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[linux-2.4.21-pre4.git] / Documentation / DocBook / kernel-hacking.tmpl
1 <!DOCTYPE book PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook V3.1//EN"[]>
2
3 <book id="lk-hacking-guide">
4  <bookinfo>
5   <title>Unreliable Guide To Hacking The Linux Kernel</title>
6   
7   <authorgroup>
8    <author>
9     <firstname>Paul</firstname>
10     <othername>Rusty</othername>
11     <surname>Russell</surname>
12     <affiliation>
13      <address>
14       <email>rusty@rustcorp.com.au</email>
15      </address>
16     </affiliation>
17    </author>
18   </authorgroup>
19
20   <copyright>
21    <year>2001</year>
22    <holder>Rusty Russell</holder>
23   </copyright>
24
25   <legalnotice>
26    <para>
27     This documentation is free software; you can redistribute
28     it and/or modify it under the terms of the GNU General Public
29     License as published by the Free Software Foundation; either
30     version 2 of the License, or (at your option) any later
31     version.
32    </para>
33    
34    <para>
35     This program is distributed in the hope that it will be
36     useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied
37     warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
38     See the GNU General Public License for more details.
39    </para>
40    
41    <para>
42     You should have received a copy of the GNU General Public
43     License along with this program; if not, write to the Free
44     Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston,
45     MA 02111-1307 USA
46    </para>
47    
48    <para>
49     For more details see the file COPYING in the source
50     distribution of Linux.
51    </para>
52   </legalnotice>
53
54   <releaseinfo>
55    This is the first release of this document as part of the kernel tarball.
56   </releaseinfo>
57
58  </bookinfo>
59
60  <toc></toc>
61
62  <chapter id="introduction">
63   <title>Introduction</title>
64   <para>
65    Welcome, gentle reader, to Rusty's Unreliable Guide to Linux
66    Kernel Hacking.  This document describes the common routines and
67    general requirements for kernel code: its goal is to serve as a
68    primer for Linux kernel development for experienced C
69    programmers.  I avoid implementation details: that's what the
70    code is for, and I ignore whole tracts of useful routines.
71   </para>
72   <para>
73    Before you read this, please understand that I never wanted to
74    write this document, being grossly under-qualified, but I always
75    wanted to read it, and this was the only way.  I hope it will
76    grow into a compendium of best practice, common starting points
77    and random information.
78   </para>
79  </chapter>
80
81  <chapter id="basic-players">
82   <title>The Players</title>
83
84   <para>
85    At any time each of the CPUs in a system can be:
86   </para>
87
88   <itemizedlist>
89    <listitem>
90     <para>
91      not associated with any process, serving a hardware interrupt;
92     </para>
93    </listitem>
94
95    <listitem>
96     <para>
97      not associated with any process, serving a softirq, tasklet or bh;
98     </para>
99    </listitem>
100
101    <listitem>
102     <para>
103      running in kernel space, associated with a process;
104     </para>
105    </listitem>
106
107    <listitem>
108     <para>
109      running a process in user space.
110     </para>
111    </listitem>
112   </itemizedlist>
113
114   <para>
115    There is a strict ordering between these: other than the last
116    category (userspace) each can only be pre-empted by those above.
117    For example, while a softirq is running on a CPU, no other
118    softirq will pre-empt it, but a hardware interrupt can.  However,
119    any other CPUs in the system execute independently.
120   </para>
121
122   <para>
123    We'll see a number of ways that the user context can block
124    interrupts, to become truly non-preemptable.
125   </para>
126   
127   <sect1 id="basics-usercontext">
128    <title>User Context</title>
129
130    <para>
131     User context is when you are coming in from a system call or
132     other trap: you can sleep, and you own the CPU (except for
133     interrupts) until you call <function>schedule()</function>.  
134     In other words, user context (unlike userspace) is not pre-emptable.
135    </para>
136
137    <note>
138     <para>
139      You are always in user context on module load and unload,
140      and on operations on the block device layer.
141     </para>
142    </note>
143
144    <para>
145     In user context, the <varname>current</varname> pointer (indicating 
146     the task we are currently executing) is valid, and
147     <function>in_interrupt()</function>
148     (<filename>include/asm/hardirq.h</filename>) is <returnvalue>false
149     </returnvalue>.  
150    </para>
151
152    <caution>
153     <para>
154      Beware that if you have interrupts or bottom halves disabled 
155      (see below), <function>in_interrupt()</function> will return a 
156      false positive.
157     </para>
158    </caution>
159   </sect1>
160
161   <sect1 id="basics-hardirqs">
162    <title>Hardware Interrupts (Hard IRQs)</title>
163
164    <para>
165     Timer ticks, <hardware>network cards</hardware> and 
166     <hardware>keyboard</hardware> are examples of real
167     hardware which produce interrupts at any time.  The kernel runs
168     interrupt handlers, which services the hardware.  The kernel
169     guarantees that this handler is never re-entered: if another
170     interrupt arrives, it is queued (or dropped).  Because it
171     disables interrupts, this handler has to be fast: frequently it
172     simply acknowledges the interrupt, marks a `software interrupt'
173     for execution and exits.
174    </para>
175
176    <para>
177     You can tell you are in a hardware interrupt, because 
178     <function>in_irq()</function> returns <returnvalue>true</returnvalue>.  
179    </para>
180    <caution>
181     <para>
182      Beware that this will return a false positive if interrupts are disabled 
183      (see below).
184     </para>
185    </caution>
186   </sect1>
187
188   <sect1 id="basics-softirqs">
189    <title>Software Interrupt Context: Bottom Halves, Tasklets, softirqs</title>
190
191    <para>
192     Whenever a system call is about to return to userspace, or a
193     hardware interrupt handler exits, any `software interrupts'
194     which are marked pending (usually by hardware interrupts) are
195     run (<filename>kernel/softirq.c</filename>).
196    </para>
197
198    <para>
199     Much of the real interrupt handling work is done here.  Early in
200     the transition to <acronym>SMP</acronym>, there were only `bottom 
201     halves' (BHs), which didn't take advantage of multiple CPUs.  Shortly 
202     after we switched from wind-up computers made of match-sticks and snot,
203     we abandoned this limitation.
