协同锁有时也被称为“非强制”锁。它是这样规定的:每个使用上锁文件的进程都要检查是否有锁存在,当然还得尊重已有的锁。内核和系统总体上都坚持不使用建议性锁,它们依靠程序员遵守这个规定。
 强制性锁是由内核执行的。当文件被上锁来进行写入操作时,在锁定该文件的进程释放该锁之前,内核会阻止任何对该文件的读或写访问,每次读或写访问都得检查锁是否存在。强制锁不需要参与操作的进程之间保持协同合作。它利用内核来查检每个打开、读取、写入操作,从而保证在调用这些操作时不违反文件上的锁规则。关于强制锁的更多信息,可以在kernal.org上找到。
为了使能Linux中的强制锁功能,你需要在文件系统级别上打开它,同时在单个文件上打开它。其步骤是:
1) 挂载文件系统时使用“-o mand”参数。
2) 对于要打开强制锁功能的文件lock_file,必须打开set-group-ID位,关闭group-execute位。(选择此方法的原因是,当你关闭group-execute时,设置set-group-ID就没有实际的意义了)
系统默认fcntl都是建议性锁,强制性锁是非POSIX标准的。如果要使用强制性锁,要使整个系统可以使用强制性锁,那么得需要重新挂载文件系统,mount使用参数 -0 mand 打开强制性锁,或者关闭已加锁文件的组执行权限并且打开该文件的set-GID权限位。
建议性锁只在cooperating processes之间才有用。对cooperating process的理解是最重要的,它指的是会影响其它进程的进程或被别的进程所影响的进程,举两个例子:
1) 我们可以同时在两个窗口中运行同一个命令,对同一个文件进行操作,那么这两个进程就是cooperating processes
2) cat file | sort,那么cat和sort产生的进程就是使用了pipe的cooperating processes
lockf()用于对文件施加建议性锁
fcntl()用于对文件施加建议性锁和强制性锁都行。同时还可以对文件某一条纪录进行上锁,也就是记录锁。
记录锁分为读取锁(共享锁,它能够使多个进程都能在文件的同一部分建立读取锁) 和 写入锁(排斥锁,在任何时刻只能有一个进程在文件的某部分建立写入锁。)。
fcntl有强大的功能,它能够复制一个现有的描述符,获得/设置文件描述符标记,获得/设置文件状态标记,获得/设置异步I/O所有权,获得/设置纪录锁。
使用fcntl文件锁进行I/O操作必须小心:进程在开始任何I/O操作前如何去处理锁,在对文件解锁前如何完成所有的操作,是必须考虑的。如果在设置锁之前打开文件,或者读取该锁之后关闭文件,另一个进程就可能在上锁/解锁操作和打开/关闭操作之间的几分之一秒内访问该文件。当一个进程对文件加锁后,无论它是否释放所加的锁,只要文件关闭,内核都会自动释放加在文件上的建议性锁(这也是建议性锁和强制性锁的最大区别), 所以不要想设置建议性锁来达到永久不让别的进程访问文件的目的(强制性锁才可以);强制性锁则对所有进程起作用。
fcntl使用三个参数 F_SETLK/F_SETLKW, F_UNLCK和F_GETLK 来分别要求、释放、测试record locks。record locks是对文件一部分而不是整个文件的锁,这种细致的控制使得进程更好地协作以共享文件资源。fcntl能够用于读取锁和写入锁,read lock也叫shared lock(共享锁), 因为多个cooperating process能够在文件的同一部分建立读取锁;write lock被称为exclusive lock(排斥锁),因为任何时刻只能有一个cooperating process在文件的某部分上建立写入锁。如果cooperating processes对文件进行操作,那么它们可以同时对文件加read lock,在一个cooperating process加write lock之前,必须释放别的cooperating process加在该文件的read lock和wrtie lock,也就是说,对于文件只能有一个write lock存在,read lock和wrtie lock不能共存。
可以用fcntl 函数改变一个已打开的文件的属性,可以重新设置读、写、追加、非阻塞等标志(这些标志称为File StatusFlag),而不必重新open 文件。这个函数和open 一样,也是用可变参数实现的,可变参数的类型和个数取决于前面的cmd 参数。

