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         None have BKL
 113                         s_umount
 114 alloc_inode:
 115 destroy_inode:
 116 dirty_inode:                            (must not sleep)
 117 write_inode:
 118 drop_inode:                             !!!inode_lock!!!
 119 delete_inode:
 120 put_super:              write
 121 write_super:            read
 122 sync_fs:                read
 123 freeze_fs:              read
 124 unfreeze_fs:            read
 125 statfs:                 no
 126 remount_fs:             maybe           (see below)
 127 clear_inode:
 128 umount_begin:           no
 129 show_options:           no              (namespace_sem)
 130 quota_read:             no              (see below)
 131 quota_write:            no              (see below)
 132
 133 ->remount_fs() will have the s_umount exclusive lock if it's already mounted.
 134 When called from get_sb_single, it does NOT have the s_umount lock.
 135 ->quota_read() and ->quota_write() functions are both guaranteed to
 136 be the only ones operating on the quota file by the quota code (via
 137 dqio_sem) (unless an admin really wants to screw up something and
 138 writes to quota files with quotas on). For other details about locking
 139 see also dquot_operations section.
 140
 141 --------------------------- file_system_type ---------------------------
 142 prototypes:
 143         int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
 144                        const char *, void *, struct vfsmount *);
 145         void (*kill_sb) (struct super_block *);
 146 locking rules:
 147                 may block       BKL
 148 get_sb          yes             no
 149 kill_sb         yes             no
 150
 151 ->get_sb() returns error or 0 with locked superblock attached to the vfsmount
 152 (exclusive on ->s_umount).
 153 ->kill_sb() takes a write-locked superblock, does all shutdown work on it,
 154 unlocks and drops the reference.
 155
 156 --------------------------- address_space_operations --------------------------
 157 prototypes:
 158         int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
 159         int (*readpage)(struct file *, struct page *);
 160         int (*sync_page)(struct page *);
 161         int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
 162         int (*set_page_dirty)(struct page *page);
 163         int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping,
 164                         struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
 165         int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
 166                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned flags,
 167                                 struct page **pagep, void **fsdata);
 168         int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
 169                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
 170                                 struct page *page, void *fsdata);
 171         sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
 172         int (*invalidatepage) (struct page *, unsigned long);
 173         int (*releasepage) (struct page *, int);
 174         int (*direct_IO)(int, struct kiocb *, const struct iovec *iov,
 175                         loff_t offset, unsigned long nr_segs);
 176         int (*launder_page) (struct page *);
 177
 178 locking rules:
 179         All except set_page_dirty may block
 180
 181                         BKL     PageLocked(page)        i_mutex
 182 writepage:              no      yes, unlocks (see below)
 183 readpage:               no      yes, unlocks
 184 sync_page:              no      maybe
 185 writepages:             no
 186 set_page_dirty          no      no
 187 readpages:              no
 188 write_begin:            no      locks the page          yes
 189 write_end:              no      yes, unlocks            yes
 190 perform_write:          no      n/a                     yes
 191 bmap:                   no
 192 invalidatepage:         no      yes
 193 releasepage:            no      yes
 194 direct_IO:              no
 195 launder_page:           no      yes
 196
 197         ->write_begin(), ->write_end(), ->sync_page() and ->readpage()
 198 may be called from the request handler (/dev/loop).
 199
 200         ->readpage() unlocks the page, either synchronously or via I/O
 201 completion.
 202
 203         ->readpages() populates the pagecache with the passed pages and starts
 204 I/O against them.  They come unlocked upon I/O completion.
 205
 206         ->writepage() is used for two purposes: for "memory cleansing" and for
 207 "sync".  These are quite different operations and the behaviour may differ
 208 depending upon the mode.
 209
 210 If writepage is called for sync (wbc->sync_mode != WBC_SYNC_NONE) then
 211 it *must* start I/O against the page, even if that would involve
 212 blocking on in-progress I/O.
 213
 214 If writepage is called for memory cleansing (sync_mode ==
 215 WBC_SYNC_NONE) then its role is to get as much writeout underway as
 216 possible.  So writepage should try to avoid blocking against
 217 currently-in-progress I/O.
