Documentation/filesystems/seq_file.txt

   1 The seq_file interface
   2
   3         Copyright 2003 Jonathan Corbet <corbet@lwn.net>
   4         This file is originally from the LWN.net Driver Porting series at
   5         http://lwn.net/Articles/driver-porting/
   6
   7
   8 There are numerous ways for a device driver (or other kernel component) to
   9 provide information to the user or system administrator.  One useful
  10 technique is the creation of virtual files, in debugfs, /proc or elsewhere.
  11 Virtual files can provide human-readable output that is easy to get at
  12 without any special utility programs; they can also make life easier for
  13 script writers. It is not surprising that the use of virtual files has
  14 grown over the years.
  15
  16 Creating those files correctly has always been a bit of a challenge,
  17 however. It is not that hard to make a virtual file which returns a
  18 string. But life gets trickier if the output is long - anything greater
  19 than an application is likely to read in a single operation.  Handling
  20 multiple reads (and seeks) requires careful attention to the reader's
  21 position within the virtual file - that position is, likely as not, in the
  22 middle of a line of output. The kernel has traditionally had a number of
  23 implementations that got this wrong.
  24
  25 The 2.6 kernel contains a set of functions (implemented by Alexander Viro)
  26 which are designed to make it easy for virtual file creators to get it
  27 right.
  28
  29 The seq_file interface is available via <linux/seq_file.h>. There are
  30 three aspects to seq_file:
  31
  32      * An iterator interface which lets a virtual file implementation
  33        step through the objects it is presenting.
  34
  35      * Some utility functions for formatting objects for output without
  36        needing to worry about things like output buffers.
  37
  38      * A set of canned file_operations which implement most operations on
  39        the virtual file.
  40
  41 We'll look at the seq_file interface via an extremely simple example: a
  42 loadable module which creates a file called /proc/sequence. The file, when
  43 read, simply produces a set of increasing integer values, one per line. The
  44 sequence will continue until the user loses patience and finds something
  45 better to do. The file is seekable, in that one can do something like the
  46 following:
  47
  48     dd if=/proc/sequence of=out1 count=1
  49     dd if=/proc/sequence skip=1 of=out2 count=1
  50
  51 Then concatenate the output files out1 and out2 and get the right
  52 result. Yes, it is a thoroughly useless module, but the point is to show
  53 how the mechanism works without getting lost in other details.  (Those
  54 wanting to see the full source for this module can find it at
  55 http://lwn.net/Articles/22359/).
  56
  57
  58 The iterator interface
  59
  60 Modules implementing a virtual file with seq_file must implement a simple
  61 iterator object that allows stepping through the data of interest.
  62 Iterators must be able to move to a specific position - like the file they
  63 implement - but the interpretation of that position is up to the iterator
  64 itself. A seq_file implementation that is formatting firewall rules, for
  65 example, could interpret position N as the Nth rule in the chain.
  66 Positioning can thus be done in whatever way makes the most sense for the
  67 generator of the data, which need not be aware of how a position translates
  68 to an offset in the virtual file. The one obvious exception is that a
  69 position of zero should indicate the beginning of the file.
  70
  71 The /proc/sequence iterator just uses the count of the next number it
  72 will output as its position.
  73
  74 Four functions must be implemented to make the iterator work. The first,
  75 called start() takes a position as an argument and returns an iterator
  76 which will start reading at that position. For our simple sequence example,
  77 the start() function looks like:
  78
  79         static void *ct_seq_start(struct seq_file *s, loff_t *pos)
  80         {
  81                 loff_t *spos = kmalloc(sizeof(loff_t), GFP_KERNEL);
  82                 if (! spos)
  83                         return NULL;
  84                 *spos = *pos;
  85                 return spos;
  86         }
  87
  88 The entire data structure for this iterator is a single loff_t value
  89 holding the current position. There is no upper bound for the sequence
  90 iterator, but that will not be the case for most other seq_file
  91 implementations; in most cases the start() function should check for a
  92 "past end of file" condition and return NULL if need be.
