进程间通信-fcntl记录上锁

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这是读写锁的一种扩展类型，可用于有亲缘关系或无亲缘关系的进程之间共享某个文件的读写。这些锁用于不同进程间的上锁，而不是用于同一进程中不同线程间的上锁。

fcntl记录上锁，可以指定文件中待上锁和解锁部分的字节范围。
Posix记录上锁定义了一个特殊的字节范围来指定整个文件，它的起始偏移为0，长度也为0.

术语-粒度

用于标记能被锁住的对象的大小。对于Posix记录上锁来说，粒度就是单个字节。通常情况下粒度越小，允许同时使用的用户数就越多。

记录上锁的Posix接口是fcntl函数

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#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /*struct flock *arg */);
// 用于记录上锁的cmd参数有3个值。这3个cmd要求第3个参数arg是指向struct flock的指针
struct flock
{
    short l_type; // F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK
    short l_whence; // SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END
    off_t l_start; // relative starting offset in bytes
    off_t l_len; // #bytes; 0 means until end-of-file
    pid_t l_pid; // PID returned by F_GETLK
}
  • F_SETLK 获取（l_type为F_RDLCK或F_WRLCK）或释放（l_type为F_UNLCK）由arg指向的flock结构所描述的锁，如果无法将该锁授予调用进程，该函数就立即返回一个EACCESS或EAGAIN错误，并不阻塞
  • F_SETLKW 该命令与上一个命令类似，不过在无法获取锁请求的锁时，调用线程将阻塞
  • F_GETLK 检查由arg指向的锁以确定是否有某个已存在的锁会妨碍将新锁授予调用线程。如果当前没有这样的锁存在，由arg指向的struct flock的l_type成员就被置为F_UNLCK。否则，关于这个已存在锁的信息将在由arg指向的struct flock中返回，中包含持有该锁的进程ID

注意：

  1. F_GETLK完了接着F_SETLK不是一个原子操作，并不能保证F_SETLK会成功，因为在两个函数执行期间，很可能有另一个进程已经获取了我们想要的锁。
    提供F_GETLK的原因在于：当执行F_SETLK的fcntl返回一个错误时，导致该错误的某个锁的信息可由F_GETLK来返回，从而允许我们确定是哪个进程锁住了所请求的文件区，以及上锁方式。
    但同样有上面的原因，这两个操作不是原子操作，在F_GETLK调用之前，很可能原来持有锁的进程已经释放了锁。
  2. 对于一个文件的任意字节，同一时刻，最多只能存在一种类型的锁（读出锁或写入锁），而且，一个给定字节可以有多个读出锁，但只能有一个写入锁。
  3. 当一个描述符不是打开用来读时，如果对它请求一个读出锁，错误就会发生；同样，当一个描述符不是打开用来写时，如果对它请求一个写入锁，错误也会发生
  4. 对于一个打开着某个文件的给定进程来说，当它关闭该文件的所有描述符或它本身终止时，与该文件关联的所有锁都被删除。锁不能通过fork由子进程继承
  5. 记录上锁不应该同标准I/O函数库一起使用，因为该函数库会执行内部缓冲。当某个文件需要上锁时，为避免问题，应对它使用read和write。
    在进程终止时由内核完成已有锁清理工作的特性，只有fcntl记录上锁完全提供了，System V信号量把它作为一个选项提供。互斥锁、条件变量、读写锁、Posix信号量，并不在进程终止时执行清理工作。
  6. 锁住整个文件的两种方式
    • l_whence=SEEK_SET, l_start=0, l_len=0（常用，只需一个函数调用）
    • 使用lseek把读写指针定位到文件头，然后指定l_whence=SEEK_CUR, l_start=0, l_len=0

劝告性上锁

Posix记录上锁称为劝告性上锁。其含义是内核维护着已由各个进程上锁的所有文件的正确信息，但是它不能防止一个进程写已由另一个进程读锁定的某个文件；类似的，它也不能防止一个进程读已由另一个进程写锁定的某个文件。当然，前提是该进程有读或写该文件的足够权限。

强制性上锁

可以用chmod +l filename来对某个文件启用强制性上锁
强制性上锁虽然能够阻止非协作进程读一个已被锁住的文件，但是也不能保证万无一失。
建议：如果有多个进程在更新同一个文件，那么所有进程必须使用某种上锁形式协作。

读出者和写入者的优先级

不同的系统可能有不同的实现，有的是以FIFO顺序处理上锁请求的，而不管上锁请求的类型；有的则会优先考虑读出请求

启动一个守护进程的唯一副本

记录上锁的一个常见用途是确保某个程序（如守护程序）在任何时刻只有一个副本在运行。
守护进程维护一个只有1行文本的文件，其中包含它的进程ID。它打开这个文件，必要的时候创建它，然后请求整个文件的一个写入锁。如果没有取得该锁，我们就知道该程序有另一个副本在运行，于是输出一个出错信息并终止。
如果某个守护进程提前崩溃了，内核会自动释放它的记录锁。

文中代码托管在: https://github.com/carl-wang-cn/demo/tree/master/ipc