204    </para>
205
206    <para>
207     <filename class=headerfile>include/linux/interrupt.h</filename> lists the 
208     different BH's.  No matter how many CPUs you have, no two BHs will run at 
209     the same time. This made the transition to SMP simpler, but sucks hard for
210     scalable performance.  A very important bottom half is the timer
211     BH (<filename class=headerfile>include/linux/timer.h</filename>): you 
212     can register to have it call functions for you in a given length of time.
213    </para>
214
215    <para>
216     2.3.43 introduced softirqs, and re-implemented the (now
217     deprecated) BHs underneath them.  Softirqs are fully-SMP
218     versions of BHs: they can run on as many CPUs at once as
219     required.  This means they need to deal with any races in shared
220     data using their own locks.  A bitmask is used to keep track of
221     which are enabled, so the 32 available softirqs should not be
222     used up lightly.  (<emphasis>Yes</emphasis>, people will
223     notice).
224    </para>
225
226    <para>
227     tasklets (<filename class=headerfile>include/linux/interrupt.h</filename>) 
228     are like softirqs, except they are dynamically-registrable (meaning you 
229     can have as many as you want), and they also guarantee that any tasklet 
230     will only run on one CPU at any time, although different tasklets can 
231     run simultaneously (unlike different BHs).  
232    </para>
233    <caution>
234     <para>
235      The name `tasklet' is misleading: they have nothing to do with `tasks', 
236      and probably more to do with some bad vodka Alexey Kuznetsov had at the 
237      time.
238     </para>
239    </caution>
240
241    <para>
242     You can tell you are in a softirq (or bottom half, or tasklet)
243     using the <function>in_softirq()</function> macro 
244     (<filename class=headerfile>include/asm/softirq.h</filename>).  
245    </para>
246    <caution>
247     <para>
248      Beware that this will return a false positive if a bh lock (see below)
249      is held.
250     </para>
251    </caution>
252   </sect1>
253  </chapter>
254
255  <chapter id="basic-rules">
256   <title>Some Basic Rules</title>
257
258   <variablelist>
259    <varlistentry>
260     <term>No memory protection</term>
261     <listitem>
262      <para>
263       If you corrupt memory, whether in user context or
264       interrupt context, the whole machine will crash.  Are you
265       sure you can't do what you want in userspace?
266      </para>
267     </listitem>
268    </varlistentry>
269
270    <varlistentry>
271     <term>No floating point or <acronym>MMX</acronym></term>
272     <listitem>
273      <para>
274       The <acronym>FPU</acronym> context is not saved; even in user
275       context the <acronym>FPU</acronym> state probably won't
276       correspond with the current process: you would mess with some
277       user process' <acronym>FPU</acronym> state.  If you really want
278       to do this, you would have to explicitly save/restore the full
279       <acronym>FPU</acronym> state (and avoid context switches).  It
280       is generally a bad idea; use fixed point arithmetic first.
281      </para>
282     </listitem>
283    </varlistentry>
284
285    <varlistentry>
286     <term>A rigid stack limit</term>
287     <listitem>
288      <para>
289       The kernel stack is about 6K in 2.2 (for most
290       architectures: it's about 14K on the Alpha), and shared
291       with interrupts so you can't use it all.  Avoid deep
292       recursion and huge local arrays on the stack (allocate
293       them dynamically instead).
294      </para>
295     </listitem>
296    </varlistentry>
297
298    <varlistentry>
299     <term>The Linux kernel is portable</term>
300     <listitem>
301      <para>
302       Let's keep it that way.  Your code should be 64-bit clean,
303       and endian-independent.  You should also minimize CPU
304       specific stuff, e.g. inline assembly should be cleanly
305       encapsulated and minimized to ease porting.  Generally it
306       should be restricted to the architecture-dependent part of
307       the kernel tree.
308      </para>
309     </listitem>
310    </varlistentry>
311   </variablelist>
312  </chapter>
313
314  <chapter id="ioctls">
315   <title>ioctls: Not writing a new system call</title>
316
317   <para>
318    A system call generally looks like this
319   </para>
320
321   <programlisting>
322 asmlinkage int sys_mycall(int arg) 
323 {
324         return 0; 
325 }
326   </programlisting>
327
328   <para>
329    First, in most cases you don't want to create a new system call.
330    You create a character device and implement an appropriate ioctl
331    for it.  This is much more flexible than system calls, doesn't have
332    to be entered in every architecture's
333    <filename class=headerfile>include/asm/unistd.h</filename> and
334    <filename>arch/kernel/entry.S</filename> file, and is much more
335    likely to be accepted by Linus.
336   </para>
337
338   <para>
339    If all your routine does is read or write some parameter, consider
340    implementing a <function>sysctl</function> interface instead.
341   </para>
342
343   <para>
344    Inside the ioctl you're in user context to a process.  When a
345    error occurs you return a negated errno (see
346    <filename class=headerfile>include/linux/errno.h</filename>),
347    otherwise you return <returnvalue>0</returnvalue>.
348   </para>
349
350   <para>
351    After you slept you should check if a signal occurred: the
352    Unix/Linux way of handling signals is to temporarily exit the
353    system call with the <constant>-ERESTARTSYS</constant> error.  The
354    system call entry code will switch back to user context, process
355    the signal handler and then your system call will be restarted
356    (unless the user disabled that).  So you should be prepared to
357    process the restart, e.g. if you're in the middle of manipulating
358    some data structure.
359   </para>
360
361   <programlisting>
362 if (signal_pending()) 
363         return -ERESTARTSYS;
364   </programlisting>
365
366   <para>
367    If you're doing longer computations: first think userspace. If you
368    <emphasis>really</emphasis> want to do it in kernel you should
369    regularly check if you need to give up the CPU (remember there is
370    cooperative multitasking per CPU).  Idiom:
371   </para>
372
373   <programlisting>
374 if (current-&gt;need_resched)
375         schedule(); /* Will sleep */ 
376   </programlisting>
377
378   <para>
379    A short note on interface design: the UNIX system call motto is
380    "Provide mechanism not policy".
