本文的目的是想幫助讀者理清 Linux 2.6中文件鎖的概念以及 Linux 2.6 都提供了何種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵的系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)文件鎖，從而可以幫助讀者更好地使用文件鎖來解決多個進(jìn)程讀取同一個文件的互斥問題。本文主要描述了 Linux 中各類文件鎖的概念，使用場景，內(nèi)核中描述文件鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及與文件鎖密切相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用等內(nèi)容。
在多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境中，如果一個進(jìn)程嘗試對正在被其他進(jìn)程讀取的文件進(jìn)行寫操作，可能會導(dǎo)致正在進(jìn)行讀操作的進(jìn)程讀取到一些被破壞或者不完整的數(shù)據(jù)；如果兩個進(jìn)程并發(fā)對同一個文件進(jìn)行寫操作，可能會導(dǎo)致該文件遭到破壞。因此，為了避免發(fā)生這種問題，必須要采用某種機(jī)制來解決多個進(jìn)程并發(fā)訪問同一個文件時所面臨的同步問題，由此而產(chǎn)生了文件加鎖方面的技術(shù)。
早期的 UNIX 系統(tǒng)只支持對整個文件進(jìn)行加鎖，因此無法運(yùn)行數(shù)據(jù)庫之類的程序，因為此類程序需要實(shí)現(xiàn)記錄級的加鎖。在 System V Release 3 中，通過 fcntl 提供了記錄級的加鎖，此后發(fā)展成為 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的一部分。本文將基于 2.6.23 版本的內(nèi)核來探討 Linux 中文件鎖的相關(guān)技術(shù)。
Linux 中的文件鎖
Linux 支持的文件鎖技術(shù)主要包括勸告鎖（advisory lock）和強(qiáng)制鎖（mandatory lock）這兩種。此外，Linux 中還引入了兩種強(qiáng)制鎖的變種形式：共享模式強(qiáng)制鎖（share-mode mandatory lock）和租借鎖（lease）。
在 Linux 中，不論進(jìn)程是在使用勸告鎖還是強(qiáng)制鎖，它都可以同時使用共享鎖和排他鎖（又稱為讀鎖和寫鎖）。多個共享鎖之間不會相互干擾，多個進(jìn)程在同一時刻可以對同一個文件加共享鎖。但是，如果一個進(jìn)程對該文件加了排他鎖，那么其他進(jìn)程則無權(quán)再對該文件加共享鎖或者排他鎖，直到該排他鎖被釋放。所以，對于同一個文件來說，它可以同時擁有很多讀者，但是在某一特定時刻，它只能擁有一個寫者，它們之間的兼容關(guān)系如表 1 所示。
表 1. 鎖間的兼容關(guān)系
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| 是否滿足請求 |
| 當(dāng)前加上的鎖 |
共享鎖 |
排他鎖 |
| 無 |
是 |
是 |
| 共享鎖 |
是 |
否 |
| 排他鎖 |
否 |
否 |
勸告鎖
勸告鎖是一種協(xié)同工作的鎖。對于這一種鎖來說，內(nèi)核只提供加鎖以及檢測文件是否已經(jīng)加鎖的手段，但是內(nèi)核并不參與鎖的控制和協(xié)調(diào)。也就是說，如果有進(jìn)程不遵守“游戲規(guī)則”，不檢查目標(biāo)文件是否已經(jīng)由別的進(jìn)程加了鎖就往其中寫入數(shù)據(jù)，那么內(nèi)核是不會加以阻攔的。因此，勸告鎖并不能阻止進(jìn)程對文件的訪問，而只能依靠各個進(jìn)程在訪問文件之前檢查該文件是否已經(jīng)被其他進(jìn)程加鎖來實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制。進(jìn)程需要事先對鎖的狀態(tài)做一個約定，并根據(jù)鎖的當(dāng)前狀態(tài)和相互關(guān)系來確定其他進(jìn)程是否能對文件執(zhí)行指定的操作。從這點(diǎn)上來說，勸告鎖的工作方式與使用信號量保護(hù)臨界區(qū)的方式非常類似。
勸告鎖可以對文件的任意一個部分進(jìn)行加鎖，也可以對整個文件進(jìn)行加鎖，甚至可以對文件將來增大的部分也進(jìn)行加鎖。由于進(jìn)程可以選擇對文件的某個部分進(jìn)行加鎖，所以一個進(jìn)程可以獲得關(guān)于某個文件不同部分的多個鎖。
強(qiáng)制鎖
與勸告鎖不同，強(qiáng)制鎖是一種內(nèi)核強(qiáng)制采用的文件鎖，它是從 System V Release 3 開始引入的。每當(dāng)有系統(tǒng)調(diào)用 open()、read() 以及write() 發(fā)生的時候，內(nèi)核都要檢查并確保這些系統(tǒng)調(diào)用不會違反在所訪問文件上加的強(qiáng)制鎖約束。也就是說，如果有進(jìn)程不遵守游戲規(guī)則，硬要往加了鎖的文件中寫入內(nèi)容，內(nèi)核就會加以阻攔：
如果一個文件已經(jīng)被加上了讀鎖或者共享鎖，那么其他進(jìn)程再對這個文件進(jìn)行寫操作就會被內(nèi)核阻止；
