inux系統呼叫fcnt()l函式詳解

功能描述：根據檔案描述詞來操作檔案的特性。

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

[描述]
fcntl()針對(檔案)描述符提供控制。引數fd是被引數cmd操作(如下面的描述)的描述符。針對cmd的值，fcntl能夠接受第三個引數int arg。

[返回值]
fcntl()的返回值與命令有關。如果出錯，所有命令都返回－1，如果成功則返回某個其他值。下列三個命令有特定返回值：F_DUPFD , F_GETFD , F_GETFL以及F_GETOWN。
    F_DUPFD   返回新的檔案描述符
    F_GETFD   返回相應標誌
    F_GETFL , F_GETOWN   返回一個正的程式ID或負的程式組ID

 

fcntl函式有5種功能： 
1. 複製一個現有的描述符(cmd=F_DUPFD). 
2. 獲得／設定檔案描述符標記(cmd=F_GETFD或F_SETFD). 
3. 獲得／設定檔案狀態標記(cmd=F_GETFL或F_SETFL). 
4. 獲得／設定非同步I/O所有權(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN). 
5. 獲得／設定記錄鎖(cmd=F_GETLK , F_SETLK或F_SETLKW).

1. cmd值的F_DUPFD ： 
F_DUPFD    返回一個如下描述的(檔案)描述符：
        ·最小的大於或等於arg的一個可用的描述符
        ·與原始操作符一樣的某物件的引用
        ·如果物件是檔案(file)的話，則返回一個新的描述符，這個描述符與arg共享相同的偏移量(offset)
        ·相同的訪問模式(讀，寫或讀/寫)
        ·相同的檔案狀態標誌(如：兩個檔案描述符共享相同的狀態標誌)
        ·與新的檔案描述符結合在一起的close-on-exec標誌被設定成交叉式訪問execve(2)的系統呼叫

實際上呼叫dup(oldfd)；
等效於
        fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0);

而呼叫dup2(oldfd, newfd)；
等效於
        close(oldfd)；
        fcntl(oldfd, F_DUPFD, newfd)；

2. cmd值的F_GETFD和F_SETFD：      
F_GETFD    取得與檔案描述符fd聯合的close-on-exec標誌，類似FD_CLOEXEC。如果返回值和FD_CLOEXEC進行與運算結果是0的話，檔案保持交叉式訪問exec()，否則如果通過exec執行的話，檔案將被關閉(arg 被忽略)        
F_SETFD    設定close-on-exec標誌，該標誌以引數arg的FD_CLOEXEC位決定，應當瞭解很多現存的涉及檔案描述符標誌的程式並不使用常數 FD_CLOEXEC，而是將此標誌設定為0(系統預設，在exec時不關閉)或1(在exec時關閉)    

在修改檔案描述符標誌或檔案狀態標誌時必須謹慎，先要取得現在的標誌值，然後按照希望修改它，最後設定新標誌值。不能只是執行F_SETFD或F_SETFL命令，這樣會關閉以前設定的標誌位。 

3. cmd值的F_GETFL和F_SETFL：   
F_GETFL    取得fd的檔案狀態標誌，如同下面的描述一樣(arg被忽略)，在說明open函式時，已說明
了檔案狀態標誌。不幸的是，三個存取方式標誌 (O_RDONLY , O_WRONLY , 以及O_RDWR)並不各佔1位。(這三種標誌的值各是0 , 1和2，由於歷史原因，這三種值互斥 — 一個檔案只能有這三種值之一。) 因此首先必須用遮蔽字O_ACCMODE相與取得存取方式位，然後將結果與這三種值相比較。       
F_SETFL    設定給arg描述符狀態標誌，可以更改的幾個標誌是：O_APPEND，O_NONBLOCK，O_SYNC 和 O_ASYNC。而fcntl的檔案狀態標誌總共有7個：O_RDONLY , O_WRONLY , O_RDWR , O_APPEND , O_NONBLOCK , O_SYNC和O_ASYNC

