bbcc15651a21c1e1dac6c390d0fc17e93dda66be
[linux-3.10.git] / Documentation / filesystems / Locking
1         The text below describes the locking rules for VFS-related methods.
2 It is (believed to be) up-to-date. *Please*, if you change anything in
3 prototypes or locking protocols - update this file. And update the relevant
4 instances in the tree, don't leave that to maintainers of filesystems/devices/
5 etc. At the very least, put the list of dubious cases in the end of this file.
6 Don't turn it into log - maintainers of out-of-the-tree code are supposed to
7 be able to use diff(1).
8         Thing currently missing here: socket operations. Alexey?
9
10 --------------------------- dentry_operations --------------------------
11 prototypes:
12         int (*d_revalidate)(struct dentry *, int);
13         int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
14         int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
15         int (*d_delete)(struct dentry *);
16         void (*d_release)(struct dentry *);
17         void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
18         char *(*d_dname)((struct dentry *dentry, char *buffer, int buflen);
19
20 locking rules:
21         none have BKL
22                 dcache_lock     rename_lock     ->d_lock        may block
23 d_revalidate:   no              no              no              yes
24 d_hash          no              no              no              yes
25 d_compare:      no              yes             no              no 
26 d_delete:       yes             no              yes             no
27 d_release:      no              no              no              yes
28 d_iput:         no              no              no              yes
29 d_dname:        no              no              no              no
30
31 --------------------------- inode_operations --------------------------- 
32 prototypes:
33         int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
34         struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameid
35 ata *);
36         int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
37         int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
38         int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
39         int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);
40         int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
41         int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,int,dev_t);
42         int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
43                         struct inode *, struct dentry *);
44         int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);
45         int (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
46         void (*truncate) (struct inode *);
47         int (*permission) (struct inode *, int, struct nameidata *);
48         int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
49         int (*getattr) (struct vfsmount *, struct dentry *, struct kstat *);
50         int (*setxattr) (struct dentry *, const char *,const void *,size_t,int);
51         ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);
52         ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
53         int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);
54
55 locking rules:
56         all may block, none have BKL
57                 i_mutex(inode)
58 lookup:         yes
59 create:         yes
60 link:           yes (both)
61 mknod:          yes
62 symlink:        yes
63 mkdir:          yes
64 unlink:         yes (both)
65 rmdir:          yes (both)      (see below)
66 rename:         yes (all)       (see below)
67 readlink:       no
68 follow_link:    no
69 truncate:       yes             (see below)
70 setattr:        yes
71 permission:     no
72 getattr:        no
73 setxattr:       yes
74 getxattr:       no
75 listxattr:      no
76 removexattr:    yes
77         Additionally, ->rmdir(), ->unlink() and ->rename() have ->i_mutex on
78 victim.
79         cross-directory ->rename() has (per-superblock) ->s_vfs_rename_sem.
80         ->truncate() is never called directly - it's a callback, not a
81 method. It's called by vmtruncate() - library function normally used by
82 ->setattr(). Locking information above applies to that call (i.e. is
83 inherited from ->setattr() - vmtruncate() is used when ATTR_SIZE had been
84 passed).
85
86 See Documentation/filesystems/directory-locking for more detailed discussion
87 of the locking scheme for directory operations.
88
89 --------------------------- super_operations ---------------------------
90 prototypes:
91         struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
92         void (*destroy_inode)(struct inode *);
93         void (*dirty_inode) (struct inode *);
94         int (*write_inode) (struct inode *, int);
95         int (*drop_inode) (struct inode *);
96         void (*evict_inode) (struct inode *);
97         void (*put_super) (struct super_block *);
98         void (*write_super) (struct super_block *);
99         int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
100         int (*freeze_fs) (struct super_block *);
101         int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);
102         int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
103         int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
104         void (*umount_begin) (struct super_block *);
105         int (*show_options)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
106         ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
107         ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
108
109 locking rules:
110         All may block [not true, see below]
111         None have BKL
112                         s_umount
113 alloc_inode:
114 destroy_inode:
115 dirty_inode:                            (must not sleep)
116 write_inode:
117 drop_inode:                             !!!inode_lock!!!