如果一個文件已經(jīng)被加上了寫鎖或者排他鎖，那么其他進(jìn)程再對這個文件進(jìn)行讀取或者寫操作就會被內(nèi)核阻止。
如果其他進(jìn)程試圖訪問一個已經(jīng)加有強(qiáng)制鎖的文件，進(jìn)程行為取決于所執(zhí)行的操作模式和文件鎖的類型，歸納如表 2 所示：
表 2. 進(jìn)行對已加強(qiáng)制鎖的文件進(jìn)行操作時的行為
| 當(dāng)前鎖類型 |
阻塞讀 |
阻塞寫 |
非阻塞讀 |
非阻塞寫 |
| 讀鎖 |
正常讀取數(shù)據(jù) |
阻塞 |
正常讀取數(shù)據(jù) |
EAGAIN |
| 寫鎖 |
阻塞 |
阻塞 |
EAGAIN |
EAGAIN |
需要注意的是，如果要訪問的文件的鎖類型與要執(zhí)行的操作存在沖突，那么采用阻塞讀/寫操作的進(jìn)程會被阻塞，而采用非阻塞讀/寫操作的進(jìn)程則不會阻塞，而是立即返回 EAGAIN。
另外，unlink() 系統(tǒng)調(diào)用并不會受到強(qiáng)制鎖的影響，原因在于一個文件可能存在多個硬鏈接，此時刪除文件時并不會修改文件本身的內(nèi)容，而是只會改變其父目錄中 dentry 的內(nèi)容。
然而，在有些應(yīng)用中并不適合使用強(qiáng)制鎖，所以索引節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的 i_flags 字段中定義了一個標(biāo)志位MS_MANDLOCK用于有選擇地允許或者不允許對一個文件使用強(qiáng)制鎖。在 super_block 結(jié)構(gòu)中，也可以將 s_flags 這個標(biāo)志為設(shè)置為1或者0，用以表示整個設(shè)備上的文件是否允許使用強(qiáng)制鎖。
要想對一個文件采用強(qiáng)制鎖，必須按照以下步驟執(zhí)行：
使用 -o mand 選項來掛載文件系統(tǒng)。這樣在執(zhí)行 mount() 系統(tǒng)調(diào)用時，會傳入 MS_MANDLOCK 標(biāo)記，從而將 super_block 結(jié)構(gòu)中的 s_flags 設(shè)置為 1，用來表示在這個文件系統(tǒng)上可以采用強(qiáng)制鎖。例如：
# mount -o mand /dev/sdb7 /mnt
# mount | grep mnt
/dev/sdb7 on /mnt type ext3 (rw,mand)
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1.修改要加強(qiáng)制鎖的文件的權(quán)限：設(shè)置 SGID 位，并清除組可執(zhí)行位。這種組合通常來說是毫無意義的，系統(tǒng)用來表示該文件被加了強(qiáng)制鎖。例如：
# touch /mnt/testfile
# ls -l /mnt/testfile
-rw-r--r-- 1 root root 0 Jun 22 14:43 /mnt/testfile
# chmod g+s /mnt/testfile
# chmod g-x /mnt/testfile
# ls -l /mnt/testfile
-rw-r-Sr-- 1 root root 0 Jun 22 14:43 /mnt/testfile
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2.使用 fcntl() 系統(tǒng)調(diào)用對該文件進(jìn)行加鎖或解鎖操作。
1.3. 共享模式鎖
Linux 中還引入了兩種特殊的文件鎖：共享模式強(qiáng)制鎖和租借鎖。這兩種文件鎖可以被看成是強(qiáng)制鎖的兩種變種形式。共享模式強(qiáng)制鎖可以用于某些私有網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，如果某個文件被加上了共享模式強(qiáng)制鎖，那么其他進(jìn)程打開該文件的時候不能與該文件的共享模式強(qiáng)制鎖所設(shè)置的訪問模式相沖突。但是由于可移植性不好，因此并不建議使用這種鎖。
租借鎖
采用強(qiáng)制鎖之后，如果一個進(jìn)程對某個文件擁有寫鎖，只要它不釋放這個鎖，就會導(dǎo)致訪問該文件的其他進(jìn)程全部被阻塞或不斷失敗重試；即使該進(jìn)程只擁有讀鎖，也會造成后續(xù)更新該文件的進(jìn)程的阻塞。為了解決這個問題，Linux 中采用了一種新型的租借鎖。
當(dāng)進(jìn)程嘗試打開一個被租借鎖保護(hù)的文件時，該進(jìn)程會被阻塞，同時，在一定時間內(nèi)擁有該文件租借鎖的進(jìn)程會收到一個信號。收到信號之后，擁有該文件租借鎖的進(jìn)程會首先更新文件，從而保證了文件內(nèi)容的一致性，接著，該進(jìn)程釋放這個租借鎖。如果擁有租借鎖的進(jìn)程在一定的時間間隔內(nèi)沒有完成工作，內(nèi)核就會自動刪除這個租借鎖或者將該鎖進(jìn)行降級，從而允許被阻塞的進(jìn)程繼續(xù)工作。
系統(tǒng)默認(rèn)的這段間隔時間是 45 秒鐘，定義如下：
137 int lease_break_time = 45;
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這個參數(shù)可以通過修改 /proc/sys/fs/lease-break-time 進(jìn)行調(diào)節(jié)（當(dāng)然，/proc/sys/fs/leases-enable 必須為 1 才行）。
