Merge tag 'for-linus-5.6-1' of https://github.com/cminyard/linux-ipmi
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / filesystems / path-lookup.rst
1 ===============
2 Pathname lookup
3 ===============
4
5 This write-up is based on three articles published at lwn.net:
6
7 - <https://lwn.net/Articles/649115/> Pathname lookup in Linux
8 - <https://lwn.net/Articles/649729/> RCU-walk: faster pathname lookup in Linux
9 - <https://lwn.net/Articles/650786/> A walk among the symlinks
10
11 Written by Neil Brown with help from Al Viro and Jon Corbet.
12 It has subsequently been updated to reflect changes in the kernel
13 including:
14
15 - per-directory parallel name lookup.
16 - ``openat2()`` resolution restriction flags.
17
18 Introduction to pathname lookup
19 ===============================
20
21 The most obvious aspect of pathname lookup, which very little
22 exploration is needed to discover, is that it is complex.  There are
23 many rules, special cases, and implementation alternatives that all
24 combine to confuse the unwary reader.  Computer science has long been
25 acquainted with such complexity and has tools to help manage it.  One
26 tool that we will make extensive use of is "divide and conquer".  For
27 the early parts of the analysis we will divide off symlinks - leaving
28 them until the final part.  Well before we get to symlinks we have
29 another major division based on the VFS's approach to locking which
30 will allow us to review "REF-walk" and "RCU-walk" separately.  But we
31 are getting ahead of ourselves.  There are some important low level
32 distinctions we need to clarify first.
33
34 There are two sorts of ...
35 --------------------------
36
37 .. _openat: http://man7.org/linux/man-pages/man2/openat.2.html
38
39 Pathnames (sometimes "file names"), used to identify objects in the
40 filesystem, will be familiar to most readers.  They contain two sorts
41 of elements: "slashes" that are sequences of one or more "``/``"
42 characters, and "components" that are sequences of one or more
43 non-"``/``" characters.  These form two kinds of paths.  Those that
44 start with slashes are "absolute" and start from the filesystem root.
45 The others are "relative" and start from the current directory, or
46 from some other location specified by a file descriptor given to a
47 "``XXXat``" system call such as `openat() <openat_>`_.
48
49 .. _execveat: http://man7.org/linux/man-pages/man2/execveat.2.html
50
51 It is tempting to describe the second kind as starting with a
52 component, but that isn't always accurate: a pathname can lack both
53 slashes and components, it can be empty, in other words.  This is
54 generally forbidden in POSIX, but some of those "xxx``at``" system calls
55 in Linux permit it when the ``AT_EMPTY_PATH`` flag is given.  For
56 example, if you have an open file descriptor on an executable file you
57 can execute it by calling `execveat() <execveat_>`_ passing
58 the file descriptor, an empty path, and the ``AT_EMPTY_PATH`` flag.
59
60 These paths can be divided into two sections: the final component and
61 everything else.  The "everything else" is the easy bit.  In all cases
62 it must identify a directory that already exists, otherwise an error
63 such as ``ENOENT`` or ``ENOTDIR`` will be reported.
64
65 The final component is not so simple.  Not only do different system
66 calls interpret it quite differently (e.g. some create it, some do
67 not), but it might not even exist: neither the empty pathname nor the
68 pathname that is just slashes have a final component.  If it does
69 exist, it could be "``.``" or "``..``" which are handled quite differently
70 from other components.
71
72 .. _POSIX: http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/basedefs/V1_chap04.html#tag_04_12
73
74 If a pathname ends with a slash, such as "``/tmp/foo/``" it might be
75 tempting to consider that to have an empty final component.  In many
76 ways that would lead to correct results, but not always.  In
77 particular, ``mkdir()`` and ``rmdir()`` each create or remove a directory named
78 by the final component, and they are required to work with pathnames
79 ending in "``/``".  According to POSIX_
80
81   A pathname that contains at least one non- &lt;slash> character and
82   that ends with one or more trailing &lt;slash> characters shall not
83   be resolved successfully unless the last pathname component before
84   the trailing <slash> characters names an existing directory or a
85   directory entry that is to be created for a directory immediately
86   after the pathname is resolved.
87
88 The Linux pathname walking code (mostly in ``fs/namei.c``) deals with
89 all of these issues: breaking the path into components, handling the
90 "everything else" quite separately from the final component, and
91 checking that the trailing slash is not used where it isn't
92 permitted.  It also addresses the important issue of concurrent
93 access.
94
95 While one process is looking up a pathname, another might be making
96 changes that affect that lookup.  One fairly extreme case is that if
97 "a/b" were renamed to "a/c/b" while another process were looking up
98 "a/b/..", that process might successfully resolve on "a/c".
99 Most races are much more subtle, and a big part of the task of
100 pathname lookup is to prevent them from having damaging effects.  Many
101 of the possible races are seen most clearly in the context of the
102 "dcache" and an understanding of that is central to understanding
103 pathname lookup.
104
105 More than just a cache
106 ----------------------
107
108 The "dcache" caches information about names in each filesystem to
109 make them quickly available for lookup.  Each entry (known as a
110 "dentry") contains three significant fields: a component name, a
111 pointer to a parent dentry, and a pointer to the "inode" which
112 contains further information about the object in that parent with
113 the given name.  The inode pointer can be ``NULL`` indicating that the
114 name doesn't exist in the parent.  While there can be linkage in the
115 dentry of a directory to the dentries of the children, that linkage is
116 not used for pathname lookup, and so will not be considered here.
117
118 The dcache has a number of uses apart from accelerating lookup.  One
119 that will be particularly relevant is that it is closely integrated
120 with the mount table that records which filesystem is mounted where.
121 What the mount table actually stores is which dentry is mounted on top
122 of which other dentry.
123
124 When considering the dcache, we have another of our "two types"
125 distinctions: there are two types of filesystems.
126
127 Some filesystems ensure that the information in the dcache is always
128 completely accurate (though not necessarily complete).  This can allow
129 the VFS to determine if a particular file does or doesn't exist
130 without checking with the filesystem, and means that the VFS can
131 protect the filesystem against certain races and other problems.
132 These are typically "local" filesystems such as ext3, XFS, and Btrfs.
133
134 Other filesystems don't provide that guarantee because they cannot.
135 These are typically filesystems that are shared across a network,
136 whether remote filesystems like NFS and 9P, or cluster filesystems
137 like ocfs2 or cephfs.  These filesystems allow the VFS to revalidate
138 cached information, and must provide their own protection against
139 awkward races.  The VFS can detect these filesystems by the
140 ``DCACHE_OP_REVALIDATE`` flag being set in the dentry.
141
142 REF-walk: simple concurrency management with refcounts and spinlocks
143 --------------------------------------------------------------------
144
145 With all of those divisions carefully classified, we can now start
146 looking at the actual process of walking along a path.  In particular
147 we will start with the handling of the "everything else" part of a
148 pathname, and focus on the "REF-walk" approach to concurrency
149 management.  This code is found in the ``link_path_walk()`` function, if
150 you ignore all the places that only run when "``LOOKUP_RCU``"
151 (indicating the use of RCU-walk) is set.
152
153 .. _Meet the Lockers: https://lwn.net/Articles/453685/
154
155 REF-walk is fairly heavy-handed with locks and reference counts.  Not
156 as heavy-handed as in the old "big kernel lock" days, but certainly not
157 afraid of taking a lock when one is needed.  It uses a variety of
158 different concurrency controls.  A background understanding of the
159 various primitives is assumed, or can be gleaned from elsewhere such
160 as in `Meet the Lockers`_.
161
162 The locking mechanisms used by REF-walk include:
163
164 dentry->d_lockref
165 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
166
167 This uses the lockref primitive to provide both a spinlock and a
168 reference count.  The special-sauce of this primitive is that the
169 conceptual sequence "lock; inc_ref; unlock;" can often be performed
170 with a single atomic memory operation.
171
172 Holding a reference on a dentry ensures that the dentry won't suddenly
173 be freed and used for something else, so the values in various fields
174 will behave as expected.  It also protects the ``->d_inode`` reference
175 to the inode to some extent.
176
177 The association between a dentry and its inode is fairly permanent.
178 For example, when a file is renamed, the dentry and inode move
179 together to the new location.  When a file is created the dentry will
180 initially be negative (i.e. ``d_inode`` is ``NULL``), and will be assigned
181 to the new inode as part of the act of creation.
182
183 When a file is deleted, this can be reflected in the cache either by
184 setting ``d_inode`` to ``NULL``, or by removing it from the hash table
185 (described shortly) used to look up the name in the parent directory.
186 If the dentry is still in use the second option is used as it is
187 perfectly legal to keep using an open file after it has been deleted
188 and having the dentry around helps.  If the dentry is not otherwise in
189 use (i.e. if the refcount in ``d_lockref`` is one), only then will
190 ``d_inode`` be set to ``NULL``.  Doing it this way is more efficient for a
191 very common case.
