linux文件I/O：文件鎖的概念、函數以及代碼實現

文件鎖是一種用來保證多個進程對同一個文件的安全訪問的機制。文件鎖可以分為兩種類型：建議性鎖和強制性鎖。建議性鎖是一種協作式的鎖，它只有在所有參與的進程都遵守鎖的規則時才有效。強制性鎖是一種強制式的鎖，它由內核或文件系統來強制執行，不需要進程的配合。本文將主要介紹建議性鎖的實現方法和相關函數。

1. flock函數

flock函數是一種使用文件描述符來實現文件鎖的方法。flock函數的功能是對一個已打開的文件描述符fd進行鎖定或解鎖操作，它的函數原型如下：

#include <sys/file.h>
int flock(int fd, int operation);

flock函數的用法如下：

打開一個文件，獲得一個文件描述符fd。
調用flock函數，傳入fd和想要的鎖類型，例如LOCK_EX。
如果成功，返回0，表示獲得了鎖，可以對文件進行讀寫操作。
如果失敗，返回-1，并設置errno，表示沒有獲得鎖，可能是因為文件已經被其他進程鎖定，或者其他錯誤發生。
在完成文件操作后，調用flock函數，傳入fd和LOCK_UN，釋放鎖，關閉文件。

flock函數的參數如下：

fd：一個已打開的文件描述符，必須是可讀或可寫的，不能是只執行的。
operation：一個表示鎖類型的整數，可以是LOCK_SH、LOCK_EX、LOCK_UN或LOCK_NB的組合。

LOCK_SH：共享鎖，允許多個進程同時對文件進行讀操作，但不允許寫操作。
LOCK_EX：獨占鎖，只允許一個進程對文件進行讀寫操作，其他進程都不能訪問文件。
LOCK_UN：解鎖，釋放之前的鎖定，允許其他進程訪問文件。
LOCK_NB：非阻塞，如果不能立即獲得鎖，不會等待，而是返回錯誤。

flock函數的注意事項如下：

flock函數只能對整個文件進行鎖定，不能對文件的部分區域進行鎖定。
flock函數的鎖是與進程相關的，而不是與文件描述符相關的。也就是說，如果一個進程對一個文件加了鎖，那么該進程的其他文件描述符也可以訪問該文件，而不受鎖的影響。同樣，如果一個進程關閉了一個文件描述符，那么該進程的其他文件描述符仍然保持鎖定狀態，直到該進程退出或顯式解鎖。
flock函數的鎖是建議性的，也就是說，它只有在所有參與的進程都遵守鎖的規則時才有效。如果有一個進程不使用flock函數，而是直接對文件進行讀寫操作，那么flock函數的鎖就會失效，造成數據的不一致或損壞。

flock函數的代碼示例如下：

// 一個使用flock函數的簡單示例，對一個文件加上獨占鎖，寫入一些數據，然后解鎖
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <string.h>int main() {// 打開一個文件，獲得一個文件描述符int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");exit(1);}// 調用flock函數，傳入fd和LOCK_EX，加上獨占鎖if (flock(fd, LOCK_EX) == -1) {perror("flock");exit(1);}printf("Locked file\n");// 對文件進行寫操作，寫入一些數據char *data = "Hello, world!\n";if (write(fd, data, strlen(data)) == -1) {perror("write");exit(1);}printf("Wrote data to file\n");// 調用flock函數，傳入fd和LOCK_UN，解鎖文件if (flock(fd, LOCK_UN) == -1) {perror("flock");exit(1);}printf("Unlocked file\n");// 關閉文件close(fd);return 0;
}

2. fcntl函數

fcntl函數是一種使用文件描述符來實現文件鎖的方法。fcntl函數的功能是對一個已打開的文件描述符fd進行各種控制操作。它的函數原型如下：

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

fcntl函數的用法如下：

打開一個文件，獲得一個文件描述符fd。
調用fcntl函數，傳入fd和F_GETLK，以及一個指向struct flock結構體的指針，獲取文件鎖的信息。
如果文件沒有被其他進程鎖定，或者鎖的類型和想要的類型不沖突，可以繼續調用fcntl函數，傳入fd和F_SETLK或F_SETLKW，以及一個指向struct flock結構體的指針，設置文件鎖的信息。
如果成功，返回0，表示獲得了鎖，可以對文件進行讀寫操作。
如果失敗，返回-1，并設置errno，表示沒有獲得鎖，可能是因為文件已經被其他進程鎖定，或者其他錯誤發生。
在完成文件操作后，調用fcntl函數，傳入fd和F_SETLK或F_SETLKW，以及一個指向struct flock結構體的指針，設置文件鎖的類型為F_UNLCK，釋放鎖，關閉文件。

fcntl函數的參數如下：

fd：一個已打開的文件描述符，必須是可讀或可寫的，不能是只執行的。
cmd：一個表示控制操作的整數，可以是F_DUPFD、F_GETFD、F_SETFD、F_GETFL、F_SETFL、F_GETLK、F_SETLK或F_SETLKW之一。