Linux 內(nèi)核中關(guān)于文件鎖的實(shí)現(xiàn)
在 Linux 內(nèi)核中，所有類型的文件鎖都是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) file_lock 來描述的，file_lock 結(jié)構(gòu)是在 文件中定義的，內(nèi)容如下所示：
清單 1. file_lock 結(jié)構(gòu)
811 struct file_lock {
812 struct file_lock *fl_next; /* singly linked list for this inode */
813 struct list_head fl_link; /* doubly linked list of all locks */
814 struct list_head fl_block; /* circular list of blocked processes */
815 fl_owner_t fl_owner;
816 unsigned int fl_pid;
817 wait_queue_head_t fl_wait;
818 struct file *fl_file;
819 unsigned char fl_flags;
820 unsigned char fl_type;
821 loff_t fl_start;
822 loff_t fl_end;
823
824 struct fasync_struct * fl_fasync; /* for lease break notifications */
825 unsigned long fl_break_time; /* for nonblocking lease breaks */
826
827 struct file_lock_operations *fl_ops; /* Callbacks for filesystems */
828 struct lock_manager_operations *fl_lmops; /* Callbacks for lockmanagers */
829 union {
830 struct nfs_lock_info nfs_fl;
831 struct nfs4_lock_info nfs4_fl;
832 struct {
833 struct list_head link; /* link in AFS vnode's pending_locks list */
834 int state; /* state of grant or error if -ve */
835 } afs;
836 } fl_u;
837 };
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表 3 簡單描述了 file_lock 結(jié)構(gòu)中的各個字段所表示的含義。
表 3. file_lock 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的字段
| 類型 |
字段 |
字段描述 |
| struct file_lock* |
fl_next |
與索引節(jié)點(diǎn)相關(guān)的鎖列表中下一個元素 |
| struct list_head |
fl_link |
指向活躍列表或者被阻塞列表 |
| struct list_head |
fl_block |
指向鎖等待列表 |
| struct files_struct * |
fl_owner |
鎖擁有者的 files_struct |
| unsigned int |
fl_pid |
進(jìn)程擁有者的 pid |
| wait_queue_head_t |
fl_wait |
被阻塞進(jìn)程的等待隊列 |
| struct file * |
fl_file |
指向文件對象 |
| unsigned char |
fl_flags |
鎖標(biāo)識 |
| unsigned char |
fl_type |
鎖類型 |
| loff_t |
fl_start |
被鎖區(qū)域的開始位移 |
| loff_t |
fl_end |
被鎖區(qū)域的結(jié)束位移 |
| struct fasync_struct * |
fl_fasync |
用于租借暫停通知 |
| unsigned long |
fl_break_time |
租借的剩余時間 |
| struct file_lock_operations * |
fl_ops |
指向文件鎖操作 |
| struct lock_manager_operations * |
fl_mops |
指向鎖管理操作 |
| union |
fl_u |
文件系統(tǒng)特定信息 |