192
193 So as long as a counted reference is held to a dentry, a non-``NULL`` ``->d_inode``
194 value will never be changed.
195
196 dentry->d_lock
197 ~~~~~~~~~~~~~~
198
199 ``d_lock`` is a synonym for the spinlock that is part of ``d_lockref`` above.
200 For our purposes, holding this lock protects against the dentry being
201 renamed or unlinked.  In particular, its parent (``d_parent``), and its
202 name (``d_name``) cannot be changed, and it cannot be removed from the
203 dentry hash table.
204
205 When looking for a name in a directory, REF-walk takes ``d_lock`` on
206 each candidate dentry that it finds in the hash table and then checks
207 that the parent and name are correct.  So it doesn't lock the parent
208 while searching in the cache; it only locks children.
209
210 When looking for the parent for a given name (to handle "``..``"),
211 REF-walk can take ``d_lock`` to get a stable reference to ``d_parent``,
212 but it first tries a more lightweight approach.  As seen in
213 ``dget_parent()``, if a reference can be claimed on the parent, and if
214 subsequently ``d_parent`` can be seen to have not changed, then there is
215 no need to actually take the lock on the child.
216
217 rename_lock
218 ~~~~~~~~~~~
219
220 Looking up a given name in a given directory involves computing a hash
221 from the two values (the name and the dentry of the directory),
222 accessing that slot in a hash table, and searching the linked list
223 that is found there.
224
225 When a dentry is renamed, the name and the parent dentry can both
226 change so the hash will almost certainly change too.  This would move the
227 dentry to a different chain in the hash table.  If a filename search
228 happened to be looking at a dentry that was moved in this way,
229 it might end up continuing the search down the wrong chain,
230 and so miss out on part of the correct chain.
231
232 The name-lookup process (``d_lookup()``) does _not_ try to prevent this
233 from happening, but only to detect when it happens.
234 ``rename_lock`` is a seqlock that is updated whenever any dentry is
235 renamed.  If ``d_lookup`` finds that a rename happened while it
236 unsuccessfully scanned a chain in the hash table, it simply tries
237 again.
238
239 ``rename_lock`` is also used to detect and defend against potential attacks
240 against ``LOOKUP_BENEATH`` and ``LOOKUP_IN_ROOT`` when resolving ".." (where
241 the parent directory is moved outside the root, bypassing the ``path_equal()``
242 check). If ``rename_lock`` is updated during the lookup and the path encounters
243 a "..", a potential attack occurred and ``handle_dots()`` will bail out with
244 ``-EAGAIN``.
245
246 inode->i_rwsem
247 ~~~~~~~~~~~~~~
248
249 ``i_rwsem`` is a read/write semaphore that serializes all changes to a particular
250 directory.  This ensures that, for example, an ``unlink()`` and a ``rename()``
251 cannot both happen at the same time.  It also keeps the directory
252 stable while the filesystem is asked to look up a name that is not
253 currently in the dcache or, optionally, when the list of entries in a
254 directory is being retrieved with ``readdir()``.
255
256 This has a complementary role to that of ``d_lock``: ``i_rwsem`` on a
257 directory protects all of the names in that directory, while ``d_lock``
258 on a name protects just one name in a directory.  Most changes to the
259 dcache hold ``i_rwsem`` on the relevant directory inode and briefly take
260 ``d_lock`` on one or more the dentries while the change happens.  One
261 exception is when idle dentries are removed from the dcache due to
262 memory pressure.  This uses ``d_lock``, but ``i_rwsem`` plays no role.
263
264 The semaphore affects pathname lookup in two distinct ways.  Firstly it
265 prevents changes during lookup of a name in a directory.  ``walk_component()`` uses
266 ``lookup_fast()`` first which, in turn, checks to see if the name is in the cache,
267 using only ``d_lock`` locking.  If the name isn't found, then ``walk_component()``
268 falls back to ``lookup_slow()`` which takes a shared lock on ``i_rwsem``, checks again that
269 the name isn't in the cache, and then calls in to the filesystem to get a
270 definitive answer.  A new dentry will be added to the cache regardless of
271 the result.
272
273 Secondly, when pathname lookup reaches the final component, it will
274 sometimes need to take an exclusive lock on ``i_rwsem`` before performing the last lookup so
275 that the required exclusion can be achieved.  How path lookup chooses
276 to take, or not take, ``i_rwsem`` is one of the
277 issues addressed in a subsequent section.
278
279 If two threads attempt to look up the same name at the same time - a
280 name that is not yet in the dcache - the shared lock on ``i_rwsem`` will
281 not prevent them both adding new dentries with the same name.  As this
282 would result in confusion an extra level of interlocking is used,
283 based around a secondary hash table (``in_lookup_hashtable``) and a
284 per-dentry flag bit (``DCACHE_PAR_LOOKUP``).
285
286 To add a new dentry to the cache while only holding a shared lock on
287 ``i_rwsem``, a thread must call ``d_alloc_parallel()``.  This allocates a
288 dentry, stores the required name and parent in it, checks if there
289 is already a matching dentry in the primary or secondary hash
290 tables, and if not, stores the newly allocated dentry in the secondary
291 hash table, with ``DCACHE_PAR_LOOKUP`` set.
292
293 If a matching dentry was found in the primary hash table then that is
294 returned and the caller can know that it lost a race with some other
295 thread adding the entry.  If no matching dentry is found in either
296 cache, the newly allocated dentry is returned and the caller can
297 detect this from the presence of ``DCACHE_PAR_LOOKUP``.  In this case it
298 knows that it has won any race and now is responsible for asking the
299 filesystem to perform the lookup and find the matching inode.  When
300 the lookup is complete, it must call ``d_lookup_done()`` which clears
301 the flag and does some other house keeping, including removing the
302 dentry from the secondary hash table - it will normally have been
303 added to the primary hash table already.  Note that a ``struct
304 waitqueue_head`` is passed to ``d_alloc_parallel()``, and
305 ``d_lookup_done()`` must be called while this ``waitqueue_head`` is still
306 in scope.
307
308 If a matching dentry is found in the secondary hash table,
309 ``d_alloc_parallel()`` has a little more work to do. It first waits for
310 ``DCACHE_PAR_LOOKUP`` to be cleared, using a wait_queue that was passed
311 to the instance of ``d_alloc_parallel()`` that won the race and that
312 will be woken by the call to ``d_lookup_done()``.  It then checks to see
313 if the dentry has now been added to the primary hash table.  If it
314 has, the dentry is returned and the caller just sees that it lost any
315 race.  If it hasn't been added to the primary hash table, the most
316 likely explanation is that some other dentry was added instead using
317 ``d_splice_alias()``.  In any case, ``d_alloc_parallel()`` repeats all the
318 look ups from the start and will normally return something from the
319 primary hash table.
320
321 mnt->mnt_count
322 ~~~~~~~~~~~~~~
323
324 ``mnt_count`` is a per-CPU reference counter on "``mount``" structures.
325 Per-CPU here means that incrementing the count is cheap as it only
326 uses CPU-local memory, but checking if the count is zero is expensive as
327 it needs to check with every CPU.  Taking a ``mnt_count`` reference
328 prevents the mount structure from disappearing as the result of regular
329 unmount operations, but does not prevent a "lazy" unmount.  So holding
330 ``mnt_count`` doesn't ensure that the mount remains in the namespace and,
331 in particular, doesn't stabilize the link to the mounted-on dentry.  It
332 does, however, ensure that the ``mount`` data structure remains coherent,
333 and it provides a reference to the root dentry of the mounted
334 filesystem.  So a reference through ``->mnt_count`` provides a stable
335 reference to the mounted dentry, but not the mounted-on dentry.
336
337 mount_lock
338 ~~~~~~~~~~
339
340 ``mount_lock`` is a global seqlock, a bit like ``rename_lock``.  It can be used to
341 check if any change has been made to any mount points.
342
343 While walking down the tree (away from the root) this lock is used when
344 crossing a mount point to check that the crossing was safe.  That is,
345 the value in the seqlock is read, then the code finds the mount that
346 is mounted on the current directory, if there is one, and increments
347 the ``mnt_count``.  Finally the value in ``mount_lock`` is checked against
348 the old value.  If there is no change, then the crossing was safe.  If there
349 was a change, the ``mnt_count`` is decremented and the whole process is
350 retried.
351
352 When walking up the tree (towards the root) by following a ".." link,
353 a little more care is needed.  In this case the seqlock (which
354 contains both a counter and a spinlock) is fully locked to prevent
355 any changes to any mount points while stepping up.  This locking is
356 needed to stabilize the link to the mounted-on dentry, which the
357 refcount on the mount itself doesn't ensure.
358
359 ``mount_lock`` is also used to detect and defend against potential attacks
360 against ``LOOKUP_BENEATH`` and ``LOOKUP_IN_ROOT`` when resolving ".." (where
361 the parent directory is moved outside the root, bypassing the ``path_equal()``
362 check). If ``mount_lock`` is updated during the lookup and the path encounters
363 a "..", a potential attack occurred and ``handle_dots()`` will bail out with
364 ``-EAGAIN``.
