linux c编程：记录锁

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。如果我们在用读写锁对一个文件进行加锁。有2个读用户，一个写用户，在读用户读取的时候，写用户是不能操作该文件的。但是读用户也许只需要读取文件前面20个字节的内容，
而写用户需要操作文件末尾的20个字节，这种场景下其实读用户和写用户是可以同时进行的。但是读写锁却不能满足，因此拉长了处理时间。
因此记录锁有如下3个特点：
      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，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，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

函数接口：
//根据cmd的不同有以下三种类型的调用
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
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，fcntl根据cmd不同，接收可变的参数。具体有以下五种类型的操作
/*
cmd = F_DUPFD，复制一个文件描述符；
*/
int fcntl(int fd, int cmd);

/*
cmd = F_GETFD，获得文件描述符标志；
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
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
*/

/*
cmd = F_GETFL，获得文件状态标志；
cmd = F_SETFL，设置文件状态标志；arg = 状态标志的值
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
*/

/*
cmd = F_GETOWN，获得当前接收SIGIO和SIGURG信号的进程ID或进程组ID
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
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
*/

/*
Return value:

对于成功的调用，根据操作类型cmd不同，有以下几种情况：
       F_DUPFD  返回新的文件描述符
       F_GETFD  返回文件描述符标志
       F_GETFL  返回文件状态标志
       F_GETOWN 进程ID或进程组ID
       All other commands  返回0
调用失败， 返回-1，并设置errno。
*/
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：
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

/*
cmd = F_GETLK，测试能否建立一把锁
cmd = F_SETLK，设置锁
cmd = F_SETLKW， 阻塞设置一把锁
struct flock {
      short l_type;    /* 锁的类型: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
      short l_whence;  /* 加锁的起始位置:SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
      off_t l_start;   /* 加锁的起始偏移，相对于l_whence */
      off_t l_len;     /* 上锁的字节数*/
      pid_t l_pid;     /* 已经占用锁的PID(只对F_GETLK 命令有效) */8
      /*...*/
};
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：IF_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。
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

下面来进行测试：

测试一：在同一进程中测试能否在加写锁后，继续加读写锁

#include <fcntl.h>

#include <stdio.h>

void
lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start,
off_t len)

{

if (lock
== NULL)

return;

lock->l_type
= type;

lock->l_whence
= whence;

lock->l_start
= start;

lock->l_len
= len;

}

int
readw_lock(int fd)

{

if (fd <
0)

{

return
-1;

}

struct
flock lock;

lock_init(&lock,
F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0);

if
(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)

{

return
-1;

}

return 0;

}

int
writew_lock(int fd)

{

struct
flock lock;

if (fd <
0)

{

return
-1;

}

lock_init(&lock,
F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

if
(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)

{

return
-1;

}

return 0;

}

int unlock(int
fd)

{

if (fd <
0)

{

return
-1;

}

struct
flock lock;

lock_init(&lock,
F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

if
(fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)

{

return
-1;

}

return 0;

}

pid_t
lock_test(int fd, short type, short whence, off_t start, off_t len)

{

struct
flock lock;

lock_init(&lock,
type, whence, start, len);

if
(fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == -1)

{

return
-1;

}

if(lock.l_type
== F_UNLCK)

return
0;

return
lock.l_pid;

}

#include
<stdio.h>

#include
<stdlib.h>

#include
<unistd.h>

#include
<sys/wait.h>

#include
<sys/types.h>

#include
"func1.h"

#define FILE_MODE (S_IRUSR
| S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)

int main()

{

char
*FILE_PATH='/home/zhf/codeblocks_prj/linux_c/1.txt';

pid_t
t1,t2;

int
fd=open(FILE_PATH,O_RDWR | O_CREAT,FILE_MODE);

writew_lock(fd);

t1=lock_test(fd,F_WRLCK,SEEK_SET,0,0);

t2=lock_test(fd,F_RDLCK,SEEK_SET,0,0);

printf("pid_t1=%ld\n",t1);

printf("pid_t2=%ld\n",t2);

unlock(fd);

return 0;

}

运行结果如下：可以看到反馈的进程号都是一样的。证明同一个进程锁是可以覆盖前一个的。

测试二：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

int main()

{

char *FILE_PATH='/home/zhf/codeblocks_prj/linux_c/1.txt';

pid_t t1,t2,child;

int fd=open(FILE_PATH,O_RDWR | O_CREAT,FILE_MODE);

writew_lock(fd);

if(child=fork() == 0)

{

t1=lock_test(fd,F_WRLCK,SEEK_SET,0,0);

t2=lock_test(fd,F_RDLCK,SEEK_SET,0,0);

printf("pid_t1=%ld\n",t1);

printf("pid_t2=%ld\n",t2);

printf("pid_child=%ld\n",child);

}

sleep(3);

unlock(fd);

return 0;

}

测试结果如下：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；

前面的表格可以看出在已经获取写锁的情况，只能允许读锁，而拒绝写锁。下面这个代码来测试下这种情况

int main()

{

char *FILE_PATH='/home/zhf/codeblocks_prj/linux_c/1.txt';

pid_t t1,t2,child;

int ret;

int fd=open(FILE_PATH,O_RDWR | O_CREAT,FILE_MODE);

readw_lock(fd);

if(fork() == 0)

{

printf("child1 try to get write lock\n");

ret=writew_lock(fd);

if (ret >= 0)

{

printf("child1 get write lock\n");

unlock(fd);

printf("child1 release write lock\n");

exit(0);

}

else

{

printf("child1 get write lock failed\n");

}

exit(0);

}

if(fork() == 0)

{

sleep(3);

printf("child2 try to get read lock\n");

readw_lock(fd);

printf("child2 get read lock\n");

unlock(fd);

printf("child2 release read lock\n");

exit(0);

}

sleep(10);

unlock(fd);

return 0;

}

执行结果：

可以看出在父进程获取读锁的情况下，child1进程对文件同一区域获取写锁失败，而child2进程可以获取到读锁

下面的代码来测试父进程获得写锁，child1试图获取写锁，child2试图获取读锁

int main()

{

char *FILE_PATH='/home/zhf/codeblocks_prj/linux_c/1.txt';

pid_t t1,t2,child;

int ret1,ret2;

int fd=open(FILE_PATH,O_RDWR | O_CREAT,FILE_MODE);

writew_lock(fd);

if(fork() == 0)

{

printf("child1 try to get write lock\n");

ret1=writew_lock(fd);

if (ret1 >= 0)

{

printf("child1 get write lock\n");

unlock(fd);

printf("child1 release write lock\n");

exit(0);

}

else

{

printf("child1 get write lock failed\n");

}

exit(0);

}

if(fork() == 0)

{

sleep(3);

printf("child2 try to get read lock\n");

ret2=readw_lock(fd);

if(ret2 >= 0)

{

printf("child2 get read lock\n");

unlock(fd);

printf("child2 release read lock\n");

}

else

{

printf("child2 get read lock failed\n");

}

exit(0);

}

sleep(10);

unlock(fd);

return 0;

}

执行结果：

child1进程获取写锁失败，child2进程获取读锁失败