一個 file_lock 結(jié)構(gòu)就是一把“鎖”，結(jié)構(gòu)中的 fl_file 就指向目標(biāo)文件的 file 結(jié)構(gòu)，而 fl_start 和 fl_end 則確定了該文件要加鎖的一個區(qū)域。當(dāng)進(jìn)程發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用來請求對某個文件加排他鎖時，如果這個文件上已經(jīng)加上了共享鎖，那么排他鎖請求不能被立即滿足，這個進(jìn)程必須先要被阻塞。這樣，這個進(jìn)程就被放進(jìn)了等待隊列，file_lock 結(jié)構(gòu)中的 fl_wait 字段就指向這個等待隊列。指向磁盤上相同文件的所有 file_lock 結(jié)構(gòu)會被鏈接成一個單鏈表 file_lock_list，索引節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的 i_flock 字段會指向該單鏈表結(jié)構(gòu)的首元素，fl_next 用于指向該鏈表中的下一個元素；當(dāng)前系統(tǒng)中所有被請求，但是未被允許的鎖被串成一個鏈表：blocked_list。fl_link 字段指向這兩個列表其中一個。對于被阻塞列表（blocked_list）上的每一個鎖結(jié)構(gòu)來說，fl_next 字段指向與該鎖產(chǎn)生沖突的當(dāng)前正在使用的鎖。所有在等待同一個鎖的那些鎖會被鏈接起來，這就需要用到字段 fl_block，新來的等待者會被加入到等待列表的尾部。 此外，fl_type 表示鎖的性質(zhì)，如讀、寫。fl_flags 是一些標(biāo)志位，在 linux 2.6中，這些標(biāo)志位的定義如下所示：
清單 2. 標(biāo)志位的定義
773 #define FL_POSIX 1
774 #define FL_FLOCK 2
775 #define FL_ACCESS 8 /* not trying to lock, just looking */
776 #define FL_EXISTS 16 /* when unlocking, test for existence */
777 #define FL_LEASE 32 /* lease held on this file */
778 #define FL_CLOSE 64 /* unlock on close */
779 #define FL_SLEEP 128 /* A blocking lock */
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FL_POSIX 鎖是通過系統(tǒng)調(diào)用 fcntl() 創(chuàng)建的；而 FL_FLOCK 鎖是通過系統(tǒng)調(diào)用 flock()創(chuàng)建的（詳細(xì)內(nèi)容請參見后文中的介紹）。FL_FLOCK 鎖永遠(yuǎn)都和一個文件對象相關(guān)聯(lián)，打開這個文件的進(jìn)程擁有該 FL_FLOCK 鎖。當(dāng)一個鎖被請求或者允許的時候，內(nèi)核就會把這個進(jìn)程在同一個文件上的鎖都替換掉。FL_POSIX 鎖則一直與一個進(jìn)程以及一個索引節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。當(dāng)進(jìn)程死亡或者文件描述符被關(guān)閉的時候，這個鎖會被自動釋放。
對于強(qiáng)制鎖來說，在 Linux 中，內(nèi)核提供了 inline 函數(shù) locks_verify_locked() 用于檢測目標(biāo)文件或者目標(biāo)文件所在的設(shè)備是否允許使用強(qiáng)制鎖，并且檢查該設(shè)備是否已經(jīng)加上了鎖，相關(guān)函數(shù)如下所示：
清單 3. 與強(qiáng)制鎖相關(guān)的函數(shù)
166 #define __IS_FLG(inode,flg) ((inode)->i_sb->s_flags & (flg))
173 #define IS_MANDLOCK(inode) __IS_FLG(inode, MS_MANDLOCK)
1047 /**
1048 * locks_mandatory_locked - Check for an active lock
1049 * @inode: the file to check
1050 *
1051 * Searches the inode's list of locks to find any POSIX locks which conflict.
1052 * This function is called from locks_verify_locked() only.
1053 */
1054 int locks_mandatory_locked(struct inode *inode)
1055 {
1056 fl_owner_t owner = current->files;
1057 struct file_lock *fl;
1058
1059 /*
1060 * Search the lock list for this inode for any POSIX locks.
1061 */
1062 lock_kernel();
1063 for (fl = inode->i_flock; fl != NULL; fl = fl->fl_next) {
1064 if (!IS_POSIX(fl))
1065 continue;
1066 if (fl->fl_owner != owner)
1067 break;
1068 }
1069 unlock_kernel();
1070 return fl ? -EAGAIN : 0;
1071 }
1368 /*
1369 * Candidates for mandatory locking have the setgid bit set
1370 * but no group execute bit - an otherwise meaningless combination.