365
366 RCU
367 ~~~
368
369 Finally the global (but extremely lightweight) RCU read lock is held
370 from time to time to ensure certain data structures don't get freed
371 unexpectedly.
372
373 In particular it is held while scanning chains in the dcache hash
374 table, and the mount point hash table.
375
376 Bringing it together with ``struct nameidata``
377 ----------------------------------------------
378
379 .. _First edition Unix: http://minnie.tuhs.org/cgi-bin/utree.pl?file=V1/u2.s
380
381 Throughout the process of walking a path, the current status is stored
382 in a ``struct nameidata``, "namei" being the traditional name - dating
383 all the way back to `First Edition Unix`_ - of the function that
384 converts a "name" to an "inode".  ``struct nameidata`` contains (among
385 other fields):
386
387 ``struct path path``
388 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
389
390 A ``path`` contains a ``struct vfsmount`` (which is
391 embedded in a ``struct mount``) and a ``struct dentry``.  Together these
392 record the current status of the walk.  They start out referring to the
393 starting point (the current working directory, the root directory, or some other
394 directory identified by a file descriptor), and are updated on each
395 step.  A reference through ``d_lockref`` and ``mnt_count`` is always
396 held.
397
398 ``struct qstr last``
399 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
400
401 This is a string together with a length (i.e. _not_ ``nul`` terminated)
402 that is the "next" component in the pathname.
403
404 ``int last_type``
405 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
406
407 This is one of ``LAST_NORM``, ``LAST_ROOT``, ``LAST_DOT``, ``LAST_DOTDOT``, or
408 ``LAST_BIND``.  The ``last`` field is only valid if the type is
409 ``LAST_NORM``.  ``LAST_BIND`` is used when following a symlink and no
410 components of the symlink have been processed yet.  Others should be
411 fairly self-explanatory.
412
413 ``struct path root``
414 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
415
416 This is used to hold a reference to the effective root of the
417 filesystem.  Often that reference won't be needed, so this field is
418 only assigned the first time it is used, or when a non-standard root
419 is requested.  Keeping a reference in the ``nameidata`` ensures that
420 only one root is in effect for the entire path walk, even if it races
421 with a ``chroot()`` system call.
422
423 It should be noted that in the case of ``LOOKUP_IN_ROOT`` or
424 ``LOOKUP_BENEATH``, the effective root becomes the directory file descriptor
425 passed to ``openat2()`` (which exposes these ``LOOKUP_`` flags).
426
427 The root is needed when either of two conditions holds: (1) either the
428 pathname or a symbolic link starts with a "'/'", or (2) a "``..``"
429 component is being handled, since "``..``" from the root must always stay
430 at the root.  The value used is usually the current root directory of
431 the calling process.  An alternate root can be provided as when
432 ``sysctl()`` calls ``file_open_root()``, and when NFSv4 or Btrfs call
433 ``mount_subtree()``.  In each case a pathname is being looked up in a very
434 specific part of the filesystem, and the lookup must not be allowed to
435 escape that subtree.  It works a bit like a local ``chroot()``.
436
437 Ignoring the handling of symbolic links, we can now describe the
438 "``link_path_walk()``" function, which handles the lookup of everything
439 except the final component as:
440
441    Given a path (``name``) and a nameidata structure (``nd``), check that the
442    current directory has execute permission and then advance ``name``
443    over one component while updating ``last_type`` and ``last``.  If that
444    was the final component, then return, otherwise call
445    ``walk_component()`` and repeat from the top.
446
447 ``walk_component()`` is even easier.  If the component is ``LAST_DOTS``,
448 it calls ``handle_dots()`` which does the necessary locking as already
449 described.  If it finds a ``LAST_NORM`` component it first calls
450 "``lookup_fast()``" which only looks in the dcache, but will ask the
451 filesystem to revalidate the result if it is that sort of filesystem.
452 If that doesn't get a good result, it calls "``lookup_slow()``" which
453 takes ``i_rwsem``, rechecks the cache, and then asks the filesystem
454 to find a definitive answer.  Each of these will call
455 ``follow_managed()`` (as described below) to handle any mount points.
456
457 In the absence of symbolic links, ``walk_component()`` creates a new
458 ``struct path`` containing a counted reference to the new dentry and a
459 reference to the new ``vfsmount`` which is only counted if it is
460 different from the previous ``vfsmount``.  It then calls
461 ``path_to_nameidata()`` to install the new ``struct path`` in the
462 ``struct nameidata`` and drop the unneeded references.
463
464 This "hand-over-hand" sequencing of getting a reference to the new
465 dentry before dropping the reference to the previous dentry may
466 seem obvious, but is worth pointing out so that we will recognize its
467 analogue in the "RCU-walk" version.
468
469 Handling the final component
470 ----------------------------
471
472 ``link_path_walk()`` only walks as far as setting ``nd->last`` and
473 ``nd->last_type`` to refer to the final component of the path.  It does
474 not call ``walk_component()`` that last time.  Handling that final
475 component remains for the caller to sort out. Those callers are
476 ``path_lookupat()``, ``path_parentat()``, ``path_mountpoint()`` and
477 ``path_openat()`` each of which handles the differing requirements of
478 different system calls.
479
480 ``path_parentat()`` is clearly the simplest - it just wraps a little bit
481 of housekeeping around ``link_path_walk()`` and returns the parent
482 directory and final component to the caller.  The caller will be either
483 aiming to create a name (via ``filename_create()``) or remove or rename
484 a name (in which case ``user_path_parent()`` is used).  They will use
485 ``i_rwsem`` to exclude other changes while they validate and then
486 perform their operation.
487
488 ``path_lookupat()`` is nearly as simple - it is used when an existing
489 object is wanted such as by ``stat()`` or ``chmod()``.  It essentially just
490 calls ``walk_component()`` on the final component through a call to
491 ``lookup_last()``.  ``path_lookupat()`` returns just the final dentry.
492
493 ``path_mountpoint()`` handles the special case of unmounting which must
494 not try to revalidate the mounted filesystem.  It effectively
495 contains, through a call to ``mountpoint_last()``, an alternate
496 implementation of ``lookup_slow()`` which skips that step.  This is
497 important when unmounting a filesystem that is inaccessible, such as
498 one provided by a dead NFS server.
499
500 Finally ``path_openat()`` is used for the ``open()`` system call; it
501 contains, in support functions starting with "``do_last()``", all the
502 complexity needed to handle the different subtleties of O_CREAT (with
503 or without O_EXCL), final "``/``" characters, and trailing symbolic
504 links.  We will revisit this in the final part of this series, which
505 focuses on those symbolic links.  "``do_last()``" will sometimes, but
506 not always, take ``i_rwsem``, depending on what it finds.
507
508 Each of these, or the functions which call them, need to be alert to
509 the possibility that the final component is not ``LAST_NORM``.  If the
510 goal of the lookup is to create something, then any value for
511 ``last_type`` other than ``LAST_NORM`` will result in an error.  For
512 example if ``path_parentat()`` reports ``LAST_DOTDOT``, then the caller
513 won't try to create that name.  They also check for trailing slashes
514 by testing ``last.name[last.len]``.  If there is any character beyond
515 the final component, it must be a trailing slash.
516
517 Revalidation and automounts
518 ---------------------------
519
520 Apart from symbolic links, there are only two parts of the "REF-walk"
521 process not yet covered.  One is the handling of stale cache entries
522 and the other is automounts.
523
524 On filesystems that require it, the lookup routines will call the
525 ``->d_revalidate()`` dentry method to ensure that the cached information
526 is current.  This will often confirm validity or update a few details
527 from a server.  In some cases it may find that there has been change
528 further up the path and that something that was thought to be valid
529 previously isn't really.  When this happens the lookup of the whole
530 path is aborted and retried with the "``LOOKUP_REVAL``" flag set.  This
531 forces revalidation to be more thorough.  We will see more details of
532 this retry process in the next article.
533
534 Automount points are locations in the filesystem where an attempt to
535 lookup a name can trigger changes to how that lookup should be
536 handled, in particular by mounting a filesystem there.  These are
537 covered in greater detail in autofs.txt in the Linux documentation
538 tree, but a few notes specifically related to path lookup are in order
539 here.
540
541 The Linux VFS has a concept of "managed" dentries which is reflected
542 in function names such as "``follow_managed()``".  There are three
543 potentially interesting things about these dentries corresponding
544 to three different flags that might be set in ``dentry->d_flags``:
545
546 ``DCACHE_MANAGE_TRANSIT``
547 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
548
549 If this flag has been set, then the filesystem has requested that the
550 ``d_manage()`` dentry operation be called before handling any possible
551 mount point.  This can perform two particular services:
552
553 It can block to avoid races.  If an automount point is being
554 unmounted, the ``d_manage()`` function will usually wait for that
555 process to complete before letting the new lookup proceed and possibly
556 trigger a new automount.
