fcntl函數詳解

功能描述：根據文件描述詞來操作文件的特性。

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>?
int fcntl(int fd, int cmd);?
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);?
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

[描述]
fcntl()針對(文件)描述符提供控制。參數fd是被參數cmd操作(如下面的描述)的描述符。針對cmd的值，fcntl能夠接受第三個參數int arg。

[返回值]
fcntl()的返回值與命令有關。如果出錯，所有命令都返回－1，如果成功則返回某個其他值。下列三個命令有特定返回值：F_DUPFD , F_GETFD , F_GETFL以及F_GETOWN。
??? F_DUPFD?? 返回新的文件描述符
??? F_GETFD?? 返回相應標志
??? F_GETFL , F_GETOWN?? 返回一個正的進程ID或負的進程組ID

?

fcntl函數有5種功能：?
1. 復制一個現有的描述符(cmd=F_DUPFD).?
2. 獲得／設置文件描述符標記(cmd=F_GETFD或F_SETFD).?
3. 獲得／設置文件狀態標記(cmd=F_GETFL或F_SETFL).?
4. 獲得／設置異步I/O所有權(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).?
5. 獲得／設置記錄鎖(cmd=F_GETLK , F_SETLK或F_SETLKW).

1. cmd值的F_DUPFD?：?
F_DUPFD??? 返回一個如下描述的(文件)描述符：
??????? ·最小的大于或等于arg的一個可用的描述符
??????? ·與原始操作符一樣的某對象的引用
??????? ·如果對象是文件(file)的話，則返回一個新的描述符，這個描述符與arg共享相同的偏移量(offset)
??????? ·相同的訪問模式(讀，寫或讀/寫)
??????? ·相同的文件狀態標志(如：兩個文件描述符共享相同的狀態標志)
??????? ·與新的文件描述符結合在一起的close-on-exec標志被設置成交叉式訪問execve(2)的系統調用

實際上調用dup(oldfd)；
等效于
??????? fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0);

而調用dup2(oldfd, newfd)；
等效于
??????? close(oldfd)；
??????? fcntl(oldfd, F_DUPFD, newfd)；

2. cmd值的F_GETFD和F_SETFD：??????
F_GETFD??? 取得與文件描述符fd聯合的close-on-exec標志，類似FD_CLOEXEC。如果返回值和FD_CLOEXEC進行與運算結果是0的話，文件保持交叉式訪問exec()，否則如果通過exec運行的話，文件將被關閉(arg 被忽略)????????
F_SETFD??? 設置close-on-exec標志，該標志以參數arg的FD_CLOEXEC位決定，應當了解很多現存的涉及文件描述符標志的程序并不使用常數 FD_CLOEXEC，而是將此標志設置為0(系統默認，在exec時不關閉)或1(在exec時關閉)????

在修改文件描述符標志或文件狀態標志時必須謹慎，先要取得現在的標志值，然后按照希望修改它，最后設置新標志值。不能只是執行F_SETFD或F_SETFL命令，這樣會關閉以前設置的標志位。?

3.?cmd值的F_GETFL和F_SETFL：???
F_GETFL??? 取得fd的文件狀態標志，如同下面的描述一樣(arg被忽略)，在說明open函數時，已說明
了文件狀態標志。不幸的是，三個存取方式標志 (O_RDONLY ,?O_WRONLY , 以及O_RDWR)并不各占1位。(這三種標志的值各是0 , 1和2，由于歷史原因，這三種值互斥 — 一個文件只能有這三種值之一。) 因此首先必須用屏蔽字O_ACCMODE相與取得存取方式位，然后將結果與這三種值相比較。???????
F_SETFL??? 設置給arg描述符狀態標志，可以更改的幾個標志是：O_APPEND，O_NONBLOCK，O_SYNC 和 O_ASYNC。而fcntl的文件狀態標志總共有7個：O_RDONLY , O_WRONLY , O_RDWR , O_APPEND , O_NONBLOCK , O_SYNC和O_ASYNC