1371 */
1372 #define MANDATORY_LOCK(inode) \
1373 (IS_MANDLOCK(inode) && ((inode)->i_mode & (S_ISGID | S_IXGRP)) == S_ISGID)
1374
1375 static inline int locks_verify_locked(struct inode *inode)
1376 {
1377 if (MANDATORY_LOCK(inode))
1378 return locks_mandatory_locked(inode);
1379 return 0;
1380 }
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這里，函數(shù) locks_verify_locked() 利用宏 MANDATORY_LOCK 來檢測目標(biāo)文件是否允許加鎖，條件包括：該文件所在的設(shè)備的 super_block 結(jié)構(gòu)中的 s_flags 必須被置為 1，該文件的 SGID 被置為 1 而且同組可執(zhí)行位被清 0。如果允許，則調(diào)用函數(shù)locks_mandatory_locked()，該函數(shù)從索引節(jié)點(diǎn)的鎖列表中查找是否存在有與其相沖突的鎖，即是否已經(jīng)加上了鎖。
Linux 中關(guān)于文件鎖的系統(tǒng)調(diào)用
這里介紹在 Linux 中與文件鎖關(guān)系密切的兩個系統(tǒng)調(diào)用：flock() 和 fcntl()。勸告鎖既可以通過系統(tǒng)調(diào)用 flock() 來實(shí)現(xiàn)，也可以通過系統(tǒng)調(diào)用 fcntl() 來實(shí)現(xiàn)。flock() 系統(tǒng)調(diào)用是從 BSD 中衍生出來的，在傳統(tǒng)的類 UNIX 操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用flock() 只適用于勸告鎖。但是，Linux 2.6內(nèi)核利用系統(tǒng)調(diào)用 flock() 實(shí)現(xiàn)了我們前面提到的特殊的強(qiáng)制鎖：共享模式強(qiáng)制鎖。另外，flock() 只能實(shí)現(xiàn)對整個文件進(jìn)行加鎖，而不能實(shí)現(xiàn)記錄級的加鎖。系統(tǒng)調(diào)用fcntl() 符合 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的文件鎖實(shí)現(xiàn)，它也是非常強(qiáng)大的文件鎖，fcntl() 可以實(shí)現(xiàn)對紀(jì)錄進(jìn)行加鎖。
flock()
flock() 的函數(shù)原型如下所示：
int flock(int fd, int operation);
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其中，參數(shù) fd 表示文件描述符；參數(shù) operation 指定要進(jìn)行的鎖操作，該參數(shù)的取值有如下幾種：LOCK_SH， LOCK_EX， LOCK_UN 和 LOCK_MANDphost2008-07-03T00:00:00
man page 里面沒有提到，其各自的意思如下所示：
- LOCK_SH：表示要創(chuàng)建一個共享鎖，在任意時間內(nèi)，一個文件的共享鎖可以被多個進(jìn)程擁有
- LOCK_EX：表示創(chuàng)建一個排他鎖，在任意時間內(nèi)，一個文件的排他鎖只能被一個進(jìn)程擁有
- LOCK_UN：表示刪除該進(jìn)程創(chuàng)建的鎖
- LOCK_MAND：它主要是用于共享模式強(qiáng)制鎖，它可以與 LOCK_READ 或者 LOCK_WRITE 聯(lián)合起來使用，從而表示是否允許并發(fā)的讀操作或者并發(fā)的寫操作（盡管在 flock() 的手冊頁中沒有介紹 LOCK_MAND，但是閱讀內(nèi)核源代碼就會發(fā)現(xiàn)，這在內(nèi)核中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了）
通常情況下，如果加鎖請求不能被立即滿足，那么系統(tǒng)調(diào)用 flock() 會阻塞當(dāng)前進(jìn)程。比如，進(jìn)程想要請求一個排他鎖，但此時，已經(jīng)由其他進(jìn)程獲取了這個鎖，那么該進(jìn)程將會被阻塞。如果想要在沒有獲得這個排他鎖的情況下不阻塞該進(jìn)程，可以將 LOCK_NB 和 LOCK_SH 或者 LOCK_EX 聯(lián)合使用，那么系統(tǒng)就不會阻塞該進(jìn)程。flock() 所加的鎖會對整個文件起作用。
fcntl()
fcntl() 函數(shù)的功能很多，可以改變已打開的文件的性質(zhì)，本文中只是介紹其與獲取/設(shè)置文件鎖有關(guān)的功能。fcntl() 的函數(shù)原型如下所示：
int fcntl (int fd, int cmd, struct flock *lock);
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其中，參數(shù) fd 表示文件描述符；參數(shù) cmd 指定要進(jìn)行的鎖操作，由于 fcntl() 函數(shù)功能比較多，這里先介紹與文件鎖相關(guān)的三個取值 F_GETLK、F_SETLK 以及 F_SETLKW。這三個值均與 flock 結(jié)構(gòu)有關(guān)。flock 結(jié)構(gòu)如下所示：
清單 4. flock 結(jié)構(gòu)
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) */
...
