一、什麼是文件鎖定
對於鎖這個字，大家一定不會陌生，因為我們生活中就存在著大量的鎖，它們各個方面發揮著它的作用，現在世界中的鎖的功能都可歸結為一句話，就是阻止某些人做某些事，例如，門鎖就是阻止除了屋主之外的人進入這個房子，你進入不到這個房子，也就不能使用房子裡面的東西。
而因為程序經常需要共享數據，而這通常又是通過文件來實現的，試想一個情況，A進程正在對一個文件進行寫操作，而另一個程序B需要對同一個文件進行讀操作，並以讀取到的數據作為自己程序運行時所需要的數據，這會發生什麼情況呢？進程B可能會讀到錯亂的數據，因為它並不知道另一個進程A正在改寫這個文件中的數據。
為了解決類似的問題，就出現了文件鎖定，簡單點來說，這是文件的一種安全的更新方式，當一個程序正在對文件進行寫操作時，文件就會進入一種暫時狀態，在這個狀態下，如果另一個程序嘗試讀這個文件，它就會自動停下來等待這個狀態結束。Linux系統提供了很多特性來實現文件鎖定，其中最簡單的方法就是以原子操作的方式創建鎖文件。
用回之前的例子就是，文件鎖就是當文件在寫的時候，阻止其他的需要寫或者要讀文件的進程來操作這個文件。
二、創建鎖文件
創建一個鎖文件是非常簡單的，我們可以使用open系統調用來創建一個鎖文件，在調用open時oflags參數要增加參數O_CREAT和O_EXCL標志，如file_desc = open("/tmp/LCK.test", O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, 0444);就可以創建一個鎖文件/tmp/LCK.test。O_CREAT|O_EXCL，可以確保調用者可以創建出文件，使用這個模式可以防止兩個程序同時創建同一個文件，如果文件（/tmp/LCK.test）已經存在，則open調用就會失敗，返回-1。
如果一個程序在它執行時，只需要獨占某個資源一段很短的時間，這個時間段（或代碼區）通常被叫做臨界區，我們需要在進入臨界區之前使用open系統調用創建鎖文件，然後在退出臨界區時用unlink系統調用刪除這個鎖文件。
注意：鎖文件只是充當一個指示器的角色，程序間需要通過相互協作來使用它們，也就是說鎖文件只是建議鎖，而不是強制鎖，並不會真正阻止你讀寫文件中的數據。
可以看看下面的例子：源文件文件名為filelock1.c，代碼如下：
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
int main()
{
const char *lock_file = "/tmp/LCK.test1";
int n_fd = -1;
int n_tries = 10;
while(n_tries--)
{
//創建鎖文件
n_fd = open(lock_file, O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, 0444);
if(n_fd == -1)
{
//創建失敗
printf("%d - Lock already present\n", getpid());
sleep(2);
}
else
{
//創建成功
printf("%d - I have exclusive access\n", getpid());
sleep(1);
close(n_fd);
//刪除鎖文件，釋放鎖
unlink(lock_file);
sleep(2);
}
}
return 0;
}
同時運行同一個程序的兩個實例，運行結果為：
從運行的結果可以看出兩個程序交叉地對對文件進行鎖定，但是真實的操作卻是，每次調用open函數去檢查/tmp/LCK.test1這個文件是否存在，如果存在open調用就失敗，顯示有進程已經把這個文件鎖定了，如果這個文件不存在，就創建這個文件，並顯示許可信息。但是這種做法有一定的缺憾，我們可以看到文件/tmp/LCK.test1被創建了很多次，也被unlink刪除了很多次，也就是說我們不能使用已經事先有數據的文件作為這種鎖文件，因為如果文件已經存在，則open調用總是失敗。
給我的感覺是，這更像是一種對進程工作的協調性安排，更像是二進制信號量的作用，文件存在為0，不存在為1，而不是真正的文件鎖定。
三、區域鎖定
我們還有一個問題，就是如果同一個文件有多個進程需要對它進行讀寫，而一個文件同一時間只能被一個進程進行寫操作，但是多個進程讀寫的區域互不相關，如果總是要等一個進程寫完其他的進程才能對其進行讀寫，效率又太低，那麼是否可以讓多個進程同時對文件進行讀寫以提高數據讀寫的效率呢？
為了解決上面提到的問題，和出現在第二點中的問題，即不能把文件鎖定到指定的已存在的數據文件上的問題，我們提出了一種新的解決方案，就是區域鎖定。
簡單點來說，區域鎖定就是，文件中的某個部分被鎖定了，但其他程序可以訪問這個文件中的其他部分。
然而，區域鎖定的創建和使用都比上面說的文件鎖定復雜很多。
1、創建區域鎖定
在Linux上為實現這一功能，我們可以使用fcntl系統調用和lockf調用，但是下面以fcntl系統調用來講解區域鎖定的創建。
fctnl的函數原理為：
int fctnl(int fildes, int command, ...);
它對一個打開的文件描述進行操作，並能根據command參數的設置完成不同的任務，它有三個可選的任務：F_GETLK，F_SETLK,F_SETLKW，至於這三個參數的意義下面再詳述。而當使用這些命令時，fcntl的第三個參數必須是一個指向flock結構的指針，所以在實際應用中，fctnl的函數原型一般為：int fctnl(int fildes, int command, struct flock *flock_st);
2、flock結構
准確來說，flock結構依賴具體的實現，但是它至少包括下面的成員：
short l_type;文件鎖的類型，對應於F_RDLCK（讀鎖，也叫共享鎖），F_UNLCK（解鎖，也叫清除鎖），F_WRLCK（寫鎖，也叫獨占鎖）中的一個。