  93
  94 For more complicated applications, the private field of the seq_file
  95 structure can be used. There is also a special value which can be returned
  96 by the start() function called SEQ_START_TOKEN; it can be used if you wish
  97 to instruct your show() function (described below) to print a header at the
  98 top of the output. SEQ_START_TOKEN should only be used if the offset is
  99 zero, however.
 100
 101 The next function to implement is called, amazingly, next(); its job is to
 102 move the iterator forward to the next position in the sequence.  The
 103 example module can simply increment the position by one; more useful
 104 modules will do what is needed to step through some data structure. The
 105 next() function returns a new iterator, or NULL if the sequence is
 106 complete. Here's the example version:
 107
 108         static void *ct_seq_next(struct seq_file *s, void *v, loff_t *pos)
 109         {
 110                 loff_t *spos = v;
 111                 *pos = ++*spos;
 112                 return spos;
 113         }
 114
 115 The stop() function is called when iteration is complete; its job, of
 116 course, is to clean up. If dynamic memory is allocated for the iterator,
 117 stop() is the place to free it.
 118
 119         static void ct_seq_stop(struct seq_file *s, void *v)
 120         {
 121                 kfree(v);
 122         }
 123
 124 Finally, the show() function should format the object currently pointed to
 125 by the iterator for output.  The example module's show() function is:
 126
 127         static int ct_seq_show(struct seq_file *s, void *v)
 128         {
 129                 loff_t *spos = v;
 130                 seq_printf(s, "%lld\n", (long long)*spos);
 131                 return 0;
 132         }
 133
 134 If all is well, the show() function should return zero.  A negative error
 135 code in the usual manner indicates that something went wrong; it will be
 136 passed back to user space.  This function can also return SEQ_SKIP, which
 137 causes the current item to be skipped; if the show() function has already
 138 generated output before returning SEQ_SKIP, that output will be dropped.
 139
 140 We will look at seq_printf() in a moment. But first, the definition of the
 141 seq_file iterator is finished by creating a seq_operations structure with
 142 the four functions we have just defined:
 143
 144         static const struct seq_operations ct_seq_ops = {
 145                 .start = ct_seq_start,
 146                 .next  = ct_seq_next,
 147                 .stop  = ct_seq_stop,
 148                 .show  = ct_seq_show
 149         };
 150
 151 This structure will be needed to tie our iterator to the /proc file in
 152 a little bit.
 153
 154 It's worth noting that the iterator value returned by start() and
 155 manipulated by the other functions is considered to be completely opaque by
 156 the seq_file code. It can thus be anything that is useful in stepping
 157 through the data to be output. Counters can be useful, but it could also be
 158 a direct pointer into an array or linked list. Anything goes, as long as
 159 the programmer is aware that things can happen between calls to the
 160 iterator function. However, the seq_file code (by design) will not sleep
 161 between the calls to start() and stop(), so holding a lock during that time
 162 is a reasonable thing to do. The seq_file code will also avoid taking any
 163 other locks while the iterator is active.
 164
 165
 166 Formatted output
 167
 168 The seq_file code manages positioning within the output created by the
 169 iterator and getting it into the user's buffer. But, for that to work, that
 170 output must be passed to the seq_file code. Some utility functions have
 171 been defined which make this task easy.
 172
 173 Most code will simply use seq_printf(), which works pretty much like
 174 printk(), but which requires the seq_file pointer as an argument. It is
 175 common to ignore the return value from seq_printf(), but a function
 176 producing complicated output may want to check that value and quit if
 177 something non-zero is returned; an error return means that the seq_file
 178 buffer has been filled and further output will be discarded.
 179
 180 For straight character output, the following functions may be used:
 181
 182         int seq_putc(struct seq_file *m, char c);
 183         int seq_puts(struct seq_file *m, const char *s);
 184         int seq_escape(struct seq_file *m, const char *s, const char *esc);
 185
 186 The first two output a single character and a string, just like one would
 187 expect. seq_escape() is like seq_puts(), except that any character in s
 188 which is in the string esc will be represented in octal form in the output.
