ASoC: max9867: export OF device ID as module aliases
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / process / 4.Coding.rst
1 .. _development_coding:
2
3 Getting the code right
4 ======================
5
6 While there is much to be said for a solid and community-oriented design
7 process, the proof of any kernel development project is in the resulting
8 code.  It is the code which will be examined by other developers and merged
9 (or not) into the mainline tree.  So it is the quality of this code which
10 will determine the ultimate success of the project.
11
12 This section will examine the coding process.  We'll start with a look at a
13 number of ways in which kernel developers can go wrong.  Then the focus
14 will shift toward doing things right and the tools which can help in that
15 quest.
16
17
18 Pitfalls
19 ---------
20
21 Coding style
22 ************
23
24 The kernel has long had a standard coding style, described in
25 Documentation/process/coding-style.rst.  For much of that time, the policies described
26 in that file were taken as being, at most, advisory.  As a result, there is
27 a substantial amount of code in the kernel which does not meet the coding
28 style guidelines.  The presence of that code leads to two independent
29 hazards for kernel developers.
30
31 The first of these is to believe that the kernel coding standards do not
32 matter and are not enforced.  The truth of the matter is that adding new
33 code to the kernel is very difficult if that code is not coded according to
34 the standard; many developers will request that the code be reformatted
35 before they will even review it.  A code base as large as the kernel
36 requires some uniformity of code to make it possible for developers to
37 quickly understand any part of it.  So there is no longer room for
38 strangely-formatted code.
39
40 Occasionally, the kernel's coding style will run into conflict with an
41 employer's mandated style.  In such cases, the kernel's style will have to
42 win before the code can be merged.  Putting code into the kernel means
43 giving up a degree of control in a number of ways - including control over
44 how the code is formatted.
45
46 The other trap is to assume that code which is already in the kernel is
47 urgently in need of coding style fixes.  Developers may start to generate
48 reformatting patches as a way of gaining familiarity with the process, or
49 as a way of getting their name into the kernel changelogs - or both.  But
50 pure coding style fixes are seen as noise by the development community;
51 they tend to get a chilly reception.  So this type of patch is best
52 avoided.  It is natural to fix the style of a piece of code while working
53 on it for other reasons, but coding style changes should not be made for
54 their own sake.
55
56 The coding style document also should not be read as an absolute law which
57 can never be transgressed.  If there is a good reason to go against the
58 style (a line which becomes far less readable if split to fit within the
59 80-column limit, for example), just do it.
60
61
62 Abstraction layers
63 ******************
64
65 Computer Science professors teach students to make extensive use of
66 abstraction layers in the name of flexibility and information hiding.
67 Certainly the kernel makes extensive use of abstraction; no project
68 involving several million lines of code could do otherwise and survive.
69 But experience has shown that excessive or premature abstraction can be
70 just as harmful as premature optimization.  Abstraction should be used to
71 the level required and no further.
72
73 At a simple level, consider a function which has an argument which is
74 always passed as zero by all callers.  One could retain that argument just
75 in case somebody eventually needs to use the extra flexibility that it
76 provides.  By that time, though, chances are good that the code which
77 implements this extra argument has been broken in some subtle way which was
78 never noticed - because it has never been used.  Or, when the need for
79 extra flexibility arises, it does not do so in a way which matches the
80 programmer's early expectation.  Kernel developers will routinely submit
81 patches to remove unused arguments; they should, in general, not be added
82 in the first place.
83
84 Abstraction layers which hide access to hardware - often to allow the bulk
85 of a driver to be used with multiple operating systems - are especially
86 frowned upon.  Such layers obscure the code and may impose a performance
87 penalty; they do not belong in the Linux kernel.
88
89 On the other hand, if you find yourself copying significant amounts of code
90 from another kernel subsystem, it is time to ask whether it would, in fact,
91 make sense to pull out some of that code into a separate library or to
92 implement that functionality at a higher level.  There is no value in
93 replicating the same code throughout the kernel.
94
95
96 #ifdef and preprocessor use in general
97 **************************************
98
99 The C preprocessor seems to present a powerful temptation to some C
100 programmers, who see it as a way to efficiently encode a great deal of
101 flexibility into a source file.  But the preprocessor is not C, and heavy
102 use of it results in code which is much harder for others to read and
103 harder for the compiler to check for correctness.  Heavy preprocessor use
104 is almost always a sign of code which needs some cleanup work.
105
106 Conditional compilation with #ifdef is, indeed, a powerful feature, and it
107 is used within the kernel.  But there is little desire to see code which is
108 sprinkled liberally with #ifdef blocks.  As a general rule, #ifdef use
109 should be confined to header files whenever possible.