118 evict_inode:
119 put_super:              write
120 write_super:            read
121 sync_fs:                read
122 freeze_fs:              read
123 unfreeze_fs:            read
124 statfs:                 maybe(read)     (see below)
125 remount_fs:             write
126 umount_begin:           no
127 show_options:           no              (namespace_sem)
128 quota_read:             no              (see below)
129 quota_write:            no              (see below)
130
131 ->statfs() has s_umount (shared) when called by ustat(2) (native or
132 compat), but that's an accident of bad API; s_umount is used to pin
133 the superblock down when we only have dev_t given us by userland to
134 identify the superblock.  Everything else (statfs(), fstatfs(), etc.)
135 doesn't hold it when calling ->statfs() - superblock is pinned down
136 by resolving the pathname passed to syscall.
137 ->quota_read() and ->quota_write() functions are both guaranteed to
138 be the only ones operating on the quota file by the quota code (via
139 dqio_sem) (unless an admin really wants to screw up something and
140 writes to quota files with quotas on). For other details about locking
141 see also dquot_operations section.
142
143 --------------------------- file_system_type ---------------------------
144 prototypes:
145         int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
146                        const char *, void *, struct vfsmount *);
147         void (*kill_sb) (struct super_block *);
148 locking rules:
149                 may block       BKL
150 get_sb          yes             no
151 kill_sb         yes             no
152
153 ->get_sb() returns error or 0 with locked superblock attached to the vfsmount
154 (exclusive on ->s_umount).
155 ->kill_sb() takes a write-locked superblock, does all shutdown work on it,
156 unlocks and drops the reference.
157
158 --------------------------- address_space_operations --------------------------
159 prototypes:
160         int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
161         int (*readpage)(struct file *, struct page *);
162         int (*sync_page)(struct page *);
163         int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
164         int (*set_page_dirty)(struct page *page);
165         int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping,
166                         struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
167         int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
168                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned flags,
169                                 struct page **pagep, void **fsdata);
170         int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
171                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
172                                 struct page *page, void *fsdata);
173         sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
174         int (*invalidatepage) (struct page *, unsigned long);
175         int (*releasepage) (struct page *, int);
176         int (*direct_IO)(int, struct kiocb *, const struct iovec *iov,
177                         loff_t offset, unsigned long nr_segs);
178         int (*launder_page) (struct page *);
179
180 locking rules:
181         All except set_page_dirty may block
182
183                         BKL     PageLocked(page)        i_mutex
184 writepage:              no      yes, unlocks (see below)
185 readpage:               no      yes, unlocks
186 sync_page:              no      maybe
187 writepages:             no
188 set_page_dirty          no      no
189 readpages:              no
190 write_begin:            no      locks the page          yes
191 write_end:              no      yes, unlocks            yes
192 perform_write:          no      n/a                     yes
193 bmap:                   no
194 invalidatepage:         no      yes
195 releasepage:            no      yes
196 direct_IO:              no
197 launder_page:           no      yes
198
199         ->write_begin(), ->write_end(), ->sync_page() and ->readpage()
200 may be called from the request handler (/dev/loop).
201
202         ->readpage() unlocks the page, either synchronously or via I/O
203 completion.
204
205         ->readpages() populates the pagecache with the passed pages and starts
206 I/O against them.  They come unlocked upon I/O completion.
207
208         ->writepage() is used for two purposes: for "memory cleansing" and for
209 "sync".  These are quite different operations and the behaviour may differ
210 depending upon the mode.
211
212 If writepage is called for sync (wbc->sync_mode != WBC_SYNC_NONE) then
213 it *must* start I/O against the page, even if that would involve
214 blocking on in-progress I/O.
215
216 If writepage is called for memory cleansing (sync_mode ==
217 WBC_SYNC_NONE) then its role is to get as much writeout underway as
218 possible.  So writepage should try to avoid blocking against
219 currently-in-progress I/O.
220
221 If the filesystem is not called for "sync" and it determines that it
222 would need to block against in-progress I/O to be able to start new I/O
223 against the page the filesystem should redirty the page with
224 redirty_page_for_writepage(), then unlock the page and return zero.