 189
 190 There is also a pair of functions for printing filenames:
 191
 192         int seq_path(struct seq_file *m, struct path *path, char *esc);
 193         int seq_path_root(struct seq_file *m, struct path *path,
 194                           struct path *root, char *esc)
 195
 196 Here, path indicates the file of interest, and esc is a set of characters
 197 which should be escaped in the output.  A call to seq_path() will output
 198 the path relative to the current process's filesystem root.  If a different
 199 root is desired, it can be used with seq_path_root().  Note that, if it
 200 turns out that path cannot be reached from root, the value of root will be
 201 changed in seq_file_root() to a root which *does* work.
 202
 203
 204 Making it all work
 205
 206 So far, we have a nice set of functions which can produce output within the
 207 seq_file system, but we have not yet turned them into a file that a user
 208 can see. Creating a file within the kernel requires, of course, the
 209 creation of a set of file_operations which implement the operations on that
 210 file. The seq_file interface provides a set of canned operations which do
 211 most of the work. The virtual file author still must implement the open()
 212 method, however, to hook everything up. The open function is often a single
 213 line, as in the example module:
 214
 215         static int ct_open(struct inode *inode, struct file *file)
 216         {
 217                 return seq_open(file, &ct_seq_ops);
 218         }
 219
 220 Here, the call to seq_open() takes the seq_operations structure we created
 221 before, and gets set up to iterate through the virtual file.
 222
 223 On a successful open, seq_open() stores the struct seq_file pointer in
 224 file->private_data. If you have an application where the same iterator can
 225 be used for more than one file, you can store an arbitrary pointer in the
 226 private field of the seq_file structure; that value can then be retrieved
 227 by the iterator functions.
 228
 229 The other operations of interest - read(), llseek(), and release() - are
 230 all implemented by the seq_file code itself. So a virtual file's
 231 file_operations structure will look like:
 232
 233         static const struct file_operations ct_file_ops = {
 234                 .owner   = THIS_MODULE,
 235                 .open    = ct_open,
 236                 .read    = seq_read,
 237                 .llseek  = seq_lseek,
 238                 .release = seq_release
 239         };
 240
 241 There is also a seq_release_private() which passes the contents of the
 242 seq_file private field to kfree() before releasing the structure.
 243
 244 The final step is the creation of the /proc file itself. In the example
 245 code, that is done in the initialization code in the usual way:
 246
 247         static int ct_init(void)
 248         {
 249                 struct proc_dir_entry *entry;
 250
 251                 entry = create_proc_entry("sequence", 0, NULL);
 252                 if (entry)
 253                         entry->proc_fops = &ct_file_ops;
 254                 return 0;
 255         }
 256
 257         module_init(ct_init);
 258
 259 And that is pretty much it.
 260
 261
 262 seq_list
 263
 264 If your file will be iterating through a linked list, you may find these
 265 routines useful:
 266
 267         struct list_head *seq_list_start(struct list_head *head,
 268                                          loff_t pos);
 269         struct list_head *seq_list_start_head(struct list_head *head,
 270                                               loff_t pos);
 271         struct list_head *seq_list_next(void *v, struct list_head *head,
 272                                         loff_t *ppos);
 273
 274 These helpers will interpret pos as a position within the list and iterate
 275 accordingly.  Your start() and next() functions need only invoke the
 276 seq_list_* helpers with a pointer to the appropriate list_head structure.
 277
 278
 279 The extra-simple version
 280
 281 For extremely simple virtual files, there is an even easier interface.  A
 282 module can define only the show() function, which should create all the
 283 output that the virtual file will contain. The file's open() method then
 284 calls:
 285
 286         int single_open(struct file *file,
 287                         int (*show)(struct seq_file *m, void *p),
 288                         void *data);
 289
 290 When output time comes, the show() function will be called once. The data
 291 value given to single_open() can be found in the private field of the
 292 seq_file structure. When using single_open(), the programmer should use
 293 single_release() instead of seq_release() in the file_operations structure
 294 to avoid a memory leak.