【Linux 编程】：深入解析 fcntl 函数
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- 生活总是不会一帆风顺，前进的道路也不会永远一马平川，如何面对挫折影响人生走向 – 《人民日报》
🔥 目录
- 一、序言
- 二、认识 fcntl 函数
- 1. 函数介绍
- 2. 函数用途
- 3. 错误处理
- 4. 示例代码
- 三、复制文件描述符
- 1. F_DUPFD
- 2. F_DUPFD_CLOEXEC
- 3. 二者区别
- 4. 补充 -- FD_CLOEXEC 意义
- 四、获取/设置文件描述符标志
- 1. F_GETFD
- 2. F_SETFD
- 五、获取/设置文件状态标志
- 1. 文件状态标志（File Status Flags）
- 2. fcntl 命令详解
- 1. F_GETFL: 获取文件状态标志
- 2. F_SETFL: 设置文件状态标志
- 3. 文件描述符标志 vs 文件状态标志
- 六、获取/设置记录锁
- 1. 记录锁的基本概念
- 2. struct flock 结构体
- 2. fcntl 命令详解
- 2.1 F_GETLK: 检测锁冲突
- 2.2 F_SETTLK: 尝试加锁/解锁
- 2.3 F_SETLKW: 阻塞等待加锁
一、序言
🔥fcntl 函数是一个在 UNIX 和类 UNIX 系统（如 Linux）上用来操作文件描述符的系统调用
- 作用：可以用于改变文件描述符的属性或状态，或者执行基本的控制操作
- 场景：fcntl 函数非常强大且灵活，常用于实现各种文件和进程间通信的功能
二、认识 fcntl 函数
1. 函数介绍
函数原型
#include 参数说明
fd：文件描述符，指定要操作的文件或套接字的描述符cmd：控制命令，指示要执行的操作类型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 - 例如：对于
F_SETFL命令，可以传递新的状态标志
- 所需的参数类型在每个
返回值
- 成功时返回命令的结果，通常是状态标志或锁信息
- 失败时返回 -1，并设置
errno以指示错误类型
常见的命令包括：
-
复制一个现有的描述符
F_DUPFD：复制文件描述符F_DUPFD_CLOEXEC：复制文件描述符，设置FD_CLOEXEC标志
-
获得／设置文件状态标记
F_GETFL：获取文件描述符的当前状态标志F_SETFL：设置文件描述符的状态标志
-
获得／设置文件描述符标记
F_GETFD：获取文件描述符的内部标志
F_SETFD：设置文件描述符的内部标志
-
获得／设置异步I/O所有权
F_GETOWN：获得异步I/O所有权F_SETOWN：设置异步I/O所有权
-
获得／设置记录锁
F_GETLK：获取文件锁定信息
F_SETLK：设置文件锁定信息
F_SETLKW：以阻塞方式设置文件锁定信息。
注意：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，这表明内核是否能够识别该值
2. 函数用途
1️⃣获取和设置文件状态标志
作用：设置文件为非阻塞模式
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // 将这个描述符设置为非阻塞模式
2️⃣文件锁定
作用：防止多个进程同时写入同一文件
struct flock lock;
lock.l_type = F_WRLCK; // 请求写锁
lock.l_whence = SEEK_SET; // 从文件开始处锁定
lock.l_start = 0; // 从文件开始位置
lock.l_len = 0; // 锁定整个文件
fcntl(fd, F_SETLK, &lock); // 设置锁定
3️⃣更改文件描述符的属性
作用：动态更改文件描述符的功能，例如 将其设置为 异步I/O工作模式 或 实时信号
3. 错误处理
使用 fcntl 函数时，如果返回值为 -1，可以通过 errno 获取具体错误信息。常见的错误如下：
EBADF：提供的文件描述符无效EINTR：操作被信号中断EINVAL：指定的命令无效或者参数不符合规范
4. 示例代码
#include 三、复制文件描述符
1. F_DUPFD
int fcntl(int fd, F_DUPFD, int n);
/* 参数说明 */
fd: 要复制的原始文件描述符。
n: 分配的新文件描述符的起始值。如果可用，新的文件描述符将返回一个大于或等于 n 的最小的文件描述符。
功能：
- 创建一个新的文件描述符，该描述符是现有文件描述符的副本
- 新的文件描述符将从指定的最小文件描述符值开始分配，使用大于或等于arg参数的编号最低的可用文件描述符