6.1 fcntl函数详解

【fcntl函数原型】

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

【描述】

int fcntl(int fd,   //文件描述符 
          int cmd , //不同的命令 
          struct flock *lock) //设置记录锁的具体状态,可选参数。

【cmd选项】
fcntl函数有5种功能:
1) 复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD).
2) 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
3) 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
4) 获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
5) 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK , F_SETLK或F_SETLKW).
1. cmd值的F_DUPFD(复制文件描述符)
F_DUPFD 返回一个如下描述的(文件)描述符:
 最小的大于或等于arg的一个可用的描述符
 与原始操作符一样的某对象的引用
 如果对象是文件(file)的话,则返回一个新的描述符,这个描述符与arg共享相同的偏移量(offset)
 相同的访问模式(读,写或读/写)
 相同的文件状态标志(如:两个文件描述符共享相同的状态标志)
 与新的文件描述符结合在一起的close-on-exec标志被设置成交叉式访问execve(2)的系统调用
实际上调用dup(oldfd);
等效于
fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0);
而调用dup2(oldfd, newfd);
等效于
close(oldfd);
fcntl(oldfd, F_DUPFD, newfd);
2. cmd值的F_GETFD和F_SETFD
F_GETFD:取得与文件描述符fd联合的close-on-exec标志,类似FD_CLOEXEC。如果返回值和FD_CLOEXEC进行与运算结果是0的话,文件保持交叉式访问exec(),否则如果通过exec运行的话,文件将被关闭(arg 被忽略)
F_SETFD:设置close-on-exec标志,该标志以参数arg的FD_CLOEXEC位决定,应当了解很多现存的涉及文件描述符标志的程序并不使用常数 FD_CLOEXEC,而是将此标志设置为0(系统默认,在exec时不关闭)或1(在exec时关闭)
在修改文件描述符标志或文件状态标志时必须谨慎,先要取得现在的标志值,然后按照希望修改它,最后设置新标志值。不能只是执行F_SETFD或F_SETFL命令,这样会关闭以前设置的标志位。
3. cmd值的F_GETFL和F_SETFL
F_GETFL:取得fd的文件状态标志,如同下面的描述一样(arg被忽略),在说明open函数时,已说明了文件状态标志。不幸的是,三个存取方式标志 (O_RDONLY , O_WRONLY , 以及O_RDWR)并不各占1位。(这三种标志的值各是0 , 1和2,由于历史原因,这三种值互斥 — 一个文件只能有这三种值之一。) 因此首先必须用屏蔽字O_ACCMODE相与取得存取方式位,然后将结果与这三种值相比较。
F_SETFL:设置给arg描述符状态标志,可以更改的几个标志是:O_APPEND,O_NONBLOCK,O_SYNC 和 O_ASYNC。而fcntl的文件状态标志总共有7个:O_RDONLY , O_WRONLY , O_RDWR , O_APPEND , O_NONBLOCK , O_SYNC和O_ASYNC
可更改的几个标志如下面的描述:
O_NONBLOCK:非阻塞I/O,如果read(2)调用没有可读取的数据,或者如果write(2)操作将阻塞,则read或write调用将返回-1和EAGAIN错误
O_APPEND:强制每次写(write)操作都添加在文件大的末尾,相当于open(2)的O_APPEND标志
O_DIRECT:最小化或去掉reading和writing的缓存影响。系统将企图避免缓存你的读或写的数据。如果不能够避免缓存,那么它将最小化已经被缓存了的数据造成的影响。如果这个标志用的不够好,将大大的降低性能。
O_ASYNC:当I/O可用的时候,允许SIGIO信号发送到进程组。
4. cmd值的F_GETOWN和F_SETOWN
F_GETOWN:取得当前正在接收SIGIO或者SIGURG信号的进程ID或进程组ID,进程组ID返回的是负值(arg被忽略)。
F_SETOWN:设置将接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID,进程组id通过提供负值的arg来说明(arg绝对值的一个进程组ID),否则arg将被认为是进程ID。
5. cmd值的F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW
获得/设置记录锁的功能,成功则返回0,若有错误则返回-1,错误原因存于errno。
F_GETLK:通过第三个参数arg(一个指向flock的结构体)取得第一个阻塞lock description指向的锁。取得的信息将覆盖传到fcntl()的flock结构的信息。如果没有发现能够阻止本次锁(flock)生成的锁,这个结构将不被改变,除非锁的类型被设置成F_UNLCK。
F_SETLK:按照指向结构体flock的指针的第三个参数arg所描述的锁的信息设置或者清除一个文件的segment锁。F_SETLK被用来实现共享(或读)锁(F_RDLCK)或独占(写)锁(F_WRLCK),同样可以去掉这两种锁(F_UNLCK)。如果共享锁或独占锁不能被设置,fcntl()将立即返回EAGAIN。
F_SETLKW:除了共享锁或独占锁被其他的锁阻塞这种情况外,这个命令和F_SETLK是一样的。如果共享锁或独占锁被其他的锁阻塞,进程将等待直到这个请求能够完成。当fcntl()正在等待文件的某个区域的时候捕捉到一个信号,如果这个信号没有被指定SA_RESTART, fcntl将被中断。
当一个共享锁被set到一个文件的某段的时候,其他的进程可以set共享锁到这个段或这个段的一部分。共享锁阻止任何其他进程set独占锁到这段保护区域的任何部分。如果文件描述符没有以读的访问方式打开的话,共享锁的设置请求会失败。
独占锁阻止任何其他的进程在这段保护区域任何位置设置共享锁或独占锁。如果文件描述符不是以写的访问方式打开的话,独占锁的请求会失败。
【返回值】
fcntl()的返回值与命令有关。如果出错,所有命令都返回-1,如果成功则返回某个其他值。下列三个命令有特定返回值:F_DUPFD , F_GETFD , F_GETFL以及F_GETOWN。
F_DUPFD 返回新的文件描述符
F_GETFD 返回相应标志
F_GETFL , F_GETOWN 返回一个正的进程ID或负的进程组ID