381   </para>
382  </chapter>
383
384  <chapter id="deadlock-recipes">
385   <title>Recipes for Deadlock</title>
386
387   <para>
388    You cannot call any routines which may sleep, unless:
389   </para>
390   <itemizedlist>
391    <listitem>
392     <para>
393      You are in user context.
394     </para>
395    </listitem>
396
397    <listitem>
398     <para>
399      You do not own any spinlocks.
400     </para>
401    </listitem>
402
403    <listitem>
404     <para>
405      You have interrupts enabled (actually, Andi Kleen says
406      that the scheduling code will enable them for you, but
407      that's probably not what you wanted).
408     </para>
409    </listitem>
410   </itemizedlist>
411
412   <para>
413    Note that some functions may sleep implicitly: common ones are
414    the user space access functions (*_user) and memory allocation
415    functions without <symbol>GFP_ATOMIC</symbol>.
416   </para>
417
418   <para>
419    You will eventually lock up your box if you break these rules.  
420   </para>
421
422   <para>
423    Really.
424   </para>
425  </chapter>
426
427  <chapter id="common-routines">
428   <title>Common Routines</title>
429
430   <sect1 id="routines-printk">
431    <title>
432     <function>printk()</function>
433     <filename class=headerfile>include/linux/kernel.h</filename>
434    </title>
435
436    <para>
437     <function>printk()</function> feeds kernel messages to the
438     console, dmesg, and the syslog daemon.  It is useful for debugging
439     and reporting errors, and can be used inside interrupt context,
440     but use with caution: a machine which has its console flooded with
441     printk messages is unusable.  It uses a format string mostly
442     compatible with ANSI C printf, and C string concatenation to give
443     it a first "priority" argument:
444    </para>
445
446    <programlisting>
447 printk(KERN_INFO "i = %u\n", i);
448    </programlisting>
449
450    <para>
451     See <filename class=headerfile>include/linux/kernel.h</filename>;
452     for other KERN_ values; these are interpreted by syslog as the
453     level.  Special case: for printing an IP address use
454    </para>
455
456    <programlisting>
457 __u32 ipaddress;
458 printk(KERN_INFO "my ip: %d.%d.%d.%d\n", NIPQUAD(ipaddress));
459    </programlisting>
460
461    <para>
462     <function>printk()</function> internally uses a 1K buffer and does
463     not catch overruns.  Make sure that will be enough.
464    </para>
465
466    <note>
467     <para>
468      You will know when you are a real kernel hacker
469      when you start typoing printf as printk in your user programs :)
470     </para>
471    </note>
472
473    <!--- From the Lions book reader department --> 
474
475    <note>
476     <para>
477      Another sidenote: the original Unix Version 6 sources had a
478      comment on top of its printf function: "Printf should not be
479      used for chit-chat".  You should follow that advice.
480     </para>
481    </note>
482   </sect1>
483
484   <sect1 id="routines-copy">
485    <title>
486     <function>copy_[to/from]_user()</function>
487     /
488     <function>get_user()</function>
489     /
490     <function>put_user()</function>
491     <filename class=headerfile>include/asm/uaccess.h</filename>
492    </title>  
493
494    <para>
495     <emphasis>[SLEEPS]</emphasis>
496    </para>
497
498    <para>
499     <function>put_user()</function> and <function>get_user()</function>
500     are used to get and put single values (such as an int, char, or
501     long) from and to userspace.  A pointer into userspace should
502     never be simply dereferenced: data should be copied using these
503     routines.  Both return <constant>-EFAULT</constant> or 0.
504    </para>
505    <para>
506     <function>copy_to_user()</function> and
507     <function>copy_from_user()</function> are more general: they copy
508     an arbitrary amount of data to and from userspace.
509     <caution>
510      <para>
511       Unlike <function>put_user()</function> and
512       <function>get_user()</function>, they return the amount of
513       uncopied data (ie. <returnvalue>0</returnvalue> still means
514       success).
515      </para>
516     </caution>
517     [Yes, this moronic interface makes me cringe.  Please submit a
518     patch and become my hero --RR.]
519    </para>
520    <para>
521     The functions may sleep implicitly. This should never be called
522     outside user context (it makes no sense), with interrupts
523     disabled, or a spinlock held.
524    </para>
525   </sect1>
526
527   <sect1 id="routines-kmalloc">
528    <title><function>kmalloc()</function>/<function>kfree()</function>
529     <filename class=headerfile>include/linux/slab.h</filename></title>
530
531    <para>
532     <emphasis>[MAY SLEEP: SEE BELOW]</emphasis>
533    </para>
534
535    <para>
536     These routines are used to dynamically request pointer-aligned
537     chunks of memory, like malloc and free do in userspace, but
538     <function>kmalloc()</function> takes an extra flag word.
539     Important values:
540    </para>
541
542    <variablelist>
543     <varlistentry>
544      <term>
545       <constant>
546        GFP_KERNEL
547       </constant>
548      </term>
549      <listitem>
550       <para>
551        May sleep and swap to free memory. Only allowed in user
552        context, but is the most reliable way to allocate memory.
553       </para>
554      </listitem>
555     </varlistentry>
556     
557     <varlistentry>
558      <term>
559       <constant>
560        GFP_ATOMIC
561       </constant>
562      </term>
563      <listitem>
564       <para>
565        Don't sleep. Less reliable than <constant>GFP_KERNEL</constant>,
566        but may be called from interrupt context. You should
567        <emphasis>really</emphasis> have a good out-of-memory
568        error-handling strategy.
569       </para>
570      </listitem>
571     </varlistentry>
572     
573     <varlistentry>
574      <term>
575       <constant>
576        GFP_DMA
577       </constant>
578      </term>
579      <listitem>
580       <para>
581        Allocate ISA DMA lower than 16MB. If you don't know what that
582        is you don't need it.  Very unreliable.
583       </para>
584      </listitem>
585     </varlistentry>
586    </variablelist>
587
588    <para>
589     If you see a <errorname>kmem_grow: Called nonatomically from int
590     </errorname> warning message you called a memory allocation function
591     from interrupt context without <constant>GFP_ATOMIC</constant>.
