Rogues gallery.
[oweals/busybox.git] / docs / busybox.net / programming.html
1 <!--#include file="header.html" -->
2
3 <h2>Rob's notes on programming busybox.</h2>
4
5 <ul>
6   <li><a href="#goals">What are the goals of busybox?</a></li>
7   <li><a href="#design">What is the design of busybox?</a></li>
8   <li><a href="#source">How is the source code organized?</a></li>
9   <ul>
10     <li><a href="#source_applets">The applet directories.</a></li>
11     <li><a href="#source_libbb">The busybox shared library (libbb)</a></li>
12   </ul>
13   <li><a href="#adding">Adding an applet to busybox</a></li>
14   <li><a href="#standards">What standards does busybox adhere to?</a></li>
15   <li><a href="#tips">Tips and tricks.</a></li>
16   <ul>
17     <li><a href="#tips_encrypted_passwords">Encrypted Passwords</a></li>
18     <li><a href="#tips_vfork">Fork and vfork</a></li>
19     <li><a href="#tips_short_read">Short reads and writes</a></li>
20   </ul>
21   <li><a href="#who">Who are the BusyBox developers?</a></li>
22 </ul>
23
24 <h2><b><a name="goals" />What are the goals of busybox?</b></h2>
25
26 <p>Busybox aims to be the smallest and simplest correct implementation of the
27 standard Linux command line tools.  First and foremost, this means the
28 smallest executable size we can manage.  We also want to have the simplest
29 and cleanest implementation we can manage, be <a href="#standards">standards
30 compliant</a>, minimize run-time memory usage (heap and stack), run fast, and
31 take over the world.</p>
32
33 <h2><b><a name="design" />What is the design of busybox?</b></h2>
34
35 <p>Busybox is like a swiss army knife: one thing with many functions.
36 The busybox executable can act like many different programs depending on
37 the name used to invoke it.  Normal practice is to create a bunch of symlinks
38 pointing to the busybox binary, each of which triggers a different busybox
39 function.  (See <a href="FAQ.html#getting_started">getting started</a> in the
40 FAQ for more information on usage, and <a href="BusyBox.html">the
41 busybox documentation</a> for a list of symlink names and what they do.)
42
43 <p>The "one binary to rule them all" approach is primarily for size reasons: a
44 single multi-purpose executable is smaller then many small files could be.
45 This way busybox only has one set of ELF headers, it can easily share code
46 between different apps even when statically linked, it has better packing
47 efficiency by avoding gaps between files or compression dictionary resets,
48 and so on.</p>
49
50 <p>Work is underway on new options such as "make standalone" to build separate
51 binaries for each applet, and a "libbb.so" to make the busybox common code
52 available as a shared library.  Neither is ready yet at the time of this
53 writing.</p>
54
55 <a name="source" />
56
57 <h2><a name="source_applets" /><b>The applet directories</b></h2>
58
59 <p>The directory "applets" contains the busybox startup code (applets.c and
60 busybox.c), and several subdirectories containing the code for the individual
61 applets.</p>
62
63 <p>Busybox execution starts with the main() function in applets/busybox.c,
64 which sets the global variable bb_applet_name to argv[0] and calls
65 run_applet_by_name() in applets/applets.c.  That uses the applets[] array
66 (defined in include/busybox.h and filled out in include/applets.h) to
67 transfer control to the appropriate APPLET_main() function (such as
68 cat_main() or sed_main()).  The individual applet takes it from there.</p>
69
70 <p>This is why calling busybox under a different name triggers different
71 functionality: main() looks up argv[0] in applets[] to get a function pointer
72 to APPLET_main().</p>
73
74 <p>Busybox applets may also be invoked through the multiplexor applet
75 "busybox" (see busybox_main() in applets/busybox.c), and through the
76 standalone shell (grep for STANDALONE_SHELL in applets/shell/*.c).
