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1 Adding a New System Call
2 ========================
3
4 This document describes what's involved in adding a new system call to the
5 Linux kernel, over and above the normal submission advice in
6 Documentation/SubmittingPatches.
7
8
9 System Call Alternatives
10 ------------------------
11
12 The first thing to consider when adding a new system call is whether one of
13 the alternatives might be suitable instead.  Although system calls are the
14 most traditional and most obvious interaction points between userspace and the
15 kernel, there are other possibilities -- choose what fits best for your
16 interface.
17
18  - If the operations involved can be made to look like a filesystem-like
19    object, it may make more sense to create a new filesystem or device.  This
20    also makes it easier to encapsulate the new functionality in a kernel module
21    rather than requiring it to be built into the main kernel.
22      - If the new functionality involves operations where the kernel notifies
23        userspace that something has happened, then returning a new file
24        descriptor for the relevant object allows userspace to use
25        poll/select/epoll to receive that notification.
26      - However, operations that don't map to read(2)/write(2)-like operations
27        have to be implemented as ioctl(2) requests, which can lead to a
28        somewhat opaque API.
29  - If you're just exposing runtime system information, a new node in sysfs
30    (see Documentation/filesystems/sysfs.txt) or the /proc filesystem may be
31    more appropriate.  However, access to these mechanisms requires that the
32    relevant filesystem is mounted, which might not always be the case (e.g.
33    in a namespaced/sandboxed/chrooted environment).  Avoid adding any API to
34    debugfs, as this is not considered a 'production' interface to userspace.
35  - If the operation is specific to a particular file or file descriptor, then
36    an additional fcntl(2) command option may be more appropriate.  However,
37    fcntl(2) is a multiplexing system call that hides a lot of complexity, so
38    this option is best for when the new function is closely analogous to
39    existing fcntl(2) functionality, or the new functionality is very simple
40    (for example, getting/setting a simple flag related to a file descriptor).
41  - If the operation is specific to a particular task or process, then an
42    additional prctl(2) command option may be more appropriate.  As with
43    fcntl(2), this system call is a complicated multiplexor so is best reserved
44    for near-analogs of existing prctl() commands or getting/setting a simple
45    flag related to a process.
46
47
48 Designing the API: Planning for Extension
49 -----------------------------------------
50
51 A new system call forms part of the API of the kernel, and has to be supported
52 indefinitely.  As such, it's a very good idea to explicitly discuss the
53 interface on the kernel mailing list, and it's important to plan for future
54 extensions of the interface.
55
56 (The syscall table is littered with historical examples where this wasn't done,
57 together with the corresponding follow-up system calls -- eventfd/eventfd2,
58 dup2/dup3, inotify_init/inotify_init1,  pipe/pipe2, renameat/renameat2 -- so
59 learn from the history of the kernel and plan for extensions from the start.)
60
61 For simpler system calls that only take a couple of arguments, the preferred
62 way to allow for future extensibility is to include a flags argument to the
63 system call.  To make sure that userspace programs can safely use flags
64 between kernel versions, check whether the flags value holds any unknown
65 flags, and reject the system call (with EINVAL) if it does:
66
67     if (flags & ~(THING_FLAG1 | THING_FLAG2 | THING_FLAG3))
68         return -EINVAL;
69
70 (If no flags values are used yet, check that the flags argument is zero.)
71
72 For more sophisticated system calls that involve a larger number of arguments,
73 it's preferred to encapsulate the majority of the arguments into a structure
74 that is passed in by pointer.  Such a structure can cope with future extension
75 by including a size argument in the structure:
76
77     struct xyzzy_params {
78         u32 size; /* userspace sets p->size = sizeof(struct xyzzy_params) */
79         u32 param_1;
80         u64 param_2;
81         u64 param_3;
82     };
83
84 As long as any subsequently added field, say param_4, is designed so that a
85 zero value gives the previous behaviour, then this allows both directions of
86 version mismatch:
87
88  - To cope with a later userspace program calling an older kernel, the kernel
89    code should check that any memory beyond the size of the structure that it
90    expects is zero (effectively checking that param_4 == 0).