 218
 219 If the filesystem is not called for "sync" and it determines that it
 220 would need to block against in-progress I/O to be able to start new I/O
 221 against the page the filesystem should redirty the page with
 222 redirty_page_for_writepage(), then unlock the page and return zero.
 223 This may also be done to avoid internal deadlocks, but rarely.
 224
 225 If the filesystem is called for sync then it must wait on any
 226 in-progress I/O and then start new I/O.
 227
 228 The filesystem should unlock the page synchronously, before returning to the
 229 caller, unless ->writepage() returns special WRITEPAGE_ACTIVATE
 230 value. WRITEPAGE_ACTIVATE means that page cannot really be written out
 231 currently, and VM should stop calling ->writepage() on this page for some
 232 time. VM does this by moving page to the head of the active list, hence the
 233 name.
 234
 235 Unless the filesystem is going to redirty_page_for_writepage(), unlock the page
 236 and return zero, writepage *must* run set_page_writeback() against the page,
 237 followed by unlocking it.  Once set_page_writeback() has been run against the
 238 page, write I/O can be submitted and the write I/O completion handler must run
 239 end_page_writeback() once the I/O is complete.  If no I/O is submitted, the
 240 filesystem must run end_page_writeback() against the page before returning from
 241 writepage.
 242
 243 That is: after 2.5.12, pages which are under writeout are *not* locked.  Note,
 244 if the filesystem needs the page to be locked during writeout, that is ok, too,
 245 the page is allowed to be unlocked at any point in time between the calls to
 246 set_page_writeback() and end_page_writeback().
 247
 248 Note, failure to run either redirty_page_for_writepage() or the combination of
 249 set_page_writeback()/end_page_writeback() on a page submitted to writepage
 250 will leave the page itself marked clean but it will be tagged as dirty in the
 251 radix tree.  This incoherency can lead to all sorts of hard-to-debug problems
 252 in the filesystem like having dirty inodes at umount and losing written data.
 253
 254         ->sync_page() locking rules are not well-defined - usually it is called
 255 with lock on page, but that is not guaranteed. Considering the currently
 256 existing instances of this method ->sync_page() itself doesn't look
 257 well-defined...
 258
 259         ->writepages() is used for periodic writeback and for syscall-initiated
 260 sync operations.  The address_space should start I/O against at least
 261 *nr_to_write pages.  *nr_to_write must be decremented for each page which is
 262 written.  The address_space implementation may write more (or less) pages
 263 than *nr_to_write asks for, but it should try to be reasonably close.  If
 264 nr_to_write is NULL, all dirty pages must be written.
 265
 266 writepages should _only_ write pages which are present on
 267 mapping->io_pages.
 268
 269         ->set_page_dirty() is called from various places in the kernel
 270 when the target page is marked as needing writeback.  It may be called
 271 under spinlock (it cannot block) and is sometimes called with the page
 272 not locked.
 273
 274         ->bmap() is currently used by legacy ioctl() (FIBMAP) provided by some
 275 filesystems and by the swapper. The latter will eventually go away. All
 276 instances do not actually need the BKL. Please, keep it that way and don't
 277 breed new callers.
 278
 279         ->invalidatepage() is called when the filesystem must attempt to drop
 280 some or all of the buffers from the page when it is being truncated.  It
 281 returns zero on success.  If ->invalidatepage is zero, the kernel uses
 282 block_invalidatepage() instead.
 283
 284         ->releasepage() is called when the kernel is about to try to drop the
 285 buffers from the page in preparation for freeing it.  It returns zero to
 286 indicate that the buffers are (or may be) freeable.  If ->releasepage is zero,
 287 the kernel assumes that the fs has no private interest in the buffers.
 288
 289         ->launder_page() may be called prior to releasing a page if
 290 it is still found to be dirty. It returns zero if the page was successfully
 291 cleaned, or an error value if not. Note that in order to prevent the page
 292 getting mapped back in and redirtied, it needs to be kept locked
 293 across the entire operation.
 294
 295         Note: currently almost all instances of address_space methods are
 296 using BKL for internal serialization and that's one of the worst sources
 297 of contention. Normally they are calling library functions (in fs/buffer.c)
 298 and pass foo_get_block() as a callback (on local block-based filesystems,
 299 indeed). BKL is not needed for library stuff and is usually taken by
 300 foo_get_block(). It's an overkill, since block bitmaps can be protected by
 301 internal fs locking and real critical areas are much smaller than the areas
 302 filesystems protect now.
