Linux 中 fcntl()、lockf、flock 的区别

这三个函数的作用都是给文件加锁，那它们有什么区别呢？首先flock和fcntl是系统调用，而lockf是库函数。lockf实际上是fcntl的封装，所以lockf和fcntl的底层实现是一样的，对文件加锁的效果也是一样的。后面分析不同点时大多数情况是将fcntl和lockf放在一起的。下面首先看每个函数的使用，从使用的方式和效果来看各个函数的区别。

1. flock

函数原型

int flock(int fd, int operation); // Apply or remove an advisory lock on the open file specified by fd，只是建议性锁其中fd是系统调用open返回的文件描述符，operation的选项有：

LOCK_SH ：共享锁

LOCK_EX ：排他锁或者独占锁

LOCK_UN : 解锁。

LOCK_NB：非阻塞（与以上三种操作一起使用）

关于flock函数，首先要知道flock函数只能对整个文件上锁，而不能对文件的某一部分上锁，这是于fcntl/lockf的第一个重要区别，后者可以对文件的某个区域上锁。其次，flock只能产生劝告性锁。我们知道，linux存在强制锁（mandatory lock）和劝告锁（advisory lock）。所谓强制锁，比较好理解，就是你家大门上的那把锁，最要命的是只有一把钥匙，只有一个进程可以操作。所谓劝告锁，本质是一种协议，你访问文件前，先检查锁，这时候锁才其作用，如果你不那么kind，不管三七二十一，就要读写，那么劝告锁没有任何的作用。而遵守协议，读写前先检查锁的那些进程，叫做合作进程。再次，flock和fcntl/lockf的区别主要在fork和dup。

(1) flock创建的锁是和文件打开表项（struct file）相关联的，而不是fd。这就意味着复制文件fd（通过fork或者dup）后，那么通过这两个fd都可以操作这把锁（例如通过一个fd加锁，通过另一个fd可以释放锁），也就是说子进程继承父进程的锁。但是上锁过程中关闭其中一个fd，锁并不会释放（因为file结构并没有释放），只有关闭所有复制出的fd，锁才会释放。测试程序入程序一。

程序一

#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;
}

运行结果如图，对fd1上锁，并不影响程序通过fd2上锁。对于父子进程，参考程序二。

程序二

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main (int argc, char ** argv)
{
    int ret;
    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");
    return 0;
}

运行结果如图，子进程持有锁，并不影响父进程通过相同的fd获取锁，反之亦然。

(2)使用open两次打开同一个文件，得到的两个fd是独立的（因为底层对应两个file对象），通过其中一个加锁，通过另一个无法解锁，并且在前一个解锁前也无法上锁。测试程序如程序三：

程序三

#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 = open("./tmp.txt",O_RDWR);
    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;
}

结果如图，通过fd1获取锁后，无法再通过fd2获取锁。

(3) 使用exec后，文件锁的状态不变。

(4) flock不能再NFS文件系统上使用，如果要在NFS使用文件锁，请使用fcntl。

(5) flock锁可递归，即通过dup或者或者fork产生的两个fd，都可以加锁而不会产生死锁。

2. lockf与fcntl

函数原型

#include
int lockf(int fd, int cmd, off_t len);

fd为通过open返回的打开文件描述符。

cmd的取值为：

F_LOCK：给文件互斥加锁，若文件以被加锁，则会一直阻塞到锁被释放。

F_TLOCK：同F_LOCK，但若文件已被加锁，不会阻塞，而回返回错误。

F_ULOCK：解锁。

F_TEST：测试文件是否被上锁，若文件没被上锁则返回0，否则返回-1。

len：为从文件当前位置的起始要锁住的长度。

通过函数参数的功能，可以看出lockf只支持排他锁，不支持共享锁。

#include
#include
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) */
...        
   };

文件记录加锁相关的cmd 分三种：

F_SETLK：申请锁（读锁F_RDLCK，写锁F_WRLCK）或者释放所（F_UNLCK），但是如果kernel无法将锁授予本进程（被其他进程抢了先，占了锁），不傻等，返回error。

F_SETLKW：和F_SETLK几乎一样，唯一的区别，这厮是个死心眼的主儿，申请不到，就傻等。

F_GETLK：这个接口是获取锁的相关信息： 这个接口会修改我们传入的struct flock。

通过函数参数功能可以看出fcntl是功能最强大的，它既支持共享锁又支持排他锁，即可以锁住整个文件，又能只锁文件的某一部分。

下面看fcntl/lockf的特性：

(1) 上锁可递归，如果一个进程对一个文件区间已经有一把锁，后来进程又企图在同一区间再加一把锁，则新锁将替换老锁。

(2) 加读锁（共享锁）文件必须是读打开的，加写锁（排他锁）文件必须是写打开。

(3) 进程不能使用F_GETLK命令来测试它自己是否再文件的某一部分持有一把锁。F_GETLK命令定义说明，返回信息指示是否现存的锁阻止调用进程设置它自己的锁。因为，F_SETLK和F_SETLKW命令总是替换进程的现有锁，所以调用进程绝不会阻塞再自己持有的锁上，于是F_GETLK命令绝不会报告调用进程自己持有的锁。

(4) 进程终止时，他所建立的所有文件锁都会被释放，队医flock也是一样的。

(5) 任何时候关闭一个描述符时，则该进程通过这一描述符可以引用的文件上的任何一把锁都被释放（这些锁都是该进程设置的），这一点与flock不同。如：

fd1 = open(pathname, …);
lockf(fd1, F_LOCK, 0);
fd2 = dup(fd1);
close(fd2);

则在close(fd2)后，再fd1上设置的锁会被释放，如果将dup换为open，以打开另一描述符上的同一文件，则效果也一样。

fd1 = open(pathname, …);
lockf(fd1, F_LOCK, 0);
fd2 = open(pathname, …);
close(fd2);

(6) 由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁，这点与flock也不同。

(7) 在执行exec后，新程序可以继承原程序的锁，这点和flock是相同的。（如果对fd设置了close-on-exec，则exec前会关闭fd，相应文件的锁也会被释放）。

(8) 支持强制性锁：对一个特定文件打开其设置组ID位(S_ISGID)，并关闭其组执行位(S_IXGRP)，则对该文件开启了强制性锁机制。再Linux中如果要使用强制性锁，则要在文件系统mount时，使用_omand打开该机制。

3. 两种锁的关系

那么flock和lockf/fcntl所上的锁有什么关系呢？答案时互不影响。测试程序如下：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main(int argc, char **argv)
{
    int fd, ret;
    int pid;
    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);
    return 0;
}

测试结果如下：

$./a.out

flock return ret : 0

lockf return ret: 0

可见flock的加锁，并不影响lockf的加锁。两外我们可以通过/proc/locks查看进程获取锁的状态。

$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

我们可以看到/proc/locks下面有锁的信息：我现在分别叙述下含义：

1) POSIX FLOCK 这个比较明确，就是哪个类型的锁。flock系统调用产生的是FLOCK，fcntl调用F_SETLK，F_SETLKW或者lockf产生的是POSIX类型，有次可见两种调用产生的锁的类型是不同的；

2) ADVISORY表明是劝告锁；

3) WRITE顾名思义，是写锁，还有读锁；

4) 18849是持有锁的进程ID。当然对于flock这种类型的锁，会出现进程已经退出的状况。

5) 08:02:852674表示的对应磁盘文件的所在设备的主设备好，次设备号，还有文件对应的inode number。

6) 0表示的是所的其实位置

7) EOF表示的是结束位置。 这两个字段对fcntl类型比较有用，对flock来是总是0 和EOF。