Linux下各种编程锁的比较 - 文件锁
- 作者：邹祁峰
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日期：2014.09.12
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1 概述
含有多个线程/进程的系统在运行过程中，往往会出现多个线程/进程在同一时间去读取或修改同一内存地址的数据，为了保证数据的完整性，最常用的方式是使用锁机制。编程锁有很多种，常见的有文件锁、互斥锁、读写锁、信号量、原子锁等等，虽然它们都起着保证数据完整性的作用，但是它们的作用范围、适用场景、时间开销各不相同。本篇将通过实验对各锁的适用场景、时间开销等方面做一个简单的比较和阐述，给今后工作过程中为使用哪种锁更合适而纠结时，提供一个参考依据。
2 文件锁
在Linux系统中，文件锁的接口有３种方式：flock()、fcntl()、lockf()。以下将对这两种接口进行分别的说明。
2.1 flock()函数
表1 flock()函数说明
| 说明项 | 描述 |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/file.h> |
| 函数原型 | int flock(int fd, int operation) |
| 函数说明 | １、此函数是从BSD中衍生出来的，但目前在大多数UNIX系统上都能找到。 ２、此函数只能处理单个主机上的文件，不能处理NFS上的文件。 ３、此函数按照operation所指定的方式对fd锁指向的文件进行加锁和解锁等相关操作。 ４、此函数只能操作整个文件，不能操作此文件的部分区域。 ５、此函数加的是建议性锁，当进程结束时，系统会自动释放该锁。 |
| 参数说明 | 参数operation有下列四种情况:
LOCK_SH：建立共享锁定。多个进程可同时对同一个文件作共享锁定。 LOCK_EX：建立互斥锁定。一个文件同时只有一个互斥锁定。 LOCK_UN：解除文件锁定状态。 LOCK_NB：无法建立锁定时，此操作不会被阻塞，将立即返回操作结果。 １、此选项与LOCK_SH或LOCK_EX 做OR(|)组合。 如：fblock(fd, LOCK_NB | LOCK_EX) 或 fblock(fd, LOCK_NB | LOCK_SH) ２、单一文件无法同时建立共享锁定和互斥锁定，而当使用dup()或fork()时文件描述词不会继承此种锁定。 ３、返回值 返回0表示成功，若有错误则返回-1，错误代码存于errno。 |
其使用的参考代码如下：
图1 flock()参考代码
2.2 fcntl()函数
表2 fcntl()函数说明
| 说明项 | 描述 |
|---|---|
| 头文件 | #include <fcntl.h> |
| 函数原型 | int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */) |
| 函数说明 | 在此只说明与锁相关的功能： １、此函数符合POSIX标准的文件锁实现，所以是可移植的。 ２、此函数不仅能处理本地文件，也能处理NFS上的文件。 fcntl()请求会被递交给叫rpc.lockd的守护进程，然后由它负责和主机端lockd的对话。 ３、此函数不仅能操作整个文件，也能操作此文件的部分区域。 ４、此函数不仅可以加建议性锁，但也支持加强制性锁。 |
| 参数说明 | １）当CMD为F_SETLKW时，阻塞加读锁或加写锁或解锁。 ２）当CMD为F_SETLK时，非阻塞加读锁或加写锁或解锁。 ３）当CMD为以上２值之一时，该函数第三个参数为: struct flock { short l_type; /* 操作类型：F_RDLCK(读锁)、F_WRLCK(写锁)、F_UNLCK(解锁) */ off_t l_start; /* 起始偏移 */ short l_whence; /* 相对位置：SEEK_SET(文件开始处)、CURR_SET(当前位置处)、END_SET(文件结束处) */ off_t l_len; /* 操作长度：０表示从start至文件结束处 */ pid_t l_pid; /* 进程ID：不必设置。当CMD为F_GETLK时，将返回该值 */ } |
使用fcntl()实现的锁操作接口如下：
图2 fcntl()非阻塞锁操作
图3 fcntl()阻塞锁操作
以上２个函数虽然支持读锁、写锁、解锁等操作，但是参数过多，不太好使用。为了简化接口的使用，可以使用如下宏替代：（因考虑到有线程的读写锁，而fcntl()只支持进程级的锁，因此其命名以proc_开头）
图4 锁的宏定义
2.3 lockf()函数
表2 lockf()函数说明
| 说明项 | 描述 |
|---|---|
| 头文件 | #include <unistd.h> |
| 函数原型 | int lockf(int fd, int cmd, off_t len) |
| 函数说明 | １、此函数符合POSIX标准的文件锁实现，所以是可移植的。 ２、在Linux操作系统中，此函数是基于fcntl()的封装，在其他操作系统中，很多也是这么实现的。但是 在POSIX.1-2001中未指明lockf()和fcntl()之间的关系。 ３、一个可移植的程序，应该避免将lockf()和fcntl()混搭使用。 |
| 参数说明 | １、参数cmd：命令类型 １）当CMD为F_LOCK时，给文件的指定段加互斥锁。(阻塞) 1. 如果加锁的段的全部或部分已经被其他进程(而不是线程)加锁，此进程将会一直阻塞直到该段被释放； 2. 如果加锁的端的与本进程之前加锁端有重叠，加锁段将进行合并； 3. 当文件描述符被关闭或或进程退出后，锁将会自动释放； 4. 孩子进程将不会继承父进程的锁； ２）当CMD为F_TLOCK时，给文件的指定段加互斥锁。(非阻塞) 该选项与F_LOCK一致，但是如果加锁段的全部或部分已经被其他进程占用时，将不会阻塞，而是立即返回错误。 ３）当CMD为F_ULOCK时，给文件的指定段解锁。 1. 该选项可能导致加锁段被分割为２段加锁段。 2. 比如：文件的第２～９ 字节被加锁，可以通过此函数给第４～７字节先解锁，这样就造成第２～3和第８～9两端 还处于加锁状态。 ４）当CMD为F_TEST时，测试文件的指定段是否已加锁。(非阻塞) 1. 当测试段没有被其他进程加锁，或者被本加锁时，返回０； 2. 当测试段被其他进程加锁，将errno设置为EAGAIN(有些系统设置为EACCESS)，同时返回-1. ２、参数len: 操作长度 １）当LEN的值为正数时，操作的范围是：pos ~ pos+len-1（注：pos为文件当前偏移量） ２）当LEN的值为负数时，操作的范围是：pos-len ~ pos-1 ３）当LEN的值为零时，操作的范围是：pos ~ 文件末尾（注：文件末尾指的是当前和未来的文件末尾） |
使用lockf()实现的锁操作接口如下：
图5 lockf()示例代码
以上３个函数lockf()、fcntl()、flock()实现的互斥锁、多写锁的作用域是进程级的，这种锁不能用来保证多线程中数据的安全性和一致性。
假设：有进程３个进程A、B和C同时抢一把进程级的互斥锁L（进程A有多个线程A1、A2、...）。如果进程Ａ抢到了锁Ｌ，那么在进程Ａ释放锁之前，进程Ｂ和Ｃ是无法再加锁成功的。如果Ａ进程抢锁成功是通过线程A1，那么当线程A2、A3、...再执行抢锁Ｌ的操作时，依然会返回加锁成功；如果是由线程Ａn抢到的锁Ｌ，可以由线程Ａx来释放锁Ｌ。
使用以上３个函数实现的读写锁的效果和互斥锁的效果，在多线程中是一致的，在此不再赘述。
总之：以上３个函数lockf()、fcntl()、flock()实现的互斥锁、多写锁的作用域是进程级的，这种锁不能用来保证多线程中数据的安全性和一致性。
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