557
558 It can selectively allow only some processes to transit through a
559 mount point.  When a server process is managing automounts, it may
560 need to access a directory without triggering normal automount
561 processing.  That server process can identify itself to the ``autofs``
562 filesystem, which will then give it a special pass through
563 ``d_manage()`` by returning ``-EISDIR``.
564
565 ``DCACHE_MOUNTED``
566 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
567
568 This flag is set on every dentry that is mounted on.  As Linux
569 supports multiple filesystem namespaces, it is possible that the
570 dentry may not be mounted on in *this* namespace, just in some
571 other.  So this flag is seen as a hint, not a promise.
572
573 If this flag is set, and ``d_manage()`` didn't return ``-EISDIR``,
574 ``lookup_mnt()`` is called to examine the mount hash table (honoring the
575 ``mount_lock`` described earlier) and possibly return a new ``vfsmount``
576 and a new ``dentry`` (both with counted references).
577
578 ``DCACHE_NEED_AUTOMOUNT``
579 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
580
581 If ``d_manage()`` allowed us to get this far, and ``lookup_mnt()`` didn't
582 find a mount point, then this flag causes the ``d_automount()`` dentry
583 operation to be called.
584
585 The ``d_automount()`` operation can be arbitrarily complex and may
586 communicate with server processes etc. but it should ultimately either
587 report that there was an error, that there was nothing to mount, or
588 should provide an updated ``struct path`` with new ``dentry`` and ``vfsmount``.
589
590 In the latter case, ``finish_automount()`` will be called to safely
591 install the new mount point into the mount table.
592
593 There is no new locking of import here and it is important that no
594 locks (only counted references) are held over this processing due to
595 the very real possibility of extended delays.
596 This will become more important next time when we examine RCU-walk
597 which is particularly sensitive to delays.
598
599 RCU-walk - faster pathname lookup in Linux
600 ==========================================
601
602 RCU-walk is another algorithm for performing pathname lookup in Linux.
603 It is in many ways similar to REF-walk and the two share quite a bit
604 of code.  The significant difference in RCU-walk is how it allows for
605 the possibility of concurrent access.
606
607 We noted that REF-walk is complex because there are numerous details
608 and special cases.  RCU-walk reduces this complexity by simply
609 refusing to handle a number of cases -- it instead falls back to
610 REF-walk.  The difficulty with RCU-walk comes from a different
611 direction: unfamiliarity.  The locking rules when depending on RCU are
612 quite different from traditional locking, so we will spend a little extra
613 time when we come to those.
614
615 Clear demarcation of roles
616 --------------------------
617
618 The easiest way to manage concurrency is to forcibly stop any other
619 thread from changing the data structures that a given thread is
620 looking at.  In cases where no other thread would even think of
621 changing the data and lots of different threads want to read at the
622 same time, this can be very costly.  Even when using locks that permit
623 multiple concurrent readers, the simple act of updating the count of
624 the number of current readers can impose an unwanted cost.  So the
625 goal when reading a shared data structure that no other process is
626 changing is to avoid writing anything to memory at all.  Take no
627 locks, increment no counts, leave no footprints.
628
629 The REF-walk mechanism already described certainly doesn't follow this
630 principle, but then it is really designed to work when there may well
631 be other threads modifying the data.  RCU-walk, in contrast, is
632 designed for the common situation where there are lots of frequent
633 readers and only occasional writers.  This may not be common in all
634 parts of the filesystem tree, but in many parts it will be.  For the
635 other parts it is important that RCU-walk can quickly fall back to
636 using REF-walk.
637
638 Pathname lookup always starts in RCU-walk mode but only remains there
639 as long as what it is looking for is in the cache and is stable.  It
640 dances lightly down the cached filesystem image, leaving no footprints
641 and carefully watching where it is, to be sure it doesn't trip.  If it
642 notices that something has changed or is changing, or if something
643 isn't in the cache, then it tries to stop gracefully and switch to
644 REF-walk.
645
646 This stopping requires getting a counted reference on the current
647 ``vfsmount`` and ``dentry``, and ensuring that these are still valid -
648 that a path walk with REF-walk would have found the same entries.
649 This is an invariant that RCU-walk must guarantee.  It can only make
650 decisions, such as selecting the next step, that are decisions which
651 REF-walk could also have made if it were walking down the tree at the
652 same time.  If the graceful stop succeeds, the rest of the path is
653 processed with the reliable, if slightly sluggish, REF-walk.  If
654 RCU-walk finds it cannot stop gracefully, it simply gives up and
655 restarts from the top with REF-walk.
656
657 This pattern of "try RCU-walk, if that fails try REF-walk" can be
658 clearly seen in functions like ``filename_lookup()``,
659 ``filename_parentat()``, ``filename_mountpoint()``,
660 ``do_filp_open()``, and ``do_file_open_root()``.  These five
661 correspond roughly to the four ``path_``* functions we met earlier,
662 each of which calls ``link_path_walk()``.  The ``path_*`` functions are
663 called using different mode flags until a mode is found which works.
664 They are first called with ``LOOKUP_RCU`` set to request "RCU-walk".  If
665 that fails with the error ``ECHILD`` they are called again with no
666 special flag to request "REF-walk".  If either of those report the
667 error ``ESTALE`` a final attempt is made with ``LOOKUP_REVAL`` set (and no
668 ``LOOKUP_RCU``) to ensure that entries found in the cache are forcibly
669 revalidated - normally entries are only revalidated if the filesystem
670 determines that they are too old to trust.
671
672 The ``LOOKUP_RCU`` attempt may drop that flag internally and switch to
673 REF-walk, but will never then try to switch back to RCU-walk.  Places
674 that trip up RCU-walk are much more likely to be near the leaves and
675 so it is very unlikely that there will be much, if any, benefit from
676 switching back.
677
678 RCU and seqlocks: fast and light
679 --------------------------------
680
681 RCU is, unsurprisingly, critical to RCU-walk mode.  The
682 ``rcu_read_lock()`` is held for the entire time that RCU-walk is walking
683 down a path.  The particular guarantee it provides is that the key
684 data structures - dentries, inodes, super_blocks, and mounts - will
685 not be freed while the lock is held.  They might be unlinked or
686 invalidated in one way or another, but the memory will not be
687 repurposed so values in various fields will still be meaningful.  This
688 is the only guarantee that RCU provides; everything else is done using
689 seqlocks.
690
691 As we saw above, REF-walk holds a counted reference to the current
692 dentry and the current vfsmount, and does not release those references
693 before taking references to the "next" dentry or vfsmount.  It also
694 sometimes takes the ``d_lock`` spinlock.  These references and locks are
695 taken to prevent certain changes from happening.  RCU-walk must not
696 take those references or locks and so cannot prevent such changes.
697 Instead, it checks to see if a change has been made, and aborts or
698 retries if it has.
699
700 To preserve the invariant mentioned above (that RCU-walk may only make
701 decisions that REF-walk could have made), it must make the checks at
702 or near the same places that REF-walk holds the references.  So, when
703 REF-walk increments a reference count or takes a spinlock, RCU-walk
704 samples the status of a seqlock using ``read_seqcount_begin()`` or a
705 similar function.  When REF-walk decrements the count or drops the
706 lock, RCU-walk checks if the sampled status is still valid using
707 ``read_seqcount_retry()`` or similar.
708
709 However, there is a little bit more to seqlocks than that.  If
710 RCU-walk accesses two different fields in a seqlock-protected
711 structure, or accesses the same field twice, there is no a priori
712 guarantee of any consistency between those accesses.  When consistency
713 is needed - which it usually is - RCU-walk must take a copy and then
714 use ``read_seqcount_retry()`` to validate that copy.
715
716 ``read_seqcount_retry()`` not only checks the sequence number, but also
717 imposes a memory barrier so that no memory-read instruction from
718 *before* the call can be delayed until *after* the call, either by the
719 CPU or by the compiler.  A simple example of this can be seen in
720 ``slow_dentry_cmp()`` which, for filesystems which do not use simple
721 byte-wise name equality, calls into the filesystem to compare a name
722 against a dentry.  The length and name pointer are copied into local
723 variables, then ``read_seqcount_retry()`` is called to confirm the two
724 are consistent, and only then is ``->d_compare()`` called.  When
725 standard filename comparison is used, ``dentry_cmp()`` is called
726 instead.  Notably it does _not_ use ``read_seqcount_retry()``, but
727 instead has a large comment explaining why the consistency guarantee
728 isn't necessary.  A subsequent ``read_seqcount_retry()`` will be
729 sufficient to catch any problem that could occur at this point.
730
731 With that little refresher on seqlocks out of the way we can look at
732 the bigger picture of how RCU-walk uses seqlocks.
