UNIX环境高级编程——记录上锁（fcntl函数）以及死锁检测

一、记录锁 record locking
 功能：当一个进程正在读或修改文件的某个部分时，它可以阻止其它进程修改同一文件区。

字节范围锁 byte-range locking

二、历史
 flock函数，可以锁整个文件，不能锁文件中的一部分。
 fcntl函数，增加了记录锁的功能。
 lockf函数，在fcntl基础上构造了lockf函数，提供一个简化的接口。可以锁文件中任意字节数的区域

三、fcntl 记录锁
 函数原型：

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

/*
cmd = F_GETLK，测试能否建立一把锁
cmd = F_SETLK，设置锁
cmd = F_SETLKW， 阻塞设置一把锁

*/
//POSIX只定义fock结构中必须有以下的数据成员，具体实现可以增加
struct flock {
      short l_type;    /* 锁的类型: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
      short l_whence;  /* 加锁的起始位置:SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
      off_t l_start;   /* 加锁的起始偏移，相对于l_whence */
      off_t l_len;     /* 上锁的字节数*/
      pid_t l_pid;     /* 已经占用锁的PID(只对F_GETLK 命令有效) */
      /*...*/
};

（1）所希望的锁类型：F_RDLCK（共享读锁）、F_WRLCK（独占性写锁）、F_UNLCK（解锁一个区域）。

（2）要加锁或解锁区域的起始字节偏移量由l_start和l_whence两者决定。

（3）注意：该区域可以在当前文件尾端开始或越过其尾端处开始，但是不能在文件起始位置之前开始。

（4）如若l_len为0，则表示锁的区域从其起点（由l_start和l_whence决定）开始直至最大可能偏移量为止。

（5）为了锁住整个文件，我们设置l_start和l_whence，使锁的起点在文件起始处，并说明长度（l_len）为0。

上面提到了两种类型的锁：共享读锁（F_RDLCK）和独占写锁（F_WRLCK），基本规则是：

多个进程在一个给定的字节上可以有一把共享的读锁，但是在一个给定字节上只能有一个进程独用的一把写锁。进一步而言，如果在一个给定字节上已经有一把或多把读锁，则不能再该字节上再加写锁；如果在一个字节上已经有一把独占性的写锁，则不能再对它加任何读锁。

不同进程锁请求的读写锁规则：

-------------------                   加读锁         加写锁

无锁                                      允许             允许
  一个或多个读锁                    允许             拒绝
  一个写锁                              拒绝             拒绝

注意：上面这个规则适用于不同进程提出的锁请求，并不适用于单个进程提出的多个锁请求。单个进程提出多个锁请求的时候，以最后一次锁作为标准，即新锁替换旧锁对于同一文件，如果一直有不同的进程连续的对其添加读锁，则其它欲对其添加阻塞写锁的进程有可能延长等待时间（这样的情况，对于添加写锁的进程会出现饿死情况）。

在读锁时，该描述符必须是读打开；加写锁时，该描述符必须是写打开。

F_GETLK： 判断由flockptr所描述的锁是否会被另外一把锁所排斥（阻塞）。如果存在一把锁，它阻止创建由flockptr所描述的锁，则把该现存锁的信息写到flockptr指向的结构中。如果不存在这种情况，则除了将l_type设置为F_UNLCK之外，flockptr所指向结构中的其他信息保持不变。

F_SETLK ： 获取（l_type为F_RDLCK或F_WRLCK）或释放由flockptr指向flock结构所描述的锁，如果无法获取锁时，该函数会立即返回一个EACCESS或EAGAIN错误，而不会阻塞。

F_SETLKW：  F_SETLKW和F_SETLK的区别是，无法设置锁的时候，调用线程会阻塞到该锁能够授权位置。

这里需要注意的是，用F_GETLK测试能否建立一把锁，然后接着用F_SETLK或F_SETLKW企图建立一把锁，由于这两者不是一个原子操作，所以不能保证两次fcntl之间不会有另外一个进程插入并建立一把相关的锁，从而使一开始的测试情况无效。所以一般不希望上锁时阻塞，会直接通过调用F_SETLK，并对返回结果进行测试，以判断是否成功建立所要求的锁。

下面进行测试：

第一个程序：在同一进程中测试能否在加写锁后，继续加读写锁。

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

pid_t lock_test(int fd, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    struct flock lock;
    lock_init(&lock, type, whence, start, len);

    if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == -1)
    {
        return -1;
    }

    if(lock.l_type == F_UNLCK)
        return 0;
    return lock.l_pid;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
    writew_lock(fd);

    printf(" F_WRLCK return %d\n",lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0));
    printf(" F_RDLCK return %d\n", lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0));

    unlock(fd);

    return 0;
}

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
 F_WRLCK return 0
 F_RDLCK return 0

