fcntl()、lockf、flock的差別
——lvyilong316
這三個函數的作用都是給檔案加鎖，那它們有什麼差別呢？首先flock和fcntl是系統調用，而lockf是庫函數。lockf實際上是fcntl的封裝，是以lockf和fcntl的底層實作是一樣的，對檔案加鎖的效果也是一樣的。後面分析不同點時大多數情況是将fcntl和lockf放在一起的。下面首先看每個函數的使用，從使用的方式和效果來看各個函數的差別。
l 函數原型
#include
int flock(int fd, int operation); // Apply or remove an advisory lock on the open file specified by fd，隻是建議性鎖
其中fd是系統調用open傳回的檔案描述符，operation的選項有：
LOCK_SH ：共享鎖
LOCK_EX ：排他鎖或者獨占鎖
LOCK_UN : 解鎖。
LOCK_NB：非阻塞（與以上三種操作一起使用）
關于flock函數，首先要知道flock函數隻能對整個檔案上鎖，而不能對檔案的某一部分上鎖，這是于fcntl/lockf的第一個重要差別，後者可以對檔案的某個區域上鎖。其次，flock隻能産生勸告性鎖。我們知道，linux存在強制鎖（mandatory lock）和勸告鎖（advisory lock）。所謂強制鎖，比較好了解，就是你家大門上的那把鎖，最要命的是隻有一把鑰匙，隻有一個程序可以操作。所謂勸告鎖，本質是一種協定，你通路檔案前，先檢查鎖，這時候鎖才其作用，如果你不那麼kind，不管三七二十一，就要讀寫，那麼勸告鎖沒有任何的作用。而遵守協定，讀寫前先檢查鎖的那些程序，叫做合作程序。再次，flock和fcntl/lockf的差別主要在fork和dup。
(1) flock建立的鎖是和檔案打開表項（struct file）相關聯的，而不是fd。這就意味着複制檔案fd（通過fork或者dup）後，那麼通過這兩個fd都可以操作這把鎖（例如通過一個fd加鎖，通過另一個fd可以釋放鎖），也就是說子程序繼承父程序的鎖。但是上鎖過程中關閉其中一個fd，鎖并不會釋放（因為file結構并沒有釋放），隻有關閉所有複制出的fd，鎖才會釋放。測試程式入程式一。
l 程式一
點選(此處)折疊或打開
#include stdio.h>
#include unistd.h>
#include stdlib.h>
#include sys/file.h>
int main (int argc, char ** argv)
{
int ret;
int fd1 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
int fd2 = dup(fd1);
printf("fd1: %d, fd2: %d\n", fd1, fd2);
ret = flock(fd1,LOCK_EX);
printf("get lock1, ret: %d\n", ret);
ret = flock(fd2,LOCK_EX);
printf("get lock2, ret: %d\n", ret);
return 0;
}
運作結果如圖，對fd1上鎖，并不影響程式通過fd2上鎖。對于父子程序，參考程式二。
l 程式二
int pid;
int fd = open("./tmp.txt",O_RDWR);
if ((pid = fork()) == 0){
ret = flock(fd,LOCK_EX);
printf("chile get lock, fd: %d, ret: %d\n",fd, ret);
sleep(10);
printf("chile exit\n");
exit(0);
}
ret = flock(fd,LOCK_EX);
printf("parent get lock, fd: %d, ret: %d\n", fd, ret);
printf("parent exit\n");
運作結果如圖，子程序持有鎖，并不影響父程序通過相同的fd擷取鎖，反之亦然。
(2)使用open兩次打開同一個檔案，得到的兩個fd是獨立的（因為底層對應兩個file對象），通過其中一個加鎖，通過另一個無法解鎖，并且在前一個解鎖前也無法上鎖。測試程式如程式三：
l 程式三
int fd2 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
結果如圖，通過fd1擷取鎖後，無法再通過fd2擷取鎖。
(3) 使用exec後，檔案鎖的狀态不變。
(4) flock不能再NFS檔案系統上使用，如果要在NFS使用檔案鎖，請使用fcntl。
(5) flock鎖可遞歸，即通過dup或者或者fork産生的兩個fd，都可以加鎖而不會産生死鎖。
int lockf(int fd, int cmd, off_t len);
fd為通過open傳回的打開檔案描述符。
cmd的取值為：
F_LOCK：給檔案互斥加鎖，若檔案以被加鎖，則會一直阻塞到鎖被釋放。
F_TLOCK：同F_LOCK，但若檔案已被加鎖，不會阻塞，而回傳回錯誤。
F_ULOCK：解鎖。
F_TEST：測試檔案是否被上鎖，若檔案沒被上鎖則傳回0，否則傳回-1。
len：為從檔案目前位置的起始要鎖住的長度。
通過函數參數的功能，可以看出lockf隻支援排他鎖，不支援共享鎖。
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
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) */
...