592     You should really fix that.  Run, don't walk.
593    </para>
594
595    <para>
596     If you are allocating at least <constant>PAGE_SIZE</constant>
597     (<filename class=headerfile>include/asm/page.h</filename>) bytes,
598     consider using <function>__get_free_pages()</function>
599
600     (<filename class=headerfile>include/linux/mm.h</filename>).  It
601     takes an order argument (0 for page sized, 1 for double page, 2
602     for four pages etc.) and the same memory priority flag word as
603     above.
604    </para>
605
606    <para>
607     If you are allocating more than a page worth of bytes you can use
608     <function>vmalloc()</function>.  It'll allocate virtual memory in
609     the kernel map.  This block is not contiguous in physical memory,
610     but the <acronym>MMU</acronym> makes it look like it is for you
611     (so it'll only look contiguous to the CPUs, not to external device
612     drivers).  If you really need large physically contiguous memory
613     for some weird device, you have a problem: it is poorly supported
614     in Linux because after some time memory fragmentation in a running
615     kernel makes it hard.  The best way is to allocate the block early
616     in the boot process via the <function>alloc_bootmem()</function>
617     routine.
618    </para>
619
620    <para>
621     Before inventing your own cache of often-used objects consider
622     using a slab cache in
623     <filename class=headerfile>include/linux/slab.h</filename>
624    </para>
625   </sect1>
626
627   <sect1 id="routines-current">
628    <title><function>current</function>
629     <filename class=headerfile>include/asm/current.h</filename></title>
630
631    <para>
632     This global variable (really a macro) contains a pointer to
633     the current task structure, so is only valid in user context.
634     For example, when a process makes a system call, this will
635     point to the task structure of the calling process.  It is
636     <emphasis>not NULL</emphasis> in interrupt context.
637    </para>
638   </sect1>
639
640   <sect1 id="routines-udelay">
641    <title><function>udelay()</function>/<function>mdelay()</function>
642      <filename class=headerfile>include/asm/delay.h</filename> 
643      <filename class=headerfile>include/linux/delay.h</filename> 
644    </title>
645
646    <para>
647     The <function>udelay()</function> function can be used for small pauses.
648     Do not use large values with <function>udelay()</function> as you risk
649     overflow - the helper function <function>mdelay()</function> is useful
650     here, or even consider <function>schedule_timeout()</function>.
651    </para> 
652   </sect1>
653  
654   <sect1 id="routines-endian">
655    <title><function>cpu_to_be32()</function>/<function>be32_to_cpu()</function>/<function>cpu_to_le32()</function>/<function>le32_to_cpu()</function>
656      <filename class=headerfile>include/asm/byteorder.h</filename> 
657    </title>
658
659    <para>
660     The <function>cpu_to_be32()</function> family (where the "32" can
661     be replaced by 64 or 16, and the "be" can be replaced by "le") are
662     the general way to do endian conversions in the kernel: they
663     return the converted value.  All variations supply the reverse as
664     well: <function>be32_to_cpu()</function>, etc.
665    </para>
666
667    <para>
668     There are two major variations of these functions: the pointer
669     variation, such as <function>cpu_to_be32p()</function>, which take
670     a pointer to the given type, and return the converted value.  The
671     other variation is the "in-situ" family, such as
672     <function>cpu_to_be32s()</function>, which convert value referred
673     to by the pointer, and return void.
674    </para> 
675   </sect1>
676
677   <sect1 id="routines-local-irqs">
678    <title><function>local_irq_save()</function>/<function>local_irq_restore()</function>
679     <filename class=headerfile>include/asm/system.h</filename>
680    </title>
681
682    <para>
683     These routines disable hard interrupts on the local CPU, and
684     restore them.  They are reentrant; saving the previous state in
685     their one <varname>unsigned long flags</varname> argument.  If you
686     know that interrupts are enabled, you can simply use
687     <function>local_irq_disable()</function> and
688     <function>local_irq_enable()</function>.
689    </para>
690   </sect1>
691
692   <sect1 id="routines-softirqs">
693    <title><function>local_bh_disable()</function>/<function>local_bh_enable()</function>
694     <filename class=headerfile>include/asm/softirq.h</filename></title>
695
696    <para>
697     These routines disable soft interrupts on the local CPU, and
698     restore them.  They are reentrant; if soft interrupts were
699     disabled before, they will still be disabled after this pair
700     of functions has been called.  They prevent softirqs, tasklets
701     and bottom halves from running on the current CPU.
702    </para>
703   </sect1>
704
705   <sect1 id="routines-processorids">
706    <title><function>smp_processor_id</function>()/<function>cpu_[number/logical]_map()</function>
707     <filename class=headerfile>include/asm/smp.h</filename></title>
708    
709    <para>
710     <function>smp_processor_id()</function> returns the current
711     processor number, between 0 and <symbol>NR_CPUS</symbol> (the
712     maximum number of CPUs supported by Linux, currently 32).  These
713     values are not necessarily continuous: to get a number between 0
714     and <function>smp_num_cpus()</function> (the number of actual
715     processors in this machine), the
716     <function>cpu_number_map()</function> function is used to map the
717     processor id to a logical number.
718     <function>cpu_logical_map()</function> does the reverse.
719    </para>
720   </sect1>
721
722   <sect1 id="routines-init">
723    <title><type>__init</type>/<type>__exit</type>/<type>__initdata</type>
724     <filename class=headerfile>include/linux/init.h</filename></title>
725
726    <para>
727     After boot, the kernel frees up a special section; functions
728     marked with <type>__init</type> and data structures marked with
729     <type>__initdata</type> are dropped after boot is complete (within
730     modules this directive is currently ignored).  <type>__exit</type>
731     is used to declare a function which is only required on exit: the
732     function will be dropped if this file is not compiled as a module.
733     See the header file for use. Note that it makes no sense for a function
734     marked with <type>__init</type> to be exported to modules with 
735     <function>EXPORT_SYMBOL()</function> - this will break.