91  - To cope with an older userspace program calling a newer kernel, the kernel
92    code can zero-extend a smaller instance of the structure (effectively
93    setting param_4 = 0).
94
95 See perf_event_open(2) and the perf_copy_attr() function (in
96 kernel/events/core.c) for an example of this approach.
97
98
99 Designing the API: Other Considerations
100 ---------------------------------------
101
102 If your new system call allows userspace to refer to a kernel object, it
103 should use a file descriptor as the handle for that object -- don't invent a
104 new type of userspace object handle when the kernel already has mechanisms and
105 well-defined semantics for using file descriptors.
106
107 If your new xyzzy(2) system call does return a new file descriptor, then the
108 flags argument should include a value that is equivalent to setting O_CLOEXEC
109 on the new FD.  This makes it possible for userspace to close the timing
110 window between xyzzy() and calling fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC), where an
111 unexpected fork() and execve() in another thread could leak a descriptor to
112 the exec'ed program. (However, resist the temptation to re-use the actual value
113 of the O_CLOEXEC constant, as it is architecture-specific and is part of a
114 numbering space of O_* flags that is fairly full.)
115
116 If your system call returns a new file descriptor, you should also consider
117 what it means to use the poll(2) family of system calls on that file
118 descriptor. Making a file descriptor ready for reading or writing is the
119 normal way for the kernel to indicate to userspace that an event has
120 occurred on the corresponding kernel object.
121
122 If your new xyzzy(2) system call involves a filename argument:
123
124     int sys_xyzzy(const char __user *path, ..., unsigned int flags);
125
126 you should also consider whether an xyzzyat(2) version is more appropriate:
127
128     int sys_xyzzyat(int dfd, const char __user *path, ..., unsigned int flags);
129
130 This allows more flexibility for how userspace specifies the file in question;
131 in particular it allows userspace to request the functionality for an
132 already-opened file descriptor using the AT_EMPTY_PATH flag, effectively giving
133 an fxyzzy(3) operation for free:
134
135  - xyzzyat(AT_FDCWD, path, ..., 0) is equivalent to xyzzy(path,...)
136  - xyzzyat(fd, "", ..., AT_EMPTY_PATH) is equivalent to fxyzzy(fd, ...)
137
138 (For more details on the rationale of the *at() calls, see the openat(2) man
139 page; for an example of AT_EMPTY_PATH, see the statat(2) man page.)
140
141 If your new xyzzy(2) system call involves a parameter describing an offset
142 within a file, make its type loff_t so that 64-bit offsets can be supported
143 even on 32-bit architectures.
144
145 If your new xyzzy(2) system call involves privileged functionality, it needs
146 to be governed by the appropriate Linux capability bit (checked with a call to
147 capable()), as described in the capabilities(7) man page.  Choose an existing
148 capability bit that governs related functionality, but try to avoid combining
149 lots of only vaguely related functions together under the same bit, as this
150 goes against capabilities' purpose of splitting the power of root.  In
151 particular, avoid adding new uses of the already overly-general CAP_SYS_ADMIN
152 capability.
153
154 If your new xyzzy(2) system call manipulates a process other than the calling
155 process, it should be restricted (using a call to ptrace_may_access()) so that
156 only a calling process with the same permissions as the target process, or
157 with the necessary capabilities, can manipulate the target process.
158
159 Finally, be aware that some non-x86 architectures have an easier time if
160 system call parameters that are explicitly 64-bit fall on odd-numbered
161 arguments (i.e. parameter 1, 3, 5), to allow use of contiguous pairs of 32-bit
162 registers.  (This concern does not apply if the arguments are part of a
163 structure that's passed in by pointer.)
164
165
166 Proposing the API
167 -----------------
168
169 To make new system calls easy to review, it's best to divide up the patchset
170 into separate chunks.  These should include at least the following items as
171 distinct commits (each of which is described further below):
172
173  - The core implementation of the system call, together with prototypes,
174    generic numbering, Kconfig changes and fallback stub implementation.