733
734 ``mount_lock`` and ``nd->m_seq``
735 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
736
737 We already met the ``mount_lock`` seqlock when REF-walk used it to
738 ensure that crossing a mount point is performed safely.  RCU-walk uses
739 it for that too, but for quite a bit more.
740
741 Instead of taking a counted reference to each ``vfsmount`` as it
742 descends the tree, RCU-walk samples the state of ``mount_lock`` at the
743 start of the walk and stores this initial sequence number in the
744 ``struct nameidata`` in the ``m_seq`` field.  This one lock and one
745 sequence number are used to validate all accesses to all ``vfsmounts``,
746 and all mount point crossings.  As changes to the mount table are
747 relatively rare, it is reasonable to fall back on REF-walk any time
748 that any "mount" or "unmount" happens.
749
750 ``m_seq`` is checked (using ``read_seqretry()``) at the end of an RCU-walk
751 sequence, whether switching to REF-walk for the rest of the path or
752 when the end of the path is reached.  It is also checked when stepping
753 down over a mount point (in ``__follow_mount_rcu()``) or up (in
754 ``follow_dotdot_rcu()``).  If it is ever found to have changed, the
755 whole RCU-walk sequence is aborted and the path is processed again by
756 REF-walk.
757
758 If RCU-walk finds that ``mount_lock`` hasn't changed then it can be sure
759 that, had REF-walk taken counted references on each vfsmount, the
760 results would have been the same.  This ensures the invariant holds,
761 at least for vfsmount structures.
762
763 ``dentry->d_seq`` and ``nd->seq``
764 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
765
766 In place of taking a count or lock on ``d_reflock``, RCU-walk samples
767 the per-dentry ``d_seq`` seqlock, and stores the sequence number in the
768 ``seq`` field of the nameidata structure, so ``nd->seq`` should always be
769 the current sequence number of ``nd->dentry``.  This number needs to be
770 revalidated after copying, and before using, the name, parent, or
771 inode of the dentry.
772
773 The handling of the name we have already looked at, and the parent is
774 only accessed in ``follow_dotdot_rcu()`` which fairly trivially follows
775 the required pattern, though it does so for three different cases.
776
777 When not at a mount point, ``d_parent`` is followed and its ``d_seq`` is
778 collected.  When we are at a mount point, we instead follow the
779 ``mnt->mnt_mountpoint`` link to get a new dentry and collect its
780 ``d_seq``.  Then, after finally finding a ``d_parent`` to follow, we must
781 check if we have landed on a mount point and, if so, must find that
782 mount point and follow the ``mnt->mnt_root`` link.  This would imply a
783 somewhat unusual, but certainly possible, circumstance where the
784 starting point of the path lookup was in part of the filesystem that
785 was mounted on, and so not visible from the root.
786
787 The inode pointer, stored in ``->d_inode``, is a little more
788 interesting.  The inode will always need to be accessed at least
789 twice, once to determine if it is NULL and once to verify access
790 permissions.  Symlink handling requires a validated inode pointer too.
791 Rather than revalidating on each access, a copy is made on the first
792 access and it is stored in the ``inode`` field of ``nameidata`` from where
793 it can be safely accessed without further validation.
794
795 ``lookup_fast()`` is the only lookup routine that is used in RCU-mode,
796 ``lookup_slow()`` being too slow and requiring locks.  It is in
797 ``lookup_fast()`` that we find the important "hand over hand" tracking
798 of the current dentry.
799
800 The current ``dentry`` and current ``seq`` number are passed to
801 ``__d_lookup_rcu()`` which, on success, returns a new ``dentry`` and a
802 new ``seq`` number.  ``lookup_fast()`` then copies the inode pointer and
803 revalidates the new ``seq`` number.  It then validates the old ``dentry``
804 with the old ``seq`` number one last time and only then continues.  This
805 process of getting the ``seq`` number of the new dentry and then
806 checking the ``seq`` number of the old exactly mirrors the process of
807 getting a counted reference to the new dentry before dropping that for
808 the old dentry which we saw in REF-walk.
809
810 No ``inode->i_rwsem`` or even ``rename_lock``
811 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
812
813 A semaphore is a fairly heavyweight lock that can only be taken when it is
814 permissible to sleep.  As ``rcu_read_lock()`` forbids sleeping,
815 ``inode->i_rwsem`` plays no role in RCU-walk.  If some other thread does
816 take ``i_rwsem`` and modifies the directory in a way that RCU-walk needs
817 to notice, the result will be either that RCU-walk fails to find the
818 dentry that it is looking for, or it will find a dentry which
819 ``read_seqretry()`` won't validate.  In either case it will drop down to
820 REF-walk mode which can take whatever locks are needed.
821
822 Though ``rename_lock`` could be used by RCU-walk as it doesn't require
823 any sleeping, RCU-walk doesn't bother.  REF-walk uses ``rename_lock`` to
824 protect against the possibility of hash chains in the dcache changing
825 while they are being searched.  This can result in failing to find
826 something that actually is there.  When RCU-walk fails to find
827 something in the dentry cache, whether it is really there or not, it
828 already drops down to REF-walk and tries again with appropriate
829 locking.  This neatly handles all cases, so adding extra checks on
830 rename_lock would bring no significant value.
831
832 ``unlazy walk()`` and ``complete_walk()``
833 -----------------------------------------
834
835 That "dropping down to REF-walk" typically involves a call to
836 ``unlazy_walk()``, so named because "RCU-walk" is also sometimes
837 referred to as "lazy walk".  ``unlazy_walk()`` is called when
838 following the path down to the current vfsmount/dentry pair seems to
839 have proceeded successfully, but the next step is problematic.  This
840 can happen if the next name cannot be found in the dcache, if
841 permission checking or name revalidation couldn't be achieved while
842 the ``rcu_read_lock()`` is held (which forbids sleeping), if an
843 automount point is found, or in a couple of cases involving symlinks.
844 It is also called from ``complete_walk()`` when the lookup has reached
845 the final component, or the very end of the path, depending on which
846 particular flavor of lookup is used.
847
848 Other reasons for dropping out of RCU-walk that do not trigger a call
849 to ``unlazy_walk()`` are when some inconsistency is found that cannot be
850 handled immediately, such as ``mount_lock`` or one of the ``d_seq``
851 seqlocks reporting a change.  In these cases the relevant function
852 will return ``-ECHILD`` which will percolate up until it triggers a new
853 attempt from the top using REF-walk.
854
855 For those cases where ``unlazy_walk()`` is an option, it essentially
856 takes a reference on each of the pointers that it holds (vfsmount,
857 dentry, and possibly some symbolic links) and then verifies that the
858 relevant seqlocks have not been changed.  If there have been changes,
859 it, too, aborts with ``-ECHILD``, otherwise the transition to REF-walk
860 has been a success and the lookup process continues.
861
862 Taking a reference on those pointers is not quite as simple as just
863 incrementing a counter.  That works to take a second reference if you
864 already have one (often indirectly through another object), but it
865 isn't sufficient if you don't actually have a counted reference at
866 all.  For ``dentry->d_lockref``, it is safe to increment the reference
867 counter to get a reference unless it has been explicitly marked as
868 "dead" which involves setting the counter to ``-128``.
869 ``lockref_get_not_dead()`` achieves this.
870
871 For ``mnt->mnt_count`` it is safe to take a reference as long as
872 ``mount_lock`` is then used to validate the reference.  If that
873 validation fails, it may *not* be safe to just drop that reference in
874 the standard way of calling ``mnt_put()`` - an unmount may have
875 progressed too far.  So the code in ``legitimize_mnt()``, when it
876 finds that the reference it got might not be safe, checks the
877 ``MNT_SYNC_UMOUNT`` flag to determine if a simple ``mnt_put()`` is
878 correct, or if it should just decrement the count and pretend none of
879 this ever happened.
880
881 Taking care in filesystems
882 --------------------------
883
884 RCU-walk depends almost entirely on cached information and often will
885 not call into the filesystem at all.  However there are two places,
886 besides the already-mentioned component-name comparison, where the
887 file system might be included in RCU-walk, and it must know to be
888 careful.
889
890 If the filesystem has non-standard permission-checking requirements -
891 such as a networked filesystem which may need to check with the server
892 - the ``i_op->permission`` interface might be called during RCU-walk.
893 In this case an extra "``MAY_NOT_BLOCK``" flag is passed so that it
894 knows not to sleep, but to return ``-ECHILD`` if it cannot complete
895 promptly.  ``i_op->permission`` is given the inode pointer, not the
896 dentry, so it doesn't need to worry about further consistency checks.
897 However if it accesses any other filesystem data structures, it must
898 ensure they are safe to be accessed with only the ``rcu_read_lock()``
899 held.  This typically means they must be freed using ``kfree_rcu()`` or
900 similar.
