Merge branch 'master' into next
[linux-2.6] / 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         void (*drop_inode) (struct inode *);
96         void (*delete_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 (*clear_inode) (struct inode *);
105         void (*umount_begin) (struct super_block *);
106         int (*show_options)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
107         ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
108         ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
109
110 locking rules:
111         All may block.
112                         BKL     s_lock  s_umount
113 alloc_inode:            no      no      no
114 destroy_inode:          no
115 dirty_inode:            no                              (must not sleep)
116 write_inode:            no
117 drop_inode:             no                              !!!inode_lock!!!
118 delete_inode:           no
119 put_super:              yes     yes     no
120 write_super:            no      yes     read
121 sync_fs:                no      no      read
122 freeze_fs:              ?
123 unfreeze_fs:            ?
124 statfs:                 no      no      no
125 remount_fs:             yes     yes     maybe           (see below)
126 clear_inode:            no
127 umount_begin:           yes     no      no
128 show_options:           no                              (vfsmount->sem)
129 quota_read:             no      no      no              (see below)
130 quota_write:            no      no      no              (see below)
131
132 ->remount_fs() will have the s_umount lock if it's already mounted.
133 When called from get_sb_single, it does NOT have the s_umount lock.
134 ->quota_read() and ->quota_write() functions are both guaranteed to
135 be the only ones operating on the quota file by the quota code (via
136 dqio_sem) (unless an admin really wants to screw up something and
137 writes to quota files with quotas on). For other details about locking
138 see also dquot_operations section.
139
140 --------------------------- file_system_type ---------------------------
141 prototypes:
142         int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
143                        const char *, void *, struct vfsmount *);
144         void (*kill_sb) (struct super_block *);
145 locking rules:
146                 may block       BKL
147 get_sb          yes             no
148 kill_sb         yes             no
149
150 ->get_sb() returns error or 0 with locked superblock attached to the vfsmount
151 (exclusive on ->s_umount).
152 ->kill_sb() takes a write-locked superblock, does all shutdown work on it,
153 unlocks and drops the reference.
154
155 --------------------------- address_space_operations --------------------------
156 prototypes:
157         int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
158         int (*readpage)(struct file *, struct page *);
159         int (*sync_page)(struct page *);
160         int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
161         int (*set_page_dirty)(struct page *page);
162         int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping,
163                         struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
164         int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
165                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned flags,
166                                 struct page **pagep, void **fsdata);
167         int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
168                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
169                                 struct page *page, void *fsdata);
170         sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
171         int (*invalidatepage) (struct page *, unsigned long);
172         int (*releasepage) (struct page *, int);
173         int (*direct_IO)(int, struct kiocb *, const struct iovec *iov,
174                         loff_t offset, unsigned long nr_segs);
175         int (*launder_page) (struct page *);
176
177 locking rules:
178         All except set_page_dirty may block
179
180                         BKL     PageLocked(page)        i_sem
181 writepage:              no      yes, unlocks (see below)
182 readpage:               no      yes, unlocks
183 sync_page:              no      maybe
184 writepages:             no
185 set_page_dirty          no      no
186 readpages:              no
187 write_begin:            no      locks the page          yes
188 write_end:              no      yes, unlocks            yes
189 perform_write:          no      n/a                     yes
190 bmap:                   yes
191 invalidatepage:         no      yes
192 releasepage:            no      yes
193 direct_IO:              no
194 launder_page:           no      yes
195
196         ->write_begin(), ->write_end(), ->sync_page() and ->readpage()
197 may be called from the request handler (/dev/loop).
198
199         ->readpage() unlocks the page, either synchronously or via I/O
200 completion.
201
202         ->readpages() populates the pagecache with the passed pages and starts
203 I/O against them.  They come unlocked upon I/O completion.
204
205         ->writepage() is used for two purposes: for "memory cleansing" and for
206 "sync".  These are quite different operations and the behaviour may differ
207 depending upon the mode.
208
209 If writepage is called for sync (wbc->sync_mode != WBC_SYNC_NONE) then
210 it *must* start I/O against the page, even if that would involve
211 blocking on in-progress I/O.
