【Linux C | 文件I/O】fcntl函数详解 | 设置描述符非阻塞、文件(记录)锁

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🎄一、fcntl 函数介绍

函数原型：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
// arg表示可变参数，由cmd决定

fcntl()对打开的文件描述符fd执行下面描述的操作之一。操作由cmd决定。

fcntl()的第三个参数是可选。是否需要此参数由cmd决定。所需的参数类型在每个cmd名称后面的括号中指示（在大多数情况下，所需的类型是int，我们使用名称arg来标识参数），如果不需要参数，则指定void。

以下某些操作仅在特定的Linux内核版本之后才受支持。检查主机内核是否支持特定操作的首选方法是使用所需的cmd值调用fcntl()，然后使用EINVAL测试调用是否失败，这表明内核无法识别该值。

本文主要介绍下面4个功能：

• 1、复制文件描述符(F_DUPFD、F_DUPFD_CLOEXEC)；
• 2、获取/设置文件描述符标志(F_GETFD、F_SETFD)；
• 3、获取/设置文件状态标志(F_GETFL、F_SETFL)；
• 4、获取/设置记录锁(F_GETLK、F_SETLK、F_SETLKW)；

🎄二、复制文件描述符(F_DUPFD、F_DUPFD_CLOEXEC)

?2.1 F_DUPFD(int)

F_DUPFD(int) 表示使用 F_DUPFD 作为cmd时，第三个参数需要传入int型数据。

cmd为F_DUPFD表示复制文件描述符fd。调用成功会返回新的描述符。新描述符使用大于或等于arg参数的编号最低的可用文件描述符复制文件描述符fd。新描述符与f似共享同一文件表项。但是，新描述符有它自己的一套文件描述符标志，其FD_CLOEXEC文件描述符标志被清除〈这表示该描述符在 exec 时仍保持打开状态)。

// fcntl_F_DUPFD.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
	int fd = open("./fcntl_F_DUPFD", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0775);
	int fcntlFd = fcntl(fd, F_DUPFD, 0); // 指定从 0 开始分配最小的可用描述符作为新描述符
	int dupFd = dup(fd); // 等效于 fcntl(fd, F_DUPFD, 0);
	
	close(fd);
	close(fcntlFd);
	close(dupFd);
	return 0;
}

?2.2 F_DUPFD_CLOEXEC(int)

F_DUPFD_CLOEXEC(int) 表示使用 F_DUPFD_CLOEXEC 作为cmd时，第三个参数需要传入int型数据。

cmd为F_DUPFD_CLOEXEC的功能与F_DUPFD类似，区别在于F_DUPFD_CLOEXEC在复制的同时会设置文件描述符标志FD_CLOEXEC，表示在执行exec系列函数后，该描述符会关闭。

看例子：F_GETFD和dup函数都会清除新描述符的FD_CLOEXEC标志，F_DUPFD_CLOEXEC会复制并设置FD_CLOEXEC标志。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
	int fd = open("./fcntl_F_DUPFD_CLOEXEC", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC | O_CLOEXEC, 0775);
	int fcntlFd = fcntl(fd, F_DUPFD, 0);
	int fcntlCloFd = fcntl(fd, F_DUPFD_CLOEXEC, 0);
	int dupFd = dup(fd);
	
	int fdFlag = fcntl(fd, F_GETFD, 0);
	int fcntlFdFlag = fcntl(fcntlFd, F_GETFD, 0);
	int fcntlCloFdFlag = fcntl(fcntlCloFd, F_GETFD, 0);
	int dupFdFlag = fcntl(dupFd, F_GETFD, 0);
	
	// 结果是：fdFlag=1, fcntlFdFlag=0, fcntlCloFdFlag=1, dupFdFlag=0
	printf("fdFlag=%d, fcntlFdFlag=%d, fcntlCloFdFlag=%d, dupFdFlag=%d\n",
		fdFlag,fcntlFdFlag,fcntlCloFdFlag,dupFdFlag);
	
	close(fd);
	close(fcntlFd);
	close(fcntlCloFd);
	close(dupFd);
	return 0;
}

运行结果：

🎄三、获取/设置文件描述符标志(F_GETFD、F_SETFD)

当前只定义了一个文件描述符标志FD_CLOEXEC。用来表示该描述符在执行完fork+exec系列函数创建子进程时会自动关闭，以防止它们被传递给子进程。为什么要这样做呢？

因为当一个进程调用exec系列函数（比如execve）来创建子进程时，所有打开的文件描述符都会被传递给子进程。如果文件描述符没有设置FD_CLOEXEC标志，这些文件将保持打开状态并继续对子进程可见。这可能导致潜在的安全风险或者意外行为。

F_GETFD(void) ：表示使用 F_GETFD 作为cmd时，不需要传入第三个参数。
功能：获取文件描述符标志。
返回值：

• 成功返回文件描述符标志
• 失败返回 -1.

F_SETFD(int)：表示使用 F_SETFD 作为cmd时，传入第三个参数是int型的。
功能：设置文件描述符标志，第三个参数传入新的标志值。
返回值：

• 成功返回 0
• 失败返回 -1.

