Linux 6.13-rc7
[linux.git] / rust / kernel / fs / file.rs
blobe03dbe14d62a566349c4100f2f78b17d4c79aab5
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
3 // Copyright (C) 2024 Google LLC.
5 //! Files and file descriptors.
6 //!
7 //! C headers: [`include/linux/fs.h`](srctree/include/linux/fs.h) and
8 //! [`include/linux/file.h`](srctree/include/linux/file.h)
10 use crate::{
11     bindings,
12     cred::Credential,
13     error::{code::*, Error, Result},
14     types::{ARef, AlwaysRefCounted, NotThreadSafe, Opaque},
16 use core::ptr;
18 /// Flags associated with a [`File`].
19 pub mod flags {
20     /// File is opened in append mode.
21     pub const O_APPEND: u32 = bindings::O_APPEND;
23     /// Signal-driven I/O is enabled.
24     pub const O_ASYNC: u32 = bindings::FASYNC;
26     /// Close-on-exec flag is set.
27     pub const O_CLOEXEC: u32 = bindings::O_CLOEXEC;
29     /// File was created if it didn't already exist.
30     pub const O_CREAT: u32 = bindings::O_CREAT;
32     /// Direct I/O is enabled for this file.
33     pub const O_DIRECT: u32 = bindings::O_DIRECT;
35     /// File must be a directory.
36     pub const O_DIRECTORY: u32 = bindings::O_DIRECTORY;
38     /// Like [`O_SYNC`] except metadata is not synced.
39     pub const O_DSYNC: u32 = bindings::O_DSYNC;
41     /// Ensure that this file is created with the `open(2)` call.
42     pub const O_EXCL: u32 = bindings::O_EXCL;
44     /// Large file size enabled (`off64_t` over `off_t`).
45     pub const O_LARGEFILE: u32 = bindings::O_LARGEFILE;
47     /// Do not update the file last access time.
48     pub const O_NOATIME: u32 = bindings::O_NOATIME;
50     /// File should not be used as process's controlling terminal.
51     pub const O_NOCTTY: u32 = bindings::O_NOCTTY;
53     /// If basename of path is a symbolic link, fail open.
54     pub const O_NOFOLLOW: u32 = bindings::O_NOFOLLOW;
56     /// File is using nonblocking I/O.
57     pub const O_NONBLOCK: u32 = bindings::O_NONBLOCK;
59     /// File is using nonblocking I/O.
60     ///
61     /// This is effectively the same flag as [`O_NONBLOCK`] on all architectures
62     /// except SPARC64.
63     pub const O_NDELAY: u32 = bindings::O_NDELAY;
65     /// Used to obtain a path file descriptor.
66     pub const O_PATH: u32 = bindings::O_PATH;
68     /// Write operations on this file will flush data and metadata.
69     pub const O_SYNC: u32 = bindings::O_SYNC;
71     /// This file is an unnamed temporary regular file.
72     pub const O_TMPFILE: u32 = bindings::O_TMPFILE;
74     /// File should be truncated to length 0.
75     pub const O_TRUNC: u32 = bindings::O_TRUNC;
77     /// Bitmask for access mode flags.
78     ///
79     /// # Examples
80     ///
81     /// ```
82     /// use kernel::fs::file;
83     /// # fn do_something() {}
84     /// # let flags = 0;
85     /// if (flags & file::flags::O_ACCMODE) == file::flags::O_RDONLY {
86     ///     do_something();
87     /// }
88     /// ```
89     pub const O_ACCMODE: u32 = bindings::O_ACCMODE;
91     /// File is read only.
92     pub const O_RDONLY: u32 = bindings::O_RDONLY;
94     /// File is write only.
95     pub const O_WRONLY: u32 = bindings::O_WRONLY;
97     /// File can be both read and written.
98     pub const O_RDWR: u32 = bindings::O_RDWR;
101 /// Wraps the kernel's `struct file`. Thread safe.