175  - Wiring up of the new system call for one particular architecture, usually
176    x86 (including all of x86_64, x86_32 and x32).
177  - A demonstration of the use of the new system call in userspace via a
178    selftest in tools/testing/selftests/.
179  - A draft man-page for the new system call, either as plain text in the
180    cover letter, or as a patch to the (separate) man-pages repository.
181
182 New system call proposals, like any change to the kernel's API, should always
183 be cc'ed to linux-api@vger.kernel.org.
184
185
186 Generic System Call Implementation
187 ----------------------------------
188
189 The main entry point for your new xyzzy(2) system call will be called
190 sys_xyzzy(), but you add this entry point with the appropriate
191 SYSCALL_DEFINEn() macro rather than explicitly.  The 'n' indicates the number
192 of arguments to the system call, and the macro takes the system call name
193 followed by the (type, name) pairs for the parameters as arguments.  Using
194 this macro allows metadata about the new system call to be made available for
195 other tools.
196
197 The new entry point also needs a corresponding function prototype, in
198 include/linux/syscalls.h, marked as asmlinkage to match the way that system
199 calls are invoked:
200
201     asmlinkage long sys_xyzzy(...);
202
203 Some architectures (e.g. x86) have their own architecture-specific syscall
204 tables, but several other architectures share a generic syscall table. Add your
205 new system call to the generic list by adding an entry to the list in
206 include/uapi/asm-generic/unistd.h:
207
208     #define __NR_xyzzy 292
209     __SYSCALL(__NR_xyzzy, sys_xyzzy)
210
211 Also update the __NR_syscalls count to reflect the additional system call, and
212 note that if multiple new system calls are added in the same merge window,
213 your new syscall number may get adjusted to resolve conflicts.
214
215 The file kernel/sys_ni.c provides a fallback stub implementation of each system
216 call, returning -ENOSYS.  Add your new system call here too:
217
218     cond_syscall(sys_xyzzy);
219
220 Your new kernel functionality, and the system call that controls it, should
221 normally be optional, so add a CONFIG option (typically to init/Kconfig) for
222 it. As usual for new CONFIG options:
223
224  - Include a description of the new functionality and system call controlled
225    by the option.
226  - Make the option depend on EXPERT if it should be hidden from normal users.
227  - Make any new source files implementing the function dependent on the CONFIG
228    option in the Makefile (e.g. "obj-$(CONFIG_XYZZY_SYSCALL) += xyzzy.c").
229  - Double check that the kernel still builds with the new CONFIG option turned
230    off.
231
232 To summarize, you need a commit that includes:
233
234  - CONFIG option for the new function, normally in init/Kconfig
235  - SYSCALL_DEFINEn(xyzzy, ...) for the entry point
236  - corresponding prototype in include/linux/syscalls.h
237  - generic table entry in include/uapi/asm-generic/unistd.h
238  - fallback stub in kernel/sys_ni.c
239
240
241 x86 System Call Implementation
242 ------------------------------
243
244 To wire up your new system call for x86 platforms, you need to update the
245 master syscall tables.  Assuming your new system call isn't special in some
246 way (see below), this involves a "common" entry (for x86_64 and x32) in
247 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl:
248
249     333   common   xyzzy     sys_xyzzy
250
251 and an "i386" entry in arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl:
252
253     380   i386     xyzzy     sys_xyzzy
254
255 Again, these numbers are liable to be changed if there are conflicts in the
256 relevant merge window.
257
258
259 Compatibility System Calls (Generic)
260 ------------------------------------
261
262 For most system calls the same 64-bit implementation can be invoked even when
263 the userspace program is itself 32-bit; even if the system call's parameters
264 include an explicit pointer, this is handled transparently.
265
266 However, there are a couple of situations where a compatibility layer is
267 needed to cope with size differences between 32-bit and 64-bit.