- 新描述符与旧 fd 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)
#include 2. F_DUPFD_CLOEXEC
int fcntl(int fd, F_DUPFD_CLOEXEC, int n);
功能:
- 类似于
F_DUPFD，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 - 这意味着如果当前进程调用 exec 系列函数时，将自动关闭这个文件描述符
3. 二者区别
-
dup和F_DUPFD：新描述符的FD_CLOEXEC默认为0，无论原描述符是否设置了该标志（都不会保留FD_CLOEXEC标志） -
F_DUPFD_CLOEXEC：新描述符的FD_CLOEXEC强制为1，覆盖原描述符的设置 -
F_GETFD：仅读取文件描述符标志（如FD_CLOEXEC），不会修改标志状态int flags = fcntl(fd, F_GETFD); // 获取标志 if (flags & FD_CLOEXEC) { /* 检查 FD_CLOEXEC 是否设置 */ }
示例代码
样例一
#include 样例二
#include 4. 补充 – FD_CLOEXEC 意义
♐️ 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。那么为什么要这样做呢？
原因：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- 这样就可能导致潜在的安全风险或者意外行为
四、获取/设置文件描述符标志
🏖 fcntl 函数中的 F_GETFD 和 F_SETFD 命令用于获取和设置文件描述符的标志，这在操作文件描述符的行为时非常重要
1. F_GETFD
int fcntl(int fd, F_GETFD);
// 参数说明:
fd: 要查询状态的文件描述符
功能：获取指定文件描述符的标志
返回值：返回文件描述符的标志，如果失败则返回 -1，并设置 errno。主要的标志如下：
FD_CLOEXEC：文件描述符在 exec 系列调用时会被关闭。如果该标志被设置，返回值包含该标志。- 如果返回值与
FD_CLOEXEC持平，表示标志已设置；如果返回值包含 0，表示没有设置
2. F_SETFD
int fcntl(int fd, F_SETFD, int flags);
// 参数说明:
fd: 要设置状态的文件描述符。
flags: 新的状态标志，可以是以下值之一，或者是它们的组合：
FD_CLOEXEC: 设置该标志，表示在调用 exec 系列函数时关闭文件描述符
功能：设置指定文件描述符的标志
上面我们讲了 FD_CLOEXEC，下面来演示一下如何获取
文件描述符的 FD_CLOEXEC 标志可以通过三个方法得到：
- 调用
open函数是，指定O_CLOEXEC - 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 - 通过
fcntl函数使用F_SETFD直接设置FD_CLOEXEC
代码示例
#include 分析
flagFd=0：fd通过open(...)创建时未设置O_CLOEXEC，标志未启用flagFdCloExec=1：fdCloExec在open时指定了O_CLOEXEC，标志已设置flagFdCloExecDup=1：F_DUPFD_CLOEXEC自动设置FD_CLOEXECflagFdSetFd=1：dup后通过F_SETFD显式设置标志
五、获取/设置文件状态标志
🛠 fcntl 函数中的 F_GETFL 和 F_SETFL 命令用于获取和设置文件的状态标志，这些标志控制文件的行为和特性。
1. 文件状态标志（File Status Flags）
- 作用 ：控制文件的行为，如读写模式、追加、非阻塞、同步等。
- 常用标志 ：
- 访问模式 ：
O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）。 - 操作模式 ：
O_APPEND（追加）、O_NONBLOCK（非阻塞）、O_SYNC（同步写入）、O_ASYNC（异步 I/O）。 - 兼容性标志 ：
O_DIRECT（直接 I/O）、O_NOATIME（不更新访问时间）。
- 访问模式 ：
标志值与系统差异
- 访问模式 ：
O_RDONLY：0（二进制0b00）。O_WRONLY：1（0b01）。O_RDWR：2（0b10）。- 这些值属于位掩码的一部分，需通过
O_ACCMODE提取。
- 其他标志 ：
O_APPEND：0x400（十六进制）。O_NONBLOCK：0x800（Linux 中对应八进制04000）。O_ASYNC：0x2000（十六进制）- 一些其他标志具体值因系统而异