可更改的幾個標誌如下面的描述：
    O_NONBLOCK   非阻塞I/O，如果read(2)呼叫沒有可讀取的資料，或者如果write(2)操作將阻塞，則read或write呼叫將返回-1和EAGAIN錯誤
    O_APPEND     強制每次寫(write)操作都新增在檔案大的末尾，相當於open(2)的O_APPEND標誌
    O_DIRECT     最小化或去掉reading和writing的快取影響。系統將企圖避免快取你的讀或寫的資料。如果不能夠避免快取，那麼它將最小化已經被快取了的資料造成的影響。如果這個標誌用的不夠好，將大大的降低效能
    O_ASYNC      當I/O可用的時候，允許SIGIO訊號傳送到程式組，例如：當有資料可以讀的時候

4. cmd值的F_GETOWN和F_SETOWN：   
F_GETOWN   取得當前正在接收SIGIO或者SIGURG訊號的程式id或程式組id，程式組id返回的是負值(arg被忽略)     
F_SETOWN   設定將接收SIGIO和SIGURG訊號的程式id或程式組id，程式組id通過提供負值的arg來說明(arg絕對值的一個程式組ID)，否則arg將被認為是程式id

 5. cmd值的F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW： 獲得／設定記錄鎖的功能，成功則返回0，若有錯誤則返回-1，錯誤原因存於errno。
F_GETLK    通過第三個引數arg(一個指向flock的結構體)取得第一個阻塞lock description指向的鎖。取得的資訊將覆蓋傳到fcntl()的flock結構的資訊。如果沒有發現能夠阻止本次鎖(flock)生成的鎖，這個結構將不被改變，除非鎖的型別被設定成F_UNLCK    
F_SETLK    按照指向結構體flock的指標的第三個引數arg所描述的鎖的資訊設定或者清除一個檔案的segment鎖。F_SETLK被用來實現共享(或讀)鎖(F_RDLCK)或獨佔(寫)鎖(F_WRLCK)，同樣可以去掉這兩種鎖(F_UNLCK)。如果共享鎖或獨佔鎖不能被設定，fcntl()將立即返回EAGAIN     
F_SETLKW   除了共享鎖或獨佔鎖被其他的鎖阻塞這種情況外，這個命令和F_SETLK是一樣的。如果共享鎖或獨佔鎖被其他的鎖阻塞，程式將等待直到這個請求能夠完成。當fcntl()正在等待檔案的某個區域的時候捕捉到一個訊號，如果這個訊號沒有被指定SA_RESTART, fcntl將被中斷

當一個共享鎖被set到一個檔案的某段的時候，其他的程式可以set共享鎖到這個段或這個段的一部分。共享鎖阻止任何其他程式set獨佔鎖到這段保護區域的任何部分。如果檔案描述符沒有以讀的訪問方式開啟的話，共享鎖的設定請求會失敗。

獨佔鎖阻止任何其他的程式在這段保護區域任何位置設定共享鎖或獨佔鎖。如果檔案描述符不是以寫的訪問方式開啟的話，獨佔鎖的請求會失敗。

結構體flock的指標：
struct flcok 
{ 
short int l_type; /* 鎖定的狀態*/

//以下的三個引數用於分段對檔案加鎖，若對整個檔案加鎖，則：l_whence=SEEK_SET, l_start=0, l_len=0
short int l_whence; /*決定l_start位置*/ 
off_t l_start; /*鎖定區域的開頭位置*/ 
off_t l_len; /*鎖定區域的大小*/

pid_t l_pid; /*鎖定動作的程式*/ 
};

l_type 有三種狀態： 
F_RDLCK   建立一個供讀取用的鎖定 
F_WRLCK   建立一個供寫入用的鎖定 
F_UNLCK   刪除之前建立的鎖定

l_whence 也有三種方式： 
SEEK_SET   以檔案開頭為鎖定的起始位置 
SEEK_CUR   以目前檔案讀寫位置為鎖定的起始位置 
SEEK_END   以檔案結尾為鎖定的起始位置

fcntl檔案鎖有兩種型別：建議性鎖和強制性鎖
建議性鎖是這樣規定的：每個使用上鎖檔案的程式都要檢查是否有鎖存在，當然還得尊重已有的鎖。核心和系統總體上都堅持不使用建議性鎖，它們依靠程式設計師遵守這個規定。
強制性鎖是由核心執行的：當檔案被上鎖來進行寫入操作時，在鎖定該檔案的程式釋放該鎖之前，核心會阻止任何對該檔案的讀或寫訪問，每次讀或寫訪問都得檢查鎖是否存在。