103 /// This represents an open file rather than a file on a filesystem. Processes generally reference
104 /// open files using file descriptors. However, file descriptors are not the same as files. A file
105 /// descriptor is just an integer that corresponds to a file, and a single file may be referenced
106 /// by multiple file descriptors.
108 /// # Refcounting
110 /// Instances of this type are reference-counted. The reference count is incremented by the
111 /// `fget`/`get_file` functions and decremented by `fput`. The Rust type `ARef<File>` represents a
112 /// pointer that owns a reference count on the file.
114 /// Whenever a process opens a file descriptor (fd), it stores a pointer to the file in its fd
115 /// table (`struct files_struct`). This pointer owns a reference count to the file, ensuring the
116 /// file isn't prematurely deleted while the file descriptor is open. In Rust terminology, the
117 /// pointers in `struct files_struct` are `ARef<File>` pointers.
119 /// ## Light refcounts
121 /// Whenever a process has an fd to a file, it may use something called a "light refcount" as a
122 /// performance optimization. Light refcounts are acquired by calling `fdget` and released with
123 /// `fdput`. The idea behind light refcounts is that if the fd is not closed between the calls to
124 /// `fdget` and `fdput`, then the refcount cannot hit zero during that time, as the `struct
125 /// files_struct` holds a reference until the fd is closed. This means that it's safe to access the
126 /// file even if `fdget` does not increment the refcount.
128 /// The requirement that the fd is not closed during a light refcount applies globally across all
129 /// threads - not just on the thread using the light refcount. For this reason, light refcounts are
130 /// only used when the `struct files_struct` is not shared with other threads, since this ensures
131 /// that other unrelated threads cannot suddenly start using the fd and close it. Therefore,
132 /// calling `fdget` on a shared `struct files_struct` creates a normal refcount instead of a light
133 /// refcount.
135 /// Light reference counts must be released with `fdput` before the system call returns to
136 /// userspace. This means that if you wait until the current system call returns to userspace, then
137 /// all light refcounts that existed at the time have gone away.
139 /// ### The file position
141 /// Each `struct file` has a position integer, which is protected by the `f_pos_lock` mutex.
142 /// However, if the `struct file` is not shared, then the kernel may avoid taking the lock as a
143 /// performance optimization.
145 /// The condition for avoiding the `f_pos_lock` mutex is different from the condition for using
146 /// `fdget`. With `fdget`, you may avoid incrementing the refcount as long as the current fd table
147 /// is not shared; it is okay if there are other fd tables that also reference the same `struct
148 /// file`. However, `fdget_pos` can only avoid taking the `f_pos_lock` if the entire `struct file`
149 /// is not shared, as different processes with an fd to the same `struct file` share the same
150 /// position.
152 /// To represent files that are not thread safe due to this optimization, the [`LocalFile`] type is
153 /// used.
155 /// ## Rust references
157 /// The reference type `&File` is similar to light refcounts:
159 /// * `&File` references don't own a reference count. They can only exist as long as the reference
160 ///   count stays positive, and can only be created when there is some mechanism in place to ensure
161 ///   this.
163 /// * The Rust borrow-checker normally ensures this by enforcing that the `ARef<File>` from which
164 ///   a `&File` is created outlives the `&File`.
166 /// * Using the unsafe [`File::from_raw_file`] means that it is up to the caller to ensure that the
167 ///   `&File` only exists while the reference count is positive.
169 /// * You can think of `fdget` as using an fd to look up an `ARef<File>` in the `struct
170 ///   files_struct` and create an `&File` from it. The "fd cannot be closed" rule is like the Rust
171 ///   rule "the `ARef<File>` must outlive the `&File`".
173 /// # Invariants
175 /// * All instances of this type are refcounted using the `f_count` field.
176 /// * There must not be any active calls to `fdget_pos` on this file that did not take the
177 ///   `f_pos_lock` mutex.
178 #[repr(transparent)]
179 pub struct File {
180     inner: Opaque<bindings::file>,
183 // SAFETY: This file is known to not have any active `fdget_pos` calls that did not take the
184 // `f_pos_lock` mutex, so it is safe to transfer it between threads.