};
|
在 flock 結(jié)構(gòu)中，l_type 用來指明創(chuàng)建的是共享鎖還是排他鎖，其取值有三種：F_RDLCK（共享鎖）、F_WRLCK（排他鎖）和F_UNLCK（刪除之前建立的鎖）；l_pid 指明了該鎖的擁有者；l_whence、l_start 和l_end 這些字段指明了進(jìn)程需要對文件的哪個區(qū)域進(jìn)行加鎖，這個區(qū)域是一個連續(xù)的字節(jié)集合。因此，進(jìn)程可以對同一個文件的不同部分加不同的鎖。l_whence 必須是 SEEK_SET、SEEK_CUR 或 SEEK_END 這幾個值中的一個，它們分別對應(yīng)著文件頭、當(dāng)前位置和文件尾。l_whence 定義了相對于 l_start 的偏移量，l_start 是從文件開始計算的。
可以執(zhí)行的操作包括：
- F_GETLK：進(jìn)程可以通過它來獲取通過 fd 打開的那個文件的加鎖信息。執(zhí)行該操作時，lock 指向的結(jié)構(gòu)中就保存了希望對文件加的鎖（或者說要查詢的鎖）。如果確實(shí)存在這樣一把鎖，它阻止 lock 指向的 flock 結(jié)構(gòu)所給出的鎖描述符，則把現(xiàn)存的鎖的信息寫到 lock 指向的 flock 結(jié)構(gòu)中，并將該鎖擁有者的 PID 寫入 l_pid 字段中，然后返回；否則，就將 lock 指向的 flock 結(jié)構(gòu)中的 l_type 設(shè)置為 F_UNLCK，并保持 flock 結(jié)構(gòu)中其他信息不變返回，而不會對該文件真正加鎖。
- F_SETLK：進(jìn)程用它來對文件的某個區(qū)域進(jìn)行加鎖（l_type的值為 F_RDLCK 或 F_WRLCK）或者刪除鎖（l_type 的值為F_UNLCK），如果有其他鎖阻止該鎖被建立，那么 fcntl() 就出錯返回
- F_SETLKW：與 F_SETLK 類似，唯一不同的是，如果有其他鎖阻止該鎖被建立，則調(diào)用進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待該鎖釋放。一旦這個調(diào)用開始了等待，就只有在能夠進(jìn)行加鎖或者收到信號時才會返回
需要注意的是，F(xiàn)_GETLK 用于測試是否可以加鎖，在 F_GETLK 測試可以加鎖之后，F(xiàn)_SETLK 和 F_SETLKW 就會企圖建立一把鎖，但是這兩者之間并不是一個原子操作，也就是說，在 F_SETLK 或者 F_SETLKW 還沒有成功加鎖之前，另外一個進(jìn)程就有可能已經(jīng)插進(jìn)來加上了一把鎖。而且，F(xiàn)_SETLKW 有可能導(dǎo)致程序長時間睡眠。還有，程序?qū)δ硞€文件擁有的各種鎖會在相應(yīng)的文件描述符被關(guān)閉時自動清除，程序運(yùn)行結(jié)束后，其所加的各種鎖也會自動清除。
fcntl() 既可以用于勸告鎖，也可以用于強(qiáng)制鎖，在默認(rèn)情況下，它用于勸告鎖。如果它用于強(qiáng)制鎖，當(dāng)進(jìn)程對某個文件進(jìn)行了讀或?qū)戇@樣的系統(tǒng)調(diào)用時，系統(tǒng)則會檢查該文件的鎖的 O_NONBLOCK 標(biāo)識，該標(biāo)識是文件狀態(tài)標(biāo)識的一種，如果設(shè)置文件狀態(tài)標(biāo)識的時候設(shè)置了 O_NONBLOCK，則該進(jìn)程會出錯返回；否則，該進(jìn)程被阻塞。cmd 參數(shù)的值 F_SETFL 可以用于設(shè)置文件狀態(tài)標(biāo)識。
此外，系統(tǒng)調(diào)用 fcntl() 還可以用于租借鎖，此時采用的函數(shù)原型如下：
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
|
與租借鎖相關(guān)的 cmd 參數(shù)的取值有兩種：F_SETLEASE 和 F_GETLEASE。其含義如下所示：
- F_SETLEASE：根據(jù)下面所描述的 arg 參數(shù)指定的值來建立或者刪除租約：
- F_RDLCK：設(shè)置讀租約。當(dāng)文件被另一個進(jìn)程以寫的方式打開時，擁有該租約的當(dāng)前進(jìn)程會收到通知
- F_WRLCK：設(shè)置寫租約。當(dāng)文件被另一個進(jìn)程以讀或者寫的方式打開時，擁有該租約的當(dāng)前進(jìn)程會收到通知
- F_UNLCK：刪除以前建立的租約
- F_GETLEASE：表明調(diào)用進(jìn)程擁有文件上哪種類型的鎖，這需要通過返回值來確定，返回值有三種：F_RDLCK、F_WRLCK和F_UNLCK，分別表明調(diào)用進(jìn)程對文件擁有讀租借、寫租借或者根本沒有租借
某個進(jìn)程可能會對文件執(zhí)行其他一些系統(tǒng)調(diào)用（比如 OPEN() 或者 TRUNCATE()），如果這些系統(tǒng)調(diào)用與該文件上由 F_SETLEASE 所設(shè)置的租借鎖相沖突，內(nèi)核就會阻塞這個系統(tǒng)調(diào)用；同時，內(nèi)核會給擁有這個租借鎖的進(jìn)程發(fā)信號，告知此事。擁有此租借鎖的進(jìn)程會對該信號進(jìn)行反饋，它可能會刪除這個租借鎖，也可能會減短這個租借鎖的租約，從而可以使得該文件可以被其他進(jìn)程所訪問。如果擁有租借鎖的進(jìn)程不能在給定時間內(nèi)完成上述操作，那么系統(tǒng)會強(qiáng)制幫它完成。通過 F_SETLEASE 命令將 arg 參數(shù)指定為 F_UNLCK 就可以刪除這個租借鎖。不管對該租借鎖減短租約或者干脆刪除的操作是進(jìn)程自愿的還是內(nèi)核強(qiáng)迫的，只要被阻塞的系統(tǒng)調(diào)用還沒有被發(fā)出該調(diào)用的進(jìn)程解除阻塞，那么系統(tǒng)就會允許這個系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行。即使被阻塞的系統(tǒng)調(diào)用因為某些原因被解除阻塞，但是上面對租借鎖減短租約或者刪除這個過程還是會執(zhí)行的。