77 See <a href="FAQ.html#getting_started">getting started</a> in the
78 FAQ for more information on these alternate usage mechanisms, which are
79 just different ways to reach the relevant APPLET_main() function.</p>
80
81 <p>The applet subdirectories (archival, console-tools, coreutils,
82 debianutils, e2fsprogs, editors, findutils, init, loginutils, miscutils,
83 modutils, networking, procps, shell, sysklogd, and util-linux) correspond
84 to the configuration sub-menus in menuconfig.  Each subdirectory contains the
85 code to implement the applets in that sub-menu, as well as a Config.in
86 file defining that configuration sub-menu (with dependencies and help text
87 for each applet), and the makefile segment (Makefile.in) for that
88 subdirectory.</p>
89
90 <p>The run-time --help is stored in usage_messages[], which is initialized at
91 the start of applets/applets.c and gets its help text from usage.h.  During the
92 build this help text is also used to generate the BusyBox documentation (in
93 html, txt, and man page formats) in the docs directory.  See
94 <a href="#adding">adding an applet to busybox</a> for more
95 information.</p>
96
97 <h2><a name="source_libbb" /><b>libbb</b></h2>
98
99 <p>Most non-setup code shared between busybox applets lives in the libbb
100 directory.  It's a mess that evolved over the years without much auditing
101 or cleanup.  For anybody looking for a great project to break into busybox
102 development with, documenting libbb would be both incredibly useful and good
103 experience.</p>
104
105 <p>Common themes in libbb include allocation functions that test
106 for failure and abort the program with an error message so the caller doesn't
107 have to test the return value (xmalloc(), xstrdup(), etc), wrapped versions
108 of open(), close(), read(), and write() that test for their own failures
109 and/or retry automatically, linked list management functions (llist.c),
110 command line argument parsing (getopt_ulflags.c), and a whole lot more.</p>
111
112 <h2><a name="adding" /><b>Adding an applet to busybox</b></h2>
113
114 <p>To add a new applet to busybox, first pick a name for the applet and
115 a corresponding CONFIG_NAME.  Then do this:</p>
116
117 <ul>
118 <li>Figure out where in the busybox source tree your applet best fits,
119 and put your source code there.  Be sure to use APPLET_main() instead
120 of main(), where APPLET is the name of your applet.</li>
121
122 <li>Add your applet to the relevant Config.in file (which file you add
123 it to determines where it shows up in "make menuconfig").  This uses
124 the same general format as the linux kernel's configuration system.</li>
125
126 <li>Add your applet to the relevant Makefile.in file (in the same
127 directory as the Config.in you chose), using the existing entries as a
128 template and the same CONFIG symbol as you used for Config.in.  (Don't
129 forget "needlibm" or "needcrypt" if your applet needs libm or
130 libcrypt.)</li>
131
132 <li>Add your applet to "include/applets.h", using one of the existing
133 entries as a template.  (Note: this is in alphabetical order.  Applets
134 are found via binary search, and if you add an applet out of order it
135 won't work.)</li>
136
137 <li>Add your applet's runtime help text to "include/usage.h".  You need
138 at least appname_trivial_usage (the minimal help text, always included
139 in the busybox binary when this applet is enabled) and appname_full_usage
140 (extra help text included in the busybox binary with
141 CONFIG_FEATURE_VERBOSE_USAGE is enabled), or it won't compile.
142 The other two help entry types (appname_example_usage and
143 appname_notes_usage) are optional.  They don't take up space in the binary,
144 but instead show up in the generated documentation (BusyBox.html,
145 BusyBox.txt, and the man page BusyBox.1).</li>
146
147 <li>Run menuconfig, switch your applet on, compile, test, and fix the
148 bugs.  Be sure to try both "allyesconfig" and "allnoconfig" (and
149 "allbareconfig" if relevant).</li>
150
151 </ul>
152
153 <h2><a name="standards" />What standards does busybox adhere to?</a></h2>
154
155 <p>The standard we're paying attention to is the "Shell and Utilities"
156 portion of the <a href=http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/>Open
157 Group Base Standards</a> (also known as the Single Unix Specification version
158 3 or SUSv3).  Note that paying attention isn't necessarily the same thing as
159 following it.</p>
160
161 <p>SUSv3 doesn't even mention things like init, mount, tar, or losetup, nor
162 commonly used options like echo's '-e' and '-n', or sed's '-i'.  Busybox is
163 driven by what real users actually need, not the fact the standard believes
164 we should implement ed or sccs.  For size reasons, we're unlikely to include
165 much internationalization support beyond UTF-8, and on top of all that, our
166 configuration menu lets developers chop out features to produce smaller but
167 very non-standard utilities.</p>
168
169 <p>Also, Busybox is aimed primarily at Linux.  Unix standards are interesting
170 because Linux tries to adhere to them, but portability to dozens of platforms
171 is only interesting in terms of offering a restricted feature set that works
172 everywhere, not growing dozens of platform-specific extensions.  Busybox
173 should be portable to all hardware platforms Linux supports, and any other
174 similar operating systems that are easy to do and won't require much
175 maintenance.</p>
176
177 <p>In practice, standards compliance tends to be a clean-up step once an
178 applet is otherwise finished.  When polishing and testing a busybox applet,
179 we ensure we have at least the option of full standards compliance, or else
180 document where we (intentionally) fall short.</p>
181
182 <h2><a name="tips" />Programming tips and tricks.</a></h2>
183
184 <p>Various things busybox uses that aren't particularly well documented
185 elsewhere.</p>
186
187 <h2><a name="tips_encrypted_passwords">Encrypted Passwords</a></h2>
188
189 <p>Password fields in /etc/passwd and /etc/shadow are in a special format.