225 This may also be done to avoid internal deadlocks, but rarely.
226
227 If the filesystem is called for sync then it must wait on any
228 in-progress I/O and then start new I/O.
229
230 The filesystem should unlock the page synchronously, before returning to the
231 caller, unless ->writepage() returns special WRITEPAGE_ACTIVATE
232 value. WRITEPAGE_ACTIVATE means that page cannot really be written out
233 currently, and VM should stop calling ->writepage() on this page for some
234 time. VM does this by moving page to the head of the active list, hence the
235 name.
236
237 Unless the filesystem is going to redirty_page_for_writepage(), unlock the page
238 and return zero, writepage *must* run set_page_writeback() against the page,
239 followed by unlocking it.  Once set_page_writeback() has been run against the
240 page, write I/O can be submitted and the write I/O completion handler must run
241 end_page_writeback() once the I/O is complete.  If no I/O is submitted, the
242 filesystem must run end_page_writeback() against the page before returning from
243 writepage.
244
245 That is: after 2.5.12, pages which are under writeout are *not* locked.  Note,
246 if the filesystem needs the page to be locked during writeout, that is ok, too,
247 the page is allowed to be unlocked at any point in time between the calls to
248 set_page_writeback() and end_page_writeback().
249
250 Note, failure to run either redirty_page_for_writepage() or the combination of
251 set_page_writeback()/end_page_writeback() on a page submitted to writepage
252 will leave the page itself marked clean but it will be tagged as dirty in the
253 radix tree.  This incoherency can lead to all sorts of hard-to-debug problems
254 in the filesystem like having dirty inodes at umount and losing written data.
255
256         ->sync_page() locking rules are not well-defined - usually it is called
257 with lock on page, but that is not guaranteed. Considering the currently
258 existing instances of this method ->sync_page() itself doesn't look
259 well-defined...
260
261         ->writepages() is used for periodic writeback and for syscall-initiated
262 sync operations.  The address_space should start I/O against at least
263 *nr_to_write pages.  *nr_to_write must be decremented for each page which is
264 written.  The address_space implementation may write more (or less) pages
265 than *nr_to_write asks for, but it should try to be reasonably close.  If
266 nr_to_write is NULL, all dirty pages must be written.
267
268 writepages should _only_ write pages which are present on
269 mapping->io_pages.
270
271         ->set_page_dirty() is called from various places in the kernel
272 when the target page is marked as needing writeback.  It may be called
273 under spinlock (it cannot block) and is sometimes called with the page
274 not locked.
275
276         ->bmap() is currently used by legacy ioctl() (FIBMAP) provided by some
277 filesystems and by the swapper. The latter will eventually go away. All
278 instances do not actually need the BKL. Please, keep it that way and don't
279 breed new callers.
280
281         ->invalidatepage() is called when the filesystem must attempt to drop
282 some or all of the buffers from the page when it is being truncated.  It
283 returns zero on success.  If ->invalidatepage is zero, the kernel uses
284 block_invalidatepage() instead.
285
286         ->releasepage() is called when the kernel is about to try to drop the
287 buffers from the page in preparation for freeing it.  It returns zero to
288 indicate that the buffers are (or may be) freeable.  If ->releasepage is zero,
289 the kernel assumes that the fs has no private interest in the buffers.
290
291         ->launder_page() may be called prior to releasing a page if
292 it is still found to be dirty. It returns zero if the page was successfully
293 cleaned, or an error value if not. Note that in order to prevent the page
294 getting mapped back in and redirtied, it needs to be kept locked
295 across the entire operation.
296
297         Note: currently almost all instances of address_space methods are
298 using BKL for internal serialization and that's one of the worst sources
299 of contention. Normally they are calling library functions (in fs/buffer.c)
300 and pass foo_get_block() as a callback (on local block-based filesystems,
301 indeed). BKL is not needed for library stuff and is usually taken by
302 foo_get_block(). It's an overkill, since block bitmaps can be protected by
303 internal fs locking and real critical areas are much smaller than the areas
304 filesystems protect now.