 303
 304 ----------------------- file_lock_operations ------------------------------
 305 prototypes:
 306         void (*fl_insert)(struct file_lock *);  /* lock insertion callback */
 307         void (*fl_remove)(struct file_lock *);  /* lock removal callback */
 308         void (*fl_copy_lock)(struct file_lock *, struct file_lock *);
 309         void (*fl_release_private)(struct file_lock *);
 310
 311
 312 locking rules:
 313                         BKL     may block
 314 fl_insert:              yes     no
 315 fl_remove:              yes     no
 316 fl_copy_lock:           yes     no
 317 fl_release_private:     yes     yes
 318
 319 ----------------------- lock_manager_operations ---------------------------
 320 prototypes:
 321         int (*fl_compare_owner)(struct file_lock *, struct file_lock *);
 322         void (*fl_notify)(struct file_lock *);  /* unblock callback */
 323         void (*fl_copy_lock)(struct file_lock *, struct file_lock *);
 324         void (*fl_release_private)(struct file_lock *);
 325         void (*fl_break)(struct file_lock *); /* break_lease callback */
 326
 327 locking rules:
 328                         BKL     may block
 329 fl_compare_owner:       yes     no
 330 fl_notify:              yes     no
 331 fl_copy_lock:           yes     no
 332 fl_release_private:     yes     yes
 333 fl_break:               yes     no
 334
 335         Currently only NFSD and NLM provide instances of this class. None of the
 336 them block. If you have out-of-tree instances - please, show up. Locking
 337 in that area will change.
 338 --------------------------- buffer_head -----------------------------------
 339 prototypes:
 340         void (*b_end_io)(struct buffer_head *bh, int uptodate);
 341
 342 locking rules:
 343         called from interrupts. In other words, extreme care is needed here.
 344 bh is locked, but that's all warranties we have here. Currently only RAID1,
 345 highmem, fs/buffer.c, and fs/ntfs/aops.c are providing these. Block devices
 346 call this method upon the IO completion.
 347
 348 --------------------------- block_device_operations -----------------------
 349 prototypes:
 350         int (*open) (struct inode *, struct file *);
 351         int (*release) (struct inode *, struct file *);
 352         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned, unsigned long);
 353         int (*media_changed) (struct gendisk *);
 354         int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
 355
 356 locking rules:
 357                         BKL     bd_sem
 358 open:                   yes     yes
 359 release:                yes     yes
 360 ioctl:                  yes     no
 361 media_changed:          no      no
 362 revalidate_disk:        no      no
 363
 364 The last two are called only from check_disk_change().
 365
 366 --------------------------- file_operations -------------------------------
 367 prototypes:
 368         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
 369         ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
 370         ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
 371         ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
 372         ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
 373         int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
 374         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
 375         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int,
 376                         unsigned long);
 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 *, struct dentry *, 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 ioctl:                  yes     (see below)
 411 unlocked_ioctl:         no      (see below)
 412 compat_ioctl:           no
 413 mmap:                   no
 414 open:                   no
 415 flush:                  no
 416 release:                no
 417 fsync:                  no      (see below)
 418 aio_fsync:              no
 419 fasync:                 no
 420 lock:                   yes
 421 readv:                  no
 422 writev:                 no
 423 sendfile:               no
 424 sendpage:               no
 425 get_unmapped_area:      no
 426 check_flags:            no
 427
 428 ->llseek() locking has moved from llseek to the individual llseek
 429 implementations.  If your fs is not using generic_file_llseek, you
 430 need to acquire and release the appropriate locks in your ->llseek().
 431 For many filesystems, it is probably safe to acquire the inode
 432 mutex or just to use i_size_read() instead.
 433 Note: this does not protect the file->f_pos against concurrent modifications
 434 since this is something the userspace has to take care about.
 435
 436 Note: ext2_release() was *the* source of contention on fs-intensive
 437 loads and dropping BKL on ->release() helps to get rid of that (we still
 438 grab BKL for cases when we close a file that had been opened r/w, but that
 439 can and should be done using the internal locking with smaller critical areas).