可更改的幾個標志如下面的描述：
??? O_NONBLOCK?? 非阻塞I/O，如果read(2)調用沒有可讀取的數據，或者如果write(2)操作將阻塞，則read或write調用將返回-1和EAGAIN錯誤
??? O_APPEND???? 強制每次寫(write)操作都添加在文件大的末尾，相當于open(2)的O_APPEND標志
??? O_DIRECT???? 最小化或去掉reading和writing的緩存影響。系統將企圖避免緩存你的讀或寫的數據。如果不能夠避免緩存，那么它將最小化已經被緩存了的數據造成的影響。如果這個標志用的不夠好，將大大的降低性能
??? O_ASYNC????? 當I/O可用的時候，允許SIGIO信號發送到進程組，例如：當有數據可以讀的時候

4.?cmd值的F_GETOWN和F_SETOWN：???
F_GETOWN?? 取得當前正在接收SIGIO或者SIGURG信號的進程id或進程組id，進程組id返回的是負值(arg被忽略)?????
F_SETOWN?? 設置將接收SIGIO和SIGURG信號的進程id或進程組id，進程組id通過提供負值的arg來說明(arg絕對值的一個進程組ID)，否則arg將被認為是進程id

?5.?cmd值的F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW：?獲得／設置記錄鎖的功能，成功則返回0，若有錯誤則返回-1，錯誤原因存于errno。
F_GETLK??? 通過第三個參數arg(一個指向flock的結構體)取得第一個阻塞lock description指向的鎖。取得的信息將覆蓋傳到fcntl()的flock結構的信息。如果沒有發現能夠阻止本次鎖(flock)生成的鎖，這個結構將不被改變，除非鎖的類型被設置成F_UNLCK????
F_SETLK??? 按照指向結構體flock的指針的第三個參數arg所描述的鎖的信息設置或者清除一個文件的segment鎖。F_SETLK被用來實現共享(或讀)鎖(F_RDLCK)或獨占(寫)鎖(F_WRLCK)，同樣可以去掉這兩種鎖(F_UNLCK)。如果共享鎖或獨占鎖不能被設置，fcntl()將立即返回EAGAIN?????
F_SETLKW?? 除了共享鎖或獨占鎖被其他的鎖阻塞這種情況外，這個命令和F_SETLK是一樣的。如果共享鎖或獨占鎖被其他的鎖阻塞，進程將等待直到這個請求能夠完成。當fcntl()正在等待文件的某個區域的時候捕捉到一個信號，如果這個信號沒有被指定SA_RESTART, fcntl將被中斷

當一個共享鎖被set到一個文件的某段的時候，其他的進程可以set共享鎖到這個段或這個段的一部分。共享鎖阻止任何其他進程set獨占鎖到這段保護區域的任何部分。如果文件描述符沒有以讀的訪問方式打開的話，共享鎖的設置請求會失敗。

獨占鎖阻止任何其他的進程在這段保護區域任何位置設置共享鎖或獨占鎖。如果文件描述符不是以寫的訪問方式打開的話，獨占鎖的請求會失敗。

結構體flock的指針：
struct flcok?
{?
short int l_type; /* 鎖定的狀態*/

//以下的三個參數用于分段對文件加鎖，若對整個文件加鎖，則：l_whence=SEEK_SET, l_start=0, l_len=0
short int l_whence; /*決定l_start位置*/?
off_t l_start; /*鎖定區域的開頭位置*/?
off_t l_len; /*鎖定區域的大小*/

pid_t l_pid; /*鎖定動作的進程*/?
};

l_type 有三種狀態：?
F_RDLCK?? 建立一個供讀取用的鎖定?
F_WRLCK?? 建立一個供寫入用的鎖定?
F_UNLCK?? 刪除之前建立的鎖定

l_whence 也有三種方式：?
SEEK_SET?? 以文件開頭為鎖定的起始位置?
SEEK_CUR?? 以目前文件讀寫位置為鎖定的起始位置?
SEEK_END?? 以文件結尾為鎖定的起始位置

fcntl文件鎖有兩種類型：建議性鎖和強制性鎖
建議性鎖是這樣規定的：每個使用上鎖文件的進程都要檢查是否有鎖存在，當然還得尊重已有的鎖。內核和系統總體上都堅持不使用建議性鎖，它們依靠程序員遵守這個規定。
強制性鎖是由內核執行的：當文件被上鎖來進行寫入操作時，在鎖定該文件的進程釋放該鎖之前，內核會阻止任何對該文件的讀或寫訪問，每次讀或寫訪問都得檢查鎖是否存在。