305
306 ----------------------- file_lock_operations ------------------------------
307 prototypes:
308         void (*fl_insert)(struct file_lock *);  /* lock insertion callback */
309         void (*fl_remove)(struct file_lock *);  /* lock removal callback */
310         void (*fl_copy_lock)(struct file_lock *, struct file_lock *);
311         void (*fl_release_private)(struct file_lock *);
312
313
314 locking rules:
315                         BKL     may block
316 fl_insert:              yes     no
317 fl_remove:              yes     no
318 fl_copy_lock:           yes     no
319 fl_release_private:     yes     yes
320
321 ----------------------- lock_manager_operations ---------------------------
322 prototypes:
323         int (*fl_compare_owner)(struct file_lock *, struct file_lock *);
324         void (*fl_notify)(struct file_lock *);  /* unblock callback */
325         void (*fl_copy_lock)(struct file_lock *, struct file_lock *);
326         void (*fl_release_private)(struct file_lock *);
327         void (*fl_break)(struct file_lock *); /* break_lease callback */
328
329 locking rules:
330                         BKL     may block
331 fl_compare_owner:       yes     no
332 fl_notify:              yes     no
333 fl_copy_lock:           yes     no
334 fl_release_private:     yes     yes
335 fl_break:               yes     no
336
337         Currently only NFSD and NLM provide instances of this class. None of the
338 them block. If you have out-of-tree instances - please, show up. Locking
339 in that area will change.
340 --------------------------- buffer_head -----------------------------------
341 prototypes:
342         void (*b_end_io)(struct buffer_head *bh, int uptodate);
343
344 locking rules:
345         called from interrupts. In other words, extreme care is needed here.
346 bh is locked, but that's all warranties we have here. Currently only RAID1,
347 highmem, fs/buffer.c, and fs/ntfs/aops.c are providing these. Block devices
348 call this method upon the IO completion.
349
350 --------------------------- block_device_operations -----------------------
351 prototypes:
352         int (*open) (struct inode *, struct file *);
353         int (*release) (struct inode *, struct file *);
354         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned, unsigned long);
355         int (*media_changed) (struct gendisk *);
356         int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
357
358 locking rules:
359                         BKL     bd_sem
360 open:                   yes     yes
361 release:                yes     yes
362 ioctl:                  yes     no
363 media_changed:          no      no
364 revalidate_disk:        no      no
365
366 The last two are called only from check_disk_change().
367
368 --------------------------- file_operations -------------------------------
369 prototypes:
370         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
371         ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
372         ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
373         ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
374         ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
375         int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
376         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
377         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int,
378                         unsigned long);
379         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
380         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
381         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
382         int (*open) (struct inode *, struct file *);
383         int (*flush) (struct file *);
384         int (*release) (struct inode *, struct file *);
385         int (*fsync) (struct file *, int datasync);
386         int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
387         int (*fasync) (int, struct file *, int);
388         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
389         ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
390                         loff_t *);
391         ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
392                         loff_t *);
393         ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t,
394                         void __user *);
395         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,
396                         loff_t *, int);
397         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long,
398                         unsigned long, unsigned long, unsigned long);
399         int (*check_flags)(int);
400 };
401
402 locking rules:
403         All may block.
404                         BKL
405 llseek:                 no      (see below)
406 read:                   no
407 aio_read:               no
408 write:                  no
409 aio_write:              no
410 readdir:                no
411 poll:                   no
412 ioctl:                  yes     (see below)
413 unlocked_ioctl:         no      (see below)
414 compat_ioctl:           no
415 mmap:                   no
416 open:                   no
417 flush:                  no
418 release:                no
419 fsync:                  no      (see below)
420 aio_fsync:              no
421 fasync:                 no
422 lock:                   yes
423 readv:                  no
424 writev:                 no
425 sendfile:               no
426 sendpage:               no
427 get_unmapped_area:      no
428 check_flags:            no
429
430 ->llseek() locking has moved from llseek to the individual llseek
431 implementations.  If your fs is not using generic_file_llseek, you
432 need to acquire and release the appropriate locks in your ->llseek().
433 For many filesystems, it is probably safe to acquire the inode
434 mutex or just to use i_size_read() instead.
435 Note: this does not protect the file->f_pos against concurrent modifications
436 since this is something the userspace has to take care about.
