Record Locking

记录锁(Record Locking)/文件锁(File Locking)的功能是：当一个进程正在读或修改文件的某个部份时， 它可以阻止其它进程修改同一文件区。 记录锁是面向进程的，因此不能用于线程间。 记录锁是一种字节范围锁(byte-range locking)，它锁定的只是文件中的一个区域（也可以是整个文件）。

记录锁可用于实现进程间上锁，尤其是无亲缘关系的进程间上锁，而不是用于同一进程下不同线程间的上锁。

System Call:

  • flock(), which places lock on entire files，创建文件锁
  • fcntl(), which places lock on regions of file，创建记录锁

一个值得注意的是：父进程设置的记录锁不会被子进程继承。

fcntl()

记录锁主要使用的OS API是fcntl。 fcntl的接口是：

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#include <fcntl.h>
int fcntl(int filedes, int cmd, ...);

fcntl函数可以改变已打开的文件性质。 第一个参数是目标文件的文件描述符。 第二个参数是操作标记，可以有以下5种功能：

  1. 复制一个现有的描述符(cmd=F_UDPFD)
  2. 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD)
  3. 获得/设置文件状态标志(cmd=F_GETFL或F_SETFL)
  4. 获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN)
  5. 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW)

前4种功能主要是文件操作，第三个参数总是一个整数。 第5种功能是本文关注的记录锁功能，第三个参数是一个指向flcok结构的指针。

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struct flock {
	short	l_type;
	short	l_whence;
	__kernel_off_t	l_start;
	__kernel_off_t	l_len;
	__kernel_pid_t	l_pid;
	__ARCH_FLOCK_PAD
};

flock结构各成员说明如下：

  • l_type：锁的类型：
    • F_RELCK 共享读锁/shared lock
    • F_WRLCK 独占写锁/exclusive lock
    • F_UNLCK 解锁
  • l_whence：加锁/解锁区域偏移起点：
    • SEEK_SET：文件开始处
    • SEEK_CUR：文件当前偏移处
    • SEEK_END：文件当前长度处，即文件末尾
  • l_start：加锁/解锁区域相对l_whence起始字节偏移量
  • l_len：加锁/解锁区域长度

l_whence和l_start的组合与其在fseek函数中很像。 如果要锁整个文件，那么l_whence=SEEK_SET,l_start=0,l_len=0即可。

锁的类型

和一般锁的定义一样，读锁可以共享，写锁必需独占。 一个文件区域某一时刻只能有一把锁。 如果一个进程对一个文件区域已经有一把锁，后来该进程又企图在同一文件区域再加一把锁， 那么新锁将替换老锁。

通过fcntl()获得的lock时是inode和process关联的。 当关闭一个文件描述符时，那么其关联的inode上该进程设置的锁将被释放。 因此通过不同open()打开的文件描述符，如果通过其中一个加锁，然后close()另外一个文件描述符，那么锁仍将会被释放。这个和flock()不同。 fcntl()获得的锁不能被继承。

加读锁时，文件描述符必需是读打开。 加写锁时，文件描述符必需是写打开。

锁的竞争方式

上面说了fcntl的cmd参数可以设置三种参数，它们的作用分别是：

F_GETLK

测试flock指定的锁能否获取

  • 如果能，把l_type设为F_UNLCK。
  • 如果不能，把正在占用文件区域的锁的信息写入flock。
F_SETLK

非阻塞竞争或释放flock指定的锁，

  • 如果成功，fcntl返回0
  • 如果失败，fcntl立即返回-1并设置errno为EAGAIN

对于想建立非阻塞锁的程序，应该使用F_SETLK，并对返回结果测试。

F_SETLKW

阻塞竞争flock指定的锁，直到竞争成功返回。

关于记录锁的三条规则：

  1. 关闭文件描述符时，锁都被释放
  2. fork产生的子进程不继承父进程的锁
  3. exec后，新程序可以继承原进程的锁，除了文件描述符设置了close-on-exit。

对于待处理的上锁请求是怎样处理的（是FIFO还是有优先考虑读锁），Poxis标准并未说明。

flock()

flock()来自于BSD。它的作用是锁住整个文件。

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

A file lock obtained via flock() is associated with the open file description(system-wide), rather than the file descripor(process-wide) or the file(i-node)(system-wide) itself. This is different with record locks obtained by fcntl()。

而通过dup(),dup2()和fcntl()拷贝的file descriptor是共享open file description。 因此这些拷贝的file descriptor只需其中之一释放锁即可。如果都不显式释放，那么当所有拷贝的file descriptor关闭后，open file description上的锁就会自动释放。 同样，fork()也是通过dup()复制文件描述符，也就是说其可以被其它进程继承。

而通过open()打开同一文件时，每次打开都会创建新的open file description。 每个open file description都可绑定独立的锁。

Mix stdio and locking

Because of the user-space buffering performed by the stdio library, we should be cautious when using stdio functions with the file lock. The problem is that an input buffer might be filled before a lock is placed, or an output buffer might be flushed afther a lock is removed. There are some ways to avoid these problems:

  • Using system call read() and write() install of the stdio library.
  • Flush the stdio stream immediately after placing a lock on the file, and flush it once more immediately before releasing the lock.
  • Perhaps at the cost of some efficiency, disable stdio buffering altogether using setbuff()(or similar).

Reference

  • APUE
  • The Linux Programming Interface