268
269 The first is if the 64-bit kernel also supports 32-bit userspace programs, and
270 so needs to parse areas of (__user) memory that could hold either 32-bit or
271 64-bit values.  In particular, this is needed whenever a system call argument
272 is:
273
274  - a pointer to a pointer
275  - a pointer to a struct containing a pointer (e.g. struct iovec __user *)
276  - a pointer to a varying sized integral type (time_t, off_t, long, ...)
277  - a pointer to a struct containing a varying sized integral type.
278
279 The second situation that requires a compatibility layer is if one of the
280 system call's arguments has a type that is explicitly 64-bit even on a 32-bit
281 architecture, for example loff_t or __u64.  In this case, a value that arrives
282 at a 64-bit kernel from a 32-bit application will be split into two 32-bit
283 values, which then need to be re-assembled in the compatibility layer.
284
285 (Note that a system call argument that's a pointer to an explicit 64-bit type
286 does *not* need a compatibility layer; for example, splice(2)'s arguments of
287 type loff_t __user * do not trigger the need for a compat_ system call.)
288
289 The compatibility version of the system call is called compat_sys_xyzzy(), and
290 is added with the COMPAT_SYSCALL_DEFINEn() macro, analogously to
291 SYSCALL_DEFINEn.  This version of the implementation runs as part of a 64-bit
292 kernel, but expects to receive 32-bit parameter values and does whatever is
293 needed to deal with them.  (Typically, the compat_sys_ version converts the
294 values to 64-bit versions and either calls on to the sys_ version, or both of
295 them call a common inner implementation function.)
296
297 The compat entry point also needs a corresponding function prototype, in
298 include/linux/compat.h, marked as asmlinkage to match the way that system
299 calls are invoked:
300
301     asmlinkage long compat_sys_xyzzy(...);
302
303 If the system call involves a structure that is laid out differently on 32-bit
304 and 64-bit systems, say struct xyzzy_args, then the include/linux/compat.h
305 header file should also include a compat version of the structure (struct
306 compat_xyzzy_args) where each variable-size field has the appropriate compat_
307 type that corresponds to the type in struct xyzzy_args.  The
308 compat_sys_xyzzy() routine can then use this compat_ structure to parse the
309 arguments from a 32-bit invocation.
310
311 For example, if there are fields:
312
313     struct xyzzy_args {
314         const char __user *ptr;
315         __kernel_long_t varying_val;
316         u64 fixed_val;
317         /* ... */
318     };
319
320 in struct xyzzy_args, then struct compat_xyzzy_args would have:
321
322     struct compat_xyzzy_args {
323         compat_uptr_t ptr;
324         compat_long_t varying_val;
325         u64 fixed_val;
326         /* ... */
327     };
328
329 The generic system call list also needs adjusting to allow for the compat
330 version; the entry in include/uapi/asm-generic/unistd.h should use
331 __SC_COMP rather than __SYSCALL:
332
333     #define __NR_xyzzy 292
334     __SC_COMP(__NR_xyzzy, sys_xyzzy, compat_sys_xyzzy)
335
336 To summarize, you need:
337
338  - a COMPAT_SYSCALL_DEFINEn(xyzzy, ...) for the compat entry point
339  - corresponding prototype in include/linux/compat.h
340  - (if needed) 32-bit mapping struct in include/linux/compat.h
341  - instance of __SC_COMP not __SYSCALL in include/uapi/asm-generic/unistd.h
342
343
344 Compatibility System Calls (x86)
345 --------------------------------
346
347 To wire up the x86 architecture of a system call with a compatibility version,
348 the entries in the syscall tables need to be adjusted.
349
350 First, the entry in arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl gets an extra
351 column to indicate that a 32-bit userspace program running on a 64-bit kernel
352 should hit the compat entry point:
353
354     380   i386     xyzzy     sys_xyzzy    compat_sys_xyzzy
355
356 Second, you need to figure out what should happen for the x32 ABI version of
357 the new system call.  There's a choice here: the layout of the arguments
358 should either match the 64-bit version or the 32-bit version.
