linux文件锁定被使用

一、什么是文件锁定

对于锁这个字，大家一定不会陌生，因为我们生活中就存在着大量的锁，它们各个方面发挥着它的作用，现在世界中的锁的功能都可归结为一句话，就是阻止某些人做某些事，例如，门锁就是阻止除了屋主之外的人进入这个房子，你进入不到这个房子，也就不能使用房子里面的东西。

而因为程序经常需要共享数据，而这通常又是通过文件来实现的，试想一个情况，A进程正在对一个文件进行写 *** 作，而另一个程序B需要对同一个文件进行读 *** 作，并以读取到的数据作为自己程序运行时所需要的数据，这会发生什么情况呢？进程B可能会读到错乱的数据，因为它并不知道另一个进程A正在改写这个文件中的数据。

为了解决类似的问题，就出现了文件锁定，简单点来说，这是文件的一种安全的更新方式，当一个程序正在对文件进行写 *** 作时，文件就会进入一种暂时状态，在这个状态下，如果另一个程序尝试读这个文件，它就会自动停下来等待这个状态结束。Linux系统提供了很多特性来实现文件锁定，其中最简单的方法就是以原子 *** 作的方式创建锁文件。

用回之前的例子就是，文件锁就是当文件在写的时候，阻止其他的需要写或者要读文件的进程来 *** 作这个文件。

二、创建锁文件

创建一个锁文件是非常简单的，我们可以使用open系统调用来创建一个锁文件，在调用open时oflags参数要增加参数O_CREAT和O_EXCL标志，如file_desc = open("/tmp/LCKtest", O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, 0444);就可以创建一个锁文件/tmp/LCKtest。O_CREAT|O_EXCL，可以确保调用者可以创建出文件，使用这个模式可以防止两个程序同时创建同一个文件，如果文件（/tmp/LCKtest）已经存在，则open调用就会失败，返回-1。

如果一个程序在它执行时，只需要独占某个资源一段很短的时间，这个时间段（或代码区）通常被叫做临界区，我们需要在进入临界区之前使用open系统调用创建锁文件，然后在退出临界区时用unlink系统调用删除这个锁文件。

注意：锁文件只是充当一个指示器的角色，程序间需要通过相互协作来使用它们，也就是说锁文件只是建议锁，而不是强制锁，并不会真正阻止你读写文件中的数据。

可以看看下面的例子：源文件文件名为filelock1c，代码如下：

#include <unistdh> #include <stdlibh> #include <stdioh> #include <fcntlh> #include <errnoh> int main() { const char lock_file = "/tmp/LCKtest1"; int n_fd = -1; int n_tries = 10; while(n_tries--) { //创建锁文件 n_fd = open(lock_file, O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, 0444); if(n_fd == -1) { //创建失败 printf("%d - Lock already present ", getpid()); sleep(2); } else { //创建成功 printf("%d - I have exclusive access ", getpid()); sleep(1); close(n_fd); //删除锁文件，释放锁 unlink(lock_file); sleep(2); } } return 0; }

同时运行同一个程序的两个实例，运行结果为：



从运行的结果可以看出两个程序交叉地对对文件进行锁定，但是真实的 *** 作却是，每次调用open函数去检查/tmp/LCKtest1这个文件是否存在，如果存在open调用就失败，显示有进程已经把这个文件锁定了，如果这个文件不存在，就创建这个文件，并显示许可信息。但是这种做法有一定的缺憾，我们可以看到文件/tmp/LCKtest1被创建了很多次，也被unlink删除了很多次，也就是说我们不能使用已经事先有数据的文件作为这种锁文件，因为如果文件已经存在，则open调用总是失败。

给我的感觉是，这更像是一种对进程工作的协调性安排，更像是二进制信号量的作用，文件存在为0，不存在为1，而不是真正的文件锁定。

三、区域锁定

我们还有一个问题，就是如果同一个文件有多个进程需要对它进行读写，而一个文件同一时间只能被一个进程进行写 *** 作，但是多个进程读写的区域互不相关，如果总是要等一个进程写完其他的进程才能对其进行读写，效率又太低，那么是否可以让多个进程同时对文件进行读写以提高数据读写的效率呢？