736    </para>
737    <para>
738    Static data structures marked as <type>__initdata</type> must be initialised
739    (as opposed to ordinary static data which is zeroed BSS) and cannot be 
740    <type>const</type>.
741    </para> 
742
743   </sect1>
744
745   <sect1 id="routines-init-again">
746    <title><function>__initcall()</function>/<function>module_init()</function>
747     <filename class=headerfile>include/linux/init.h</filename></title>
748    <para>
749     Many parts of the kernel are well served as a module
750     (dynamically-loadable parts of the kernel).  Using the
751     <function>module_init()</function> and
752     <function>module_exit()</function> macros it is easy to write code
753     without #ifdefs which can operate both as a module or built into
754     the kernel.
755    </para>
756
757    <para>
758     The <function>module_init()</function> macro defines which
759     function is to be called at module insertion time (if the file is
760     compiled as a module), or at boot time: if the file is not
761     compiled as a module the <function>module_init()</function> macro
762     becomes equivalent to <function>__initcall()</function>, which
763     through linker magic ensures that the function is called on boot.
764    </para>
765
766    <para>
767     The function can return a negative error number to cause
768     module loading to fail (unfortunately, this has no effect if
769     the module is compiled into the kernel).  For modules, this is
770     called in user context, with interrupts enabled, and the
771     kernel lock held, so it can sleep.
772    </para>
773   </sect1>
774   
775   <sect1 id="routines-moduleexit">
776    <title> <function>module_exit()</function>
777     <filename class=headerfile>include/linux/init.h</filename> </title>
778
779    <para>
780     This macro defines the function to be called at module removal
781     time (or never, in the case of the file compiled into the
782     kernel).  It will only be called if the module usage count has
783     reached zero.  This function can also sleep, but cannot fail:
784     everything must be cleaned up by the time it returns.
785    </para>
786   </sect1>
787
788   <sect1 id="routines-module-use-counters">
789    <title> <function>MOD_INC_USE_COUNT</function>/<function>MOD_DEC_USE_COUNT</function>
790     <filename class=headerfile>include/linux/module.h</filename></title>
791
792    <para>
793     These manipulate the module usage count, to protect against
794     removal (a module also can't be removed if another module uses
795     one of its exported symbols: see below).  Every reference to
796     the module from user context should be reflected by this
797     counter (e.g. for every data structure or socket) before the
798     function sleeps.  To quote Tim Waugh:
799    </para>
800
801    <programlisting>
802 /* THIS IS BAD */
803 foo_open (...)
804 {
805         stuff..
806         if (fail)
807                 return -EBUSY;
808         sleep.. (might get unloaded here)
809         stuff..
810         MOD_INC_USE_COUNT;
811         return 0;
812 }
813
814 /* THIS IS GOOD /
815 foo_open (...)
816 {
817         MOD_INC_USE_COUNT;
818         stuff..
819         if (fail) {
820                 MOD_DEC_USE_COUNT;
821                 return -EBUSY;
822         }
823         sleep.. (safe now)
824         stuff..
825         return 0;
826 }
827    </programlisting>
828
829    <para>
830    You can often avoid having to deal with these problems by using the 
831    <structfield>owner</structfield> field of the 
832    <structname>file_operations</structname> structure. Set this field
833    as the macro <symbol>THIS_MODULE</symbol>.
834    </para>
835
836    <para>
837    For more complicated module unload locking requirements, you can set the
838    <structfield>can_unload</structfield> function pointer to your own routine,
839    which should return <returnvalue>0</returnvalue> if the module is
840    unloadable, or <returnvalue>-EBUSY</returnvalue> otherwise.
841    </para> 
842   
843   </sect1>
844  </chapter>
845
846  <chapter id="queues">
847   <title>Wait Queues
848    <filename class=headerfile>include/linux/wait.h</filename>
849   </title>
850   <para>
851    <emphasis>[SLEEPS]</emphasis>
852   </para>
853
854   <para>
855    A wait queue is used to wait for someone to wake you up when a
856    certain condition is true.  They must be used carefully to ensure
857    there is no race condition.  You declare a
858    <type>wait_queue_head_t</type>, and then processes which want to
859    wait for that condition declare a <type>wait_queue_t</type>
860    referring to themselves, and place that in the queue.
861   </para>
862
863   <sect1 id="queue-declaring">
864    <title>Declaring</title>
865    
866    <para>
867     You declare a <type>wait_queue_head_t</type> using the
868     <function>DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()</function> macro, or using the
869     <function>init_waitqueue_head()</function> routine in your
870     initialization code.
871    </para>
872   </sect1>
873   
874   <sect1 id="queue-waitqueue">
875    <title>Queuing</title>
876    
877    <para>
878     Placing yourself in the waitqueue is fairly complex, because you
879     must put yourself in the queue before checking the condition.
880     There is a macro to do this:
881     <function>wait_event_interruptible()</function>
882
883     <filename class=headerfile>include/linux/sched.h</filename> The
884     first argument is the wait queue head, and the second is an
885     expression which is evaluated; the macro returns
886     <returnvalue>0</returnvalue> when this expression is true, or
887     <returnvalue>-ERESTARTSYS</returnvalue> if a signal is received.
888     The <function>wait_event()</function> version ignores signals.
889    </para>
890    <para>
891    Do not use the <function>sleep_on()</function> function family -
892    it is very easy to accidentally introduce races; almost certainly
893    one of the <function>wait_event()</function> family will do, or a
894    loop around <function>schedule_timeout()</function>. If you choose
895    to loop around <function>schedule_timeout()</function> remember
896    you must set the task state (with 
897    <function>set_current_state()</function>) on each iteration to avoid
898    busy-looping.
899    </para>
900  
901   </sect1>
902
903   <sect1 id="queue-waking">
904    <title>Waking Up Queued Tasks</title>
905    
906    <para>
907     Call <function>wake_up()</function>
908
909     <filename class=headerfile>include/linux/sched.h</filename>;,
910     which will wake up every process in the queue.  The exception is
911     if one has <constant>TASK_EXCLUSIVE</constant> set, in which case
912     the remainder of the queue will not be woken.
