文件锁技术详解：flock与fcntl系统调用

一、flock系统调用

1.1 功能描述

flock()提供文件级全局锁机制，可对整个文件施加共享锁或互斥锁。该锁为建议性锁（需主动检查），常用于进程间同步文件访问，但不保证强制排他性。

1.2 函数声明

#include <sys/file.h>
int flock(int fd, int operation);

1.3 参数详解

参数	类型	说明
`fd`	int	文件描述符，需通过`open()`或`fileno(FILE*)`获取
`operation`	int	锁操作类型，支持以下宏组合：
		- `LOCK_SH`：共享锁（允许多进程并发读）
		- `LOCK_EX`：互斥锁（仅允许单进程读写）
		- `LOCK_UN`：释放锁
		- `LOCK_NB`：非阻塞模式（与上述宏用 `	` 组合，锁冲突时立即返回）

1.4 返回值

• 成功：返回0
• 失败：返回-1，错误码存于errno，常见错误：
• EAGAIN：非阻塞模式下锁冲突
• EBADF：无效文件描述符
• EINTR：被信号中断

二、fcntl系统调用

2.1 功能描述

fcntl()支持记录级细粒度锁，可对文件指定区域加锁。提供强制锁与建议锁两种模式（依赖文件系统支持），具备更精细的控制能力。

2.2 函数声明

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

2.3 参数详解

参数	类型	说明
`fd`	int	文件描述符
`cmd`	int	锁操作命令：
		- `F_GETLK`：检测锁状态（不实际加锁）
		- `F_SETLK`：非阻塞式设置/释放锁
		- `F_SETLKW`：阻塞式设置锁（等待锁释放）
`lock`	struct flock*	描述锁类型与范围的指针，结构体成员如下：

struct flock {                                                      
   short l_type;   // 锁类型：F_RDLCK/F_WRLCK/F_UNLCK              
   short l_whence; // 基准位置：SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END         
   off_t l_start;  // 偏移量（相对于l_whence）                     
   off_t l_len;    // 锁定字节数（0表示至文件尾）                  
   pid_t l_pid;    // 持有锁的进程ID（F_GETLK时填充）             
};

2.4 返回值

• 成功：根据cmd不同返回不同：
• F_GETLK：非负值（锁信息存于lock结构）
• F_SETLK/F_SETLKW：0
• 失败：返回-1，常见错误：
• EACCES/EAGAIN：锁冲突（非阻塞模式）
• EDEADLK：死锁风险（仅限F_SETLKW）
• EINVAL：无效参数

三、关键特性对比

特性	flock	fcntl
锁粒度	整个文件	文件区域（字节级）
锁类型	共享/互斥	共享/互斥/释放
阻塞控制	支持`LOCK_NB`非阻塞	通过`F_SETLK`/`F_SETLKW`区分
锁继承	子进程不继承锁	子进程继承锁
锁检测	需显式调用检查	内置锁状态查询（`F_GETLK`）
跨进程兼容性	与`fcntl`锁互斥	与`flock`锁互斥
自动放锁	关闭一个文件的所有文件描述符	关闭一个文件的任意文件描述符

四、应用场景建议

• 简单同步：优先使用flock，代码简洁且适用于全文件锁定
• 高性能并发：选择fcntl，利用区域锁减少竞争
• 强制锁需求：需结合文件系统配置（如mount -o mand）
• 单实例daemon：在/var/run下创建“进程号.pid”文件，并持有该文件的POSIX写锁。一旦有另一个进程运行同一个程序，发现取得不了锁后就知道已经有一个实例在运行了。一般该文件先用truncate或fturncate截断为长度0，然后写入进程的pid，最后在程序结束的时候删除（remove或unlink）该文件防止占用文件系统资源。