结果表明：表明同一进程可以对已加锁的同一文件区间，仍然能获得加锁权限；

第二个程序是在在父进程中加写锁后，然后再子进程中测试能否继续加读写锁。

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

pid_t lock_test(int fd, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    struct flock lock;
    lock_init(&lock, type, whence, start, len);

    if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == -1)
    {
        return -1;
    }

    if(lock.l_type == F_UNLCK)
        return 0;
    return lock.l_pid;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
    writew_lock(fd);

    if (fork() == 0)
    {
        printf("child F_WRLCK return %d\n",lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0));
        printf("child F_RDLCK return %d\n",lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0));
		printf("child pid = %d and ppid = %d\n",getpid(),getppid());

        exit(0);
    }

    sleep(3);
    unlock(fd);

    return 0;
}

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
child F_WRLCK return 7483
child F_RDLCK return 7483
child pid = 7484 and ppid = 7483

结果表明：不同进程不能对已加写锁的同一文件区间，获得加锁权限；

还有就是：加锁时，该进程必须对该文件有相应的文件访问权限，即加读锁，该文件必须是读打开，加写锁时，该文件必须是写打开。

四、记录锁的粒度

这里要提到两个概念：记录上锁和文件上锁。

记录上锁：对于UNIX系统而言，“记录”这一词是一种误用，因为UNIX系统内核根本没有使用文件记录这种概念，更适合的术语应该是字节范围锁，因为它锁住的只是文件的一个区域。用粒度来表示被锁住文件的字节数目。对于记录上锁，粒度最大是整个文件。

文件上锁：是记录上锁的一种特殊情况，即记录上锁的粒度是整个文件的大小。

之所以有文件上锁的概念是因为有些UNIX系统支持对整个文件上锁，但没有给文件内的字节范围上锁的能力。

五、记录锁的隐含继承与释放

关于记录锁的继承和释放有三条规则，如下：

（1）锁与进程和文件两方面有关，体现在：

• 当一个进程终止时，它所建立的记录锁将全部释放；
• 当关闭一个文件描述符时，则进程通过该文件描述符引用的该文件上的任何一把锁都将被释放。

对于第一个方面，可以建立如下测试代码：

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

//process 1
int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);

    writew_lock(fd);
    printf("process 1 get write lock...\n");

    sleep(10);

    printf("process 1 exit...\n");
    return 0;
}

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

//process 2
int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);

    writew_lock(fd);
    printf("process 2 get write lock...\n");
    unlock(fd);

    return 0;
}

先启动进程1，然后立即启动进程2，执行结果如下：

process 1 get write lock...
process 1 exit...
process 2 get write lock... 

结果表明：当一个进程终止时，它所建立的记录锁将全部释放。

对于第二个方面，可以进行如下测试：

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int readw_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);

    if (fork() == 0)
    {
        int fd_1 = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);

        readw_lock(fd_1);
        printf("child get read lock...\n");

        sleep(3);

        close(fd_1);
        printf("close the file descriptor...\n");

        pause();
    }

    sleep(1);

    writew_lock(fd);
    printf("parent get write lock...\n");
    unlock(fd);

    return 0;
}

程序的执行结果如下：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
child get read lock...
close the file descriptor...
parent get write lock...

运行结果说明：当关闭文件描述符时，与该文件描述符有关的锁都被释放，同样通过dup拷贝得到的文件描述符也会导致这种情况。

（2）由fork产生的子进程不继承父进程所设置的锁。即对于父进程建立的锁而言，子进程被视为另一个进程。记录锁本身就是用来同步不同进程对同一文件区进行操作，如果子进程继承了父进程的锁，那么父子进程就可以同时对同一文件区进行操作，这有违记录锁的规则，所以存在这么一条规则。

下面是测试代码（上面已经用过该代码进行测试）：

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

pid_t lock_test(int fd, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    struct flock lock;
    lock_init(&lock, type, whence, start, len);

    if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == -1)
    {
        return -1;
    }

    if(lock.l_type == F_UNLCK)
        return 0;
    return lock.l_pid;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
    writew_lock(fd);

    if (fork() == 0)
    {
        printf("child F_WRLCK return %d\n",lock_test(fd, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0));
        printf("child F_RDLCK return %d\n",lock_test(fd, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0));
		printf("child pid = %d and ppid = %d\n",getpid(),getppid());

        exit(0);
    }

    sleep(3);
    unlock(fd);

    return 0;
}

我们知道在前面已经说过，同一个进程可以重复对同一个文件区间加锁，后加的锁将覆盖前面加的锁。那么再假设如果子进程继承了父进程的锁，那么子进程可以对该锁进行覆盖，那么在子进程内对该锁是否能获得权限的测试应该是可以，但测试结果为：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
child F_WRLCK return 7483
child F_RDLCK return 7483
child pid = 7484 and ppid = 7483

