Documentation/filesystems/mandatory-locking.txt

   1         Mandatory File Locking For The Linux Operating System
   2
   3                 Andy Walker <andy@lysaker.kvaerner.no>
   4
   5                            15 April 1996
   6                      (Updated September 2007)
   7
   8 0. Why you should avoid mandatory locking
   9 -----------------------------------------
  10
  11 The Linux implementation is prey to a number of difficult-to-fix race
  12 conditions which in practice make it not dependable:
  13
  14         - The write system call checks for a mandatory lock only once
  15           at its start.  It is therefore possible for a lock request to
  16           be granted after this check but before the data is modified.
  17           A process may then see file data change even while a mandatory
  18           lock was held.
  19         - Similarly, an exclusive lock may be granted on a file after
  20           the kernel has decided to proceed with a read, but before the
  21           read has actually completed, and the reading process may see
  22           the file data in a state which should not have been visible
  23           to it.
  24         - Similar races make the claimed mutual exclusion between lock
  25           and mmap similarly unreliable.
  26
  27 1. What is  mandatory locking?
  28 ------------------------------
  29
  30 Mandatory locking is kernel enforced file locking, as opposed to the more usual
  31 cooperative file locking used to guarantee sequential access to files among
  32 processes. File locks are applied using the flock() and fcntl() system calls
  33 (and the lockf() library routine which is a wrapper around fcntl().) It is
  34 normally a process' responsibility to check for locks on a file it wishes to
  35 update, before applying its own lock, updating the file and unlocking it again.
  36 The most commonly used example of this (and in the case of sendmail, the most
  37 troublesome) is access to a user's mailbox. The mail user agent and the mail
  38 transfer agent must guard against updating the mailbox at the same time, and
  39 prevent reading the mailbox while it is being updated.
  40
  41 In a perfect world all processes would use and honour a cooperative, or
  42 "advisory" locking scheme. However, the world isn't perfect, and there's
  43 a lot of poorly written code out there.
  44
  45 In trying to address this problem, the designers of System V UNIX came up
  46 with a "mandatory" locking scheme, whereby the operating system kernel would
  47 block attempts by a process to write to a file that another process holds a
  48 "read" -or- "shared" lock on, and block attempts to both read and write to a
  49 file that a process holds a "write " -or- "exclusive" lock on.
  50
  51 The System V mandatory locking scheme was intended to have as little impact as
  52 possible on existing user code. The scheme is based on marking individual files
  53 as candidates for mandatory locking, and using the existing fcntl()/lockf()
  54 interface for applying locks just as if they were normal, advisory locks.
  55
  56 Note 1: In saying "file" in the paragraphs above I am actually not telling
  57 the whole truth. System V locking is based on fcntl(). The granularity of
  58 fcntl() is such that it allows the locking of byte ranges in files, in addition
  59 to entire files, so the mandatory locking rules also have byte level
  60 granularity.
  61
  62 Note 2: POSIX.1 does not specify any scheme for mandatory locking, despite
  63 borrowing the fcntl() locking scheme from System V. The mandatory locking
  64 scheme is defined by the System V Interface Definition (SVID) Version 3.
  65
  66 2. Marking a file for mandatory locking
  67 ---------------------------------------
  68
  69 A file is marked as a candidate for mandatory locking by setting the group-id
  70 bit in its file mode but removing the group-execute bit. This is an otherwise
  71 meaningless combination, and was chosen by the System V implementors so as not
  72 to break existing user programs.
  73
  74 Note that the group-id bit is usually automatically cleared by the kernel when
  75 a setgid file is written to. This is a security measure. The kernel has been
  76 modified to recognize the special case of a mandatory lock candidate and to
  77 refrain from clearing this bit. Similarly the kernel has been modified not
  78 to run mandatory lock candidates with setgid privileges.
  79
  80 3. Available implementations
  81 ----------------------------
  82
  83 I have considered the implementations of mandatory locking available with
  84 SunOS 4.1.x, Solaris 2.x and HP-UX 9.x.
  85
  86 Generally I have tried to make the most sense out of the behaviour exhibited
  87 by these three reference systems. There are many anomalies.
