Linux系统编程（3）——文件与IO之fcntl函数

linux文件I/O用：open、read、write、lseek以及close函数实现了文件的打开、读写等基本操作。fcntl函数可以根据文件描述词来操作文件。

用法：

int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock*lock);

参数：

fd：文件描述词。

cmd：操作命令。

arg：供命令使用的参数。

lock：同上。

有以下操作命令可供使用

1. F_DUPFD ：复制文件描述词 。

2. FD_CLOEXEC ：设置close-on-exec标志。如果FD_CLOEXEC位是0，执行execve的过程中，文件保持打开。反之则关闭。

3. F_GETFD ：读取文件描述词标志。

4. F_SETFD ：设置文件描述词标志。

5. F_GETFL ：读取文件状态标志。

6. F_SETFL ：设置文件状态标志。

其中O_RDONLY， O_WRONLY， O_RDWR， O_CREAT， O_EXCL， O_NOCTTY 和 O_TRUNC不受影响，

可以更改的标志有 O_APPEND，O_ASYNC， O_DIRECT， O_NOATIME 和 O_NONBLOCK。

7. F_GETLK, F_SETLK 和 F_SETLKW ：获取，释放或测试记录锁，使用到的参数是以下结构体指针：

F_SETLK：在指定的字节范围获取锁（F_RDLCK,F_WRLCK）或者释放锁（F_UNLCK）。如果与另一个进程的锁操作发生冲突，返回 -1并将errno设置为EACCES或EAGAIN。

F_SETLKW：行为如同F_SETLK，除了不能获取锁时会睡眠等待外。如果在等待的过程中接收到信号，会立即返回并将errno置为EINTR。

F_GETLK：获取文件锁信息。

F_UNLCK：释放文件锁。

为了设置读锁，文件必须以读的方式打开。为了设置写锁，文件必须以写的方式打开。为了设置读写锁，文件必须以读写的方式打开。

8. 信号管理

F_GETOWN, F_SETOWN, F_GETSIG 和 F_SETSIG 被用于IO可获取的信号。

F_GETOWN：获取当前在文件描述词 fd上接收到SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识 。

F_SETOWN：设置将要在文件描述词fd上接收SIGIO 或 SIGURG事件信号的进程或进程组标识 。

F_GETSIG：获取标识输入输出可进行的信号。

F_SETSIG：设置标识输入输出可进行的信号。

使用以上命令，大部分时间程序无须使用select()或poll()即可实现完整的异步I/O。

9. 租约（ Leases）

F_SETLEASE 和 F_GETLEASE 被用于当前进程在文件上的租约。文件租约提供当一个进程试图打开或折断文件内容时，拥有文件租约的进程将会被通告的机制。

F_SETLEASE：根据以下符号值设置或者删除文件租约

• F_RDLCK设置读租约，当文件由另一个进程以写的方式打开或折断内容时，拥有租约的当前进程会被通告。
• F_WRLCK设置写租约，当文件由另一个进程以读或以写的方式打开或折断内容时，拥有租约的当前进程会被通告。
• F_UNLCK删除文件租约。
• F_GETLEASE：获取租约类型。

10.文件或目录改变通告

（linux 2.4以上）当fd索引的目录或目录中所包含的某一文件发生变化时，将会向进程发出通告。arg参数指定的通告事件有以下，两个或多个值可以通过或运算组合。

1.DN_ACCESS 文件被访问 (read, pread,readv)

2.DN_MODIFY 文件被修改(write,pwrite,writev, truncate, ftruncate)

3.DN_CREATE 文件被建立(open, creat,mknod, mkdir, link, symlink, rename)

4.DN_DELETE 文件被删除(unlink, rmdir)

5.DN_RENAME 文件被重命名(rename)

6.DN_ATTRIB 文件属性被改变(chown, chmod,utime[s])