2. fcntl 命令详解
1. F_GETFL: 获取文件状态标志
#include - 返回值 ：
- 成功：返回标志值（如
O_RDWR | O_APPEND） - 失败：返回
-1，并设置errno
- 成功：返回标志值（如
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。
示例：访问模式处理
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
int access_mode = flags & O_ACCMODE; // 提取访问模式
if (access_mode == O_RDONLY) { /* 只读 */ }
2. F_SETFL: 设置文件状态标志
#include 返回值：
- 成功返回 0
- 失败返回 -1
注意：fcntl(fd, F_SETFL, flags) 并非所有标志都可通过此命令修改 。根据 Linux 手册页和 POSIX 标准，F_SETFL 可以设置的标志包括以下常见选项：
| 标志名 | 用途说明 | 应用场景 |
|---|---|---|
O_APPEND | 强制每次写操作前将文件偏移量设置到文件末尾（追加模式）。 | 日志文件（确保多进程写入时自动追加到文件末尾） |
O_NONBLOCK | 设置非阻塞模式（对设备、管道、套接字等有意义） | 网络编程（ I/O 多路复用） |
O_ASYNC | 异步 I/O 通知（当数据可读/写时发送信号，需特定系统支持） | 异步信号驱动 I/O（如通过SIGIO信号触发处理逻辑） |
O_DIRECT | 绕过内核缓冲区（直接 I/O，减少内存拷贝，需硬件/文件系统支持） | 高性能数据库（绕过内核缓冲区，减少内存拷贝） |
O_NOATIME | 读取文件时不更新文件的访问时间（atime），用于优化性能 | 文件系统优化（避免频繁更新atime，减少磁盘 I/O） |
注意 ：
O_TRUNC（截断文件）和O_CREAT（创建文件）等标志只能通过open()设置 ，不能通过fcntl(F_SETFL)修改O_SYNC（同步写入，确保数据落盘）等标志在某些系统（如 Linux）中也属于F_SETFL的可修改范围，但需注意其行为可能与O_DSYNC等标志有差异
最常用标志：O_NONBLOCK
- 非阻塞 I/O ：当读写套接字、管道或设备时，若没有数据可读或缓冲区满，操作会立即返回而非阻塞等待。
- 多路复用结合使用 ：与
select()、poll()、epoll()等配合，实现高性能 I/O 多路复用。 - 避免阻塞线程 ：在事件驱动模型（如 Reactor 模式）中，非阻塞模式是实现高并发的基础
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL); // 获取当前标志
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // 设置非阻塞模式
示例代码：设置非阻塞
#include 3. 文件描述符标志 vs 文件状态标志
文件描述符标志（File Descriptor Flags）
- 通过
fcntl(F_SETFD)修改。 - 主要控制描述符的生命周期和继承性，例如：
FD_CLOEXEC：在execve()时自动关闭描述符
文件状态标志（File Status Flags）
- 通过
fcntl(F_SETFL)修改。 - 影响文件描述符（File Descriptor）的行为，例如：
O_APPEND：写入时自动定位到文件末尾O_NONBLOCK：非阻塞模式
六、获取/设置记录锁
⛵️ 在 Unix 和类 Unix 系统中，fcntl 函数提供了用于记录锁（record locks）的功能，通过命令 F_GETLK、F_SETLK 和 F_SETLKW 来实现。这些命令用于获取、设置和管理文件的记录锁，帮助实现进程间的同步。
1. 记录锁的基本概念
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)
- 字节范围锁（Byte-range Locking） ：
- UNIX/Linux 的记录锁本质是对文件的某个字节范围加锁 ，而非传统意义上的“记录”。
- 例如：锁定文件从偏移
100到200字节的区域，其他进程不能修改该区域。
- 锁的类型 ：
- 读锁（
F_RDLCK） ：共享锁，允许多个进程同时读取锁定区域，但阻止写操作。 - 写锁（
F_WRLCK） ：独占锁，阻止其他进程读写锁定区域。 - 解锁（
F_UNLCK） ：释放已持有的锁。
- 读锁（
- 锁的继承与释放 ：
- 进程终止时，所有锁自动释放。