359
360 If there's a pointer-to-a-pointer involved, the decision is easy: x32 is
361 ILP32, so the layout should match the 32-bit version, and the entry in
362 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl is split so that x32 programs hit the
363 compatibility wrapper:
364
365     333   64       xyzzy     sys_xyzzy
366     ...
367     555   x32      xyzzy     compat_sys_xyzzy
368
369 If no pointers are involved, then it is preferable to re-use the 64-bit system
370 call for the x32 ABI (and consequently the entry in
371 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl is unchanged).
372
373 In either case, you should check that the types involved in your argument
374 layout do indeed map exactly from x32 (-mx32) to either the 32-bit (-m32) or
375 64-bit (-m64) equivalents.
376
377
378 System Calls Returning Elsewhere
379 --------------------------------
380
381 For most system calls, once the system call is complete the user program
382 continues exactly where it left off -- at the next instruction, with the
383 stack the same and most of the registers the same as before the system call,
384 and with the same virtual memory space.
385
386 However, a few system calls do things differently.  They might return to a
387 different location (rt_sigreturn) or change the memory space (fork/vfork/clone)
388 or even architecture (execve/execveat) of the program.
389
390 To allow for this, the kernel implementation of the system call may need to
391 save and restore additional registers to the kernel stack, allowing complete
392 control of where and how execution continues after the system call.
393
394 This is arch-specific, but typically involves defining assembly entry points
395 that save/restore additional registers and invoke the real system call entry
396 point.
397
398 For x86_64, this is implemented as a stub_xyzzy entry point in
399 arch/x86/entry/entry_64.S, and the entry in the syscall table
400 (arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl) is adjusted to match:
401
402     333   common   xyzzy     stub_xyzzy
403
404 The equivalent for 32-bit programs running on a 64-bit kernel is normally
405 called stub32_xyzzy and implemented in arch/x86/entry/entry_64_compat.S,
406 with the corresponding syscall table adjustment in
407 arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl:
408
409     380   i386     xyzzy     sys_xyzzy    stub32_xyzzy
410
411 If the system call needs a compatibility layer (as in the previous section)
412 then the stub32_ version needs to call on to the compat_sys_ version of the
413 system call rather than the native 64-bit version.  Also, if the x32 ABI
414 implementation is not common with the x86_64 version, then its syscall
415 table will also need to invoke a stub that calls on to the compat_sys_
416 version.
417
418 For completeness, it's also nice to set up a mapping so that user-mode Linux
419 still works -- its syscall table will reference stub_xyzzy, but the UML build
420 doesn't include arch/x86/entry/entry_64.S implementation (because UML
421 simulates registers etc).  Fixing this is as simple as adding a #define to
422 arch/x86/um/sys_call_table_64.c:
423
424     #define stub_xyzzy sys_xyzzy
425
426
427 Other Details
428 -------------
429
430 Most of the kernel treats system calls in a generic way, but there is the
431 occasional exception that may need updating for your particular system call.
432
433 The audit subsystem is one such special case; it includes (arch-specific)
434 functions that classify some special types of system call -- specifically
435 file open (open/openat), program execution (execve/exeveat) or socket
436 multiplexor (socketcall) operations. If your new system call is analogous to
437 one of these, then the audit system should be updated.
438
439 More generally, if there is an existing system call that is analogous to your
440 new system call, it's worth doing a kernel-wide grep for the existing system
441 call to check there are no other special cases.
442
443
444 Testing
445 -------
446
447 A new system call should obviously be tested; it is also useful to provide
448 reviewers with a demonstration of how user space programs will use the system
449 call.  A good way to combine these aims is to include a simple self-test
450 program in a new directory under tools/testing/selftests/.
451
452 For a new system call, there will obviously be no libc wrapper function and so
453 the test will need to invoke it using syscall(); also, if the system call
454 involves a new userspace-visible structure, the corresponding header will need
455 to be installed to compile the test.