6.2 fcntl函数实例

实例1:F_SETFD的使用
设置close-on-exec旗标,在此函数中创建子进程,调用execl。
【源码见附录close-on-exec/fcntl.c】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    pid_t pid;
    //以追加的形式打开文件
    int fd = fd = open("test.txt", O_TRUNC | O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0777);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }
    printf("fd = %d\n", fd);
    fcntl(fd, F_SETFD, 0);//关闭fd的close-on-exec标志
    write(fd, "hello c program\n", strlen("hello c program!\n"));
    pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
            perror("fork");
            return -1;
    }
    if(pid == 0)
    {
        printf("fd = %d\n", fd);
        int ret = execl("./main", "./main", (char *)&fd, NULL);
        if(ret < 0)
        {
            perror("execl");
            exit(-1);
        }
        exit(0);
    }
    wait(NULL);
    write(fd, "hello c++ program!\n", strlen("hello c++ program!\n"));
    close(fd);
    return 0;
}

测试函数如下:
【源码见附录close-on-exec/main.c】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd = (int)(*argv[1]);//描述符
    printf("fd = %d\n", fd);
    int ret = write(fd, "hello linux\n", strlen("hello linux\n"));
    if(ret < 0)
    {
        perror("write");
        return -1;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

编译:
第一部分 标准IO及文件IO(第<a href=6章 文件锁)" src="http://img.blog.csdn.net/20180114210309123?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvdTAxMzE2MjAzNQ==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="这里写图片描述" title="">
执行后的结果:
第一部分 标准IO及文件IO(第6章 文件锁)

实例2:F_GETFL和F_SETFL的使用
下面的例子使用F_GETFL和F_SETFL这两种fcntl 命令改变STDIN_FILENO的属性上O_NONBLOCK 选项,实现非阻塞读终端的功能。
【源码见附录fcntl1.c】

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#define    MSG_TRY "try again\n"
int main(void)
{
char buf[10];
int n;
int flags;
flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
flags |= O_NONBLOCK;
if (fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags) == -1)
{
perror("fcntl");
exit(1);
}
tryagain:
n = read(STDIN_FILENO, buf, 10);
if (n < 0) 
{
if (errno == EAGAIN)
{
sleep(1);
write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY,strlen(MSG_TRY));
goto tryagain;
}
perror("read stdin");
exit(1);
}
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
return 0;
}