fork()子进程不会继承父进程的锁。execve()后，若文件描述符设置了FD_CLOEXEC，锁会被释放。
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
2. struct flock 结构体
strucy flock 结构体定义如下：
struct flock {
short l_type; // 锁类型: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK
short l_whence; // 偏移起点: SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END
off_t l_start; // 偏移量
off_t l_len; // 锁定区域长度 (0 表示到文件末尾)
pid_t l_pid; // 持有锁的进程 ID (仅用于 F_GETLK)
};
l_whence、l_start、l_len这三个参数用于分段对文件加锁，若对整个文件加锁，则：l_whence= SEEK_SET，l_start= 0，l_len= 0l_type有三种状态 :F_RDLCK建立一个供读取用的锁定，允许其他进程读该文件，但不允许其他进程写该文件F_WRLCK建立一个供写入用的锁定，不允许其他进程读、写该文件F_UNLCK删除之前建立的锁定
l_whence也有三种方式:SEEK_SET以文件开头为锁定的起始位置SEEK_CUR以目前文件读写位置为锁定的起始位置SEEK_END以文件结尾为锁定的起始位置。
2. fcntl 命令详解
2.1 F_GETLK: 检测锁冲突
-
功能 ：测试是否可以对指定区域加锁，不会实际加锁
-
行为 ：
- 如果存在冲突锁，
fcntl返回0，并将冲突锁的信息填充到flock结构体中（如l_type为冲突锁类型，l_pid为持有锁的进程 ID）。 - 如果没有冲突锁，
l_type会被设置为F_UNLCK。
- 如果存在冲突锁，
-
错误处理 ：此命令不会设置
errno，返回值始终为0 -
示例：
struct flock lock = {0}; lock.l_type = F_WRLCK; // 测试写锁 lock.l_whence = SEEK_SET; lock.l_start = 0; // 从文件开头 lock.l_len = 1024; // 锁定前 1KB if (fcntl(fd, F_GETLK, &lock) == 0) { if (lock.l_type == F_UNLCK) { printf("No conflicting lock. "); } else { printf("Conflicting lock by PID %d ", lock.l_pid); } }
2.2 F_SETTLK: 尝试加锁/解锁
-
功能 ：尝试对指定区域加锁或解锁。
-
行为 ：
- 加锁 ：若无冲突，立即加锁；若有冲突，返回
-1，errno设置为EACCES或EAGAIN - 解锁 ：直接释放指定区域的锁
- 加锁 ：若无冲突，立即加锁；若有冲突，返回
-
错误处理 ：
- 冲突锁存在时返回
-1，errno = EACCES/EAGAIN - 其他错误（如无效参数）返回
-1，errno设置为具体错误码
- 冲突锁存在时返回
-
示例：
struct flock lock = {0}; lock.l_type = F_WRLCK; // 加写锁 lock.l_whence = SEEK_SET; lock.l_start = 0; lock.l_len = 0; // 锁定整个文件 if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) { perror("fcntl F_SETLK failed"); }
2.3 F_SETLKW: 阻塞等待加锁
-
功能 ：类似于
F_SETLK，但若存在冲突锁，会阻塞等待 直到锁被释放或被信号中断。 -
行为 ：
- 成功加锁后返回
0。 - 被信号中断时返回
-1，errno = EINTR
- 成功加锁后返回
-
示例 ：
struct flock lock = {0}; lock.l_type = F_RDLCK; // 加读锁 lock.l_whence = SEEK_SET; lock.l_start = 0; lock.l_len = 0; // 锁定整个文件 if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) { perror("fcntl F_SETLKW failed"); }
注意：F_SETLKW 不会填充 flock 结构体 ，它只是阻塞等待锁可用。填充结构体是 F_GETLK 的功能