表明已经进程7483已经占用该锁，所以假设不成立，子进程不会继承父进程的锁；

（3）执行exec后，新程序可以继承原执行程序的锁。但是，如果一个文件描述符设置了close-on-exec标志，在执行exec时，会关闭该文件描述符，所以对应的锁也就被释放了，也就无所谓继承了。

六、记录锁的读和写的优先级

具体进行以下2个方面测试：

1. 进程拥有读锁，然后优先处理后面的读锁，再处理写锁，导致写锁出现饿死；
2. 进程拥有写入锁，那么等待的写入锁和等待的读出锁的优先级（FIFO）；

测试1：父进程获得对文件的读锁，然后子进程1请求加写锁，随即进入睡眠，然后子进程2请求读锁，看进程2是否能够获得读锁。

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int readw_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
    readw_lock(fd);

    //child  1
    if (fork() == 0)
    {
        printf("child 1 try to get write lock...\n");
        writew_lock(fd);
        printf("child 1 get write lock...\n");

        unlock(fd);
        printf("child 1 release write lock...\n");

        exit(0);
    }

    //child 2
    if (fork() == 0)
    {
        sleep(3);

        printf("child 2 try to get read lock...\n");
        readw_lock(fd);
        printf("child 2 get read lock...\n");

        unlock(fd);
        printf("child 2 release read lock...\n");
        exit(0);
    }

    sleep(10);
    unlock(fd);

    return 0;
}

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
child 1 try to get write lock...
child 2 try to get read lock...
child 2 get read lock...
child 2 release read lock...
child 1 get write lock...
child 1 release write lock...

运行结果说明：可知在有写入进程等待的情况下，对于读出进程的请求，系统会一直给予的。那么这也就可能导致写入进程饿死的局面。

测试2：父进程获得写入锁，然后子进程1和子进程2分别请求获得写入锁和读写锁，看两者的响应顺序。

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int readw_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
    writew_lock(fd);

    //child  1
    if (fork() == 0)
    {
        sleep(3);

        printf("child 1 try to get write lock...\n");
        writew_lock(fd);
        printf("child 1 get write lock...\n");

        unlock(fd);
        printf("child 1 release write lock...\n");

        exit(0);
    }

    //child 2
    if (fork() == 0)
    {
        printf("child 2 try to get read lock...\n");
        readw_lock(fd);
        printf("child 2 get read lock...\n");

        unlock(fd);
        printf("child 2 release read lock...\n");

        exit(0);
    }

	sleep(10);
    unlock(fd);

    return 0;
}

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
child 2 try to get read lock...
child 1 try to get write lock...
child 2 get read lock...
child 2 release read lock...
child 1 get write lock...
child 1 release write lock...

将上面代码该成child2 sleep 3s，child1不sleep：

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

#define FILE_PATH "/home/huangcheng/data.txt"
#define FILE_MODE 0777

void lock_init(struct flock *lock, short type, short whence, off_t start, off_t len)
{
    if (lock == NULL)
        return;

    lock->l_type = type;
    lock->l_whence = whence;
    lock->l_start = start;
    lock->l_len = len;
}

int readw_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_RDLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int writew_lock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int unlock(int fd)
{
    if (fd < 0)
    {
        return -1;
    }

    struct flock lock;
    lock_init(&lock, F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0);

    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
    writew_lock(fd);

    //child  1
    if (fork() == 0)
    {
        printf("child 1 try to get write lock...\n");
        writew_lock(fd);
        printf("child 1 get write lock...\n");

        unlock(fd);
        printf("child 1 release write lock...\n");

        exit(0);
    }

    //child 2
    if (fork() == 0)
    {
        sleep(3);
		printf("child 2 try to get read lock...\n");
        readw_lock(fd);
        printf("child 2 get read lock...\n");

        unlock(fd);
        printf("child 2 release read lock...\n");

        exit(0);
    }

	sleep(10);
    unlock(fd);

    return 0;
}

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
child 1 try to get write lock...
child 2 try to get read lock...
child 1 get write lock...
child 1 release write lock...
child 2 get read lock...
child 2 release read lock...

