文件锁flock、lockf和fcntl区别测试程序

// 文件锁flock、lockf和fcntl区别测试程序：
// 1) flock是系统调用，为System V锁
// 2) fcntl是系统调用，lockf是基于fcntl实现的libc库函数，为posix锁
// 3) flock可以同时用于多线程和多进程互斥（x86 Linux验证）
// 4) 而lockf和fcntl只能用于多进程
// 5) 对于NFS，只能使用fcntl，而flock只能用于本地文件系统
// 6) flock只是建议性锁
// 7) fcntl可以实现强制性锁
// 8) flock只能对整个文件加锁
// 9) fcntl和lockf可以只加锁文件的指定部分
// 10) flock锁不会被fork出的子进程继承，对于dup得到的fd是递归的，对于open得到的fd是非递归的
// 11) fcntl锁会被fork出的子进程继承，对于open得到的fd是递归的
// 12) flock和file table entry相关，而不是fd
// 13) flock和fcntl锁互不影响，可同时时对同一个文件上锁，而不会死锁
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
// 查看锁信息: cat /proc/locks
// 编译方法： g++ -g -o file_lock file_lock.cpp -pthread -DX=3 -DZ=2
// 宏X控制是使用flock、lockf还是fcntl文件锁，值为1使用flock，值为2使用lockf，值为3使用fcntl
// 宏Z控制是多线程还是多进程，值为1为多线程模式，值为2为多进程模式

// 取当前时间，但不包括日期部分
std::string now()
{
    time_t t = time(NULL);
    struct tm tm;
    localtime_r(&t, &tm);
    char buf[sizeof("22:49:22")];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "%02d:%02d:%02d", tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec);
    return buf;
}

#if X==1 // flock
int lock(const char* file)
{
    int fd = open(file, O_WRONLY|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open error: %m\n");
        exit(1);
    }

    if (-1 == flock(fd, LOCK_EX))
    {
        printf("flock error: %m\n");
        close(fd);
        exit(1);
    }
    return fd;
}

void unlock(int fd)
{
    flock(fd, LOCK_UN);
    close(fd);
}

#elif X == 2 // lockf
int lock(const char* file)
{
    int fd = open(file, O_WRONLY|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open error: %m\n");
        exit(1);
    }

    lseek(fd,0L,0); 
    if (-1 == lockf(fd, F_LOCK, 0L))
    {
        printf("lockf error: %m\n");
        exit(1);
    }
    return fd;
}

void unlock(int fd)
{
    lseek(fd,0L,0); 
    lockf(fd, F_ULOCK, 0);
    close(fd);
}

#elif X==3 // fcntl
int lock(const char* file)
{
    int fd = open(file, O_WRONLY|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open error: %m\n");
        exit(1);
    }

    struct flock f;
    f.l_whence = SEEK_SET; 
    f.l_start = 0;
    f.l_len = 0;
    f.l_type = F_WRLCK; 
    f.l_pid = getpid();
    lseek(fd,0L,0); 
    if (-1 == fcntl(fd, F_SETLKW, &f))
    {
        printf("fcntl error: %m\n");
        exit(1);
    }

    return fd;
}

void unlock(int fd)
{
    struct flock f;
    f.l_whence = SEEK_SET;
    f.l_start = 0;
    f.l_len = 0;
    f.l_type = F_UNLCK;
    f.l_pid = getpid();
    lseek(fd,0L,0); 
    fcntl(fd, F_SETLKW, &f);
    close(fd);
}
#endif

void* thread1(void* param)
{
    printf("[%u][%s] to sleep 2\n", pthread_self(), now().c_str());
    sleep(2);

    printf("[%u][%s] to lock\n", pthread_self(), now().c_str());
    const char* file = (const char*)param;
    int fd = lock(file);
    printf("[%u][%s] locked\n", pthread_self(), now().c_str());

    unlock(fd);
    printf("[%u][%s] unkock and exit\n", pthread_self(), now().c_str());
    return NULL;
}

void* thread2(void* param)
{
    printf("[%u][%s] to lock\n", pthread_self(), now().c_str());
    const char* file = (const char*)param;
    int fd = lock(file);
    printf("[%u][%s] locked and sleep 6\n", pthread_self(), now().c_str());

    sleep(6);
    unlock(fd);
    printf("[%u][%s] unkock and exit\n", pthread_self(), now().c_str());
    return NULL;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    const char* file = "abc";
#if X==1
    printf("flock mode\n");
#elif X==2
    printf("lockf mode\n");
#elif X==3
    printf("fcntl mode\n");
#endif

#if Z==1 // 多线程模式
    printf("thread mode\n");

    pthread_t th1, th2;
    pthread_create(&th1, NULL, thread1, const_cast<char*>(file));
    pthread_create(&th2, NULL, thread2, const_cast<char*>(file));

    pthread_join(th1, NULL);
    pthread_join(th2, NULL);

#else // 多进程模式
    printf("process mode\n");

    pid_t pid1 = fork();
    if (0 == pid1)
    {
        printf("[%u][%s] to sleep 2\n", getpid(), now().c_str());
        sleep(2);

        printf("[%u][%s] to lock\n", getpid(), now().c_str());
        int fd = lock(file);
        printf("[%u][%s] locked\n", getpid(), now().c_str());
        unlock(fd);
        printf("[%u][%s] unkock and exit\n", getpid(), now().c_str());
        exit(0);
    }

    pid_t pid2 = fork();
    if (0 == pid2)
    {
        printf("[%u][%s] to lock\n", getpid(), now().c_str());
        int fd = lock(file);
        printf("[%u][%s] locked and sleep 6\n", getpid(), now().c_str());

        sleep(6);
        unlock(fd);
        printf("[%u][%s] unkock and exit\n", getpid(), now().c_str());
        exit(0);
    }

    waitpid(pid1, NULL, 0);
    waitpid(pid2, NULL, 0);
#endif

    return 0;
}