212
213 If writepage is called for memory cleansing (sync_mode ==
214 WBC_SYNC_NONE) then its role is to get as much writeout underway as
215 possible.  So writepage should try to avoid blocking against
216 currently-in-progress I/O.
217
218 If the filesystem is not called for "sync" and it determines that it
219 would need to block against in-progress I/O to be able to start new I/O
220 against the page the filesystem should redirty the page with
221 redirty_page_for_writepage(), then unlock the page and return zero.
222 This may also be done to avoid internal deadlocks, but rarely.
223
224 If the filesystem is called for sync then it must wait on any
225 in-progress I/O and then start new I/O.
226
227 The filesystem should unlock the page synchronously, before returning to the
228 caller, unless ->writepage() returns special WRITEPAGE_ACTIVATE
229 value. WRITEPAGE_ACTIVATE means that page cannot really be written out
230 currently, and VM should stop calling ->writepage() on this page for some
231 time. VM does this by moving page to the head of the active list, hence the
232 name.
233
234 Unless the filesystem is going to redirty_page_for_writepage(), unlock the page
235 and return zero, writepage *must* run set_page_writeback() against the page,
236 followed by unlocking it.  Once set_page_writeback() has been run against the
237 page, write I/O can be submitted and the write I/O completion handler must run
238 end_page_writeback() once the I/O is complete.  If no I/O is submitted, the
239 filesystem must run end_page_writeback() against the page before returning from
240 writepage.
241
242 That is: after 2.5.12, pages which are under writeout are *not* locked.  Note,
243 if the filesystem needs the page to be locked during writeout, that is ok, too,
244 the page is allowed to be unlocked at any point in time between the calls to
245 set_page_writeback() and end_page_writeback().
246
247 Note, failure to run either redirty_page_for_writepage() or the combination of
248 set_page_writeback()/end_page_writeback() on a page submitted to writepage
249 will leave the page itself marked clean but it will be tagged as dirty in the
250 radix tree.  This incoherency can lead to all sorts of hard-to-debug problems
251 in the filesystem like having dirty inodes at umount and losing written data.
252
253         ->sync_page() locking rules are not well-defined - usually it is called
254 with lock on page, but that is not guaranteed. Considering the currently
255 existing instances of this method ->sync_page() itself doesn't look
256 well-defined...
257
258         ->writepages() is used for periodic writeback and for syscall-initiated
259 sync operations.  The address_space should start I/O against at least
260 *nr_to_write pages.  *nr_to_write must be decremented for each page which is
261 written.  The address_space implementation may write more (or less) pages
262 than *nr_to_write asks for, but it should try to be reasonably close.  If
263 nr_to_write is NULL, all dirty pages must be written.
264
265 writepages should _only_ write pages which are present on
266 mapping->io_pages.
267
268         ->set_page_dirty() is called from various places in the kernel
269 when the target page is marked as needing writeback.  It may be called
270 under spinlock (it cannot block) and is sometimes called with the page
271 not locked.
272
273         ->bmap() is currently used by legacy ioctl() (FIBMAP) provided by some
274 filesystems and by the swapper. The latter will eventually go away. All
275 instances do not actually need the BKL. Please, keep it that way and don't
276 breed new callers.
277
278         ->invalidatepage() is called when the filesystem must attempt to drop
279 some or all of the buffers from the page when it is being truncated.  It
280 returns zero on success.  If ->invalidatepage is zero, the kernel uses
281 block_invalidatepage() instead.
282
283         ->releasepage() is called when the kernel is about to try to drop the
284 buffers from the page in preparation for freeing it.  It returns zero to
285 indicate that the buffers are (or may be) freeable.  If ->releasepage is zero,
286 the kernel assumes that the fs has no private interest in the buffers.
287
288         ->launder_page() may be called prior to releasing a page if
289 it is still found to be dirty. It returns zero if the page was successfully
290 cleaned, or an error value if not. Note that in order to prevent the page
291 getting mapped back in and redirtied, it needs to be kept locked
292 across the entire operation.