【源码】【见附录fcntl2.c】

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
/**********************使能非阻塞I/O********************
*int flags;
*if(flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0) < 0)
*{
*    perror("fcntl");
*    return -1;
*}
*flags |= O_NONBLOCK;
*if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)
*{
*    perror("fcntl");
*    return -1;
*}
*******************************************************/
/**********************关闭非阻塞I/O******************
flags &= ~O_NONBLOCK;
if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)
{
    perror("fcntl");
    return -1;
}
*******************************************************/
int main()
{
    char buf[10] = {0};
    int ret;
    int flags;
    //使用非阻塞io
    if(flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0) < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return -1;
    }
    flags |= O_NONBLOCK;
    if(fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags) < 0)
    {
        perror("fcntl");
        return -1;
    }
    while(1)
    {
        sleep(2);
        ret = read(STDIN_FILENO, buf, 9);
        if(ret == 0)
        {
            perror("read--no");
        }
        else
        {
            printf("read = %d\n", ret);
        }
        write(STDOUT_FILENO, buf, 10);
        memset(buf, 0, 10);
    }
    return 0;
}

【结构体flock的指针】
struct flcok
{
short int l_type; /* 锁定的状态*/
//以下的三个参数用于分段对文件加锁,若对整个文件加锁,则:l_whence=SEEK_SET, l_start=0, l_len=0
short int l_whence; /决定l_start位置/
off_t l_start; /锁定区域的开头位置,即相对偏移量(字节)/
off_t l_len; /锁定区域的大小/
pid_t l_pid; /锁定动作的进程/
};
【l_type 有三种状态】
F_RDLCK 建立一个供读取用的锁定 (读取锁)
F_WRLCK 建立一个供写入用的锁定 (写入锁)
F_UNLCK 删除之前建立的锁定(解锁)
【l_whence 也有三种方式】
SEEK_SET 以文件开头为锁定的起始位置
SEEK_CUR 以目前文件读写位置为锁定的起始位置
SEEK_END 以文件结尾为锁定的起始位置
提示:如果加锁整个文件通常的方法是将l_start设置为0,l_whence设置为SEEK_SET, l_len设置为0。
实例3:文件锁
【参见附录file_lock.c】

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char **argv) 
{
    if (argc > 1) 
    {
        int fd = open(argv[1], O_WRONLY);
        if(fd == -1) 
        {
            printf("Unable to open the file\n");
            exit(1);
        }
        static struct flock lock;
        lock.l_type = F_WRLCK;
        lock.l_start = 0;
        lock.l_whence = SEEK_SET;
        lock.l_len = 0;
        lock.l_pid = getpid();
        int ret = fcntl(fd, F_SETLKW, &lock);
        printf("Return value of fcntl:%d\n",ret);
        if(ret==0) 
        {
            while (1) 
            {
                scanf("%c", NULL);                                                                                                                                                      
            }
        }
    }
}

用gcc编译此程序:
# gcc -o file_lock file_lock.c
使用mount命令带“mand”参数来重新挂载根文件系统,如下所示。这将在文件系统级别使能强制锁功能。注意:你必须切换到root用户才能执行下面的命令。
# mount -oremount,mand /
在可执行的(file_lock所在的)目录中创建两个名为“advisory.txt”和“mandatory.txt”的文件。对于“mandatory.txt”使能Set-Group-ID,同时不使能Group-Execute-Bit,如下所示:
# touch advisory.txt
# touch mandatory.txt
# chmod g+s,g-x mandatory.txt
测试协同锁:执行示例程序,以“advisory.txt”作为参数。
# ./file_lock advisory.txt
此程序将等待用户的输入。从另一个终端或控制台,尝试输入以下命令行:
# ls >>advisory.txt
在上面的例子中,ls命令会将其输出写入到advisory.txt文件中。即使我们获得了一个写入锁,仍然会有一些进程(非合作)能够往文件里写入数据。这就是所谓的“协同”锁。
测试强制锁:再次执行示例程序,以“mandatory.txt”作为参数。
# ./file_lock mandatory.txt
从另一个终端或控制台,尝试输入以下命令行:
# ls >>mandatory.txt
在上面的例子中,ls命令在将其输出写入到mandatory.txt文件之前,会等待文件锁被删除。虽然它仍然是一个非合作进程,但强制锁起了作用。

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