  88
  89 All the reference systems reject all calls to open() for a file on which
  90 another process has outstanding mandatory locks. This is in direct
  91 contravention of SVID 3, which states that only calls to open() with the
  92 O_TRUNC flag set should be rejected. The Linux implementation follows the SVID
  93 definition, which is the "Right Thing", since only calls with O_TRUNC can
  94 modify the contents of the file.
  95
  96 HP-UX even disallows open() with O_TRUNC for a file with advisory locks, not
  97 just mandatory locks. That would appear to contravene POSIX.1.
  98
  99 mmap() is another interesting case. All the operating systems mentioned
 100 prevent mandatory locks from being applied to an mmap()'ed file, but  HP-UX
 101 also disallows advisory locks for such a file. SVID actually specifies the
 102 paranoid HP-UX behaviour.
 103
 104 In my opinion only MAP_SHARED mappings should be immune from locking, and then
 105 only from mandatory locks - that is what is currently implemented.
 106
 107 SunOS is so hopeless that it doesn't even honour the O_NONBLOCK flag for
 108 mandatory locks, so reads and writes to locked files always block when they
 109 should return EAGAIN.
 110
 111 I'm afraid that this is such an esoteric area that the semantics described
 112 below are just as valid as any others, so long as the main points seem to
 113 agree.
 114
 115 4. Semantics
 116 ------------
 117
 118 1. Mandatory locks can only be applied via the fcntl()/lockf() locking
 119    interface - in other words the System V/POSIX interface. BSD style
 120    locks using flock() never result in a mandatory lock.
 121
 122 2. If a process has locked a region of a file with a mandatory read lock, then
 123    other processes are permitted to read from that region. If any of these
 124    processes attempts to write to the region it will block until the lock is
 125    released, unless the process has opened the file with the O_NONBLOCK
 126    flag in which case the system call will return immediately with the error
 127    status EAGAIN.
 128
 129 3. If a process has locked a region of a file with a mandatory write lock, all
 130    attempts to read or write to that region block until the lock is released,
 131    unless a process has opened the file with the O_NONBLOCK flag in which case
 132    the system call will return immediately with the error status EAGAIN.
 133
 134 4. Calls to open() with O_TRUNC, or to creat(), on a existing file that has
 135    any mandatory locks owned by other processes will be rejected with the
 136    error status EAGAIN.
 137
 138 5. Attempts to apply a mandatory lock to a file that is memory mapped and
 139    shared (via mmap() with MAP_SHARED) will be rejected with the error status
 140    EAGAIN.
 141
 142 6. Attempts to create a shared memory map of a file (via mmap() with MAP_SHARED)
 143    that has any mandatory locks in effect will be rejected with the error status
 144    EAGAIN.
 145
 146 5. Which system calls are affected?
 147 -----------------------------------
 148
 149 Those which modify a file's contents, not just the inode. That gives read(),
 150 write(), readv(), writev(), open(), creat(), mmap(), truncate() and
 151 ftruncate(). truncate() and ftruncate() are considered to be "write" actions
 152 for the purposes of mandatory locking.
 153
 154 The affected region is usually defined as stretching from the current position
 155 for the total number of bytes read or written. For the truncate calls it is
 156 defined as the bytes of a file removed or added (we must also consider bytes
 157 added, as a lock can specify just "the whole file", rather than a specific
 158 range of bytes.)
 159
 160 Note 3: I may have overlooked some system calls that need mandatory lock
 161 checking in my eagerness to get this code out the door. Please let me know, or
 162 better still fix the system calls yourself and submit a patch to me or Linus.
 163
 164 6. Warning!
 165 -----------
 166
 167 Not even root can override a mandatory lock, so runaway processes can wreak
 168 havoc if they lock crucial files. The way around it is to change the file
 169 permissions (remove the setgid bit) before trying to read or write to it.
 170 Of course, that might be a bit tricky if the system is hung :-(
 171