返回说明：

成功执行时，对于不同的操作，有不同的返回值

F_DUPFD： 新文件描述词

F_GETFD： 标志值

F_GETFL： 标志值

F_GETOWN： 文件描述词属主

F_GETSIG： 读写变得可行时将要发送的通告信号，或者0对于传统的SIGIO行为

对于其它命令返回0。

失败返回-1，errno被设为以下的某个值

EACCES/EAGAIN: 操作不被允许，尚未可行

EBADF: 文件描述词无效

EDEADLK: 探测到可能会发生死锁

EFAULT: 锁操作发生在可访问的地址空间外

EINTR: 操作被信号中断

EINVAL： 参数无效

EMFILE: 进程已超出文件的最大可使用范围

ENOLCK: 锁已被用尽

EPERM:权能不允许

在文件已经共享的情况下如何操作，也就是当多个用户共同使用、操作一个文件时，Linux 通常采用的方法是给文件上锁，来避免共享的资源产生竞争的状态。

文件锁包括建议性锁和强制性锁。

建议性锁要求每个上锁文件的进程都要检查是否有锁存，并且尊重已有的锁。在一般情况下，内核和系统都不使用建议性锁。强制性锁是由内核执行的锁，当一个文件被上锁进行写入操作的时候，内核将阻止其他任何文件对其进行读写操作。采用强制性锁对性能的影响很大，每次读写操作都必须检查是否有锁存在。

在 Linux 中，实现文件上锁的函数有lock和fcntl，其中flock用于对文件施加建议性锁,而fcntl不仅可以施加建议性锁，还可以施加强制锁。同时，fcntl还能对文件的某一记录进行上锁，也就是记录锁。

记录锁又可分为读取锁和写入锁，其中读取锁又称为共享锁，它能够使多个进程都能在文件的同一部分建立读取锁。而写入锁又称为排斥锁，在任何时刻只能有一个进程在文件的某个部分上建立写入锁。当然，在文件的同一部分不能同时建立读取锁和写入锁。

注意:

fcntl是一个非常通用的函数，它还可以改变文件进程各方面的属性，在本节中，主要介绍它建立记录锁的方法，关于它其他用户感兴趣的读者可以参看fcntl手册。

下面首先给出了使用fcntl 函数的文件记录锁函数。在该函数中，首先给flock 结构体的对应位赋予相应的值。接着使用两次fcntl函数分别用于给相关文件上锁和判断文件是否可以上锁，这里用到的cmd值分别为F_SETLK 和F_GETLK。

这个函数的源代码如下所示：

/*lock_set函数*/
void lock_set(int fd, int type)
{
struct flock lock;
lock.l_whence = SEEK_SET;//赋值lock结构体
lock.l_start = 0;
lock.l_len =0;
while(1){
lock.l_type = type;
/*根据不同的type值给文件上锁或解锁*/
if((fcntl(fd, F_SETLK, &lock)) == 0){
if( lock.l_type == F_RDLCK )
printf("read lock set by%d\n",getpid());
else if( lock.l_type == F_WRLCK )
printf("write lock set by%d\n",getpid());
else if( lock.l_type == F_UNLCK )
printf("release lock by%d\n",getpid());
return;
}
/*判断文件是否可以上锁*/
fcntl(fd, F_GETLK,&lock);
/*判断文件不能上锁的原因*/
if(lock.l_type != F_UNLCK){
/*/该文件已有写入锁*/
if( lock.l_type == F_RDLCK )
printf("read lock already set by%d\n",lock.l_pid);
/*该文件已有读取锁*/
else if( lock.l_type == F_WRLCK )
printf("write lock already set by%d\n",lock.l_pid);
getchar();
}
}
}

下面的实例是测试文件的写入锁，这里首先创建了一个hello文件，之后对其上写入锁，最后释放写入锁。代码如下所示：

/*fcntl_write.c测试文件写入锁主函数部分*/
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    int fd;
    /*首先打开文件*/
    fd=open("hello",O_RDWR | O_CREAT,0666);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        exit(1);
    }
    /*给文件上写入锁*/
    lock_set(fd, F_WRLCK);
    getchar();
    /*给文件接锁*/
    lock_set(fd, F_UNLCK);
    getchar();
    close(fd);
    exit(0);
}

接下来的程序是测试文件的读取锁，原理同上面的程序一样。

/*fcntl_read.c测试文件读取锁主函数部分*/
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    int fd;
    fd=open("hello",O_RDWR | O_CREAT,0666);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        exit(1);
    }
    /*给文件上读取锁*/
    lock_set(fd, F_RDLCK);
    getchar();
    /*给文件接锁*/
    lock_set(fd, F_UNLCK);
    getchar();
    close(fd);
    exit(0);
}