由上可知在ubuntu 10.04下，等待的写入锁进程和读出锁进程的优先级由FIFO的请求顺序进程响应。

七、死锁检测程序

//《APUE》程序14－2：加锁和解锁一个文件区域
//《APUE》程序14－4：死锁检测实例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <sys/stat.h> 

#define	read_lock(fd, offset, whence, len) \
	lock_reg((fd), F_SETLK, F_RDLCK, (offset), (whence), (len))
#define	readw_lock(fd, offset, whence, len) \
	lock_reg((fd), F_SETLKW, F_RDLCK, (offset), (whence), (len))
#define	write_lock(fd, offset, whence, len) \
	lock_reg((fd), F_SETLK, F_WRLCK, (offset), (whence), (len))
#define	writew_lock(fd, offset, whence, len) \
	lock_reg((fd), F_SETLKW, F_WRLCK, (offset), (whence), (len))
#define	un_lock(fd, offset, whence, len) \
	lock_reg((fd), F_SETLK, F_UNLCK, (offset), (whence), (len))

#define	FILE_MODE	(S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)

sig_atomic_t sigflag; /* set nonzero by sig handler */
sigset_t newmask, oldmask, zeromask;

//输出错误信息并退出
void error_quit(const char *str)
{
	fprintf(stderr, "%s\n", str);
	exit(1);
}

static void sig_usr(int signo)	/* one signal handler for SIGUSR1 and SIGUSR2 */
{
	sigflag = 1;
}

void TELL_WAIT(void)
{
	if (signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR)
		error_quit("signal(SIGUSR1) error");
	if (signal(SIGUSR2, sig_usr) == SIG_ERR)
		error_quit("signal(SIGUSR2) error");
	sigemptyset(&zeromask);
	sigemptyset(&newmask);
	sigaddset(&newmask, SIGUSR1);
	sigaddset(&newmask, SIGUSR2);

	/*
	* Block SIGUSR1 and SIGUSR2, and save current signal mask.
	*/
	if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask) < 0)
		error_quit("SIG_BLOCK error");
}

void TELL_PARENT(pid_t pid)
{
	kill(pid, SIGUSR2);		/* tell parent we're done */
}

void WAIT_PARENT(void)
{
	while (sigflag == 0)
		sigsuspend(&zeromask);	/* and wait for parent */
	sigflag = 0;

	/*
	* Reset signal mask to original value.
	*/
	int temp = sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
	if (temp < 0)
		error_quit("SIG_SETMASK error");
}

void TELL_CHILD(pid_t pid)
{
	kill(pid, SIGUSR1);			/* tell child we're done */
}

void WAIT_CHILD(void)
{
	while (sigflag == 0)
		sigsuspend(&zeromask);	/* and wait for child */
	sigflag = 0;

	/*
	* Reset signal mask to original value.
	*/
	int temp = sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
	if (temp < 0)
		error_quit("SIG_SETMASK error");
}

//加锁或解锁某个文件区域
int lock_reg(int fd, int cmd, int type, off_t offset,
			 int whence, off_t len)
{
	struct flock lock;
	lock.l_type = type;
	lock.l_start = offset;
	lock.l_whence = whence;
	lock.l_len = len;
	return fcntl(fd, cmd, &lock);
}

//锁住文件中的一个字节
void lockabyte(const char *name, int fd, off_t offset)
{
	//在我的系统上（Ubuntu10.04），发生死锁时writew_lock并不会返回-1
	if( writew_lock(fd, offset, SEEK_SET, 1) < 0 )
		error_quit("writew_lock error");
	printf("%s: got the lock, byte %ld\n", name, offset);
}

int main(void)
{
	int fd;
	pid_t pid;

	fd = creat("templock", FILE_MODE);
	if( fd < 0 )
		error_quit("create error");
	if( write(fd, "ab", 2) != 2 )
		error_quit("write error");

	TELL_WAIT();
	pid = fork();
	if( pid < 0 )
		error_quit("fork error");
	else if( pid == 0 )
	{
		lockabyte("child", fd, 0);
		TELL_PARENT( getpid() );
		WAIT_PARENT();
		lockabyte("child", fd, 1);
	}
	else
	{
		lockabyte("parent", fd, 1);
		TELL_CHILD(pid);
		WAIT_CHILD();
		lockabyte("parent", fd, 0);
	}
	return 0;
}

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
parent: got the lock, byte 1
child: got the lock, byte 0
^C
huangcheng@ubuntu:~$ 

注解：

1：在该程序中，子进程锁住字节0，父进程锁住字节1，然后，它们又都试图锁住对方已经加锁的字节，这样就造成了死锁。

2：《APUE》上说：检测到死锁时，内核必须选择一个进程出错返回。但在我的系统（ubuntu 10.04）中，父子进程都被卡住，只有当你强制中断时（Ctrl+C）时，程序才会结束。