913    </para>
914   </sect1>
915  </chapter>
916
917  <chapter id="atomic-ops">
918   <title>Atomic Operations</title>
919
920   <para>
921    Certain operations are guaranteed atomic on all platforms.  The
922    first class of operations work on <type>atomic_t</type>
923
924    <filename class=headerfile>include/asm/atomic.h</filename>; this
925    contains a signed integer (at least 24 bits long), and you must use
926    these functions to manipulate or read atomic_t variables.
927    <function>atomic_read()</function> and
928    <function>atomic_set()</function> get and set the counter,
929    <function>atomic_add()</function>,
930    <function>atomic_sub()</function>,
931    <function>atomic_inc()</function>,
932    <function>atomic_dec()</function>, and
933    <function>atomic_dec_and_test()</function> (returns
934    <returnvalue>true</returnvalue> if it was decremented to zero).
935   </para>
936
937   <para>
938    Yes.  It returns <returnvalue>true</returnvalue> (i.e. != 0) if the
939    atomic variable is zero.
940   </para>
941
942   <para>
943    Note that these functions are slower than normal arithmetic, and
944    so should not be used unnecessarily.  On some platforms they
945    are much slower, like 32-bit Sparc where they use a spinlock.
946   </para>
947
948   <para>
949    The second class of atomic operations is atomic bit operations on a
950    <type>long</type>, defined in
951
952    <filename class=headerfile>include/asm/bitops.h</filename>.  These
953    operations generally take a pointer to the bit pattern, and a bit
954    number: 0 is the least significant bit.
955    <function>set_bit()</function>, <function>clear_bit()</function>
956    and <function>change_bit()</function> set, clear, and flip the
957    given bit.  <function>test_and_set_bit()</function>,
958    <function>test_and_clear_bit()</function> and
959    <function>test_and_change_bit()</function> do the same thing,
960    except return true if the bit was previously set; these are
961    particularly useful for very simple locking.
962   </para>
963   
964   <para>
965    It is possible to call these operations with bit indices greater
966    than BITS_PER_LONG.  The resulting behavior is strange on big-endian
967    platforms though so it is a good idea not to do this.
968   </para>
969
970   <para>
971    Note that the order of bits depends on the architecture, and in
972    particular, the bitfield passed to these operations must be at
973    least as large as a <type>long</type>.
974   </para>
975  </chapter>
976
977  <chapter id="symbols">
978   <title>Symbols</title>
979
980   <para>
981    Within the kernel proper, the normal linking rules apply
982    (ie. unless a symbol is declared to be file scope with the
983    <type>static</type> keyword, it can be used anywhere in the
984    kernel).  However, for modules, a special exported symbol table is
985    kept which limits the entry points to the kernel proper.  Modules
986    can also export symbols.
987   </para>
988
989   <sect1 id="sym-exportsymbols">
990    <title><function>EXPORT_SYMBOL()</function>
991     <filename class=headerfile>include/linux/module.h</filename></title>
992
993    <para>
994     This is the classic method of exporting a symbol, and it works
995     for both modules and non-modules.  In the kernel all these
996     declarations are often bundled into a single file to help
997     genksyms (which searches source files for these declarations).
998     See the comment on genksyms and Makefiles below.
999    </para>
1000   </sect1>
1001
1002   <sect1 id="sym-exportnosymbols">
1003    <title><symbol>EXPORT_NO_SYMBOLS</symbol>
1004     <filename class=headerfile>include/linux/module.h</filename></title>
1005
1006    <para>
1007     If a module exports no symbols then you can specify
1008     <programlisting>
1009 EXPORT_NO_SYMBOLS;
1010     </programlisting>
1011     anywhere in the module.
1012     In kernel 2.4 and earlier, if a module contains neither
1013     <function>EXPORT_SYMBOL()</function> nor
1014     <symbol>EXPORT_NO_SYMBOLS</symbol> then the module defaults to
1015     exporting all non-static global symbols.
1016     In kernel 2.5 onwards you must explicitly specify whether a module
1017     exports symbols or not.
1018    </para>
1019   </sect1>
1020
1021   <sect1 id="sym-exportsymbols-gpl">
1022    <title><function>EXPORT_SYMBOL_GPL()</function>
1023     <filename class=headerfile>include/linux/module.h</filename></title>
1024
1025    <para>
1026     Similar to <function>EXPORT_SYMBOL()</function> except that the
1027     symbols exported by <function>EXPORT_SYMBOL_GPL()</function> can
1028     only be seen by modules with a
1029     <function>MODULE_LICENSE()</function> that specifies a GPL
1030     compatible license.
1031    </para>
1032   </sect1>
1033  </chapter>
1034
1035  <chapter id="conventions">
1036   <title>Routines and Conventions</title>
1037
1038   <sect1 id="conventions-doublelinkedlist">
1039    <title>Double-linked lists
1040     <filename class=headerfile>include/linux/list.h</filename></title>
1041
1042    <para>
1043     There are three sets of linked-list routines in the kernel
1044     headers, but this one seems to be winning out (and Linus has
1045     used it).  If you don't have some particular pressing need for
1046     a single list, it's a good choice.  In fact, I don't care
1047     whether it's a good choice or not, just use it so we can get
1048     rid of the others.
1049    </para>
1050   </sect1>
1051
1052   <sect1 id="convention-returns">
1053    <title>Return Conventions</title>
1054
1055    <para>
1056     For code called in user context, it's very common to defy C
1057     convention, and return <returnvalue>0</returnvalue> for success,
1058     and a negative error number
1059     (eg. <returnvalue>-EFAULT</returnvalue>) for failure.  This can be
1060     unintuitive at first, but it's fairly widespread in the networking
1061     code, for example.
1062    </para>
1063
1064    <para>
1065     The filesystem code uses <function>ERR_PTR()</function>
1066
1067     <filename class=headerfile>include/linux/fs.h</filename>; to
1068     encode a negative error number into a pointer, and
1069     <function>IS_ERR()</function> and <function>PTR_ERR()</function>
1070     to get it back out again: avoids a separate pointer parameter for
1071     the error number.  Icky, but in a good way.