需要注意的是，租借鎖也只能對整個文件生效，而無法實(shí)現(xiàn)記錄級的加鎖。
文件鎖的使用樣例
為了使讀者更深入理解本文中介紹的內(nèi)容，下面我們給出了一個例子來詳細(xì)介紹文件鎖的具體用法。這個例子可以用來檢測所使用的文件是否支持強(qiáng)制鎖，其源代碼如下所示：
清單 5. 鎖的使用方法具體示例
# cat -n mandlock.c
1 #include <errno.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <fcntl.h>
4 #include <sys/wait.h>
5 #include <sys/stat.h>
6
7 int lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset, int whence, off_t len)
8 {
9 struct flock lock;
10
11 lock.l_type = type; /* F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
12 lock.l_start = offset; /* byte offset, relative to l_whence */
13 lock.l_whence = whence; /* SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
14 lock.l_len = len; /* #bytes (0 means to EOF) */
15
16 return( fcntl(fd, cmd, &lock) );
17 }
18
19 #define read_lock(fd, offset, whence, len) \
20 lock_reg(fd, F_SETLK, F_RDLCK, offset, whence, len)
21 #define write_lock(fd, offset, whence, len) \
22 lock_reg(fd, F_SETLK, F_WRLCK, offset, whence, len)
23
24 #define err_sys(x) { perror(x); exit(1); }
25
26 int main(int argc, char *argv[])
27 {
28 int fd, val;
29 pid_t pid;
30 char buf[5];
31 struct stat statbuf;
32 if (argc != 2) {
33 fprintf(stderr, "usage: %s filename\n", argv[0]);
34 exit(1);
35 }
36 if ((fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC )) < 0)
37 err_sys("open error");
38 if (write(fd, "hello world", 11) != 11)
39 err_sys("write error");
40
41 /* turn on set-group-ID and turn off group-execute */
42 if (fstat(fd, &statbuf) < 0)
43 err_sys("fstat error");
44 if (fchmod(fd, (statbuf.st_mode & ~S_IXGRP) | S_ISGID) < 0)
45 err_sys("fchmod error");
46
47 sleep(2);
48
49 if ((pid = fork()) < 0) {
50 err_sys("fork error");
51 } else if (pid > 0) { /* parent */
52 /* write lock entire file */
53 if (write_lock(fd, 0, SEEK_SET, 0) < 0)
54 err_sys("write_lock error");
55
56 sleep(20); /* wait for child to set lock and read data */
57
58 if (waitpid(pid, NULL, 0) < 0)
59 err_sys("waitpid error");
60
61 } else { /* child */
62 sleep(10); /* wait for parent to set lock */
63
64 if ( (val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)
65 err_sys("fcntl F_GETFL error");
66
67 val |= O_NONBLOCK; /* turn on O_NONBLOCK flag */
68