293
294         Note: currently almost all instances of address_space methods are
295 using BKL for internal serialization and that's one of the worst sources
296 of contention. Normally they are calling library functions (in fs/buffer.c)
297 and pass foo_get_block() as a callback (on local block-based filesystems,
298 indeed). BKL is not needed for library stuff and is usually taken by
299 foo_get_block(). It's an overkill, since block bitmaps can be protected by
300 internal fs locking and real critical areas are much smaller than the areas
301 filesystems protect now.
302
303 ----------------------- file_lock_operations ------------------------------
304 prototypes:
305         void (*fl_insert)(struct file_lock *);  /* lock insertion callback */
306         void (*fl_remove)(struct file_lock *);  /* lock removal callback */
307         void (*fl_copy_lock)(struct file_lock *, struct file_lock *);
308         void (*fl_release_private)(struct file_lock *);
309
310
311 locking rules:
312                         BKL     may block
313 fl_insert:              yes     no
314 fl_remove:              yes     no
315 fl_copy_lock:           yes     no
316 fl_release_private:     yes     yes
317
318 ----------------------- lock_manager_operations ---------------------------
319 prototypes:
320         int (*fl_compare_owner)(struct file_lock *, struct file_lock *);
321         void (*fl_notify)(struct file_lock *);  /* unblock callback */
322         void (*fl_copy_lock)(struct file_lock *, struct file_lock *);
323         void (*fl_release_private)(struct file_lock *);
324         void (*fl_break)(struct file_lock *); /* break_lease callback */
325
326 locking rules:
327                         BKL     may block
328 fl_compare_owner:       yes     no
329 fl_notify:              yes     no
330 fl_copy_lock:           yes     no
331 fl_release_private:     yes     yes
332 fl_break:               yes     no
333
334         Currently only NFSD and NLM provide instances of this class. None of the
335 them block. If you have out-of-tree instances - please, show up. Locking
336 in that area will change.
337 --------------------------- buffer_head -----------------------------------
338 prototypes:
339         void (*b_end_io)(struct buffer_head *bh, int uptodate);
340
341 locking rules:
342         called from interrupts. In other words, extreme care is needed here.
343 bh is locked, but that's all warranties we have here. Currently only RAID1,
344 highmem, fs/buffer.c, and fs/ntfs/aops.c are providing these. Block devices
345 call this method upon the IO completion.
346
347 --------------------------- block_device_operations -----------------------
348 prototypes:
349         int (*open) (struct inode *, struct file *);
350         int (*release) (struct inode *, struct file *);
351         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned, unsigned long);
352         int (*media_changed) (struct gendisk *);
353         int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
354
355 locking rules:
356                         BKL     bd_sem
357 open:                   yes     yes
358 release:                yes     yes
359 ioctl:                  yes     no
360 media_changed:          no      no
361 revalidate_disk:        no      no
362
363 The last two are called only from check_disk_change().
364
365 --------------------------- file_operations -------------------------------
366 prototypes:
367         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
368         ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
369         ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
370         ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
371         ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
372         int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
373         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
374         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int,
375                         unsigned long);
376         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
377         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
378         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
379         int (*open) (struct inode *, struct file *);
380         int (*flush) (struct file *);
381         int (*release) (struct inode *, struct file *);
382         int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
383         int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
384         int (*fasync) (int, struct file *, int);
385         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
386         ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
387                         loff_t *);
388         ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
389                         loff_t *);
390         ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t,
391                         void __user *);
392         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,
393                         loff_t *, int);
394         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long,
395                         unsigned long, unsigned long, unsigned long);
396         int (*check_flags)(int);
397 };
398
399 locking rules:
400         All may block.
401                         BKL
402 llseek:                 no      (see below)
403 read:                   no
404 aio_read:               no
405 write:                  no
406 aio_write:              no
407 readdir:                no
408 poll:                   no
409 ioctl:                  yes     (see below)
410 unlocked_ioctl:         no      (see below)
411 compat_ioctl:           no
412 mmap:                   no
413 open:                   no
414 flush:                  no
415 release:                no
416 fsync:                  no      (see below)
417 aio_fsync:              no
418 fasync:                 no
419 lock:                   yes
420 readv:                  no
421 writev:                 no
422 sendfile:               no
423 sendpage:               no
424 get_unmapped_area:      no
425 check_flags:            no
426
427 ->llseek() locking has moved from llseek to the individual llseek
428 implementations.  If your fs is not using generic_file_llseek, you
429 need to acquire and release the appropriate locks in your ->llseek().