1072    </para>
1073   </sect1>
1074
1075   <sect1 id="conventions-borkedcompile">
1076    <title>Breaking Compilation</title>
1077
1078    <para>
1079     Linus and the other developers sometimes change function or
1080     structure names in development kernels; this is not done just to
1081     keep everyone on their toes: it reflects a fundamental change
1082     (eg. can no longer be called with interrupts on, or does extra
1083     checks, or doesn't do checks which were caught before).  Usually
1084     this is accompanied by a fairly complete note to the linux-kernel
1085     mailing list; search the archive.  Simply doing a global replace
1086     on the file usually makes things <emphasis>worse</emphasis>.
1087    </para>
1088   </sect1>
1089
1090   <sect1 id="conventions-initialising">
1091    <title>Initializing structure members</title>
1092
1093    <para>
1094     The preferred method of initializing structures is to use
1095     designated initialisers, as defined by ISO C99, eg:
1096    </para>
1097    <programlisting>
1098 static struct block_device_operations opt_fops = {
1099         .open               = opt_open,
1100         .release            = opt_release,
1101         .ioctl              = opt_ioctl,
1102         .check_media_change = opt_media_change,
1103 };
1104    </programlisting>
1105    <para>
1106     This makes it easy to grep for, and makes it clear which
1107     structure fields are set.  You should do this because it looks
1108     cool.
1109    </para>
1110   </sect1>
1111
1112   <sect1 id="conventions-gnu-extns">
1113    <title>GNU Extensions</title>
1114
1115    <para>
1116     GNU Extensions are explicitly allowed in the Linux kernel.
1117     Note that some of the more complex ones are not very well
1118     supported, due to lack of general use, but the following are
1119     considered standard (see the GCC info page section "C
1120     Extensions" for more details - Yes, really the info page, the
1121     man page is only a short summary of the stuff in info):
1122    </para>
1123    <itemizedlist>
1124     <listitem>
1125      <para>
1126       Inline functions
1127      </para>
1128     </listitem>
1129     <listitem>
1130      <para>
1131       Statement expressions (ie. the ({ and }) constructs).
1132      </para>
1133     </listitem>
1134     <listitem>
1135      <para>
1136       Declaring attributes of a function / variable / type
1137       (__attribute__)
1138      </para>
1139     </listitem>
1140     <listitem>
1141      <para>
1142       typeof
1143      </para>
1144     </listitem>
1145     <listitem>
1146      <para>
1147       Zero length arrays
1148      </para>
1149     </listitem>
1150     <listitem>
1151      <para>
1152       Macro varargs
1153      </para>
1154     </listitem>
1155     <listitem>
1156      <para>
1157       Arithmetic on void pointers
1158      </para>
1159     </listitem>
1160     <listitem>
1161      <para>
1162       Non-Constant initializers
1163      </para>
1164     </listitem>
1165     <listitem>
1166      <para>
1167       Assembler Instructions (not outside arch/ and include/asm/)
1168      </para>
1169     </listitem>
1170     <listitem>
1171      <para>
1172       Function names as strings (__FUNCTION__)
1173      </para>
1174     </listitem>
1175     <listitem>
1176      <para>
1177       __builtin_constant_p()
1178      </para>
1179     </listitem>
1180    </itemizedlist>
1181
1182    <para>
1183     Be wary when using long long in the kernel, the code gcc generates for
1184     it is horrible and worse: division and multiplication does not work
1185     on i386 because the GCC runtime functions for it are missing from
1186     the kernel environment.
1187    </para>
1188
1189     <!-- FIXME: add a note about ANSI aliasing cleanness -->
1190   </sect1>
1191
1192   <sect1 id="conventions-cplusplus">
1193    <title>C++</title>
1194    
1195    <para>
1196     Using C++ in the kernel is usually a bad idea, because the
1197     kernel does not provide the necessary runtime environment
1198     and the include files are not tested for it.  It is still
1199     possible, but not recommended.  If you really want to do
1200     this, forget about exceptions at least.
1201    </para>
1202   </sect1>
1203
1204   <sect1 id="conventions-ifdef">
1205    <title>&num;if</title>
1206    
1207    <para>
1208     It is generally considered cleaner to use macros in header files
1209     (or at the top of .c files) to abstract away functions rather than
1210     using `#if' pre-processor statements throughout the source code.
1211    </para>
1212   </sect1>
1213  </chapter>
1214
1215  <chapter id="submitting">
1216   <title>Putting Your Stuff in the Kernel</title>
1217
1218   <para>
1219    In order to get your stuff into shape for official inclusion, or
1220    even to make a neat patch, there's administrative work to be
1221    done:
1222   </para>
1223   <itemizedlist>
1224    <listitem>
1225     <para>
1226      Figure out whose pond you've been pissing in.  Look at the top of
1227      the source files, inside the <filename>MAINTAINERS</filename>
1228      file, and last of all in the <filename>CREDITS</filename> file.
1229      You should coordinate with this person to make sure you're not
1230      duplicating effort, or trying something that's already been
1231      rejected.
1232     </para>
1233
1234     <para>
1235      Make sure you put your name and EMail address at the top of
1236      any files you create or mangle significantly.  This is the
1237      first place people will look when they find a bug, or when
1238      <emphasis>they</emphasis> want to make a change.
1239     </para>
1240    </listitem>
1241
1242    <listitem>
1243     <para>
1244      Usually you want a configuration option for your kernel hack.
1245      Edit <filename>Config.in</filename> in the appropriate directory
1246      (but under <filename>arch/</filename> it's called
1247      <filename>config.in</filename>).  The Config Language used is not
1248      bash, even though it looks like bash; the safe way is to use only
1249      the constructs that you already see in
1250      <filename>Config.in</filename> files (see
1251      <filename>Documentation/kbuild/config-language.txt</filename>).
1252      It's good to run "make xconfig" at least once to test (because
1253      it's the only one with a static parser).
1254     </para>
1255
1256     <para>
1257      Variables which can be Y or N use <type>bool</type> followed by a
1258      tagline and the config define name (which must start with
1259      CONFIG_).  The <type>tristate</type> function is the same, but
1260      allows the answer M (which defines
1261      <symbol>CONFIG_foo_MODULE</symbol> in your source, instead of
1262      <symbol>CONFIG_FOO</symbol>) if <symbol>CONFIG_MODULES</symbol>
1263      is enabled.