190 If the first character isn't '$', then it's an old DES style password.  If
191 the first character is '$' then the password is actually three fields
192 separated by '$' characters:</p>
193 <pre>
194   <b>$type$salt$encrypted_password</b>
195 </pre>
196
197 <p>The "type" indicates which encryption algorithm to use: 1 for MD5 and 2 for SHA1.</p>
198
199 <p>The "salt" is a bunch of ramdom characters (generally 8) the encryption
200 algorithm uses to perturb the password in a known and reproducible way (such
201 as by appending the random data to the unencrypted password, or combining
202 them with exclusive or).  Salt is randomly generated when setting a password,
203 and then the same salt value is re-used when checking the password.  (Salt is
204 thus stored unencrypted.)</p>
205
206 <p>The advantage of using salt is that the same cleartext password encrypted
207 with a different salt value produces a different encrypted value.
208 If each encrypted password uses a different salt value, an attacker is forced
209 to do the cryptographic math all over again for each password they want to
210 check.  Without salt, they could simply produce a big dictionary of commonly
211 used passwords ahead of time, and look up each password in a stolen password
212 file to see if it's a known value.  (Even if there are billions of possible
213 passwords in the dictionary, checking each one is just a binary search against
214 a file only a few gigabytes long.)  With salt they can't even tell if two
215 different users share the same password without guessing what that password
216 is and decrypting it.  They also can't precompute the attack dictionary for
217 a specific password until they know what the salt value is.</p>
218
219 <p>The third field is the encrypted password (plus the salt).  For md5 this
220 is 22 bytes.</p>
221
222 <p>The busybox function to handle all this is pw_encrypt(clear, salt) in
223 "libbb/pw_encrypt.c".  The first argument is the clear text password to be
224 encrypted, and the second is a string in "$type$salt$password" format, from
225 which the "type" and "salt" fields will be extracted to produce an encrypted
226 value.  (Only the first two fields are needed, the third $ is equivalent to
227 the end of the string.)  The return value is an encrypted password in
228 /etc/passwd format, with all three $ separated fields.  It's stored in
229 a static buffer, 128 bytes long.</p>
230
231 <p>So when checking an existing password, if pw_encrypt(text,
232 old_encrypted_password) returns a string that compares identical to
233 old_encrypted_password, you've got the right password.  When setting a new
234 password, generate a random 8 character salt string, put it in the right
235 format with sprintf(buffer, "$%c$%s", type, salt), and feed buffer as the
236 second argument to pw_encrypt(text,buffer).</p>
237
238 <h2><a name="tips_vfork">Fork and vfork</a></h2>
239
240 <p>Busybox hides the difference between fork() and vfork() in
241 libbb/bb_fork_exec.c.  If you ever want to fork and exec, use bb_fork_exec()
242 (which returns a pid and takes the same arguments as execve(), although in
243 this case envp can be NULL) and don't worry about it.  This description is
244 here in case you want to know why that does what it does.</p>
245
246 <p>On systems that haven't got a Memory Management Unit, fork() is unreasonably
247 expensive to implement, so a less capable function called vfork() is used
248 instead.</p>
249
250 <p>The reason vfork() exists is that if you haven't got an MMU then you can't
251 simply set up a second set of page tables and share the physical memory via
252 copy-on-write, which is what fork() normally does.  This means that actually
253 forking has to copy all the parent's memory (which could easily be tens of
254 megabytes).  And you have to do this even though that memory gets freed again
255 as soon as the exec happens, so it's probably all a big waste of time.</p>
256
257 <p>This is not only slow and a waste of space, it also causes totally
258 unnecessary memory usage spikes based on how big the _parent_ process is (not
259 the child), and these spikes are quite likely to trigger an out of memory
260 condition on small systems (which is where nommu is common anyway).  So
261 although you _can_ emulate a real fork on a nommu system, you really don't
262 want to.</p>
263
264 <p>In theory, vfork() is just a fork() that writeably shares the heap and stack
265 rather than copying it (so what one process writes the other one sees).  In
266 practice, vfork() has to suspend the parent process until the child does exec,
267 at which point the parent wakes up and resumes by returning from the call to
268 vfork().  All modern kernel/libc combinations implement vfork() to put the
269 parent to sleep until the child does its exec.  There's just no other way to
270 make it work: they're sharing the same stack, so if either one returns from its
271 function it stomps on the callstack so that when the other process returns,
272 hilarity ensues.  In fact without suspending the parent there's no way to even
273 store separate copies of the return value (the pid) from the vfork() call
274 itself: both assignments write into the same memory location.</p>
275
276 <p>One way to understand (and in fact implement) vfork() is this: imagine
277 the parent does a setjmp and then continues on (pretending to be the child)
278 until the exec() comes around, then the _exec_ does the actual fork, and the
279 parent does a longjmp back to the original vfork call and continues on from
280 there.  (It thus becomes obvious why the child can't return, or modify
281 local variables it doesn't want the parent to see changed when it resumes.)