文件描述符的FD_CLOEXEC标志可以通过三个方法得到：

• 1、调用open函数是，指定 O_CLOEXEC
• 2、通过fcntl函数使用F_DUPFD_CLOEXEC复制文件描述符，新的描述符就是FD_CLOEXEC
• 3、通过fcntl函数使用F_SETFD直接设置FD_CLOEXEC。

看例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
	int fd = open("./fcntl_F_GETFD", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0775);
	int fdCloExec = open("./fcntl_F_GETFD2", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC | O_CLOEXEC, 0775);
	int fdCloExecDup = fcntl(fd, F_DUPFD_CLOEXEC, 0);
	int fdSetFd = dup(fd);
	fcntl(fdSetFd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
	
	int flagFd = fcntl(fd, F_GETFD);
	int flagFdCloExec = fcntl(fdCloExec, F_GETFD);
	int flagFdCloExecDup = fcntl(fdCloExecDup, F_GETFD);
	int flagFdSetFd = fcntl(fdSetFd, F_GETFD);
	// 打印结果：flagFd=0, flagFdCloExec=1, flagFdCloExecDup=1 flagFdSetFd=1
	printf("flagFd=%d, flagFdCloExec=%d, flagFdCloExecDup=%d flagFdSetFd=%d\n", 
		flagFd,flagFdCloExec,flagFdCloExecDup,flagFdSetFd);

	close(fd);
	close(fdCloExec);
	close(fdCloExecDup);
	close(fdSetFd);
	return 0;
}

🎄四、获取/设置文件状态标志(F_GETFL、F_SETFL)

文件状态标志如下表：

文件状态标志	说明	十六进制值
O_RDONLY	只读打开	0x0
O_WRONLY	只写打开	0x1
O_RDWR	读、写打开	0x2
O_APPEND	追加写	0x400
O_NONBLOCK	非阻塞模式	0x800
O_SYNC	等待写完成（数据和属性)	0x
O_DSYNC	等待写完成（仅数据)
O_RSYNC	同步读和写
O_FSYNC	等待写完成
O_ASYNC	异步IO	0x2000

F_GETFL(void) ：表示使用 F_GETFL 作为cmd时，不需要传入第三个参数。
功能：获取文件状态标志。
返回值：

• 成功返回文件状态标志
• 失败返回 -1.

访问方式标志：O_RDONLY 、O_WRONLY、O_RDWR。这3个值是互斥的，因此首先必须用屏蔽O_ACCMODE取得访问方式位，然后将结果与这3个值中的每一个相比较。

F_SETFL(int)：表示使用 F_SETFL 作为cmd时，传入第三个参数是int型的。
功能：设置文件状态标志，第三个参数传入新的文件状态标志值。
返回值：

• 成功返回 0
• 失败返回 -1.

在Linux上，只能设置这5个文件状态标志：O_APPEND、 O_ASYNC、 O_DIRECT、 O_NOATIME、O_NONBLOCK，其中最常用的是将文件描述符设置成非阻塞(O_NONBLOCK)，特别是在网络编程中很常见。

看例子，设置文件状态标志在日常使用中，就用来设置非阻塞，其他的可以先不关注。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
	int fd = open("./fcntl_F_GETFL", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC | O_NONBLOCK, 0775);
	int flag = fcntl(fd, F_GETFL);
	if(flag<0)
		return ;
	
	printf("flag=%x, O_ACCMODE=%x [%x %x %x] [%x %x %x %x %x %x %x][%x %x]\n", 
		flag & O_ACCMODE,O_ACCMODE,O_RDONLY,O_WRONLY,O_RDWR,O_APPEND,O_NONBLOCK,O_ASYNC,O_DSYNC,O_RSYNC,O_FSYNC,O_SYNC,__O_DIRECT,__O_NOATIME);

	fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
	close(fd);
	return 0;
}

🎄五、获取/设置记录锁(F_GETLK、F_SETLK、F_SETLKW)

Linux实现了POSIX标准化的传统（“进程相关”）UNIX记录锁。
记录锁(record locking)的功能是:当一个进程正在读或修改文件的某个部分时，它可以阻止其他进程修改同一文件区。对于UNIX系统而言，“记录”这个词是一种误用，因为UNIX系统内核根本没有使用文件记录这种概念。更适合的术语可能是字节范围锁(byte-rangelocking)，因为它锁定的只是文件中的一个区域（也可能是整个文件)。

F_SETLK、F_SETLKW和F_GETLK用于获取、释放和测试记录锁（也称为字节范围、文件段或文件区域锁）的存在。使用记录锁时，第三个参数是指向struct flock结构的指针。

struct flock
{
	...
	short l_type;//锁的类型:F_RDLCK(读锁)、F_WRLCK(写锁)、F_UNLCK(解锁)
	short l_whence;//偏移的起点:SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END 
	off_t l_start; //锁区偏移，从l_whence
	off_t l_len;  //锁区长度(字节)
	pid_t l_pid; //阻塞我们加锁的进程ID
	...
}