系統預設fcntl都是建議性鎖，強制性鎖是非POSIX標準的。如果要使用強制性鎖，要使整個系統可以使用強制性鎖，那麼得需要重新掛載檔案系統，mount使用引數 -0 mand 開啟強制性鎖，或者關閉已加鎖檔案的組執行許可權並且開啟該檔案的set-GID許可權位。
建議性鎖只在cooperating processes之間才有用。對cooperating process的理解是最重要的，它指的是會影響其它程式的程式或被別的程式所影響的程式，舉兩個例子：
(1) 我們可以同時在兩個視窗中執行同一個命令，對同一個檔案進行操作，那麼這兩個程式就是cooperating  processes
(2) cat file | sort，那麼cat和sort產生的程式就是使用了pipe的cooperating processes

使用fcntl檔案鎖進行I/O操作必須小心：程式在開始任何I/O操作前如何去處理鎖，在對檔案解鎖前如何完成所有的操作，是必須考慮的。如果在設定鎖之前開啟檔案，或者讀取該鎖之後關閉檔案，另一個程式就可能在上鎖/解鎖操作和開啟/關閉操作之間的幾分之一秒內訪問該檔案。當一個程式對檔案加鎖後，無論它是否釋放所加的鎖，只要檔案關閉，核心都會自動釋放加在檔案上的建議性鎖(這也是建議性鎖和強制性鎖的最大區別)，所以不要想設定建議性鎖來達到永久不讓別的程式訪問檔案的目的(強制性鎖才可以)；強制性鎖則對所有程式起作用。

fcntl使用三個引數 F_SETLK/F_SETLKW， F_UNLCK和F_GETLK 來分別要求、釋放、測試record locks。record locks是對檔案一部分而不是整個檔案的鎖，這種細緻的控制使得程式更好地協作以共享檔案資源。fcntl能夠用於讀取鎖和寫入鎖，read lock也叫shared lock(共享鎖)， 因為多個cooperating process能夠在檔案的同一部分建立讀取鎖；write lock被稱為exclusive lock(排斥鎖)，因為任何時刻只能有一個cooperating process在檔案的某部分上建立寫入鎖。如果cooperating processes對檔案進行操作，那麼它們可以同時對檔案加read lock，在一個cooperating process加write lock之前，必須釋放別的cooperating process加在該檔案的read lock和wrtie lock，也就是說，對於檔案只能有一個write lock存在，read lock和wrtie lock不能共存。

下面的例子使用F_GETFL獲取fd的檔案狀態標誌。

#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<iostream>
#include<errno.h>
using namespace std;

int main(int argc,char* argv[])
{
  int fd, var;
  //  fd=open("new",O_RDWR);
  if (argc!=2)
  {
      perror("--");
      cout<<"請輸入引數，即檔名！"<<endl;
  }

  if((var=fcntl(atoi(argv[1]), F_GETFL, 0))<0)
  {
     strerror(errno);
     cout<<"fcntl file error."<<endl;
  }

  switch(var & O_ACCMODE)
  {
   case O_RDONLY : cout<<"Read only.."<<endl;
                   break;
   case O_WRONLY : cout<<"Write only.."<<endl;
                   break;
   case O_RDWR   : cout<<"Read wirte.."<<endl;
                   break;
   default  : break;
  }

 if (val & O_APPEND)
    cout<<",append"<<endl;

 if (val & O_NONBLOCK)
    cout<<",noblocking"<<endl;

 cout<<"exit 0"<<endl;

 exit(0);
}