2017-07-31 11:13:54 qq_22075977 阅读数 831
  • 红帽Linux系统企业内部实训

    本课程基于红帽企业版Linux即RHEL(RHEL是Red Hat Enterprise Linux的缩写),在课程中讲解了RHEL的安装、基础网络命令、网卡设置、文件与目录管理、进程与线程管理、VI编辑器、用户与权限、软件包管理、如何地在Linux上搭建Discuz论坛,以及磁盘管理技术、引导故障排错、root密码解锁、NFS、SAMBA、FTP、VNC服务等。

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文件锁简介

锁是保护共享资源的一种方法。在许多 UNIX 系统上,如果一个文件同时被多个进程编辑,该文件的最后状态取决于写该文件的最后一个进程。但是对于一些特殊的程序,如数据库有时需要独占一个文件,这时就不能让这个文件被多个进程同时操作了。于是 UNIX 系统提供了文件锁来实现这种独占文件的功能。

文件锁:当一个进程正在读或者或者修改文件的某个部分时,使用锁可以阻止其他进程修改同一个文件区域,文件锁可以锁定整个文件或者文件中的一个区域。

文件锁 API

早期的 BSD 只支持 flock 函数,该函数只能对整个文件加锁,不能对文件中的一部分加锁。但是 POSIX 标准的加锁使用 fcntl,这个函数不仅能够对整个文件加锁,也能对文件区域加锁,还能实现其他的文件控制操作。

这个 fcntl 函数也非常重要,来认真学习下这个函数,你可以通过 man fcntl 来查看帮助手册。

fcntl 函数

函数声明如下:

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

/*
 * fd: 文件描述符
 * cmd:F_GETLK,F_SETLK,F_SETLKW
 * arg:一个取决于 cmd 的可选参数
 * return:成功返回 0,失败返回 -1
 */
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

其中 cmdarg 参数比较重要,我们详细介绍这两个参数。

arg 参数

这个参数是一个可选参数,指定文件加锁的详细信息,在加锁文件时我们都会指定这个参数。这个参数是一个指向 struct flock 结构的指针:

struct flock {
    ...
    short l_type;    
    short l_whence; 
    off_t l_start; 
    off_t l_len;  
    pid_t l_pid; 
    ...
};

其中 5 个参数比较重要:
1. l_type:希望的锁的类型,F_RDLCK(共享读锁),F_WRLCK(独占性写锁),F_UNLCK(解锁)
2. l_whence:与 lseek 的参数相同,指定 l_start 从文件的何处开始偏移,SEEK_SET,SEEK_CUR, SEEK_END
3. l_start:加锁或者解锁的字节偏移量,与 l_whence 配合使用
4. l_len:要加锁或者解锁的字节长度
5. l_pid:进程 ID 为 l_pid 的进程能够阻塞加锁操作。

cmd 参数

这个参数有 3 种取值方式:
1. F_GETLK:判断当前文件是否被加锁,如果有锁则将现有锁的信息复制到 struct flock 中,否则设置 l_type = F_UNLCK
2. F_SETLK:设置由 arg 所描述的锁
3. F_SETLKW:如果请求的锁不能被授予,那么调用进程会被置为休眠

总体来讲:用 F_GETLK 来测试能够获得一把锁,然后用 F_SETLK 或者 F_SETLKW 尝试加上一把锁。

文件锁分类

按照锁的类型和系统中锁的属性可以分为下面的 2 类。

读锁(L_RDLCK)和写锁(L_WRLCK)

这两个锁的区别是:任意多个进程在一个给定的字节上可以有一把共享的读锁,但是在一个给定的字节上只能有一个进程有一把独占写锁

如下表所示:

table

但是这个规则只适用不同进程之间的提出的锁请求。在单个进程下,如果在已有的锁上加新锁,则新锁会替换旧锁,也不管锁是何种类型。例如:读锁可以替换写锁,写锁也可以替换读锁。

强制锁和建议锁

  1. 强制锁:内核管理的底层锁,一个进程锁定后其他用户不能打开
  2. 建议锁:用户管理的上层锁,一个进程锁定后其他用户可以打开

Linux 默认加的是建议锁,如果需要加强制锁,则需要在文件系统上用 mount 命令的 -o mand 选项来打开强制锁机制,参考 man fcntl

实例:fcntl 锁定文件

为了更好的理解锁的机制,我们来写一个实际的加锁程序来锁定一个文件,然后测试是否加锁成功。

1. 对文件加建议锁

/*
 * file_lock.c 
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    // 打开文件 
    int fd = open("./hello.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666)  ; 
    if(fd < 0) {
        printf("file open fail.\n");
        exit(1);
    }

    // 建立一个独占性写锁
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_start = 0;
    lock.l_len = 0;
    lock.l_pid = getpid(); 

    // 对 hello.txt 加锁
    if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0)
        printf("fcntl error.\n");

    printf("Process %d has lock.\n", lock.l_pid);   

    while(1); 
}

编译运行:

# 编译
gcc file_lock.c -o file_lock

# 运行
 ./file_lock 
Process 11080 has lock.

# Ctrl - C 结束程序 

然后我们启动另一个终端,尝试向 hello.txt 中写入数据,观察是否会阻塞:

echo hello_world >> hello.txt

cat hello.txt

# 写入成功了
hello_world

我们发现竟然写入成功了,我们不是已经加了锁了吗?其实这是因为默认加的是建议锁,建议锁可以被其他进程直接打开,因此可以写入成功。但是我们在程序中一般都是先F_GETLCK 主动判断要打开的文件是否有锁,例如下面这个例子:

2. 测试文件是否加锁成功

/*
 * lock_test.c
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() { 
    int fd = open("./hello.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666)  ; 

    if(fd < 0) {
        printf("file open fail.\n");
        exit(1);
    }

    // 如果发现有进程已经对这个文件加锁
    // 那么现有锁的信息将重写下面的结构
    struct flock lock;
    lock.l_type = F_WRLCK;
    lock.l_whence = SEEK_SET;
    lock.l_start = 0;
    lock.l_len = 0;
    lock.l_pid = getpid(); 

    // 判断 hello.txt 上是否已经加锁
    if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) < 0)
        printf("fcntl error.\n");

    // 如果没有进程对文件加锁,只将 l_type 设置为 F_UNLCK,其他信息不变
    if (lock.l_type == F_UNLCK)
        printf("No process has the lock.\n");   
    else 
        printf("Process %d has the lock.\n", lock.l_pid);

    return 0;
}

我们编译运行:

gcc lock_test.c -o lock_test

./lock_test
No process has the lock.

发现当前 hello.txt 文件上没有锁,我们运行上一个 ./file_lock 程序:

./file_lock

Process 11080 has lock.
# while (1) 阻塞

这时进程 11080 已经对 hello.txt 加上了建议的独占性写锁,我们再次用 ./lock_test 测试这个文件是否被加锁:

./lock_test
Process 11080 has the lock.

可以看到这个文件已经被 11080 进程加锁了,我们之后就不要操作这个文件了。

记住在使用 fcntl 时,一定主要主动判断文件是否被加锁。

结语

文件锁是一个非常重要的话题,这篇博客主要介绍了一个重要的 fcntl 函数和文件锁的相关概念,一定要掌握这个函数的基本用法,其他重要的锁话题,例如死锁等,我们后面再议。

最后,感谢你的阅读,我们下次再见 :)

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CDeveloper

2012-09-21 17:42:08 zhx6044 阅读数 21400
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                     在文已经共享的情况下如何操作,也就是当多个进程同时操作同一个文件时,我们怎么保证文件数据的正确性。linux通常采用的方法是文件上锁,来避免共享资源的产生竞争状态。

                    文件锁包括建议性锁和强制性的锁。建议性的,顾名思义,相对温柔一些,在对文件进行锁操作时,会检测是否已经有锁存在,并且尊重已有的锁。在一般的情况下,内核和系统都不使用建议锁。强制性的锁是由内核执行的锁,当一个文件被上锁进行写入操作的时候,内核将阻止其他进程对其进行读写操作。采取强制性的锁对性能的影响很大,每次进行读写操作都必须检查是否有锁存在。

                      在linux中对文件进行锁操作,可以使用lockf()和fcntl()这两个函数,前者对文件施加建议性锁,后者为两种锁都行。另外fcntl还可以对文件的某一记录上锁。

                      fcntl使用格式为:

                      int fcntl(int fd,int cmd,struct flock *lock);

                      fd为文件描述符,cmd为一些命令参数,flcok结构体用来设置记录锁的具体状态。

                     fcntl() 对已打开的文件描述符进行操作,并根据命令参数的不同能够执行不同的任务。关于文件锁的几个命令选项如下:

       F_GETLK 根据lock参数值,决定是否上文件锁
       F_SETLK 设置lock参数值的文件锁
       F_SETLKW 这是 F_GETLK的阻塞版本,在无法获取锁时,会进入睡眠状态。
      

     
      flock结构体的定义如下:
       struct flock {
           
                  short l_type;
                  off_t l_start;
                 short l_whence;
                 off_t l_len;
                 pid_t l_pid;
     }

     l_type有三个选项:
    F_RDLCK
    : 共享锁,只读用
    F_WRLCK : 独占锁(写操作锁)

                   F_UNLCK : 解除锁定

                  l_start 为相对位移量

                  l_whence 必须是以下几个值之一( 在 unistd.h 中定义):
                  SEEK_SET : 文件开始位置
                  SEEK_CUR: 文件当前位置
                  SEEK_END: 文件末尾位置


                   l_len 加锁的长度

                   l_pid当前文件操作的进程id号

                  下面是简单的例子

                  

                   运行结果:

                 

                 

                  读是可以共享的。

                


                 写的例子:

                


               运行结果:

             

同时写的话,发生竞争,后者不能对文件做写操作,只有当当前的锁解开,后续的才可写文件

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sudo chown -R $USER 文件夹路径

博文 来自: weixin_41894196

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