901
902 .. _READ_ONCE: https://lwn.net/Articles/624126/
903
904 If the filesystem may need to revalidate dcache entries, then
905 ``d_op->d_revalidate`` may be called in RCU-walk too.  This interface
906 *is* passed the dentry but does not have access to the ``inode`` or the
907 ``seq`` number from the ``nameidata``, so it needs to be extra careful
908 when accessing fields in the dentry.  This "extra care" typically
909 involves using  `READ_ONCE() <READ_ONCE_>`_ to access fields, and verifying the
910 result is not NULL before using it.  This pattern can be seen in
911 ``nfs_lookup_revalidate()``.
912
913 A pair of patterns
914 ------------------
915
916 In various places in the details of REF-walk and RCU-walk, and also in
917 the big picture, there are a couple of related patterns that are worth
918 being aware of.
919
920 The first is "try quickly and check, if that fails try slowly".  We
921 can see that in the high-level approach of first trying RCU-walk and
922 then trying REF-walk, and in places where ``unlazy_walk()`` is used to
923 switch to REF-walk for the rest of the path.  We also saw it earlier
924 in ``dget_parent()`` when following a "``..``" link.  It tries a quick way
925 to get a reference, then falls back to taking locks if needed.
926
927 The second pattern is "try quickly and check, if that fails try
928 again - repeatedly".  This is seen with the use of ``rename_lock`` and
929 ``mount_lock`` in REF-walk.  RCU-walk doesn't make use of this pattern -
930 if anything goes wrong it is much safer to just abort and try a more
931 sedate approach.
932
933 The emphasis here is "try quickly and check".  It should probably be
934 "try quickly _and carefully,_ then check".  The fact that checking is
935 needed is a reminder that the system is dynamic and only a limited
936 number of things are safe at all.  The most likely cause of errors in
937 this whole process is assuming something is safe when in reality it
938 isn't.  Careful consideration of what exactly guarantees the safety of
939 each access is sometimes necessary.
940
941 A walk among the symlinks
942 =========================
943
944 There are several basic issues that we will examine to understand the
945 handling of symbolic links:  the symlink stack, together with cache
946 lifetimes, will help us understand the overall recursive handling of
947 symlinks and lead to the special care needed for the final component.
948 Then a consideration of access-time updates and summary of the various
949 flags controlling lookup will finish the story.
950
951 The symlink stack
952 -----------------
953
954 There are only two sorts of filesystem objects that can usefully
955 appear in a path prior to the final component: directories and symlinks.
956 Handling directories is quite straightforward: the new directory
957 simply becomes the starting point at which to interpret the next
958 component on the path.  Handling symbolic links requires a bit more
959 work.
960
961 Conceptually, symbolic links could be handled by editing the path.  If
962 a component name refers to a symbolic link, then that component is
963 replaced by the body of the link and, if that body starts with a '/',
964 then all preceding parts of the path are discarded.  This is what the
965 "``readlink -f``" command does, though it also edits out "``.``" and
966 "``..``" components.
967
968 Directly editing the path string is not really necessary when looking
969 up a path, and discarding early components is pointless as they aren't
970 looked at anyway.  Keeping track of all remaining components is
971 important, but they can of course be kept separately; there is no need
972 to concatenate them.  As one symlink may easily refer to another,
973 which in turn can refer to a third, we may need to keep the remaining
974 components of several paths, each to be processed when the preceding
975 ones are completed.  These path remnants are kept on a stack of
976 limited size.
977
978 There are two reasons for placing limits on how many symlinks can
979 occur in a single path lookup.  The most obvious is to avoid loops.
980 If a symlink referred to itself either directly or through
981 intermediaries, then following the symlink can never complete
982 successfully - the error ``ELOOP`` must be returned.  Loops can be
983 detected without imposing limits, but limits are the simplest solution
984 and, given the second reason for restriction, quite sufficient.
985
986 .. _outlined recently: http://thread.gmane.org/gmane.linux.kernel/1934390/focus=1934550
987
988 The second reason was `outlined recently`_ by Linus:
989
990    Because it's a latency and DoS issue too. We need to react well to
991    true loops, but also to "very deep" non-loops. It's not about memory
992    use, it's about users triggering unreasonable CPU resources.
993
994 Linux imposes a limit on the length of any pathname: ``PATH_MAX``, which
995 is 4096.  There are a number of reasons for this limit; not letting the
996 kernel spend too much time on just one path is one of them.  With
997 symbolic links you can effectively generate much longer paths so some
998 sort of limit is needed for the same reason.  Linux imposes a limit of
999 at most 40 symlinks in any one path lookup.  It previously imposed a
1000 further limit of eight on the maximum depth of recursion, but that was
1001 raised to 40 when a separate stack was implemented, so there is now
1002 just the one limit.
1003
1004 The ``nameidata`` structure that we met in an earlier article contains a
1005 small stack that can be used to store the remaining part of up to two
1006 symlinks.  In many cases this will be sufficient.  If it isn't, a
1007 separate stack is allocated with room for 40 symlinks.  Pathname
1008 lookup will never exceed that stack as, once the 40th symlink is
1009 detected, an error is returned.
1010
1011 It might seem that the name remnants are all that needs to be stored on
1012 this stack, but we need a bit more.  To see that, we need to move on to
1013 cache lifetimes.
1014
1015 Storage and lifetime of cached symlinks
1016 ---------------------------------------
1017
1018 Like other filesystem resources, such as inodes and directory
1019 entries, symlinks are cached by Linux to avoid repeated costly access
1020 to external storage.  It is particularly important for RCU-walk to be
1021 able to find and temporarily hold onto these cached entries, so that
1022 it doesn't need to drop down into REF-walk.
1023
1024 .. _object-oriented design pattern: https://lwn.net/Articles/446317/
1025
1026 While each filesystem is free to make its own choice, symlinks are
1027 typically stored in one of two places.  Short symlinks are often
1028 stored directly in the inode.  When a filesystem allocates a ``struct
1029 inode`` it typically allocates extra space to store private data (a
1030 common `object-oriented design pattern`_ in the kernel).  This will
1031 sometimes include space for a symlink.  The other common location is
1032 in the page cache, which normally stores the content of files.  The
1033 pathname in a symlink can be seen as the content of that symlink and
1034 can easily be stored in the page cache just like file content.
1035
1036 When neither of these is suitable, the next most likely scenario is
1037 that the filesystem will allocate some temporary memory and copy or
1038 construct the symlink content into that memory whenever it is needed.
1039
1040 When the symlink is stored in the inode, it has the same lifetime as
1041 the inode which, itself, is protected by RCU or by a counted reference
1042 on the dentry.  This means that the mechanisms that pathname lookup
1043 uses to access the dcache and icache (inode cache) safely are quite
1044 sufficient for accessing some cached symlinks safely.  In these cases,
1045 the ``i_link`` pointer in the inode is set to point to wherever the
1046 symlink is stored and it can be accessed directly whenever needed.
1047
1048 When the symlink is stored in the page cache or elsewhere, the
1049 situation is not so straightforward.  A reference on a dentry or even
1050 on an inode does not imply any reference on cached pages of that
1051 inode, and even an ``rcu_read_lock()`` is not sufficient to ensure that
1052 a page will not disappear.  So for these symlinks the pathname lookup
1053 code needs to ask the filesystem to provide a stable reference and,
1054 significantly, needs to release that reference when it is finished
1055 with it.
1056
1057 Taking a reference to a cache page is often possible even in RCU-walk
1058 mode.  It does require making changes to memory, which is best avoided,
1059 but that isn't necessarily a big cost and it is better than dropping
1060 out of RCU-walk mode completely.  Even filesystems that allocate
1061 space to copy the symlink into can use ``GFP_ATOMIC`` to often successfully
1062 allocate memory without the need to drop out of RCU-walk.  If a
1063 filesystem cannot successfully get a reference in RCU-walk mode, it
1064 must return ``-ECHILD`` and ``unlazy_walk()`` will be called to return to
1065 REF-walk mode in which the filesystem is allowed to sleep.
1066
1067 The place for all this to happen is the ``i_op->follow_link()`` inode
1068 method.  In the present mainline code this is never actually called in
1069 RCU-walk mode as the rewrite is not quite complete.  It is likely that
1070 in a future release this method will be passed an ``inode`` pointer when
1071 called in RCU-walk mode so it both (1) knows to be careful, and (2) has the
1072 validated pointer.  Much like the ``i_op->permission()`` method we
1073 looked at previously, ``->follow_link()`` would need to be careful that
1074 all the data structures it references are safe to be accessed while
1075 holding no counted reference, only the RCU lock.  Though getting a
1076 reference with ``->follow_link()`` is not yet done in RCU-walk mode, the
1077 code is ready to release the reference when that does happen.
1078
1079 This need to drop the reference to a symlink adds significant
1080 complexity.  It requires a reference to the inode so that the
1081 ``i_op->put_link()`` inode operation can be called.  In REF-walk, that
1082 reference is kept implicitly through a reference to the dentry, so
1083 keeping the ``struct path`` of the symlink is easiest.  For RCU-walk,
1084 the pointer to the inode is kept separately.  To allow switching from
1085 RCU-walk back to REF-walk in the middle of processing nested symlinks
1086 we also need the seq number for the dentry so we can confirm that
1087 switching back was safe.
