【操作系统百科】文件锁

多进程共享文件时需要互斥。Linux 提供三代文件锁：flock（BSD）、fcntl POSIX 锁、OFD 锁。前两代各有语义地雷。

一、先看图

flowchart TD
    FLOCK[flock 锁<br/>per-file 粒度] --> BSD[BSD 语义<br/>fork 后子进程<br/>不继承]
    POSIX[POSIX fcntl 锁<br/>byte-range] --> POSIXSEM[per-process 语义<br/>close 任一 fd<br/>释放所有锁!]
    OFD[OFD 锁<br/>F_OFD_SETLK<br/>byte-range] --> OFDSEM[per-open-file 语义<br/>安全]
    classDef safe fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    classDef danger fill:#f8514922,stroke:#f85149,color:#adbac7;
    classDef ok fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    class FLOCK ok
    class POSIX,POSIXSEM danger
    class OFD,OFDSEM safe

二、flock（BSD 锁）

int fd = open("/tmp/data", O_RDWR);
flock(fd, LOCK_EX);      // 独占锁
// ... 操作文件
flock(fd, LOCK_UN);      // 解锁

特点：

• 粒度：整个文件（无 byte-range）
• 关联：per-open-file-description（dup 后同一把锁，fork 后不继承）
• 简单、语义清晰

缺点：无 byte-range → 只能锁整个文件。

NFS：早期 flock 在 NFS 上是 noop！现代 NFS v4 已修复。

三、POSIX fcntl 锁

struct flock fl = {
    .l_type = F_WRLCK,
    .l_whence = SEEK_SET,
    .l_start = 0,
    .l_len = 1024,       // 锁前 1024 字节
};
fcntl(fd, F_SETLK, &fl);

特点：

• 粒度：byte-range
• 关联：per-process（！）

致命陷阱

close 任何一个指向同一文件的 fd 都会释放该进程持有的所有锁。

int fd1 = open("/tmp/data", O_RDWR);
fcntl(fd1, F_SETLK, &lock);  // 拿锁

int fd2 = open("/tmp/data", O_RDONLY);
close(fd2);                    // 锁被释放了！

这违反直觉，但是 POSIX 标准规定。

fork 后子进程不继承锁（因为是 per-process）。

四、OFD 锁（Open File Description Lock）

3.15+ 引入，修复 POSIX 锁的问题：

struct flock fl = {
    .l_type = F_WRLCK,
    .l_whence = SEEK_SET,
    .l_start = 0,
    .l_len = 1024,
    .l_pid = 0,           // OFD 锁忽略 pid
};
fcntl(fd, F_OFD_SETLK, &fl);

特点：

• 粒度：byte-range ✓
• 关联：per-open-file-description（像 flock）
• close 另一个 fd 不影响 ✓
• fork 后子进程继承（因为共享 struct file）

推荐：新代码应该用 OFD 锁，不用 POSIX fcntl 锁。

五、lease（租约）

fcntl(fd, F_SETLEASE, F_WRLCK);

含义：当其他进程打开这个文件时，内核给 lease 持有者发 SIGIO → 有时间窗做清理（如 Samba 的 oplock）。

用途：

• Samba/NFS 的 oplock / delegation
• 防止竞争打开

六、mandatory lock（已退出）

mount -o mand /dev/sda1 /mnt
chmod g+s,g-x /mnt/file   // 设置 mandatory lock 标志

强制锁——没拿锁的进程 read/write 会被阻塞。

Linux 5.15 已删除 mandatory lock 支持：

• 性能差
• 语义怪异
• 安全隐患（DoS）

七、NFS 上的文件锁

NFS v3：lockd + rpc.statd 管理锁状态。客户端重启后需要 reclaim。

NFS v4：锁集成到协议里。lease-based。

NFSv4 的 delegation 类似 lease——server 委托客户端独占 cache。

八、死锁检测

POSIX 锁支持死锁检测：

fcntl(fd, F_SETLKW, &fl);  // 等待模式 + 死锁检测
// 如果检测到死锁返回 EDEADLK

flock 和 OFD 锁不做死锁检测。

九、选择指南

十、观察

# 查看进程持有的锁
cat /proc/locks
# 1: POSIX  ADVISORY  WRITE 1234 08:01:12345 0 1023
# 2: FLOCK  ADVISORY  WRITE 5678 08:01:12345 0 EOF

# lslocks 友好版
lslocks

十一、小结

• flock 简单但只能锁整文件
• POSIX fcntl 锁有 close 陷阱——close 任一同文件 fd 释放所有锁
• OFD 锁修复了 POSIX 的设计缺陷，推荐新代码使用
• mandatory lock 已删除
• NFS 锁有专门机制（lockd / NFSv4 delegation）

参考文献

• Documentation/filesystems/locking.rst
• Jeff Layton, “File locking: the current state.” LWN.net 2014
• man 2 flock、man 2 fcntl（F_OFD_SETLK 段落）
• fs/locks.c

工具

• /proc/locks
• lslocks
• strace -e flock,fcntl
• flock(1) shell 工具

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