为了解决上面提到的问题，和出现在第二点中的问题，即不能把文件锁定到指定的已存在的数据文件上的问题，我们提出了一种新的解决方案，就是区域锁定。

简单点来说，区域锁定就是，文件中的某个部分被锁定了，但其他程序可以访问这个文件中的其他部分。

然而，区域锁定的创建和使用都比上面说的文件锁定复杂很多。

1、创建区域锁定

在Linux上为实现这一功能，我们可以使用fcntl系统调用和lockf调用，但是下面以fcntl系统调用来讲解区域锁定的创建。

fctnl的函数原理为：

int fctnl(int fildes, int command, );

它对一个打开的文件描述进行 *** 作，并能根据command参数的设置完成不同的任务，它有三个可选的任务：F_GETLK，F_SETLK,F_SETLKW，至于这三个参数的意义下面再详述。而当使用这些命令时，fcntl的第三个参数必须是一个指向flock结构的指针，所以在实际应用中，fctnl的函数原型一般为：int fctnl(int fildes, int command, struct flock flock_st);

2、flock结构

准确来说，flock结构依赖具体的实现，但是它至少包括下面的成员：

short l_type;文件锁的类型，对应于F_RDLCK（读锁，也叫共享锁），F_UNLCK（解锁，也叫清除锁），F_WRLCK（写锁，也叫独占锁）中的一个。

short l_whence;从文件的哪个相对位置开始计算，对应于SEEK_SET（文件头），SEEK_CUR（当前位置），SEEK_END(文件尾）中的一个。

off_t l_start;从l_whence开始的第l_start个字节开始计算。

off_t l_len;锁定的区域的长度。

pid_t l_pid;用来记录参持有锁的进程。

成员l_whence、l_start和l_len定义了一个文件中的一个区域，即一个连续的字节集合，例如：

struct flock region;

regionl_whence = SEEK_SET;

regionl_start = 10;

regionl_len = 20;

则表示fcntl函数 *** 作锁定的区域为文件头开始的第10到29个字节之间的这20个字节。

3、文件锁的类型

从上面的flock的成员l_type的取值我们可以知道，文件锁的类型主要有三种，这里对他们进行详细的解说。

F_RDLCK：

从它的名字我们就可以知道，它是一个读锁，也叫共享锁。许多不同的进程可以拥有文件同一（或重叠）区域上的读（共享）锁。而且只要任一进程拥有一把读（共享）锁，那么就没有进程可以再获得该区域上的写（独占）锁。为了获得一把共享锁，文件必须以“读”或“读/写”方式打开。

简单点来说就是，当一个进程在读文件中的数据时，文件中的数据不能被改变或改写，这是为了防止数据被改变而使读数据的程序读取到错乱的数据，而文件中的同一个区域能被多个进程同时读取，这是容易理解的，因为读不会破坏数据，或者说读 *** 作不会改变文件的数据。

F_WRLCK：

从它的名字，我们就可以知道，它是一个写锁，也叫独占锁。只有一个进程可以在文件中的任一特定区域拥有一把写（独占）锁。一旦一个进程拥有了这样一把锁，任何其他进程都无法在该区域上获得任何类型的锁。为了获得一把写（独占）锁，文件也必须以“读”或“读/写”方式打开。

简单点来说，就是一个文件同一区域（或重叠）区域进在同一时间，只能有一个进程能对其进行写 *** 作，并且在写 *** 作进行期间，其他的进程不能对该区域进行读取数据。这个要求是显然易见的，因为如果两个进程同时对一个文件进行写 *** 作，就会使文件的内容错乱起来，而由于写时会改变文件中的数据，所以它也不允许其他进程对文件的数据进行读取和删除文件等 *** 作。

F_UNLCK:

从它的名字就可以知道，它用于把一个锁定的区域解锁。

4、不同的command的意义

在前面说到fcntl函数的command参数时，说了三个命令选项，这里将对它们进行详细的解说。

F_GETLK命令，它用于获取fildes（fcntl的第一个参数）打开的文件的锁信息，它不会尝试去锁定文件，调用进程可以把自己想创建的锁类型信息传递给fcntl，函数调用就会返回将会阻止获取锁的任何信息，即它可以测试你想创建的锁是否能成功被创建。fcntl调用成功时，返回非-1，如果锁请求可以成功执行，flock结构将保持不变，如果锁请求被阻止，fcntl会用相关的信息覆盖flock结构。失败时返回-1。

