在某些场景下，例如需要保证单个进程运行，通常的做法是生成一个 PID 文件，并将当前的进程 PID 写入，每次进程启动时检查文件以及进程是否存在。
如果进程异常崩溃没有删除文件，而 Linux 中 PID 可以复用，那么就可能会导致误认为进程存在，虽然概率很低。
其实在 Linux 中可以通过 flock 实现。
简介
Linux 中与文件锁相关的函数有 fcntl() lockf() flock() 三个，其中 lockf() 是对 fcntl() 函数的封装，其底层实现是相同的。而 flock() 和 fcntl() 是两个不同的系统 API ，对应了不同的实现。
fcntl
其中 fcntl() 函数的声明如下。
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
当使用建议锁时，其对应入参的结构体如下。
struct flock {
// ...
short l_type; /* Type of lock: F_RDLCK, F_WRLCK, F_UNLCK */
short l_whence; /* 与l_start配合，类似于seek决定从文件什么位置开始 SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END */
off_t l_start; /* 对文件加锁时的开始位置 */
off_t l_len; /* 加锁的长度，其中 0 表示整个文件 */
pid_t l_pid; /* PID of process blocking our lock (F_GETLK only) */
// ...
};
简单来说，fcntl() 的功能很强大，既支持共享锁又支持排他锁，即可以锁住整个文件，又能只锁文件的某一部分。
参数
其中 fnctl() 函数的 cmd 可以是如下的三个参数：
- F_SETLK 在指定的字节范围获取锁 (F_RDLCK F_WRLCK) 或者释放锁 (F_UNLCK)，如果锁冲突则返回 -1 ，并将 errno 设置为 EACCES 或 EAGAIN 。
- F_SETLKW 行为等同 F_SETLK，但是当不能获取锁时会睡眠等待，如果在等待的过程中接收到信号，会立即返回并将 errno 置为 EINTR 。
- F_GETLK 获取文件锁信息。
- F_UNLCK 释放文件锁。
注意，为了设置读锁，文件必须以读的方式打开。为了设置写锁，文件必须以写的方式打开。为了设置读写锁，文件必须以读写的方式打开。
flock
在 Linux 中有个简单的实现，也就是 flock() ，这是一个建议性锁，不具备强制性。
也就是说，一个进程使用 flock 将文件锁住，另一个进程仍然可以操作正在被锁的文件，修改文件中的数据，这也就是所谓的建议性锁的内核处理策略。
#include <sys/file.h>
int flock(intfd, int operation);
其中 flock() 主要有三种操作类型：
LOCK_SH共享锁，多个进程可以使用同一把锁，常被用作读共享锁；LOCK_EX排他锁，同时只允许一个进程使用，常被用作写锁；LOCK_UN释放锁。
默认的操作是阻塞，可以通过 LOCK_NB 设置为非阻塞。
脚本
另外，在命令行中，也可以通过类似如下的方式进行测试。
$ flock -xn /tmp/foobar.lock -c "echo 'Hi world'"
常见的如 crontab 。
注意事项
在使用如下测试时，需要保证 /tmp/foobar.txt 存在。
同一进程
在同一个进程中可以多次进行加锁而不会阻塞，可以通过如下方式进行测试。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main(void)
{
int rc, fd;
fd = open("/tmp/foobar.txt", O_RDWR);
printf("current fd: %d\n", fd);
rc = flock(fd, LOCK_EX);
printf("get lock rc: %d\n", rc);
rc = flock(fd, LOCK_EX);
printf("get lock again, rc: %d\n", rc);
sleep(1000);
return 0;
}
当启动第二个程序时就会被阻塞掉。
文件描述符
flock 创建的锁是和文件打开表项 struct file 相关联的，而不是文件描述符 fd。
也就是通过 fork() 或者 dup() 复制 fd 后，可以通过这两个 fd 同时操作锁，但是关闭其中一个 fd 锁并不会释放，因为 struct file 并没有释放，只有关闭所有复制出的 fd，锁才会释放。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main(void)
{
int rc, fd1, fd2;
fd1 = open("/tmp/foobar.txt", O_RDWR);
fd2 = dup(fd1);
close(fd1);
printf("current fd: %d\n", fd2);
rc = flock(fd2, LOCK_EX);
printf("get lock2, ret: %d\n", rc);
sleep(10);
close(fd2);
printf("release\n");
sleep(10000);
return 0;
}
如上，在关闭掉所有的文件描述符之后才会释放掉文件锁。
子进程
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main(void)
{
int rc, pid, fd;
fd = open("/tmp/foobar.txt", O_RDWR);
pid = fork();
if (pid == 0) { /* child */
rc = flock(fd, LOCK_EX);
printf("chile get lock, fd: %d, ret: %d\n", fd, rc);
sleep(10);
printf("child exit\n");
exit(0);
}
rc = flock(fd, LOCK_EX);
printf("parent get lock, fd: %d, ret: %d\n", fd, rc);
sleep(12);
printf("parent exit\n");
return 0;
}
子进程持有锁，并不影响父进程通过相同的 fd 获取锁，反之亦然。
多次打开
当使用 open() 两次打开同一个文件，得到的两个 fd 是独立的，内核会使用两个 struct file 对象，通过其中一个加锁，通过另一个无法解锁，并且在前一个解锁前也无法上锁。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/file.h>
int main(void)
{
int rc, fd1, fd2;
fd1 = open("/tmp/foobar.txt", O_RDWR);
fd2 = open("/tmp/foobar.txt", O_RDWR);
printf("fd1: %d, fd2: %d\n", fd1, fd2);
rc = flock(fd1, LOCK_EX);
printf("get lock1, ret: %d\n", rc);
close(fd1);
rc = flock(fd2, LOCK_EX);
printf("get lock2, ret: %d\n", rc);
return 0;
}
上述代码中，如果注释掉 close(fd1) 会被阻塞。
PIDFile
默认进程在使用 flock 尝试锁文件时，如果文件已经被其它进程锁住，进程会被阻塞直到锁被释放掉。也可以使用 LOCK_NB 参数，此时如果被锁，那么会直接返回错误，对应的 errno 为 EWOULDBLOCK。
简单来说，也就是阻塞、非阻塞两种工作模式。
flock 可以通过 LOCK_UN 显示的释放锁，也可以直接通过关闭 fd 的来释放文件锁，这意味着 flock 会随着进程的关闭而被自动释放掉。
其它
/proc/locks
对于文件锁，无论是 POSIX fcntl 还是 BSD flock 机制，都可以通过 /proc/locks 文件查看，示例如下：
1: POSIX ADVISORY READ 3633 08:08:1612502 1073741826 1073742335
2: POSIX ADVISORY READ 5181 08:08:1441890 128 128
3: FLOCK ADVISORY WRITE 2367 08:07:2236373 0 EOF
各个列分别对应了：
- 锁的序列号；
- 锁机制，可以是 FLOCK POSIX ；
- 锁类型，可以是 Advisory 或者 Mandatory ；
- 包含锁的 PID；
- MAJOR-DEVICE:MINOR-DEVICE:INODE-NUMBER；
- 9~10 标识加锁的起止字节范围。