1088
1089 Finally, when providing a reference to a symlink, the filesystem also
1090 provides an opaque "cookie" that must be passed to ``->put_link()`` so that it
1091 knows what to free.  This might be the allocated memory area, or a
1092 pointer to the ``struct page`` in the page cache, or something else
1093 completely.  Only the filesystem knows what it is.
1094
1095 In order for the reference to each symlink to be dropped when the walk completes,
1096 whether in RCU-walk or REF-walk, the symlink stack needs to contain,
1097 along with the path remnants:
1098
1099 - the ``struct path`` to provide a reference to the inode in REF-walk
1100 - the ``struct inode *`` to provide a reference to the inode in RCU-walk
1101 - the ``seq`` to allow the path to be safely switched from RCU-walk to REF-walk
1102 - the ``cookie`` that tells ``->put_path()`` what to put.
1103
1104 This means that each entry in the symlink stack needs to hold five
1105 pointers and an integer instead of just one pointer (the path
1106 remnant).  On a 64-bit system, this is about 40 bytes per entry;
1107 with 40 entries it adds up to 1600 bytes total, which is less than
1108 half a page.  So it might seem like a lot, but is by no means
1109 excessive.
1110
1111 Note that, in a given stack frame, the path remnant (``name``) is not
1112 part of the symlink that the other fields refer to.  It is the remnant
1113 to be followed once that symlink has been fully parsed.
1114
1115 Following the symlink
1116 ---------------------
1117
1118 The main loop in ``link_path_walk()`` iterates seamlessly over all
1119 components in the path and all of the non-final symlinks.  As symlinks
1120 are processed, the ``name`` pointer is adjusted to point to a new
1121 symlink, or is restored from the stack, so that much of the loop
1122 doesn't need to notice.  Getting this ``name`` variable on and off the
1123 stack is very straightforward; pushing and popping the references is
1124 a little more complex.
1125
1126 When a symlink is found, ``walk_component()`` returns the value ``1``
1127 (``0`` is returned for any other sort of success, and a negative number
1128 is, as usual, an error indicator).  This causes ``get_link()`` to be
1129 called; it then gets the link from the filesystem.  Providing that
1130 operation is successful, the old path ``name`` is placed on the stack,
1131 and the new value is used as the ``name`` for a while.  When the end of
1132 the path is found (i.e. ``*name`` is ``'\0'``) the old ``name`` is restored
1133 off the stack and path walking continues.
1134
1135 Pushing and popping the reference pointers (inode, cookie, etc.) is more
1136 complex in part because of the desire to handle tail recursion.  When
1137 the last component of a symlink itself points to a symlink, we
1138 want to pop the symlink-just-completed off the stack before pushing
1139 the symlink-just-found to avoid leaving empty path remnants that would
1140 just get in the way.
1141
1142 It is most convenient to push the new symlink references onto the
1143 stack in ``walk_component()`` immediately when the symlink is found;
1144 ``walk_component()`` is also the last piece of code that needs to look at the
1145 old symlink as it walks that last component.  So it is quite
1146 convenient for ``walk_component()`` to release the old symlink and pop
1147 the references just before pushing the reference information for the
1148 new symlink.  It is guided in this by two flags; ``WALK_GET``, which
1149 gives it permission to follow a symlink if it finds one, and
1150 ``WALK_PUT``, which tells it to release the current symlink after it has been
1151 followed.  ``WALK_PUT`` is tested first, leading to a call to
1152 ``put_link()``.  ``WALK_GET`` is tested subsequently (by
1153 ``should_follow_link()``) leading to a call to ``pick_link()`` which sets
1154 up the stack frame.
1155
1156 Symlinks with no final component
1157 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1158
1159 A pair of special-case symlinks deserve a little further explanation.
1160 Both result in a new ``struct path`` (with mount and dentry) being set
1161 up in the ``nameidata``, and result in ``get_link()`` returning ``NULL``.
1162
1163 The more obvious case is a symlink to "``/``".  All symlinks starting
1164 with "``/``" are detected in ``get_link()`` which resets the ``nameidata``
1165 to point to the effective filesystem root.  If the symlink only
1166 contains "``/``" then there is nothing more to do, no components at all,
1167 so ``NULL`` is returned to indicate that the symlink can be released and
1168 the stack frame discarded.
1169
1170 The other case involves things in ``/proc`` that look like symlinks but
1171 aren't really (and are therefore commonly referred to as "magic-links")::
1172
1173      $ ls -l /proc/self/fd/1
1174      lrwx------ 1 neilb neilb 64 Jun 13 10:19 /proc/self/fd/1 -> /dev/pts/4
1175
1176 Every open file descriptor in any process is represented in ``/proc`` by
1177 something that looks like a symlink.  It is really a reference to the
1178 target file, not just the name of it.  When you ``readlink`` these
1179 objects you get a name that might refer to the same file - unless it
1180 has been unlinked or mounted over.  When ``walk_component()`` follows
1181 one of these, the ``->follow_link()`` method in "procfs" doesn't return
1182 a string name, but instead calls ``nd_jump_link()`` which updates the
1183 ``nameidata`` in place to point to that target.  ``->follow_link()`` then
1184 returns ``NULL``.  Again there is no final component and ``get_link()``
1185 reports this by leaving the ``last_type`` field of ``nameidata`` as
1186 ``LAST_BIND``.
1187
1188 Following the symlink in the final component
1189 --------------------------------------------
1190
1191 All this leads to ``link_path_walk()`` walking down every component, and
1192 following all symbolic links it finds, until it reaches the final
1193 component.  This is just returned in the ``last`` field of ``nameidata``.
1194 For some callers, this is all they need; they want to create that
1195 ``last`` name if it doesn't exist or give an error if it does.  Other
1196 callers will want to follow a symlink if one is found, and possibly
1197 apply special handling to the last component of that symlink, rather
1198 than just the last component of the original file name.  These callers
1199 potentially need to call ``link_path_walk()`` again and again on
1200 successive symlinks until one is found that doesn't point to another
1201 symlink.
1202
1203 This case is handled by the relevant caller of ``link_path_walk()``, such as
1204 ``path_lookupat()`` using a loop that calls ``link_path_walk()``, and then
1205 handles the final component.  If the final component is a symlink
1206 that needs to be followed, then ``trailing_symlink()`` is called to set
1207 things up properly and the loop repeats, calling ``link_path_walk()``
1208 again.  This could loop as many as 40 times if the last component of
1209 each symlink is another symlink.
1210
1211 The various functions that examine the final component and possibly
1212 report that it is a symlink are ``lookup_last()``, ``mountpoint_last()``
1213 and ``do_last()``, each of which use the same convention as
1214 ``walk_component()`` of returning ``1`` if a symlink was found that needs
1215 to be followed.
1216
1217 Of these, ``do_last()`` is the most interesting as it is used for
1218 opening a file.  Part of ``do_last()`` runs with ``i_rwsem`` held and this
1219 part is in a separate function: ``lookup_open()``.
1220
1221 Explaining ``do_last()`` completely is beyond the scope of this article,
1222 but a few highlights should help those interested in exploring the
1223 code.
1224
1225 1. Rather than just finding the target file, ``do_last()`` needs to open
1226    it.  If the file was found in the dcache, then ``vfs_open()`` is used for
1227    this.  If not, then ``lookup_open()`` will either call ``atomic_open()`` (if
1228    the filesystem provides it) to combine the final lookup with the open, or
1229    will perform the separate ``lookup_real()`` and ``vfs_create()`` steps
1230    directly.  In the later case the actual "open" of this newly found or
1231    created file will be performed by ``vfs_open()``, just as if the name
1232    were found in the dcache.
1233
1234 2. ``vfs_open()`` can fail with ``-EOPENSTALE`` if the cached information
1235    wasn't quite current enough.  Rather than restarting the lookup from
1236    the top with ``LOOKUP_REVAL`` set, ``lookup_open()`` is called instead,
1237    giving the filesystem a chance to resolve small inconsistencies.
1238    If that doesn't work, only then is the lookup restarted from the top.
1239
1240 3. An open with O_CREAT **does** follow a symlink in the final component,
1241    unlike other creation system calls (like ``mkdir``).  So the sequence::
1242
1243           ln -s bar /tmp/foo
1244           echo hello > /tmp/foo
1245
1246    will create a file called ``/tmp/bar``.  This is not permitted if
1247    ``O_EXCL`` is set but otherwise is handled for an O_CREAT open much
1248    like for a non-creating open: ``should_follow_link()`` returns ``1``, and
1249    so does ``do_last()`` so that ``trailing_symlink()`` gets called and the
1250    open process continues on the symlink that was found.