所以，如果调用成功，调用程序则可以通过检查flock结构的内容来判断其是否被修改过，来检查锁请求能否被成功执行，而又因为l_pid的值会被设置成拥有锁的进程的标识符，所以大多数情况下，可以通过检查这个字段是否发生变化来判断flock结构是否被修改过。

使用F_GETLK的fcntl函数调用后会立即返回。

举个例子来说，例如，有一个flock结构的变量，flock_st,flock_stl_pid = -1，文件的第10~29个字节已经存在一个读锁，文件的第40~49个字节中已经存在一个写锁，则调用fcntl时，如果用F_GETLK命令，来测试在第10~29个字节中是否可以创建一个读锁，因为这个锁可以被创建，所以，fcntl返回非-1，同时，flock结构的内容也不会改变，flock_stl_pid = -1。而如果我们测试第40~49个字节中是否可以创建一个写锁时，由于这个区域已经存在一个写锁，测试失败，但是fcntl还是会返回非-1，只是flock结构会被这个区域相关的锁的信息覆盖了，flock_stl_pid为拥有这个写锁的进程的进程标识符。

F_SETLK命令，这个命令试图对fildes指向的文件的某个区域加锁或解锁，它的功能根据flock结构的l_type的值而定。而对于这个命令来说，flock结构的l_pid字段是没有意义的。如果加锁成功，返回非-1，如果失败，则返回-1。使用F_SETLK的fcntl函数调用后会立即返回。

F_SETLKW命令，这个命令与前面的F_SETLK，命令作用相同，但不同的是，它在无法获取锁时，即测试不能加锁时，会一直等待直到可以被加锁为止。

5、例子

看了这么多的说明，可能你已经很乱了，就用下面的例子来整清你的思想吧。

源文件名为filelock2c，用于创建数据文件，并将文件区域加锁，代码如下：

#include <unistdh> #include <stdlibh> #include <stdioh> #include <fcntlh> int main() { const char test_file = "test_locktxt"; int file_desc = -1; int byte_count = 0; char byte_to_write = "A"; struct flock region_1; struct flock region_2; int res = 0; //打开一个文件描述符 file_desc = open(test_file, O_RDWR|O_CREAT, 0666); if(!file_desc) { fprintf(stderr, "Unable to open %s for read/write ", test_file); exit(EXIT_FAILURE); } //给文件添加100个‘A’字符的数据 for(byte_count = 0; byte_count < 100; ++byte_count) { write(file_desc, byte_to_write, 1); } //在文件的第10～29字节设置读锁（共享锁） region_1l_type = F_RDLCK; region_1l_whence = SEEK_SET; region_1l_start = 10; region_1l_len = 20; //在文件的40～49字节设置写锁（独占锁） region_2l_type = F_WRLCK; region_2l_whence = SEEK_SET; region_2l_start = 40; region_2l_len = 10; printf("Process %d locking file ", getpid()); //锁定文件 res = fcntl(file_desc, F_SETLK, ®ion_1); if(res == -1) { fprintf(stderr, "Failed to lock region 1 "); } res = fcntl(file_desc, F_SETLK, ®ion_2); if(res == -1) { fprintf(stderr, "Failed to lock region 2 "); } //让程序休眠一分钟，用于测试 sleep(60); printf("Process %d closing file ", getpid()); close(file_desc); exit(EXIT_SUCCESS); }

下面的源文件filelock3c用于测试上一个文件设置的锁，测试可否对两个区域都加上一个读锁，代码如下：

#include <unistdh> #include <stdlibh> #include <stdioh> #include <fcntlh> int main() { const char test_file = "test_locktxt"; int file_desc = -1; int byte_count = 0; char byte_to_write = "A"; struct flock region_1; struct flock region_2; int res = 0; //打开数据文件 file_desc = open(test_file, O_RDWR|O_CREAT, 0666); if(!file_desc) { fprintf(stderr, "Unable to open %s for read/write ", test_file); exit(EXIT_FAILURE); } //设置区域1的锁类型 struct flock region_test1; region_test1l_type = F_RDLCK; region_test1l_whence = SEEK_SET; region_test1l_start = 10; region_test1l_len = 20; region_test1l_pid = -1; //设置区域2的锁类型 struct flock region_test2; region_test2l_type = F_RDLCK; region_test2l_whence = SEEK_SET; region_test2l_start = 40; region_test2l_len = 10; region_test2l_pid = -1; //