short l_whence;從文件的哪個相對位置開始計算，對應於SEEK_SET（文件頭），SEEK_CUR（當前位置），SEEK_END(文件尾）中的一個。
off_t l_start;從l_whence開始的第l_start個字節開始計算。
off_t l_len;鎖定的區域的長度。
pid_t l_pid;用來記錄參持有鎖的進程。
成員l_whence、l_start和l_len定義了一個文件中的一個區域，即一個連續的字節集合，例如：
struct flock region;
region.l_whence = SEEK_SET;
region.l_start = 10;
region.l_len = 20;
則表示fcntl函數操作鎖定的區域為文件頭開始的第10到29個字節之間的這20個字節。
3、文件鎖的類型
從上面的flock的成員l_type的取值我們可以知道，文件鎖的類型主要有三種，這裡對他們進行詳細的解說。
F_RDLCK：
從它的名字我們就可以知道，它是一個讀鎖，也叫共享鎖。許多不同的進程可以擁有文件同一（或重疊）區域上的讀（共享）鎖。而且只要任一進程擁有一把讀（共享）鎖，那麼就沒有進程可以再獲得該區域上的寫（獨占）鎖。為了獲得一把共享鎖，文件必須以“讀”或“讀/寫”方式打開。
簡單點來說就是，當一個進程在讀文件中的數據時，文件中的數據不能被改變或改寫，這是為了防止數據被改變而使讀數據的程序讀取到錯亂的數據，而文件中的同一個區域能被多個進程同時讀取，這是容易理解的，因為讀不會破壞數據，或者說讀操作不會改變文件的數據。
F_WRLCK：
從它的名字，我們就可以知道，它是一個寫鎖，也叫獨占鎖。只有一個進程可以在文件中的任一特定區域擁有一把寫（獨占）鎖。一旦一個進程擁有了這樣一把鎖，任何其他進程都無法在該區域上獲得任何類型的鎖。為了獲得一把寫（獨占）鎖，文件也必須以“讀”或“讀/寫”方式打開。
簡單點來說，就是一個文件同一區域（或重疊）區域進在同一時間，只能有一個進程能對其進行寫操作，並且在寫操作進行期間，其他的進程不能對該區域進行讀取數據。這個要求是顯然易見的，因為如果兩個進程同時對一個文件進行寫操作，就會使文件的內容錯亂起來，而由於寫時會改變文件中的數據，所以它也不允許其他進程對文件的數據進行讀取和刪除文件等操作。
F_UNLCK:
從它的名字就可以知道，它用於把一個鎖定的區域解鎖。
4、不同的command的意義
在前面說到fcntl函數的command參數時，說了三個命令選項，這裡將對它們進行詳細的解說。
F_GETLK命令，它用於獲取fildes（fcntl的第一個參數）打開的文件的鎖信息，它不會嘗試去鎖定文件，調用進程可以把自己想創建的鎖類型信息傳遞給fcntl，函數調用就會返回將會阻止獲取鎖的任何信息，即它可以測試你想創建的鎖是否能成功被創建。fcntl調用成功時，返回非-1，如果鎖請求可以成功執行，flock結構將保持不變，如果鎖請求被阻止，fcntl會用相關的信息覆蓋flock結構。失敗時返回-1。
所以，如果調用成功，調用程序則可以通過檢查flock結構的內容來判斷其是否被修改過，來檢查鎖請求能否被成功執行，而又因為l_pid的值會被設置成擁有鎖的進程的標識符，所以大多數情況下，可以通過檢查這個字段是否發生變化來判斷flock結構是否被修改過。
使用F_GETLK的fcntl函數調用後會立即返回。
舉個例子來說，例如，有一個flock結構的變量，flock_st,flock_st.l_pid = -1，文件的第10~29個字節已經存在一個讀鎖，文件的第40~49個字節中已經存在一個寫鎖，則調用fcntl時，如果用F_GETLK命令，來測試在第10~29個字節中是否可以創建一個讀鎖，因為這個鎖可以被創建，所以，fcntl返回非-1，同時，flock結構的內容也不會改變，flock_st.l_pid = -1。而如果我們測試第40~49個字節中是否可以創建一個寫鎖時，由於這個區域已經存在一個寫鎖，測試失敗，但是fcntl還是會返回非-1，只是flock結構會被這個區域相關的鎖的信息覆蓋了，flock_st.l_pid為擁有這個寫鎖的進程的進程標識符。
F_SETLK命令，這個命令試圖對fildes指向的文件的某個區域加鎖或解鎖，它的功能根據flock結構的l_type的值而定。而對於這個命令來說，flock結構的l_pid字段是沒有意義的。如果加鎖成功，返回非-1，如果失敗，則返回-1。使用F_SETLK的fcntl函數調用後會立即返回。
F_SETLKW命令，這個命令與前面的F_SETLK，命令作用相同，但不同的是，它在無法獲取鎖時，即測試不能加鎖時，會一直等待直到可以被加鎖為止。
5、例子
看了這麼多的說明，可能你已經很亂了，就用下面的例子來整清你的思想吧。
源文件名為filelock2.c，用於創建數據文件，並將文件區域加鎖，代碼如下：
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
const char *test_file = "test_lock.txt";
int file_desc = -1;
int byte_count = 0;
char *byte_to_write = "A";
struct flock region_1;
struct flock region_2;
int res = 0;
//打開一個文件描述符
file_desc = open(test_file, O_RDWR|O_CREAT, 0666);
if(!file_desc)
{
fprintf(stderr, "Unable to open %s for read/write\n", test_file);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//給文件添加100個‘A’字符的數據
