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         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
 378         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
 379         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
 380         int (*open) (struct inode *, struct file *);
 381         int (*flush) (struct file *);
 382         int (*release) (struct inode *, struct file *);
 383         int (*fsync) (struct file *, int datasync);
 384         int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
 385         int (*fasync) (int, struct file *, int);
 386         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
 387         ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
 388                         loff_t *);
 389         ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
 390                         loff_t *);
 391         ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t,
 392                         void __user *);
 393         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,
 394                         loff_t *, int);
 395         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long,
 396                         unsigned long, unsigned long, unsigned long);
 397         int (*check_flags)(int);
 398 };
 399
 400 locking rules:
 401         All may block.
 402                         BKL
 403 llseek:                 no      (see below)
 404 read:                   no
 405 aio_read:               no
 406 write:                  no
 407 aio_write:              no
 408 readdir:                no
 409 poll:                   no
 410 unlocked_ioctl:         no
 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 mutex or just to use i_size_read() instead.
 432 Note: this does not protect the file->f_pos against concurrent modifications
 433 since this is something the userspace has to take care about.
 434
 435 Note: ext2_release() was *the* source of contention on fs-intensive
 436 loads and dropping BKL on ->release() helps to get rid of that (we still
 437 grab BKL for cases when we close a file that had been opened r/w, but that
 438 can and should be done using the internal locking with smaller critical areas).
 439 Current worst offender is ext2_get_block()...
 440
 441 ->fasync() is called without BKL protection, and is responsible for
 442 maintaining the FASYNC bit in filp->f_flags.  Most instances call
 443 fasync_helper(), which does that maintenance, so it's not normally
 444 something one needs to worry about.  Return values > 0 will be mapped to
 445 zero in the VFS layer.
 446
 447 ->readdir() and ->ioctl() on directories must be changed. Ideally we would
 448 move ->readdir() to inode_operations and use a separate method for directory
 449 ->ioctl() or kill the latter completely. One of the problems is that for
 450 anything that resembles union-mount we won't have a struct file for all
 451 components. And there are other reasons why the current interface is a mess...
 452
 453 ->read on directories probably must go away - we should just enforce -EISDIR
 454 in sys_read() and friends.
 455
 456 ->fsync() has i_mutex on inode.
 457
 458 --------------------------- dquot_operations -------------------------------
 459 prototypes:
 460         int (*write_dquot) (struct dquot *);
 461         int (*acquire_dquot) (struct dquot *);
 462         int (*release_dquot) (struct dquot *);
 463         int (*mark_dirty) (struct dquot *);
 464         int (*write_info) (struct super_block *, int);
 465
 466 These operations are intended to be more or less wrapping functions that ensure
 467 a proper locking wrt the filesystem and call the generic quota operations.
 468
 469 What filesystem should expect from the generic quota functions:
 470
 471                 FS recursion    Held locks when called
 472 write_dquot:    yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
 473 acquire_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
 474 release_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
 475 mark_dirty:     no              -
 476 write_info:     yes             dqonoff_sem
 477
 478 FS recursion means calling ->quota_read() and ->quota_write() from superblock
 479 operations.
 480
 481 More details about quota locking can be found in fs/dquot.c.
 482
 483 --------------------------- vm_operations_struct -----------------------------
 484 prototypes:
 485         void (*open)(struct vm_area_struct*);
 486         void (*close)(struct vm_area_struct*);
 487         int (*fault)(struct vm_area_struct*, struct vm_fault *);
 488         int (*page_mkwrite)(struct vm_area_struct *, struct vm_fault *);
 489         int (*access)(struct vm_area_struct *, unsigned long, void*, int, int);
 490
 491 locking rules:
 492                 BKL     mmap_sem        PageLocked(page)
 493 open:           no      yes
 494 close:          no      yes
 495 fault:          no      yes             can return with page locked
 496 page_mkwrite:   no      yes             can return with page locked
 497 access:         no      yes
 498
 499         ->fault() is called when a previously not present pte is about
 500 to be faulted in. The filesystem must find and return the page associated
 501 with the passed in "pgoff" in the vm_fault structure. If it is possible that
 502 the page may be truncated and/or invalidated, then the filesystem must lock
 503 the page, then ensure it is not already truncated (the page lock will block
 504 subsequent truncate), and then return with VM_FAULT_LOCKED, and the page
 505 locked. The VM will unlock the page.
 506
 507         ->page_mkwrite() is called when a previously read-only pte is
 508 about to become writeable. The filesystem again must ensure that there are
 509 no truncate/invalidate races, and then return with the page locked. If
 510 the page has been truncated, the filesystem should not look up a new page
 511 like the ->fault() handler, but simply return with VM_FAULT_NOPAGE, which
 512 will cause the VM to retry the fault.
 513
 514         ->access() is called when get_user_pages() fails in
 515 acces_process_vm(), typically used to debug a process through
 516 /proc/pid/mem or ptrace.  This function is needed only for
 517 VM_IO | VM_PFNMAP VMAs.
 518
 519 ================================================================================
 520                         Dubious stuff
 521
 522 (if you break something or notice that it is broken and do not fix it yourself
 523 - at least put it here)
 524
 525 ipc/shm.c::shm_delete() - may need BKL.
 526 ->read() and ->write() in many drivers are (probably) missing BKL.