F_SETLK(struct flock *)：表示使用 F_SETLK 作为cmd时，传入第三个参数是struct flock *型的。
在锁的l_where、l_start和l_len字段指定的字节上设置锁（当l_type为F_RDLCK或F_WRLCK时）或释放锁（当l_type为F_UNLOCK时）。如果另一个进程持有冲突锁，则此调用返回-1并将errno设置为EACCES或EAGAIN。（本例中返回的错误因实现而异，因此POSIX需要一个可移植的应用程序来检查这两个错误。）

F_SETLKW(struct flock *)：表示使用 F_SETLKW 作为cmd时，传入第三个参数是struct flock *型的。
类似于F_SETLK(命名中的W表示等待(wait))，但如果文件上持有冲突的锁，则等待该锁释放。如果在等待时捕获到信号，则调用将中断，并且（在信号处理程序返回后）立即返回（返回值为-1，errno设置为EINTR；）。

F_GETLK(struct flock *)：表示使用 F_GETLK 作为cmd时，传入第三个参数是struct flock *型的。
判断由struct flock *(第三个参数)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，它阻止创建由第三个参数(struct flock *)所描述的锁，则把该现存锁的信息写到第三个参数(struct flock *)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，第三个参数所指向结构中的其他信息保持不变。

读锁(F_RDLCK)：允许其他进程读该文件，但不允许其他进程写该文件；
写锁(F_WRLCK)：不允许其他进程读、写该文件；
看例子，下面两个.c保存后编译成2个执行文件，分别在两个窗口允许：
fcntl_lock1.c：

// 进程1，加了读锁，允许其他进程读该文件，但不允许其他进程写该文件；
// gcc fcntl_lock1.c -o fcntl_lock1
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int makeFlock(struct flock* pLock,int type, int whence, off_t start, off_t len)
{
	if (pLock == NULL)
		return -1;
	pLock->l_type=type;
	pLock->l_whence=whence;
	pLock->l_start=start;
	pLock->l_len=len;
	pLock->l_pid = -1;
	return 0;
}

int main()
{
	int fd = open("./fcntl_lock", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0664);
	
	int i=0;
	for(i=0; i<30; i++)
	{
		char num = i+1;
		write(fd, &num, 1);
	}
	
	// 加读锁
	struct flock rlock;
	makeFlock(&rlock, F_RDLCK, SEEK_SET, 11, 10); // 读锁，锁第11~20个字节
	int ret = fcntl(fd, F_SETLK, &rlock);
	if(ret<0)
	{
		return -1;
	}
	
	// 读取数据
	printf("reading 11~20 byte:\n");
	lseek(fd, 10, SEEK_SET);
	for(i=0; i<10; i++)
	{
		char num;
		read(fd, &num, 1);
		printf("reading byte: %d\n",num);
		sleep(1);
	}
	sleep(30);
	
	// 释放锁
	rlock.l_type = F_UNLCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETLK, &rlock);
    if(ret == -1)
    {
        perror("rlock release failed");
        return -1;
    }
    sleep(30);
    close(fd);
	return 0;
}

fcntl_lock2.c

// 进程2，加了读锁，允许其他进程读该文件，但不允许其他进程写该文件；
// gcc fcntl_lock2.c -o fcntl_lock2
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int makeFlock(struct flock* pLock,int type, int whence, off_t start, off_t len)
{
	if (pLock == NULL)
		return -1;
	pLock->l_type=type;
	pLock->l_whence=whence;
	pLock->l_start=start;
	pLock->l_len=len;
	pLock->l_pid = -1;
	return 0;
}

int main()
{
	int i=0;
	int fd = open("./fcntl_lock", O_RDWR);	
	// 加读锁,与进程1重叠，仍然可以读
	struct flock rlock;
	makeFlock(&rlock, F_RDLCK, SEEK_SET, 6, 10); // 读锁，锁第6~15个字节，与进程1的11~20有重叠
	int ret = fcntl(fd, F_SETLK, &rlock);
	if(ret == -1)
	{
		return -1;
	}
	// 读取数据
	printf("reading 6~15 byte:\n");
	lseek(fd, 5, SEEK_SET);
	for(i=0; i<10; i++)
	{
		char num;
		read(fd, &num, 1);
		printf("reading byte: %d\n",num);
	}
	// 释放读锁
	rlock.l_type = F_UNLCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETLK, &rlock);
    if(ret == -1)
    {
        perror("rlock release failed");
        return -1;
    }	
	// 加写锁，此时会失败，因为进程1加了读锁没释放
	struct flock wlock;
	makeFlock(&wlock, F_WRLCK, SEEK_SET, 6, 10); // 写锁，锁第6~15个字节，与进程1的11~20有重叠
    ret = fcntl(fd, F_SETLK, &wlock);
    if(ret == -1)
    {
        perror("rlock release failed");
    }
    sleep(30);
    close(fd);
	return 0;
}

运行结果如下：

🎄六、总结

本文详细介绍fcntl函数，并举例介绍常用功能如：设置非阻塞文件描述符、文件锁等

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参考资料：
《Unix环境高级编程》
Linux系统调用–fcntl函数详解：https://blog.csdn.net/bailyzheng/article/details/7463775