110 Conditionally-compiled code can be confined to functions which, if the code
111 is not to be present, simply become empty.  The compiler will then quietly
112 optimize out the call to the empty function.  The result is far cleaner
113 code which is easier to follow.
114
115 C preprocessor macros present a number of hazards, including possible
116 multiple evaluation of expressions with side effects and no type safety.
117 If you are tempted to define a macro, consider creating an inline function
118 instead.  The code which results will be the same, but inline functions are
119 easier to read, do not evaluate their arguments multiple times, and allow
120 the compiler to perform type checking on the arguments and return value.
121
122
123 Inline functions
124 ****************
125
126 Inline functions present a hazard of their own, though.  Programmers can
127 become enamored of the perceived efficiency inherent in avoiding a function
128 call and fill a source file with inline functions.  Those functions,
129 however, can actually reduce performance.  Since their code is replicated
130 at each call site, they end up bloating the size of the compiled kernel.
131 That, in turn, creates pressure on the processor's memory caches, which can
132 slow execution dramatically.  Inline functions, as a rule, should be quite
133 small and relatively rare.  The cost of a function call, after all, is not
134 that high; the creation of large numbers of inline functions is a classic
135 example of premature optimization.
136
137 In general, kernel programmers ignore cache effects at their peril.  The
138 classic time/space tradeoff taught in beginning data structures classes
139 often does not apply to contemporary hardware.  Space *is* time, in that a
140 larger program will run slower than one which is more compact.
141
142 More recent compilers take an increasingly active role in deciding whether
143 a given function should actually be inlined or not.  So the liberal
144 placement of "inline" keywords may not just be excessive; it could also be
145 irrelevant.
146
147
148 Locking
149 *******
150
151 In May, 2006, the "Devicescape" networking stack was, with great
152 fanfare, released under the GPL and made available for inclusion in the
153 mainline kernel.  This donation was welcome news; support for wireless
154 networking in Linux was considered substandard at best, and the Devicescape
155 stack offered the promise of fixing that situation.  Yet, this code did not
156 actually make it into the mainline until June, 2007 (2.6.22).  What
157 happened?
158
159 This code showed a number of signs of having been developed behind
160 corporate doors.  But one large problem in particular was that it was not
161 designed to work on multiprocessor systems.  Before this networking stack
162 (now called mac80211) could be merged, a locking scheme needed to be
163 retrofitted onto it.
164
165 Once upon a time, Linux kernel code could be developed without thinking
166 about the concurrency issues presented by multiprocessor systems.  Now,
167 however, this document is being written on a dual-core laptop.  Even on
168 single-processor systems, work being done to improve responsiveness will
169 raise the level of concurrency within the kernel.  The days when kernel
170 code could be written without thinking about locking are long past.
171
172 Any resource (data structures, hardware registers, etc.) which could be
173 accessed concurrently by more than one thread must be protected by a lock.
174 New code should be written with this requirement in mind; retrofitting
175 locking after the fact is a rather more difficult task.  Kernel developers
176 should take the time to understand the available locking primitives well
177 enough to pick the right tool for the job.  Code which shows a lack of
178 attention to concurrency will have a difficult path into the mainline.
179
180
181 Regressions
182 ***********
183
184 One final hazard worth mentioning is this: it can be tempting to make a
185 change (which may bring big improvements) which causes something to break
186 for existing users.  This kind of change is called a "regression," and
187 regressions have become most unwelcome in the mainline kernel.  With few
188 exceptions, changes which cause regressions will be backed out if the
189 regression cannot be fixed in a timely manner.  Far better to avoid the
190 regression in the first place.
191
192 It is often argued that a regression can be justified if it causes things
193 to work for more people than it creates problems for.  Why not make a
194 change if it brings new functionality to ten systems for each one it
195 breaks?  The best answer to this question was expressed by Linus in July,
196 2007:
197
198 ::
199
200         So we don't fix bugs by introducing new problems.  That way lies
201         madness, and nobody ever knows if you actually make any real
202         progress at all. Is it two steps forwards, one step back, or one
203         step forward and two steps back?
204
205 (http://lwn.net/Articles/243460/).
206
207 An especially unwelcome type of regression is any sort of change to the
208 user-space ABI.  Once an interface has been exported to user space, it must
209 be supported indefinitely.  This fact makes the creation of user-space
210 interfaces particularly challenging: since they cannot be changed in
211 incompatible ways, they must be done right the first time.  For this
212 reason, a great deal of thought, clear documentation, and wide review for
213 user-space interfaces is always required.