69 if (fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
70 err_sys("fcntl F_SETFL error");
71
72 /* first let's see what error we get if region is locked */
73 if (read_lock(fd, 0, SEEK_SET, 0) != -1) /* no wait */
74 err_sys("child: read_lock succeeded");
75
76 printf("read_lock of already-locked region returns %d: %s\n", errno, strerror(errno));
77
78 /* now try to read the mandatory locked file */
79 if (lseek(fd, 0, SEEK_SET) == -1)
80 err_sys("lseek error");
81 if (read(fd, buf, 5) < 0)
82 printf("read failed (mandatory locking works)\n");
83 else
84 printf("read OK (no mandatory locking), buf = %5.5s\n", buf);
85 }
86 exit(0);
87 }
88
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樣例代碼中所采用的技術(shù)在前文中大都已經(jīng)介紹過了，其基本思想是在首先在父進(jìn)程中對文件加上寫鎖；然后在子進(jìn)程中將文件描述符設(shè)置為非阻塞模式（第 69 行），然后對文件加讀鎖，并嘗試讀取該文件中的內(nèi)容。如果系統(tǒng)支持強(qiáng)制鎖，則子進(jìn)程中的 read() 系統(tǒng)調(diào)用（代碼中的第 81 行）會立即返回 EAGAIN；否則，等父進(jìn)程完成寫文件操作之后，子進(jìn)程中的 read() 系統(tǒng)調(diào)用就會返回父進(jìn)程剛剛寫入的前 5 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。代碼中的幾個 sleep() 是為了協(xié)調(diào)父進(jìn)程與子進(jìn)程之間的同步而使用的。
該程序在測試系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果如下所示：
# mount | grep mnt
/dev/sdb7 on /mnt type ext3 (rw,mand)
/dev/sdb6 on /tmp/mnt type ext3 (rw)
# ./mandlock /mnt/testfile
read_lock of already-locked region returns 11: Resource temporarily unavailable
read failed (mandatory locking works)
# ./mandlock /tmp/mnt/testfile
read_lock of already-locked region returns 11: Resource temporarily unavailable
read OK (no mandatory locking), buf = hello
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我們可以看到，/dev/sdb7 使用 –o mand 選項掛載到了 /mnt 目錄中，而 /dev/sdb6 則么有使用這個選項掛載到了 /tmp/mnt 目錄中。由于在程序中我們完成了對測試文件 SGID 和同組可執(zhí)行位的設(shè)置（第 44 行），因此 /mnt/testfile 可以支持強(qiáng)制鎖，而 /tmp/mnt/testfile 則不能。這也正是為什么前者的 read() 系統(tǒng)調(diào)用會失敗返回而后者則可以成功讀取到 hello 的原因。
總結(jié)
Linux 的文件鎖在以共享索引節(jié)點(diǎn)共享文件的情況下設(shè)計的，文件鎖的實(shí)現(xiàn)可以使得不同用戶同時讀寫同一文件的并發(fā)問題得以解決。本文描述了 Linux 中各類文件鎖的概念，使用場景，內(nèi)核中描述文件鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及與文件鎖密切相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用等內(nèi)容，至于與文件鎖相關(guān)的索引節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及在對文件進(jìn)行加鎖時遇到的死鎖問題等其他知識，這里沒有做詳盡介紹，感興趣的讀者可以自行參考內(nèi)核源代碼。
本文的目的是想幫助讀者理清 Linux 2.6中文件鎖的概念以及 Linux 2.6 都提供了何種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵的系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)文件鎖，從而可以幫助讀者更好地使用文件鎖來解決多個進(jìn)程讀取同一個文件的互斥問題。
參考資料
mandlock.c