185 unsafe impl Send for File {}
187 // SAFETY: This file is known to not have any active `fdget_pos` calls that did not take the
188 // `f_pos_lock` mutex, so it is safe to access its methods from several threads in parallel.
189 unsafe impl Sync for File {}
191 // SAFETY: The type invariants guarantee that `File` is always ref-counted. This implementation
192 // makes `ARef<File>` own a normal refcount.
193 unsafe impl AlwaysRefCounted for File {
194     #[inline]
195     fn inc_ref(&self) {
196         // SAFETY: The existence of a shared reference means that the refcount is nonzero.
197         unsafe { bindings::get_file(self.as_ptr()) };
198     }
200     #[inline]
201     unsafe fn dec_ref(obj: ptr::NonNull<File>) {
202         // SAFETY: To call this method, the caller passes us ownership of a normal refcount, so we
203         // may drop it. The cast is okay since `File` has the same representation as `struct file`.
204         unsafe { bindings::fput(obj.cast().as_ptr()) }
205     }
208 /// Wraps the kernel's `struct file`. Not thread safe.
210 /// This type represents a file that is not known to be safe to transfer across thread boundaries.
211 /// To obtain a thread-safe [`File`], use the [`assume_no_fdget_pos`] conversion.
213 /// See the documentation for [`File`] for more information.
215 /// # Invariants
217 /// * All instances of this type are refcounted using the `f_count` field.
218 /// * If there is an active call to `fdget_pos` that did not take the `f_pos_lock` mutex, then it
219 ///   must be on the same thread as this file.
221 /// [`assume_no_fdget_pos`]: LocalFile::assume_no_fdget_pos
222 pub struct LocalFile {
223     inner: Opaque<bindings::file>,
226 // SAFETY: The type invariants guarantee that `LocalFile` is always ref-counted. This implementation
227 // makes `ARef<File>` own a normal refcount.
228 unsafe impl AlwaysRefCounted for LocalFile {
229     #[inline]
230     fn inc_ref(&self) {
231         // SAFETY: The existence of a shared reference means that the refcount is nonzero.
232         unsafe { bindings::get_file(self.as_ptr()) };
233     }
235     #[inline]
236     unsafe fn dec_ref(obj: ptr::NonNull<LocalFile>) {
237         // SAFETY: To call this method, the caller passes us ownership of a normal refcount, so we
238         // may drop it. The cast is okay since `File` has the same representation as `struct file`.
239         unsafe { bindings::fput(obj.cast().as_ptr()) }
240     }
243 impl LocalFile {
244     /// Constructs a new `struct file` wrapper from a file descriptor.
245     ///
246     /// The file descriptor belongs to the current process, and there might be active local calls
247     /// to `fdget_pos` on the same file.
248     ///
249     /// To obtain an `ARef<File>`, use the [`assume_no_fdget_pos`] function to convert.
250     ///
251     /// [`assume_no_fdget_pos`]: LocalFile::assume_no_fdget_pos
252     #[inline]
253     pub fn fget(fd: u32) -> Result<ARef<LocalFile>, BadFdError> {
254         // SAFETY: FFI call, there are no requirements on `fd`.
255         let ptr = ptr::NonNull::new(unsafe { bindings::fget(fd) }).ok_or(BadFdError)?;
257         // SAFETY: `bindings::fget` created a refcount, and we pass ownership of it to the `ARef`.
258         //
259         // INVARIANT: This file is in the fd table on this thread, so either all `fdget_pos` calls
260         // are on this thread, or the file is shared, in which case `fdget_pos` calls took the
261         // `f_pos_lock` mutex.
262         Ok(unsafe { ARef::from_raw(ptr.cast()) })
263     }
265     /// Creates a reference to a [`LocalFile`] from a valid pointer.
266     ///
267     /// # Safety
268     ///
269     /// * The caller must ensure that `ptr` points at a valid file and that the file's refcount is
270     ///   positive for the duration of 'a.