214
215
216 Code checking tools
217 -------------------
218
219 For now, at least, the writing of error-free code remains an ideal that few
220 of us can reach.  What we can hope to do, though, is to catch and fix as
221 many of those errors as possible before our code goes into the mainline
222 kernel.  To that end, the kernel developers have put together an impressive
223 array of tools which can catch a wide variety of obscure problems in an
224 automated way.  Any problem caught by the computer is a problem which will
225 not afflict a user later on, so it stands to reason that the automated
226 tools should be used whenever possible.
227
228 The first step is simply to heed the warnings produced by the compiler.
229 Contemporary versions of gcc can detect (and warn about) a large number of
230 potential errors.  Quite often, these warnings point to real problems.
231 Code submitted for review should, as a rule, not produce any compiler
232 warnings.  When silencing warnings, take care to understand the real cause
233 and try to avoid "fixes" which make the warning go away without addressing
234 its cause.
235
236 Note that not all compiler warnings are enabled by default.  Build the
237 kernel with "make EXTRA_CFLAGS=-W" to get the full set.
238
239 The kernel provides several configuration options which turn on debugging
240 features; most of these are found in the "kernel hacking" submenu.  Several
241 of these options should be turned on for any kernel used for development or
242 testing purposes.  In particular, you should turn on:
243
244  - ENABLE_WARN_DEPRECATED, ENABLE_MUST_CHECK, and FRAME_WARN to get an
245    extra set of warnings for problems like the use of deprecated interfaces
246    or ignoring an important return value from a function.  The output
247    generated by these warnings can be verbose, but one need not worry about
248    warnings from other parts of the kernel.
249
250  - DEBUG_OBJECTS will add code to track the lifetime of various objects
251    created by the kernel and warn when things are done out of order.  If
252    you are adding a subsystem which creates (and exports) complex objects
253    of its own, consider adding support for the object debugging
254    infrastructure.
255
256  - DEBUG_SLAB can find a variety of memory allocation and use errors; it
257    should be used on most development kernels.
258
259  - DEBUG_SPINLOCK, DEBUG_ATOMIC_SLEEP, and DEBUG_MUTEXES will find a
260    number of common locking errors.
261
262 There are quite a few other debugging options, some of which will be
263 discussed below.  Some of them have a significant performance impact and
264 should not be used all of the time.  But some time spent learning the
265 available options will likely be paid back many times over in short order.
266
267 One of the heavier debugging tools is the locking checker, or "lockdep."
268 This tool will track the acquisition and release of every lock (spinlock or
269 mutex) in the system, the order in which locks are acquired relative to
270 each other, the current interrupt environment, and more.  It can then
271 ensure that locks are always acquired in the same order, that the same
272 interrupt assumptions apply in all situations, and so on.  In other words,
273 lockdep can find a number of scenarios in which the system could, on rare
274 occasion, deadlock.  This kind of problem can be painful (for both
275 developers and users) in a deployed system; lockdep allows them to be found
276 in an automated manner ahead of time.  Code with any sort of non-trivial
277 locking should be run with lockdep enabled before being submitted for
278 inclusion.
279
280 As a diligent kernel programmer, you will, beyond doubt, check the return
281 status of any operation (such as a memory allocation) which can fail.  The
282 fact of the matter, though, is that the resulting failure recovery paths
283 are, probably, completely untested.  Untested code tends to be broken code;
284 you could be much more confident of your code if all those error-handling
285 paths had been exercised a few times.
286
287 The kernel provides a fault injection framework which can do exactly that,
288 especially where memory allocations are involved.  With fault injection
289 enabled, a configurable percentage of memory allocations will be made to
290 fail; these failures can be restricted to a specific range of code.
291 Running with fault injection enabled allows the programmer to see how the
292 code responds when things go badly.  See
293 Documentation/fault-injection/fault-injection.txt for more information on
294 how to use this facility.
295
296 Other kinds of errors can be found with the "sparse" static analysis tool.
297 With sparse, the programmer can be warned about confusion between
298 user-space and kernel-space addresses, mixture of big-endian and
299 small-endian quantities, the passing of integer values where a set of bit
300 flags is expected, and so on.  Sparse must be installed separately (it can
301 be found at https://sparse.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page if your
302 distributor does not package it); it can then be run on the code by adding
303 "C=1" to your make command.