1264     </para>
1265
1266     <para>
1267      You may well want to make your CONFIG option only visible if
1268      <symbol>CONFIG_EXPERIMENTAL</symbol> is enabled: this serves as a
1269      warning to users.  There many other fancy things you can do: see
1270      the various <filename>Config.in</filename> files for ideas.
1271     </para>
1272    </listitem>
1273
1274    <listitem>
1275     <para>
1276      Edit the <filename>Makefile</filename>: the CONFIG variables are
1277      exported here so you can conditionalize compilation with `ifeq'.
1278      If your file exports symbols then add the names to
1279      <varname>export-objs</varname> so that genksyms will find them.
1280      <caution>
1281       <para>
1282        There is a restriction on the kernel build system that objects
1283        which export symbols must have globally unique names.
1284        If your object does not have a globally unique name then the
1285        standard fix is to move the
1286        <function>EXPORT_SYMBOL()</function> statements to their own
1287        object with a unique name.
1288        This is why several systems have separate exporting objects,
1289        usually suffixed with ksyms.
1290       </para>
1291      </caution>
1292     </para>
1293    </listitem>
1294
1295    <listitem>
1296     <para>
1297      Document your option in Documentation/Configure.help.  Mention
1298      incompatibilities and issues here.  <emphasis> Definitely
1299      </emphasis> end your description with <quote> if in doubt, say N
1300      </quote> (or, occasionally, `Y'); this is for people who have no
1301      idea what you are talking about.
1302     </para>
1303    </listitem>
1304
1305    <listitem>
1306     <para>
1307      Put yourself in <filename>CREDITS</filename> if you've done
1308      something noteworthy, usually beyond a single file (your name
1309      should be at the top of the source files anyway).
1310      <filename>MAINTAINERS</filename> means you want to be consulted
1311      when changes are made to a subsystem, and hear about bugs; it
1312      implies a more-than-passing commitment to some part of the code.
1313     </para>
1314    </listitem>
1315    
1316    <listitem>
1317     <para>
1318      Finally, don't forget to read <filename>Documentation/SubmittingPatches</filename>
1319      and possibly <filename>Documentation/SubmittingDrivers</filename>.
1320     </para>
1321    </listitem>
1322   </itemizedlist>
1323  </chapter>
1324
1325  <chapter id="cantrips">
1326   <title>Kernel Cantrips</title>
1327
1328   <para>
1329    Some favorites from browsing the source.  Feel free to add to this
1330    list.
1331   </para>
1332
1333   <para>
1334    <filename>include/linux/brlock.h:</filename>
1335   </para>
1336   <programlisting>
1337 extern inline void br_read_lock (enum brlock_indices idx)
1338 {
1339         /*
1340          * This causes a link-time bug message if an
1341          * invalid index is used:
1342          */
1343         if (idx >= __BR_END)
1344                 __br_lock_usage_bug();
1345
1346         read_lock(&amp;__brlock_array[smp_processor_id()][idx]);
1347 }
1348   </programlisting>
1349
1350   <para>
1351    <filename>include/linux/fs.h</filename>:
1352   </para>
1353   <programlisting>
1354 /*
1355  * Kernel pointers have redundant information, so we can use a
1356  * scheme where we can return either an error code or a dentry
1357  * pointer with the same return value.
1358  *
1359  * This should be a per-architecture thing, to allow different
1360  * error and pointer decisions.
1361  */
1362  #define ERR_PTR(err)    ((void *)((long)(err)))
1363  #define PTR_ERR(ptr)    ((long)(ptr))
1364  #define IS_ERR(ptr)     ((unsigned long)(ptr) > (unsigned long)(-1000))
1365 </programlisting>
1366
1367   <para>
1368    <filename>include/asm-i386/uaccess.h:</filename>
1369   </para>
1370
1371   <programlisting>
1372 #define copy_to_user(to,from,n)                         \
1373         (__builtin_constant_p(n) ?                      \
1374          __constant_copy_to_user((to),(from),(n)) :     \
1375          __generic_copy_to_user((to),(from),(n)))
1376   </programlisting>
1377
1378   <para>
1379    <filename>arch/sparc/kernel/head.S:</filename>
1380   </para>
1381
1382   <programlisting>
1383 /*
1384  * Sun people can't spell worth damn. "compatability" indeed.
1385  * At least we *know* we can't spell, and use a spell-checker.
1386  */
1387
1388 /* Uh, actually Linus it is I who cannot spell. Too much murky
1389  * Sparc assembly will do this to ya.
1390  */
1391 C_LABEL(cputypvar):
1392         .asciz "compatability"
1393
1394 /* Tested on SS-5, SS-10. Probably someone at Sun applied a spell-checker. */
1395         .align 4
1396 C_LABEL(cputypvar_sun4m):
1397         .asciz "compatible"
1398   </programlisting>
1399
1400   <para>
1401    <filename>arch/sparc/lib/checksum.S:</filename>
1402   </para>
1403
1404   <programlisting>
1405         /* Sun, you just can't beat me, you just can't.  Stop trying,
1406          * give up.  I'm serious, I am going to kick the living shit
1407          * out of you, game over, lights out.
1408          */
1409   </programlisting>
1410  </chapter>
1411
1412  <chapter id="credits">
1413   <title>Thanks</title>
1414
1415   <para>
1416    Thanks to Andi Kleen for the idea, answering my questions, fixing
1417    my mistakes, filling content, etc.  Philipp Rumpf for more spelling
1418    and clarity fixes, and some excellent non-obvious points.  Werner
1419    Almesberger for giving me a great summary of
1420    <function>disable_irq()</function>, and Jes Sorensen and Andrea
1421    Arcangeli added caveats. Michael Elizabeth Chastain for checking
1422    and adding to the Configure section. <!-- Rusty insisted on this
1423    bit; I didn't do it! --> Telsa Gwynne for teaching me DocBook. 
1424   </para>
1425  </chapter>
1426 </book>
1427