1251
1252 Updating the access time
1253 ------------------------
1254
1255 We previously said of RCU-walk that it would "take no locks, increment
1256 no counts, leave no footprints."  We have since seen that some
1257 "footprints" can be needed when handling symlinks as a counted
1258 reference (or even a memory allocation) may be needed.  But these
1259 footprints are best kept to a minimum.
1260
1261 One other place where walking down a symlink can involve leaving
1262 footprints in a way that doesn't affect directories is in updating access times.
1263 In Unix (and Linux) every filesystem object has a "last accessed
1264 time", or "``atime``".  Passing through a directory to access a file
1265 within is not considered to be an access for the purposes of
1266 ``atime``; only listing the contents of a directory can update its ``atime``.
1267 Symlinks are different it seems.  Both reading a symlink (with ``readlink()``)
1268 and looking up a symlink on the way to some other destination can
1269 update the atime on that symlink.
1270
1271 .. _clearest statement: http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/basedefs/V1_chap04.html#tag_04_08
1272
1273 It is not clear why this is the case; POSIX has little to say on the
1274 subject.  The `clearest statement`_ is that, if a particular implementation
1275 updates a timestamp in a place not specified by POSIX, this must be
1276 documented "except that any changes caused by pathname resolution need
1277 not be documented".  This seems to imply that POSIX doesn't really
1278 care about access-time updates during pathname lookup.
1279
1280 .. _Linux 1.3.87: https://git.kernel.org/cgit/linux/kernel/git/history/history.git/diff/fs/ext2/symlink.c?id=f806c6db77b8eaa6e00dcfb6b567706feae8dbb8
1281
1282 An examination of history shows that prior to `Linux 1.3.87`_, the ext2
1283 filesystem, at least, didn't update atime when following a link.
1284 Unfortunately we have no record of why that behavior was changed.
1285
1286 In any case, access time must now be updated and that operation can be
1287 quite complex.  Trying to stay in RCU-walk while doing it is best
1288 avoided.  Fortunately it is often permitted to skip the ``atime``
1289 update.  Because ``atime`` updates cause performance problems in various
1290 areas, Linux supports the ``relatime`` mount option, which generally
1291 limits the updates of ``atime`` to once per day on files that aren't
1292 being changed (and symlinks never change once created).  Even without
1293 ``relatime``, many filesystems record ``atime`` with a one-second
1294 granularity, so only one update per second is required.
1295
1296 It is easy to test if an ``atime`` update is needed while in RCU-walk
1297 mode and, if it isn't, the update can be skipped and RCU-walk mode
1298 continues.  Only when an ``atime`` update is actually required does the
1299 path walk drop down to REF-walk.  All of this is handled in the
1300 ``get_link()`` function.
1301
1302 A few flags
1303 -----------
1304
1305 A suitable way to wrap up this tour of pathname walking is to list
1306 the various flags that can be stored in the ``nameidata`` to guide the
1307 lookup process.  Many of these are only meaningful on the final
1308 component, others reflect the current state of the pathname lookup, and some
1309 apply restrictions to all path components encountered in the path lookup.
1310
1311 And then there is ``LOOKUP_EMPTY``, which doesn't fit conceptually with
1312 the others.  If this is not set, an empty pathname causes an error
1313 very early on.  If it is set, empty pathnames are not considered to be
1314 an error.
1315
1316 Global state flags
1317 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1318
1319 We have already met two global state flags: ``LOOKUP_RCU`` and
1320 ``LOOKUP_REVAL``.  These select between one of three overall approaches
1321 to lookup: RCU-walk, REF-walk, and REF-walk with forced revalidation.
1322
1323 ``LOOKUP_PARENT`` indicates that the final component hasn't been reached
1324 yet.  This is primarily used to tell the audit subsystem the full
1325 context of a particular access being audited.
1326
1327 ``LOOKUP_ROOT`` indicates that the ``root`` field in the ``nameidata`` was
1328 provided by the caller, so it shouldn't be released when it is no
1329 longer needed.
1330
1331 ``LOOKUP_JUMPED`` means that the current dentry was chosen not because
1332 it had the right name but for some other reason.  This happens when
1333 following "``..``", following a symlink to ``/``, crossing a mount point
1334 or accessing a "``/proc/$PID/fd/$FD``" symlink (also known as a "magic
1335 link"). In this case the filesystem has not been asked to revalidate the
1336 name (with ``d_revalidate()``).  In such cases the inode may still need
1337 to be revalidated, so ``d_op->d_weak_revalidate()`` is called if
1338 ``LOOKUP_JUMPED`` is set when the look completes - which may be at the
1339 final component or, when creating, unlinking, or renaming, at the penultimate component.
1340
1341 Resolution-restriction flags
1342 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1343
1344 In order to allow userspace to protect itself against certain race conditions
1345 and attack scenarios involving changing path components, a series of flags are
1346 available which apply restrictions to all path components encountered during
1347 path lookup. These flags are exposed through ``openat2()``'s ``resolve`` field.
1348
1349 ``LOOKUP_NO_SYMLINKS`` blocks all symlink traversals (including magic-links).
1350 This is distinctly different from ``LOOKUP_FOLLOW``, because the latter only
1351 relates to restricting the following of trailing symlinks.
1352
1353 ``LOOKUP_NO_MAGICLINKS`` blocks all magic-link traversals. Filesystems must
1354 ensure that they return errors from ``nd_jump_link()``, because that is how
1355 ``LOOKUP_NO_MAGICLINKS`` and other magic-link restrictions are implemented.
1356
1357 ``LOOKUP_NO_XDEV`` blocks all ``vfsmount`` traversals (this includes both
1358 bind-mounts and ordinary mounts). Note that the ``vfsmount`` which contains the
1359 lookup is determined by the first mountpoint the path lookup reaches --
1360 absolute paths start with the ``vfsmount`` of ``/``, and relative paths start
1361 with the ``dfd``'s ``vfsmount``. Magic-links are only permitted if the
1362 ``vfsmount`` of the path is unchanged.
1363
1364 ``LOOKUP_BENEATH`` blocks any path components which resolve outside the
1365 starting point of the resolution. This is done by blocking ``nd_jump_root()``
1366 as well as blocking ".." if it would jump outside the starting point.
1367 ``rename_lock`` and ``mount_lock`` are used to detect attacks against the
1368 resolution of "..". Magic-links are also blocked.
1369
1370 ``LOOKUP_IN_ROOT`` resolves all path components as though the starting point
1371 were the filesystem root. ``nd_jump_root()`` brings the resolution back to to
1372 the starting point, and ".." at the starting point will act as a no-op. As with
1373 ``LOOKUP_BENEATH``, ``rename_lock`` and ``mount_lock`` are used to detect
1374 attacks against ".." resolution. Magic-links are also blocked.
1375
1376 Final-component flags
1377 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1378
1379 Some of these flags are only set when the final component is being
1380 considered.  Others are only checked for when considering that final
1381 component.
1382
1383 ``LOOKUP_AUTOMOUNT`` ensures that, if the final component is an automount
1384 point, then the mount is triggered.  Some operations would trigger it
1385 anyway, but operations like ``stat()`` deliberately don't.  ``statfs()``
1386 needs to trigger the mount but otherwise behaves a lot like ``stat()``, so
1387 it sets ``LOOKUP_AUTOMOUNT``, as does "``quotactl()``" and the handling of
1388 "``mount --bind``".
1389
1390 ``LOOKUP_FOLLOW`` has a similar function to ``LOOKUP_AUTOMOUNT`` but for
1391 symlinks.  Some system calls set or clear it implicitly, while
1392 others have API flags such as ``AT_SYMLINK_FOLLOW`` and
1393 ``UMOUNT_NOFOLLOW`` to control it.  Its effect is similar to
1394 ``WALK_GET`` that we already met, but it is used in a different way.
1395
1396 ``LOOKUP_DIRECTORY`` insists that the final component is a directory.
1397 Various callers set this and it is also set when the final component
1398 is found to be followed by a slash.
1399
1400 Finally ``LOOKUP_OPEN``, ``LOOKUP_CREATE``, ``LOOKUP_EXCL``, and
1401 ``LOOKUP_RENAME_TARGET`` are not used directly by the VFS but are made
1402 available to the filesystem and particularly the ``->d_revalidate()``
1403 method.  A filesystem can choose not to bother revalidating too hard
1404 if it knows that it will be asked to open or create the file soon.
1405 These flags were previously useful for ``->lookup()`` too but with the
1406 introduction of ``->atomic_open()`` they are less relevant there.
1407
1408 End of the road
1409 ---------------
1410
1411 Despite its complexity, all this pathname lookup code appears to be
1412 in good shape - various parts are certainly easier to understand now
1413 than even a couple of releases ago.  But that doesn't mean it is
1414 "finished".   As already mentioned, RCU-walk currently only follows
1415 symlinks that are stored in the inode so, while it handles many ext4
1416 symlinks, it doesn't help with NFS, XFS, or Btrfs.  That support
1417 is not likely to be long delayed.