系統默認fcntl都是建議性鎖，強制性鎖是非POSIX標準的。如果要使用強制性鎖，要使整個系統可以使用強制性鎖，那么得需要重新掛載文件系統，mount使用參數 -0 mand 打開強制性鎖，或者關閉已加鎖文件的組執行權限并且打開該文件的set-GID權限位。
建議性鎖只在cooperating processes之間才有用。對cooperating process的理解是最重要的，它指的是會影響其它進程的進程或被別的進程所影響的進程，舉兩個例子：
(1) 我們可以同時在兩個窗口中運行同一個命令，對同一個文件進行操作，那么這兩個進程就是cooperating? processes
(2) cat file | sort，那么cat和sort產生的進程就是使用了pipe的cooperating processes

使用fcntl文件鎖進行I/O操作必須小心：進程在開始任何I/O操作前如何去處理鎖，在對文件解鎖前如何完成所有的操作，是必須考慮的。如果在設置鎖之前打開文件，或者讀取該鎖之后關閉文件，另一個進程就可能在上鎖/解鎖操作和打開/關閉操作之間的幾分之一秒內訪問該文件。當一個進程對文件加鎖后，無論它是否釋放所加的鎖，只要文件關閉，內核都會自動釋放加在文件上的建議性鎖(這也是建議性鎖和強制性鎖的最大區別)，所以不要想設置建議性鎖來達到永久不讓別的進程訪問文件的目的(強制性鎖才可以)；強制性鎖則對所有進程起作用。

fcntl使用三個參數 F_SETLK/F_SETLKW， F_UNLCK和F_GETLK 來分別要求、釋放、測試record locks。record locks是對文件一部分而不是整個文件的鎖，這種細致的控制使得進程更好地協作以共享文件資源。fcntl能夠用于讀取鎖和寫入鎖，read lock也叫shared lock(共享鎖)， 因為多個cooperating process能夠在文件的同一部分建立讀取鎖；write lock被稱為exclusive lock(排斥鎖)，因為任何時刻只能有一個cooperating process在文件的某部分上建立寫入鎖。如果cooperating processes對文件進行操作，那么它們可以同時對文件加read lock，在一個cooperating process加write lock之前，必須釋放別的cooperating process加在該文件的read lock和wrtie lock，也就是說，對于文件只能有一個write lock存在，read lock和wrtie lock不能共存。

下面的例子使用F_GETFL獲取fd的文件狀態標志。

#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<iostream>
#include<errno.h>
using namespace std;

int main(int argc,char* argv[])
{
? int fd, var;
? //? fd=open("new",O_RDWR);
? if (argc!=2)
? {
????? perror("--");
????? cout<<"請輸入參數，即文件名！"<<endl;
? }

? if((var=fcntl(atoi(argv[1]), F_GETFL, 0))<0)
? {
???? strerror(errno);
???? cout<<"fcntl file error."<<endl;
? }

? switch(var & O_ACCMODE)
? {
?? case O_RDONLY : cout<<"Read only.."<<endl;
?????????????????? break;
?? case O_WRONLY : cout<<"Write only.."<<endl;
?????????????????? break;
?? case O_RDWR?? : cout<<"Read wirte.."<<endl;
?????????????????? break;
?? default? : break;
? }

?if (val & O_APPEND)
??? cout<<",append"<<endl;

?if (val & O_NONBLOCK)
??? cout<<",noblocking"<<endl;

?cout<<"exit 0"<<endl;

?exit(0);
}