271     /// * The caller must ensure that if there is an active call to `fdget_pos` that did not take
272     ///   the `f_pos_lock` mutex, then that call is on the current thread.
273     #[inline]
274     pub unsafe fn from_raw_file<'a>(ptr: *const bindings::file) -> &'a LocalFile {
275         // SAFETY: The caller guarantees that the pointer is not dangling and stays valid for the
276         // duration of 'a. The cast is okay because `File` is `repr(transparent)`.
277         //
278         // INVARIANT: The caller guarantees that there are no problematic `fdget_pos` calls.
279         unsafe { &*ptr.cast() }
280     }
282     /// Assume that there are no active `fdget_pos` calls that prevent us from sharing this file.
283     ///
284     /// This makes it safe to transfer this file to other threads. No checks are performed, and
285     /// using it incorrectly may lead to a data race on the file position if the file is shared
286     /// with another thread.
287     ///
288     /// This method is intended to be used together with [`LocalFile::fget`] when the caller knows
289     /// statically that there are no `fdget_pos` calls on the current thread. For example, you
290     /// might use it when calling `fget` from an ioctl, since ioctls usually do not touch the file
291     /// position.
292     ///
293     /// # Safety
294     ///
295     /// There must not be any active `fdget_pos` calls on the current thread.
296     #[inline]
297     pub unsafe fn assume_no_fdget_pos(me: ARef<LocalFile>) -> ARef<File> {
298         // INVARIANT: There are no `fdget_pos` calls on the current thread, and by the type
299         // invariants, if there is a `fdget_pos` call on another thread, then it took the
300         // `f_pos_lock` mutex.
301         //
302         // SAFETY: `LocalFile` and `File` have the same layout.
303         unsafe { ARef::from_raw(ARef::into_raw(me).cast()) }
304     }
306     /// Returns a raw pointer to the inner C struct.
307     #[inline]
308     pub fn as_ptr(&self) -> *mut bindings::file {
309         self.inner.get()
310     }
312     /// Returns the credentials of the task that originally opened the file.
313     pub fn cred(&self) -> &Credential {
314         // SAFETY: It's okay to read the `f_cred` field without synchronization because `f_cred` is
315         // never changed after initialization of the file.
316         let ptr = unsafe { (*self.as_ptr()).f_cred };
318         // SAFETY: The signature of this function ensures that the caller will only access the
319         // returned credential while the file is still valid, and the C side ensures that the
320         // credential stays valid at least as long as the file.
321         unsafe { Credential::from_ptr(ptr) }
322     }
324     /// Returns the flags associated with the file.
325     ///
326     /// The flags are a combination of the constants in [`flags`].
327     #[inline]
328     pub fn flags(&self) -> u32 {
329         // This `read_volatile` is intended to correspond to a READ_ONCE call.
330         //
331         // SAFETY: The file is valid because the shared reference guarantees a nonzero refcount.
332         //
333         // FIXME(read_once): Replace with `read_once` when available on the Rust side.
334         unsafe { core::ptr::addr_of!((*self.as_ptr()).f_flags).read_volatile() }
335     }
338 impl File {
339     /// Creates a reference to a [`File`] from a valid pointer.
340     ///
341     /// # Safety
342     ///
343     /// * The caller must ensure that `ptr` points at a valid file and that the file's refcount is
344     ///   positive for the duration of 'a.
345     /// * The caller must ensure that if there are active `fdget_pos` calls on this file, then they
346     ///   took the `f_pos_lock` mutex.
347     #[inline]
348     pub unsafe fn from_raw_file<'a>(ptr: *const bindings::file) -> &'a File {
349         // SAFETY: The caller guarantees that the pointer is not dangling and stays valid for the
350         // duration of 'a. The cast is okay because `File` is `repr(transparent)`.
351         //
352         // INVARIANT: The caller guarantees that there are no problematic `fdget_pos` calls.
353         unsafe { &*ptr.cast() }
354     }
357 // Make LocalFile methods available on File.