三、解空锁问题

如果我要给在本进程中没有加锁的区域解锁会发生什么事情呢？而如果这个区域中其他的进程有对其进行加锁又会发生什么情况呢？

如果一个进程实际并未对一个区域进行锁定，而调用解锁 *** 作也会成功，但是它并不能解其他的进程加在同一区域上的锁。也可以说解锁请求最终的结果取决于这个进程在文件中设置的任何锁，没有加锁，但对其进行解锁得到的还是没有加锁的状态。

微型计算机的总线结构

Bub(总线) Interface（接口） Socket（插座） Slot（插槽） Port（端口）

总线——是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，是计算机各部件之间的传送数据、地址和控制信息的公共通路，它能分时地发送与接收各部件的信息。

采用结构在系统设计、生产、使用和维护上有很多优越性：

（1）采用结构设计方法，简化了系统设计。

（2）便于生产与之兼容的硬件板卡和软件。

（3）便于系统的扩充和升级。

（4）便于故障诊断和维护，也降低了成本。

总线的主要参数

总线分类：

数据总线（Data Bus)－用于传输数据的。

地址总线（Address Bus)-用于传输地址信息的。

控制总线（Contron Bus)－用于传输控制信号、时钟信号的状态信息的。

1、总线的带宽(MB/s)

——指的是单位时间内总线上可传送的数据量，即每秒传送多少MB字节的最大稳态数据传输率。

2、总线的位宽（bit)