282
283 <p>Note a common mistake: the need for vfork doesn't mean you can't have two
284 processes running at the same time.  It means you can't have two processes
285 sharing the same memory without stomping all over each other.  As soon as
286 the child calls exec(), the parent resumes.</p>
287
288 <p>If the child's attempt to call exec() fails, the child should call _exit()
289 rather than a normal exit().  This avoids any atexit() code that might confuse
290 the parent.  (The parent should never call _exit(), only a vforked child that
291 failed to exec.)</p>
292
293 <p>(Now in theory, a nommu system could just copy the _stack_ when it forks
294 (which presumably is much shorter than the heap), and leave the heap shared.
295 In practice, you've just wound up in a multi-threaded situation and you can't
296 do a malloc() or free() on your heap without freeing the other process's memory
297 (and if you don't have the proper locking for being threaded, corrupting the
298 heap if both of you try to do it at the same time and wind up stomping on
299 each other while traversing the free memory lists).  The thing about vfork is
300 that it's a big red flag warning "there be dragons here" rather than
301 something subtle and thus even more dangerous.)</p>
302
303 <h2><a name="tips_sort_read">Short reads and writes</a></h2>
304
305 <p>Busybox has special functions, bb_full_read() and bb_full_write(), to
306 check that all the data we asked for got read or written.  Is this a real
307 world consideration?  Try the following:</p>
308
309 <pre>while true; do echo hello; sleep 1; done | tee out.txt</pre>
310
311 <p>If tee is implemented with bb_full_read(), tee doesn't display output
312 in real time but blocks until its entire input buffer (generally a couple
313 kilobytes) is read, then displays it all at once.  In that case, we _want_
314 the short read, for user interface reasons.  (Note that read() should never
315 return 0 unless it has hit the end of input, and an attempt to write 0
316 bytes should be ignored by the OS.)</p>
317
318 <p>As for short writes, play around with two processes piping data to each
319 other on the command line (cat bigfile | gzip > out.gz) and suspend and
320 resume a few times (ctrl-z to suspend, "fg" to resume).  The writer can
321 experience short writes, which are especially dangerous because if you don't
322 notice them you'll discard data.  They can also happen when a system is under
323 load and a fast process is piping to a slower one.  (Such as an xterm waiting
324 on x11 when the scheduler decides X is being a CPU hog with all that
325 text console scrolling...)</p>
326
327 <p>So will data always be read from the far end of a pipe at the
328 same chunk sizes it was written in?  Nope.  Don't rely on that.  For one
329 counterexample, see <a href="http://www.faqs.org/rfcs/rfc896.html">rfc 896</p>
330 for Nagle's algorithm</a>, which waits a fraction of a second or so before
331 sending out small amounts of data through a TCP/IP connection in case more
332 data comes in that can be merged into the same packet.  (In case you were
333 wondering why action games that use TCP/IP set TCP_NODELAY to lower the latency
334 on their their sockets, now you know.)</p>
335
336 <h2><a name="who">Who are the BusyBox developers?</a></h2>
337
338 <p>The following login accounts currently exist on busybox.net.  (I.E. these
339 people can commit <a href="http://busybox.net/downloads/patches">patches</a>
340 into subversion.)</p>
341
342 <pre>
343 aaronl
344 aldot
345 andersen: Erik Andersen <- Previous maintainer (busy with uClibc and buildroot)
346 beppu
347 bug1    : Glenn McGrath
348 dwhedon
349 erik    : Also Erik Andersen?
350 gfeldman
351 jimg
352 kraai
353 landley : Rob Landley <- Current maintainer
354 lethal
355 markw
356 miles
357 mjn3    : Manuel Nova
358 pgf
359 pkj
360 proski
361 rjune
362 russ
363 sandman
364 sjhill  : Steven J. Hill
365 solar
366 tausq
367 timr
368 vapier
369 vodz    : Vladimir Oleynik
370 </pre>
371
372
373 <br>
374 <br>
375 <br>
376
377 <!--#include file="footer.html" -->