430 For many filesystems, it is probably safe to acquire the inode
431 semaphore.  Note some filesystems (i.e. remote ones) provide no
432 protection for i_size so you will need to use the BKL.
433
434 Note: ext2_release() was *the* source of contention on fs-intensive
435 loads and dropping BKL on ->release() helps to get rid of that (we still
436 grab BKL for cases when we close a file that had been opened r/w, but that
437 can and should be done using the internal locking with smaller critical areas).
438 Current worst offender is ext2_get_block()...
439
440 ->fasync() is a mess. This area needs a big cleanup and that will probably
441 affect locking.
442
443 ->readdir() and ->ioctl() on directories must be changed. Ideally we would
444 move ->readdir() to inode_operations and use a separate method for directory
445 ->ioctl() or kill the latter completely. One of the problems is that for
446 anything that resembles union-mount we won't have a struct file for all
447 components. And there are other reasons why the current interface is a mess...
448
449 ->ioctl() on regular files is superceded by the ->unlocked_ioctl() that
450 doesn't take the BKL.
451
452 ->read on directories probably must go away - we should just enforce -EISDIR
453 in sys_read() and friends.
454
455 ->fsync() has i_mutex on inode.
456
457 --------------------------- dquot_operations -------------------------------
458 prototypes:
459         int (*initialize) (struct inode *, int);
460         int (*drop) (struct inode *);
461         int (*alloc_space) (struct inode *, qsize_t, int);
462         int (*alloc_inode) (const struct inode *, unsigned long);
463         int (*free_space) (struct inode *, qsize_t);
464         int (*free_inode) (const struct inode *, unsigned long);
465         int (*transfer) (struct inode *, struct iattr *);
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 initialize:     yes             maybe dqonoff_sem
479 drop:           yes             -
480 alloc_space:    ->mark_dirty()  -
481 alloc_inode:    ->mark_dirty()  -
482 free_space:     ->mark_dirty()  -
483 free_inode:     ->mark_dirty()  -
484 transfer:       yes             -
485 write_dquot:    yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
486 acquire_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
487 release_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
488 mark_dirty:     no              -
489 write_info:     yes             dqonoff_sem
490
491 FS recursion means calling ->quota_read() and ->quota_write() from superblock
492 operations.
493
494 ->alloc_space(), ->alloc_inode(), ->free_space(), ->free_inode() are called
495 only directly by the filesystem and do not call any fs functions only
496 the ->mark_dirty() operation.
497
498 More details about quota locking can be found in fs/dquot.c.
499
500 --------------------------- vm_operations_struct -----------------------------
501 prototypes:
502         void (*open)(struct vm_area_struct*);
503         void (*close)(struct vm_area_struct*);
504         int (*fault)(struct vm_area_struct*, struct vm_fault *);
505         int (*page_mkwrite)(struct vm_area_struct *, struct page *);
506         int (*access)(struct vm_area_struct *, unsigned long, void*, int, int);
507
508 locking rules:
509                 BKL     mmap_sem        PageLocked(page)
510 open:           no      yes
511 close:          no      yes
512 fault:          no      yes
513 page_mkwrite:   no      yes             no
514 access:         no      yes
515
516         ->page_mkwrite() is called when a previously read-only page is
517 about to become writeable. The file system is responsible for
518 protecting against truncate races. Once appropriate action has been
519 taking to lock out truncate, the page range should be verified to be
520 within i_size. The page mapping should also be checked that it is not
521 NULL.
522
523         ->access() is called when get_user_pages() fails in
524 acces_process_vm(), typically used to debug a process through
525 /proc/pid/mem or ptrace.  This function is needed only for
526 VM_IO | VM_PFNMAP VMAs.
527
528 ================================================================================
529                         Dubious stuff
530
531 (if you break something or notice that it is broken and do not fix it yourself
532 - at least put it here)
533
534 ipc/shm.c::shm_delete() - may need BKL.
535 ->read() and ->write() in many drivers are (probably) missing BKL.