437
438 Note: ext2_release() was *the* source of contention on fs-intensive
439 loads and dropping BKL on ->release() helps to get rid of that (we still
440 grab BKL for cases when we close a file that had been opened r/w, but that
441 can and should be done using the internal locking with smaller critical areas).
442 Current worst offender is ext2_get_block()...
443
444 ->fasync() is called without BKL protection, and is responsible for
445 maintaining the FASYNC bit in filp->f_flags.  Most instances call
446 fasync_helper(), which does that maintenance, so it's not normally
447 something one needs to worry about.  Return values > 0 will be mapped to
448 zero in the VFS layer.
449
450 ->readdir() and ->ioctl() on directories must be changed. Ideally we would
451 move ->readdir() to inode_operations and use a separate method for directory
452 ->ioctl() or kill the latter completely. One of the problems is that for
453 anything that resembles union-mount we won't have a struct file for all
454 components. And there are other reasons why the current interface is a mess...
455
456 ->ioctl() on regular files is superceded by the ->unlocked_ioctl() that
457 doesn't take the BKL.
458
459 ->read on directories probably must go away - we should just enforce -EISDIR
460 in sys_read() and friends.
461
462 ->fsync() has i_mutex on inode.
463
464 --------------------------- dquot_operations -------------------------------
465 prototypes:
466         int (*write_dquot) (struct dquot *);
467         int (*acquire_dquot) (struct dquot *);
468         int (*release_dquot) (struct dquot *);
469         int (*mark_dirty) (struct dquot *);
470         int (*write_info) (struct super_block *, int);
471
472 These operations are intended to be more or less wrapping functions that ensure
473 a proper locking wrt the filesystem and call the generic quota operations.
474
475 What filesystem should expect from the generic quota functions:
476
477                 FS recursion    Held locks when called
478 write_dquot:    yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
479 acquire_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
480 release_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
481 mark_dirty:     no              -
482 write_info:     yes             dqonoff_sem
483
484 FS recursion means calling ->quota_read() and ->quota_write() from superblock
485 operations.
486
487 More details about quota locking can be found in fs/dquot.c.
488
489 --------------------------- vm_operations_struct -----------------------------
490 prototypes:
491         void (*open)(struct vm_area_struct*);
492         void (*close)(struct vm_area_struct*);
493         int (*fault)(struct vm_area_struct*, struct vm_fault *);
494         int (*page_mkwrite)(struct vm_area_struct *, struct vm_fault *);
495         int (*access)(struct vm_area_struct *, unsigned long, void*, int, int);
496
497 locking rules:
498                 BKL     mmap_sem        PageLocked(page)
499 open:           no      yes
500 close:          no      yes
501 fault:          no      yes             can return with page locked
502 page_mkwrite:   no      yes             can return with page locked
503 access:         no      yes
504
505         ->fault() is called when a previously not present pte is about
506 to be faulted in. The filesystem must find and return the page associated
507 with the passed in "pgoff" in the vm_fault structure. If it is possible that
508 the page may be truncated and/or invalidated, then the filesystem must lock
509 the page, then ensure it is not already truncated (the page lock will block
510 subsequent truncate), and then return with VM_FAULT_LOCKED, and the page
511 locked. The VM will unlock the page.
512
513         ->page_mkwrite() is called when a previously read-only pte is
514 about to become writeable. The filesystem again must ensure that there are
515 no truncate/invalidate races, and then return with the page locked. If
516 the page has been truncated, the filesystem should not look up a new page
517 like the ->fault() handler, but simply return with VM_FAULT_NOPAGE, which
518 will cause the VM to retry the fault.
519
520         ->access() is called when get_user_pages() fails in
521 acces_process_vm(), typically used to debug a process through
522 /proc/pid/mem or ptrace.  This function is needed only for
523 VM_IO | VM_PFNMAP VMAs.
524
525 ================================================================================
526                         Dubious stuff
527
528 (if you break something or notice that it is broken and do not fix it yourself
529 - at least put it here)
530
531 ipc/shm.c::shm_delete() - may need BKL.
532 ->read() and ->write() in many drivers are (probably) missing BKL.