for(byte_count = 0; byte_count < 100; ++byte_count)
{
write(file_desc, byte_to_write, 1);
}
//在文件的第10～29字節設置讀鎖（共享鎖）
region_1.l_type = F_RDLCK;
region_1.l_whence = SEEK_SET;
region_1.l_start = 10;
region_1.l_len = 20;
//在文件的40～49字節設置寫鎖（獨占鎖）
region_2.l_type = F_WRLCK;
region_2.l_whence = SEEK_SET;
region_2.l_start = 40;
region_2.l_len = 10;
printf("Process %d locking file\n", getpid());
//鎖定文件
res = fcntl(file_desc, F_SETLK, ion_1);
if(res == -1)
{
fprintf(stderr, "Failed to lock region 1\n");
}
res = fcntl(file_desc, F_SETLK, ion_2);
if(res == -1)
{
fprintf(stderr, "Failed to lock region 2\n");
}
//讓程序休眠一分鐘，用於測試
sleep(60);
printf("Process %d closing file\n", getpid());
close(file_desc);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
下面的源文件filelock3.c用於測試上一個文件設置的鎖，測試可否對兩個區域都加上一個讀鎖，代碼如下：
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
const char *test_file = "test_lock.txt";
int file_desc = -1;
int byte_count = 0;
char *byte_to_write = "A";
struct flock region_1;
struct flock region_2;
int res = 0;
//打開數據文件
file_desc = open(test_file, O_RDWR|O_CREAT, 0666);
if(!file_desc)
{
fprintf(stderr, "Unable to open %s for read/write\n", test_file);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//設置區域1的鎖類型
struct flock region_test1;
region_test1.l_type = F_RDLCK;
region_test1.l_whence = SEEK_SET;
region_test1.l_start = 10;
region_test1.l_len = 20;
region_test1.l_pid = -1;
//設置區域2的鎖類型
struct flock region_test2;
region_test2.l_type = F_RDLCK;
region_test2.l_whence = SEEK_SET;
region_test2.l_start = 40;
region_test2.l_len = 10;
region_test2.l_pid = -1;
//對區域1的是否可以加一個讀鎖進行測試
res = fcntl(file_desc, F_GETLK, ion_test1);
if(res == -1)
{
fprintf(stderr, "Failed to get RDLCK\n");
}
if(region_test1.l_pid == -1)
{
//可以加一個讀鎖
printf("test: Possess %d could lock\n", getpid());
}
else
{
//不允許加一個讀鎖
printf("test:Prossess %d get lock failure\n", getpid());
}
//對區域2是否可以加一個讀鎖進行測試
res = fcntl(file_desc, F_GETLK, ion_test2);
if(res == -1)
{
fprintf(stderr, "Failed to get RDLCK\n");
}
if(region_test2.l_pid == -1)
{
//可以加一個讀鎖
printf("test: Possess %d could lock\n", getpid());
}
else
{
//不允許加一個讀鎖
printf("test:Prossess %d get lock failure\n", getpid());
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
運行結果如下：
因為區域1中存在的是讀鎖，所以在其之上再加一個讀鎖是可以成功的，然而區域2上存在的鎖是寫鎖，在其上不能加任何類型的鎖，所以測試失敗。注意，測試失敗並不是fctnl調用失敗，它還是返回非-1，我們是通過檢查flock結構的成員l_pid來確定測試結果的。
三、解空鎖問題
如果我要給在本進程中沒有加鎖的區域解鎖會發生什麼事情呢？而如果這個區域中其他的進程有對其進行加鎖又會發生什麼情況呢？
如果一個進程實際並未對一個區域進行鎖定，而調用解鎖操作也會成功，但是它並不能解其他的進程加在同一區域上的鎖。也可以說解鎖請求最終的結果取決於這個進程在文件中設置的任何鎖，沒有加鎖，但對其進行解鎖得到的還是沒有加鎖的狀態。