——指的是总线一次能同时传送的数据位数，即常说的32位、64位等总线宽度。总线位宽越大传输率越大。

3、总线的工作时钟频率

——总线分为：CPU内部使用的内部总线和CPU对外联系的外部总线。

外部总线又称为系统总线。众多的功能部件要正常的动作，必须有一个统一的指挥，这个就是时钟信号。

控制总线的时钟信号频率称为总线的工作时钟频率。内部总线频率就是常说的内频，而外部总线频率就是外频。

总线带宽＝总线位宽总线工作频率/8

注：(总线带宽、总线位宽、总线工作时钟频率的关系，就像速公路上的车流量、公路车道数目、车辆行驶速度的关系）

实验1 进程管理1 实验目的（1） 加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。（2） 进一步认识并发执行的实质。（3） 分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。（4） 了解Linux系统中进行通信的基本原理。2 实验预备内容（1） 阅读Linux的schedd源码文件，加深对进程管理的理解。（2） 阅读Linux的forkc源码文件，分析进程的创建过程。3 实验内容（1） 进程的创建编写一段程序，使用系统调用fork()创建两个子进程。当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符；父进程显示字符"a"，子进程分别显示"b"和"c"。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。〈程序〉#include〈stdioh〉Main(){int p1,p2;while((p1 == fork()) == -1); /创建子进程p1/if (p1 == 0) /子进程创建成功/putchar('b');else{while((p2 == fork())) == -1); /创建子进程p2/if (p2 == 0) /子进程创建成功/putchar('c'); /父进程执行/else putchar('a');}}〈运行结果〉bca(有时出现bac等)分析：从进程并发执行来看，输出bac，acb等情况都有可能。原因：fork（）创建进程所需的时间要多于输出一个字符的时间，因此在主进程创建进程2的同时，进程1就输出了'b'，而进程2和主程序的输出次序是有随机性的,所以会出现上述结果。（2） 进程的控制修改已编写的程序，将每个进程的输出有单个字符改为一句话，在观察程序执行时屏幕上出现的现象，并分析其原因。如果在程序中使用系统调用lockf()来给每个进程加锁，可以实现进程之间的互斥，观察并分析出现的现象。〈程序1〉#include〈stdioh〉main(){int p1,p2,i;while((p1 == fork()) == -1); /创建子进程p1/if (p1 == 0) /子进程创建成功/for(i=0;iprintf("sun %d/n",i);else{while((p2 == fork())) == -1); /创建子进程p2/if (p2 == 0) /子进程创建成功/for(i=0;iprintf("earth %d/n",i);elsefor(i=0;iprintf("moon %d/n",i);}}〈运行结果〉sunearthmoonmoon或sunearthsunearthmoon等分析：由于函数printf()输出的字符串之间不会被中断，因此，字符串内部的字符顺序输出时不变。但是，由于进程并发执行时的调度顺序和父子进程的抢占处理机问题，输出字符串的顺序和先后随着执行的不同而发生变化。这类似打印单字符的结果。〈程序2〉#include〈stdioh〉main(){int p1,p2,i;while((p1 == fork()) == -1); /创建子进程p1/if (p1 == 0){lockf(1,1,0);for(i=0;iprintf("sun %d/n",i);lockf(1,0,0);}else{while((p2 == fork())) == -1);if (p2 == 0){lockf(1,1,0);for(i=0;iprintf("earth %d/n",i);lockf(1,0,0);}else{lockf(1,1,0);for(i=0;iprintf("moon %d/n",i);lockf(1,1,,0);}}}〈运行结果〉sunearthmoonmoon或sunearthsunearthmoon等与未上锁的情况大致相同，也是随着执行时间的不同，输出结果的顺序有所不同。分析：因为上述程序执行时，不同进程之间不存在共享临界资源问题，所以，加锁与不加锁效果相同。（3） 软中断通信编制一段程序，使用系统调用fork()创建两个子进程，再用系统调用signal()让父进程扑捉键盘上来的中断信号（即按Del键），当扑捉到中断信号后，父进程用系统调用kill()向两个子进程发出信号，子进程扑捉到信号后，分别输出下列信息后终止：child process 1 is killed by parent!child process 2 is killed by parent!父进程等待两个子进程终止后，输出以下信息后终止：parent process is killed!〈程序〉#include〈stdioh〉#include〈signalh〉#include〈unistdh〉void waiting(),stop();int wait_mark;main(){int p1,p2,i;while((p1 == fork()) == -1); /创建子进程p1/if (p1 > 0){while((p1 == fork == -1);if(p2 > 0){wait_mark = -1;signal(SIGINT,stop); /接收'Del'信号，并转stop/waiting(0);kill(p1,16); /向p1发中断信号16/kill(p2,17); /向p1发中断信号17/wait(0); /同步/wait(0);printf("parent process is killed! \n");exit(0);}else{wait_mark = -1;signal(17,stop);waiting();lockf(stdout,1,0);printf("child process 2 is killed by parent! \n");lockf(stdout,0,0);exit(0);}}else{wait_mark = -1;signal(16,stop);waiting();lockf(stdout,1,0);printf("child process 1 is killed by parent! \n");lockf(stdout,0,0);exit(0);}}void waiting(){while (wait_mark != 0);}void stop(){wait_mark = 0;}〈运行结果〉child process 1 is killed by parent!child process 2 is killed by parent!parent process is killed!分析：上述程序中，使用函数signal()都放在一段程序的前面部位，而不是在其他接收信号处。只是因为signal()的执行只是为进程指定信号量16或17的作用，以及分配相应的与stop()过程链接的指针。从而，signal()函数必须在程序前面部分执行。

ockf(fd,1,0)是给fd文件上锁，lockf(fd,0,0)是解锁，配合使用，实现进程的互斥。

头文件

#include <sys/fileh>

函数:

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

fd -- 文件id

fcntl(2)的接口(inteface)函数

返回1表示调用lockf成功

lockf用于锁定或打开锁定一个共享文件

*** 作有:

F_LOCK(锁定),F_TLOCK,F_ULOCK(打开锁定),F_TEST

扩展资料：

注意事项

lockf()函数允许将文件区域用作信号量（监视锁），或用于控制对锁定进程的访问（强制模式记录锁定）。试图访问已锁定资源的其他进程将返回错误或进入休眠状态，直到资源解除锁定为止。当关闭文件时，将释放进程的所有锁定，即使进程仍然有打开的文件。当进程终止时，将释放进程保留的所有锁定。

函数声明：

/ 'lockf' is a simpler interface to the locking facilities of 'fcntl' LEN is always relative to the current file position The CMD argument is one of the following This function is a cancellation point and therefore not marked with __THROW / 

#include <unistdh>

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