304
305 The "Coccinelle" tool (http://coccinelle.lip6.fr/) is able to find a wide
306 variety of potential coding problems; it can also propose fixes for those
307 problems.  Quite a few "semantic patches" for the kernel have been packaged
308 under the scripts/coccinelle directory; running "make coccicheck" will run
309 through those semantic patches and report on any problems found.  See
310 Documentation/coccinelle.txt for more information.
311
312 Other kinds of portability errors are best found by compiling your code for
313 other architectures.  If you do not happen to have an S/390 system or a
314 Blackfin development board handy, you can still perform the compilation
315 step.  A large set of cross compilers for x86 systems can be found at
316
317         http://www.kernel.org/pub/tools/crosstool/
318
319 Some time spent installing and using these compilers will help avoid
320 embarrassment later.
321
322
323 Documentation
324 -------------
325
326 Documentation has often been more the exception than the rule with kernel
327 development.  Even so, adequate documentation will help to ease the merging
328 of new code into the kernel, make life easier for other developers, and
329 will be helpful for your users.  In many cases, the addition of
330 documentation has become essentially mandatory.
331
332 The first piece of documentation for any patch is its associated
333 changelog.  Log entries should describe the problem being solved, the form
334 of the solution, the people who worked on the patch, any relevant
335 effects on performance, and anything else that might be needed to
336 understand the patch.  Be sure that the changelog says *why* the patch is
337 worth applying; a surprising number of developers fail to provide that
338 information.
339
340 Any code which adds a new user-space interface - including new sysfs or
341 /proc files - should include documentation of that interface which enables
342 user-space developers to know what they are working with.  See
343 Documentation/ABI/README for a description of how this documentation should
344 be formatted and what information needs to be provided.
345
346 The file Documentation/admin-guide/kernel-parameters.rst describes all of the kernel's
347 boot-time parameters.  Any patch which adds new parameters should add the
348 appropriate entries to this file.
349
350 Any new configuration options must be accompanied by help text which
351 clearly explains the options and when the user might want to select them.
352
353 Internal API information for many subsystems is documented by way of
354 specially-formatted comments; these comments can be extracted and formatted
355 in a number of ways by the "kernel-doc" script.  If you are working within
356 a subsystem which has kerneldoc comments, you should maintain them and add
357 them, as appropriate, for externally-available functions.  Even in areas
358 which have not been so documented, there is no harm in adding kerneldoc
359 comments for the future; indeed, this can be a useful activity for
360 beginning kernel developers.  The format of these comments, along with some
361 information on how to create kerneldoc templates can be found at
362 :ref:`Documentation/doc-guide/ <doc_guide>`.
363
364 Anybody who reads through a significant amount of existing kernel code will
365 note that, often, comments are most notable by their absence.  Once again,
366 the expectations for new code are higher than they were in the past;
367 merging uncommented code will be harder.  That said, there is little desire
368 for verbosely-commented code.  The code should, itself, be readable, with
369 comments explaining the more subtle aspects.
370
371 Certain things should always be commented.  Uses of memory barriers should
372 be accompanied by a line explaining why the barrier is necessary.  The
373 locking rules for data structures generally need to be explained somewhere.
374 Major data structures need comprehensive documentation in general.
375 Non-obvious dependencies between separate bits of code should be pointed
376 out.  Anything which might tempt a code janitor to make an incorrect
377 "cleanup" needs a comment saying why it is done the way it is.  And so on.
378
379
380 Internal API changes
381 --------------------
382
383 The binary interface provided by the kernel to user space cannot be broken
384 except under the most severe circumstances.  The kernel's internal
385 programming interfaces, instead, are highly fluid and can be changed when
386 the need arises.  If you find yourself having to work around a kernel API,
387 or simply not using a specific functionality because it does not meet your
388 needs, that may be a sign that the API needs to change.  As a kernel
389 developer, you are empowered to make such changes.
390
391 There are, of course, some catches.  API changes can be made, but they need
392 to be well justified.  So any patch making an internal API change should be
393 accompanied by a description of what the change is and why it is
394 necessary.  This kind of change should also be broken out into a separate
395 patch, rather than buried within a larger patch.
396
397 The other catch is that a developer who changes an internal API is
398 generally charged with the task of fixing any code within the kernel tree
399 which is broken by the change.  For a widely-used function, this duty can
400 lead to literally hundreds or thousands of changes - many of which are
401 likely to conflict with work being done by other developers.  Needless to
402 say, this can be a large job, so it is best to be sure that the
403 justification is solid.  Note that the Coccinelle tool can help with
404 wide-ranging API changes.
405
406 When making an incompatible API change, one should, whenever possible,
407 ensure that code which has not been updated is caught by the compiler.
408 This will help you to be sure that you have found all in-tree uses of that
409 interface.  It will also alert developers of out-of-tree code that there is
410 a change that they need to respond to.  Supporting out-of-tree code is not
411 something that kernel developers need to be worried about, but we also do
412 not have to make life harder for out-of-tree developers than it needs to
413 be.