358 impl core::ops::Deref for File {
359     type Target = LocalFile;
360     #[inline]
361     fn deref(&self) -> &LocalFile {
362         // SAFETY: The caller provides a `&File`, and since it is a reference, it must point at a
363         // valid file for the desired duration.
364         //
365         // By the type invariants, there are no `fdget_pos` calls that did not take the
366         // `f_pos_lock` mutex.
367         unsafe { LocalFile::from_raw_file(self as *const File as *const bindings::file) }
368     }
371 /// A file descriptor reservation.
373 /// This allows the creation of a file descriptor in two steps: first, we reserve a slot for it,
374 /// then we commit or drop the reservation. The first step may fail (e.g., the current process ran
375 /// out of available slots), but commit and drop never fail (and are mutually exclusive).
377 /// Dropping the reservation happens in the destructor of this type.
379 /// # Invariants
381 /// The fd stored in this struct must correspond to a reserved file descriptor of the current task.
382 pub struct FileDescriptorReservation {
383     fd: u32,
384     /// Prevent values of this type from being moved to a different task.
385     ///
386     /// The `fd_install` and `put_unused_fd` functions assume that the value of `current` is
387     /// unchanged since the call to `get_unused_fd_flags`. By adding this marker to this type, we
388     /// prevent it from being moved across task boundaries, which ensures that `current` does not
389     /// change while this value exists.
390     _not_send: NotThreadSafe,
393 impl FileDescriptorReservation {
394     /// Creates a new file descriptor reservation.
395     pub fn get_unused_fd_flags(flags: u32) -> Result<Self> {
396         // SAFETY: FFI call, there are no safety requirements on `flags`.
397         let fd: i32 = unsafe { bindings::get_unused_fd_flags(flags) };
398         if fd < 0 {
399             return Err(Error::from_errno(fd));
400         }
401         Ok(Self {
402             fd: fd as u32,
403             _not_send: NotThreadSafe,
404         })
405     }
407     /// Returns the file descriptor number that was reserved.
408     pub fn reserved_fd(&self) -> u32 {
409         self.fd
410     }
412     /// Commits the reservation.
413     ///
414     /// The previously reserved file descriptor is bound to `file`. This method consumes the
415     /// [`FileDescriptorReservation`], so it will not be usable after this call.
416     pub fn fd_install(self, file: ARef<File>) {
417         // SAFETY: `self.fd` was previously returned by `get_unused_fd_flags`. We have not yet used
418         // the fd, so it is still valid, and `current` still refers to the same task, as this type
419         // cannot be moved across task boundaries.
420         //
421         // Furthermore, the file pointer is guaranteed to own a refcount by its type invariants,
422         // and we take ownership of that refcount by not running the destructor below.
423         // Additionally, the file is known to not have any non-shared `fdget_pos` calls, so even if
424         // this process starts using the file position, this will not result in a data race on the
425         // file position.
426         unsafe { bindings::fd_install(self.fd, file.as_ptr()) };
428         // `fd_install` consumes both the file descriptor and the file reference, so we cannot run
429         // the destructors.
430         core::mem::forget(self);
431         core::mem::forget(file);
432     }
435 impl Drop for FileDescriptorReservation {
436     fn drop(&mut self) {
437         // SAFETY: By the type invariants of this type, `self.fd` was previously returned by
438         // `get_unused_fd_flags`. We have not yet used the fd, so it is still valid, and `current`
439         // still refers to the same task, as this type cannot be moved across task boundaries.
440         unsafe { bindings::put_unused_fd(self.fd) };
441     }
444 /// Represents the `EBADF` error code.
446 /// Used for methods that can only fail with `EBADF`.
447 #[derive(Copy, Clone, Eq, PartialEq)]
448 pub struct BadFdError;
450 impl From<BadFdError> for Error {
451     #[inline]
452     fn from(_: BadFdError) -> Error {
453         EBADF
454     }
457 impl core::fmt::Debug for BadFdError {
458     fn fmt(&self, f: &mut core::fmt::Formatter<'_>) -> core::fmt::Result {
459         f.pad("EBADF")
460     }