 440 Current worst offender is ext2_get_block()...
 441
 442 ->fasync() is called without BKL protection, and is responsible for
 443 maintaining the FASYNC bit in filp->f_flags.  Most instances call
 444 fasync_helper(), which does that maintenance, so it's not normally
 445 something one needs to worry about.  Return values > 0 will be mapped to
 446 zero in the VFS layer.
 447
 448 ->readdir() and ->ioctl() on directories must be changed. Ideally we would
 449 move ->readdir() to inode_operations and use a separate method for directory
 450 ->ioctl() or kill the latter completely. One of the problems is that for
 451 anything that resembles union-mount we won't have a struct file for all
 452 components. And there are other reasons why the current interface is a mess...
 453
 454 ->ioctl() on regular files is superceded by the ->unlocked_ioctl() that
 455 doesn't take the BKL.
 456
 457 ->read on directories probably must go away - we should just enforce -EISDIR
 458 in sys_read() and friends.
 459
 460 ->fsync() has i_mutex on inode.
 461
 462 --------------------------- dquot_operations -------------------------------
 463 prototypes:
 464         int (*write_dquot) (struct dquot *);
 465         int (*acquire_dquot) (struct dquot *);
 466         int (*release_dquot) (struct dquot *);
 467         int (*mark_dirty) (struct dquot *);
 468         int (*write_info) (struct super_block *, int);
 469
 470 These operations are intended to be more or less wrapping functions that ensure
 471 a proper locking wrt the filesystem and call the generic quota operations.
 472
 473 What filesystem should expect from the generic quota functions:
 474
 475                 FS recursion    Held locks when called
 476 write_dquot:    yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
 477 acquire_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
 478 release_dquot:  yes             dqonoff_sem or dqptr_sem
 479 mark_dirty:     no              -
 480 write_info:     yes             dqonoff_sem
 481
 482 FS recursion means calling ->quota_read() and ->quota_write() from superblock
 483 operations.
 484
 485 More details about quota locking can be found in fs/dquot.c.
 486
 487 --------------------------- vm_operations_struct -----------------------------
 488 prototypes:
 489         void (*open)(struct vm_area_struct*);
 490         void (*close)(struct vm_area_struct*);
 491         int (*fault)(struct vm_area_struct*, struct vm_fault *);
 492         int (*page_mkwrite)(struct vm_area_struct *, struct vm_fault *);
 493         int (*access)(struct vm_area_struct *, unsigned long, void*, int, int);
 494
 495 locking rules:
 496                 BKL     mmap_sem        PageLocked(page)
 497 open:           no      yes
 498 close:          no      yes
 499 fault:          no      yes             can return with page locked
 500 page_mkwrite:   no      yes             can return with page locked
 501 access:         no      yes
 502
 503         ->fault() is called when a previously not present pte is about
 504 to be faulted in. The filesystem must find and return the page associated
 505 with the passed in "pgoff" in the vm_fault structure. If it is possible that
 506 the page may be truncated and/or invalidated, then the filesystem must lock
 507 the page, then ensure it is not already truncated (the page lock will block
 508 subsequent truncate), and then return with VM_FAULT_LOCKED, and the page
 509 locked. The VM will unlock the page.
 510
 511         ->page_mkwrite() is called when a previously read-only pte is
 512 about to become writeable. The filesystem again must ensure that there are
 513 no truncate/invalidate races, and then return with the page locked. If
 514 the page has been truncated, the filesystem should not look up a new page
 515 like the ->fault() handler, but simply return with VM_FAULT_NOPAGE, which
 516 will cause the VM to retry the fault.
 517
 518         ->access() is called when get_user_pages() fails in
 519 acces_process_vm(), typically used to debug a process through
 520 /proc/pid/mem or ptrace.  This function is needed only for
 521 VM_IO | VM_PFNMAP VMAs.
 522
 523 ================================================================================
 524                         Dubious stuff
 525
 526 (if you break something or notice that it is broken and do not fix it yourself
 527 - at least put it here)
 528
 529 ipc/shm.c::shm_delete() - may need BKL.
 530 ->read() and ->write() in many drivers are (probably) missing BKL.