456
457 Make sure the selftest runs successfully on all supported architectures.  For
458 example, check that it works when compiled as an x86_64 (-m64), x86_32 (-m32)
459 and x32 (-mx32) ABI program.
460
461 For more extensive and thorough testing of new functionality, you should also
462 consider adding tests to the Linux Test Project, or to the xfstests project
463 for filesystem-related changes.
464  - https://linux-test-project.github.io/
465  - git://git.kernel.org/pub/scm/fs/xfs/xfstests-dev.git
466
467
468 Man Page
469 --------
470
471 All new system calls should come with a complete man page, ideally using groff
472 markup, but plain text will do.  If groff is used, it's helpful to include a
473 pre-rendered ASCII version of the man page in the cover email for the
474 patchset, for the convenience of reviewers.
475
476 The man page should be cc'ed to linux-man@vger.kernel.org
477 For more details, see https://www.kernel.org/doc/man-pages/patches.html
478
479 References and Sources
480 ----------------------
481
482  - LWN article from Michael Kerrisk on use of flags argument in system calls:
483    https://lwn.net/Articles/585415/
484  - LWN article from Michael Kerrisk on how to handle unknown flags in a system
485    call: https://lwn.net/Articles/588444/
486  - LWN article from Jake Edge describing constraints on 64-bit system call
487    arguments: https://lwn.net/Articles/311630/
488  - Pair of LWN articles from David Drysdale that describe the system call
489    implementation paths in detail for v3.14:
490     - https://lwn.net/Articles/604287/
491     - https://lwn.net/Articles/604515/
492  - Architecture-specific requirements for system calls are discussed in the
493    syscall(2) man-page:
494    http://man7.org/linux/man-pages/man2/syscall.2.html#NOTES
495  - Collated emails from Linus Torvalds discussing the problems with ioctl():
496    http://yarchive.net/comp/linux/ioctl.html
497  - "How to not invent kernel interfaces", Arnd Bergmann,
498    http://www.ukuug.org/events/linux2007/2007/papers/Bergmann.pdf
499  - LWN article from Michael Kerrisk on avoiding new uses of CAP_SYS_ADMIN:
500    https://lwn.net/Articles/486306/
501  - Recommendation from Andrew Morton that all related information for a new
502    system call should come in the same email thread:
503    https://lkml.org/lkml/2014/7/24/641
504  - Recommendation from Michael Kerrisk that a new system call should come with
505    a man page: https://lkml.org/lkml/2014/6/13/309
506  - Suggestion from Thomas Gleixner that x86 wire-up should be in a separate
507    commit: https://lkml.org/lkml/2014/11/19/254
508  - Suggestion from Greg Kroah-Hartman that it's good for new system calls to
509    come with a man-page & selftest: https://lkml.org/lkml/2014/3/19/710
510  - Discussion from Michael Kerrisk of new system call vs. prctl(2) extension:
511    https://lkml.org/lkml/2014/6/3/411
512  - Suggestion from Ingo Molnar that system calls that involve multiple
513    arguments should encapsulate those arguments in a struct, which includes a
514    size field for future extensibility: https://lkml.org/lkml/2015/7/30/117
515  - Numbering oddities arising from (re-)use of O_* numbering space flags:
516     - commit 75069f2b5bfb ("vfs: renumber FMODE_NONOTIFY and add to uniqueness
517       check")
518     - commit 12ed2e36c98a ("fanotify: FMODE_NONOTIFY and __O_SYNC in sparc
519       conflict")
520     - commit bb458c644a59 ("Safer ABI for O_TMPFILE")
521  - Discussion from Matthew Wilcox about restrictions on 64-bit arguments:
522    https://lkml.org/lkml/2008/12/12/187
523  - Recommendation from Greg Kroah-Hartman that unknown flags should be
524    policed: https://lkml.org/lkml/2014/7/17/577
525  - Recommendation from Linus Torvalds that x32 system calls should prefer
526    compatibility with 64-bit versions rather than 32-bit versions:
527    https://lkml.org/lkml/2011/8/31/244