F_DUPFD：復制文件描述符，返回一個新的文件描述符，指向同一個文件。
F_GETFD：獲取文件描述符的標志，返回一個整數，表示是否設置了FD_CLOEXEC標志，該標志表示在執行exec函數時，自動關閉文件描述符。
F_SETFD：設置文件描述符的標志，傳入一個整數，表示是否設置FD_CLOEXEC標志。
F_GETFL：獲取文件狀態標志，返回一個整數，表示文件的訪問模式和其他標志，例如O_RDONLY、O_WRONLY、O_APPEND等。
F_SETFL：設置文件狀態標志，傳入一個整數，表示文件的訪問模式和其他標志，例如O_RDONLY、O_WRONLY、O_APPEND等。
F_GETLK：獲取文件鎖的信息，傳入一個指向struct flock結構體的指針，返回該結構體的內容，表示文件是否被其他進程鎖定，以及鎖的類型、起始位置、長度和持有者等信息。
F_SETLK：設置文件鎖，傳入一個指向struct flock結構體的指針，表示要設置的鎖的類型、起始位置、長度等信息，如果成功，返回0，表示獲得了鎖，如果失敗，返回-1，并設置errno，表示沒有獲得鎖，可能是因為文件已經被其他進程鎖定，或者其他錯誤發生。
F_SETLKW：設置文件鎖，與F_SETLK類似，但是如果不能立即獲得鎖，會阻塞等待，直到獲得鎖或者被信號中斷。

arg：一個可選的參數，根據cmd的不同，可以是一個整數、一個指針或者省略。如果是一個整數，表示要設置的標志或文件描述符。如果是一個指針，表示要傳入或返回的struct flock結構體的地址。如果省略，表示不需要傳入任何參數。

fcntl函數的注意事項如下：

fcntl函數可以對文件的部分區域進行鎖定，而不是整個文件。這可以通過設置struct flock結構體的l_whence、l_start和l_len字段來實現。l_whence表示鎖的起始位置的參考點，可以是SEEK_SET（文件開頭）、SEEK_CUR（當前位置）或SEEK_END（文件結尾）。l_start表示鎖的起始位置的偏移量，可以是正數、負數或零。l_len表示鎖的長度，如果是正數，表示從起始位置向后鎖定的字節數，如果是負數，表示從起始位置向前鎖定的字節數，如果是零，表示從起始位置到文件結尾的所有字節。
fcntl函數的鎖是與文件描述符相關的，而不是與進程相關的。也就是說，如果一個進程對一個文件加了鎖，那么該進程的其他文件描述符不能訪問該文件，而受鎖的影響。同樣，如果一個進程復制了一個文件描述符，那么復制的文件描述符也會繼承鎖的狀態，直到所有的文件描述符都關閉或顯式解鎖。
fcntl函數的鎖是建議性的，也就是說，它只有在所有參與的進程都遵守鎖的規則時才有效。如果有一個進程不使用fcntl函數，而是直接對文件進行讀寫操作，那么fcntl函數的鎖就會失效，造成數據的不一致或損壞。

fcntl函數的代碼示例如下：

// 一個使用fcntl函數的簡單示例，對一個文件的前10個字節加上共享鎖，讀取數據，然后解鎖
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main() {// 打開一個文件，獲得一個文件描述符int fd = open("test.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");exit(1);}// 定義一個struct flock結構體，表示要設置的鎖的信息struct flock lock;lock.l_type = F_RDLCK; // 共享鎖lock.l_whence = SEEK_SET; // 文件開頭lock.l_start = 0; // 起始位置lock.l_len = 10; // 長度// 調用fcntl函數，傳入fd和F_SETLK，以及lock的地址，設置文件鎖if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("fcntl");exit(1);}printf("Locked file\n");// 對文件進行讀操作，讀取前10個字節的數據char buf[11]; // 定義一個緩沖區，多留一個字節存放'\0'if (read(fd, buf, 10) == -1) {perror("read");exit(1);}buf[10] = '\0'; // 添加字符串結束符printf("Read data from file: %s\n", buf); // 打印讀取的數據// 調用fcntl函數，傳入fd和F_SETLK，以及lock的地址，設置文件鎖的類型為F_UNLCK，解鎖文件lock.l_type = F_UNLCK; // 解鎖if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("fcntl");exit(1);}printf("Unlocked file\n");// 關閉文件close(fd);return 0;
}