};
檔案記錄加鎖相關的cmd 分三種：
F_SETLK：申請鎖（讀鎖F_RDLCK，寫鎖F_WRLCK）或者釋放所（F_UNLCK），但是如果kernel無法将鎖授予本程序（被其他程序搶了先，占了鎖），不傻等，傳回error。
F_SETLKW：和F_SETLK幾乎一樣，唯一的差別，這厮是個死心眼的主兒，申請不到，就傻等。
F_GETLK：這個接口是擷取鎖的相關資訊： 這個接口會修改我們傳入的struct flock。
通過函數參數功能可以看出fcntl是功能最強大的，它既支援共享鎖又支援排他鎖，即可以鎖住整個檔案，又能隻鎖檔案的某一部分。
下面看fcntl/lockf的特性：
(1) 上鎖可遞歸，如果一個程序對一個檔案區間已經有一把鎖，後來程序又企圖在同一區間再加一把鎖，則新鎖将替換老鎖。
(2) 加讀鎖（共享鎖）檔案必須是讀打開的，加寫鎖（排他鎖）檔案必須是寫打開。
(3) 程序不能使用F_GETLK指令來測試它自己是否再檔案的某一部分持有一把鎖。F_GETLK指令定義說明，傳回資訊訓示是否現存的鎖阻止調用程序設定它自己的鎖。因為，F_SETLK和F_SETLKW指令總是替換程序的現有鎖，是以調用程序絕不會阻塞再自己持有的鎖上，于是F_GETLK指令絕不會報告調用程序自己持有的鎖。
(4) 程序終止時，他所建立的所有檔案鎖都會被釋放，隊醫flock也是一樣的。
(5) 任何時候關閉一個描述符時，則該程序通過這一描述符可以引用的檔案上的任何一把鎖都被釋放（這些鎖都是該程序設定的），這一點與flock不同。如：
fd1 = open(pathname, …);
lockf(fd1, F_LOCK, 0);
fd2 = dup(fd1);
close(fd2);
則在close(fd2)後，再fd1上設定的鎖會被釋放，如果将dup換為open，以打開另一描述符上的同一檔案，則效果也一樣。
fd2 = open(pathname, …);
(6) 由fork産生的子程序不繼承父程序所設定的鎖，這點與flock也不同。
(7) 在執行exec後，新程式可以繼承原程式的鎖，這點和flock是相同的。（如果對fd設定了close-on-exec，則exec前會關閉fd，相應檔案的鎖也會被釋放）。
(8) 支援強制性鎖：對一個特定檔案打開其設定組ID位(S_ISGID)，并關閉其組執行位(S_IXGRP)，則對該檔案開啟了強制性鎖機制。再Linux中如果要使用強制性鎖，則要在檔案系統mount時，使用_omand打開該機制。
那麼flock和lockf/fcntl所上的鎖有什麼關系呢？答案時互不影響。測試程式如下：
int main(int argc, char **argv)
int fd, ret;
fd = open("./tmp.txt", O_RDWR);
ret = flock(fd, LOCK_EX);
printf("flock return ret : %d\n", ret);
ret = lockf(fd, F_LOCK, 0);
printf("lockf return ret: %d\n", ret);
sleep(100);
測試結果如下：
$./a.out
flock return ret : 0
lockf return ret: 0
可見flock的加鎖，并不影響lockf的加鎖。兩外我們可以通過/proc/locks檢視程序擷取鎖的狀态。
$ps aux | grep a.out | grep -v grep
123751 18849 0.0 0.0 11904 440 pts/5 S+ 01:09 0:00 ./a.out
$sudo cat /proc/locks | grep 18849
1: POSIX ADVISORY WRITE 18849 08:02:852674 0 EOF
2: FLOCK ADVISORY WRITE 18849 08:02:852674 0 EOF
我們可以看到/proc/locks下面有鎖的資訊：我現在分别叙述下含義：
1) POSIX FLOCK 這個比較明确，就是哪個類型的鎖。flock系統調用産生的是FLOCK，fcntl調用F_SETLK，F_SETLKW或者lockf産生的是POSIX類型，有次可見兩種調用産生的鎖的類型是不同的；
2) ADVISORY表明是勸告鎖；
3) WRITE顧名思義，是寫鎖，還有讀鎖；
4) 18849是持有鎖的程序ID。當然對于flock這種類型的鎖，會出現程序已經退出的狀況。
5) 08:02:852674表示的對應磁盤檔案的所在裝置的主裝置好，次裝置号，還有檔案對應的inode number。
6) 0表示的是所的其實位置
7) EOF表示的是結束位置。 這兩個字段對fcntl類型比較有用，對flock來是總是0 和EOF。