]> git.karo-electronics.de Git - karo-tx-linux.git/blob - lib/lru_cache.c
wext: Fix 32 bit iwpriv compatibility issue with 64 bit Kernel
[karo-tx-linux.git] / lib / lru_cache.c
1 /*
2    lru_cache.c
3
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5
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9
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24  */
25
26 #include <linux/module.h>
27 #include <linux/bitops.h>
28 #include <linux/slab.h>
29 #include <linux/string.h> /* for memset */
30 #include <linux/seq_file.h> /* for seq_printf */
31 #include <linux/lru_cache.h>
32
33 MODULE_AUTHOR("Philipp Reisner <phil@linbit.com>, "
34               "Lars Ellenberg <lars@linbit.com>");
35 MODULE_DESCRIPTION("lru_cache - Track sets of hot objects");
36 MODULE_LICENSE("GPL");
37
38 /* this is developers aid only.
39  * it catches concurrent access (lack of locking on the users part) */
40 #define PARANOIA_ENTRY() do {           \
41         BUG_ON(!lc);                    \
42         BUG_ON(!lc->nr_elements);       \
43         BUG_ON(test_and_set_bit(__LC_PARANOIA, &lc->flags)); \
44 } while (0)
45
46 #define RETURN(x...)     do { \
47         clear_bit_unlock(__LC_PARANOIA, &lc->flags); \
48         return x ; } while (0)
49
50 /* BUG() if e is not one of the elements tracked by lc */
51 #define PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e) do { \
52         struct lru_cache *lc_ = (lc);   \
53         struct lc_element *e_ = (e);    \
54         unsigned i = e_->lc_index;      \
55         BUG_ON(i >= lc_->nr_elements);  \
56         BUG_ON(lc_->lc_element[i] != e_); } while (0)
57
58
59 /* We need to atomically
60  *  - try to grab the lock (set LC_LOCKED)
61  *  - only if there is no pending transaction
62  *    (neither LC_DIRTY nor LC_STARVING is set)
63  * Because of PARANOIA_ENTRY() above abusing lc->flags as well,
64  * it is not sufficient to just say
65  *      return 0 == cmpxchg(&lc->flags, 0, LC_LOCKED);
66  */
67 int lc_try_lock(struct lru_cache *lc)
68 {
69         unsigned long val;
70         do {
71                 val = cmpxchg(&lc->flags, 0, LC_LOCKED);
72         } while (unlikely (val == LC_PARANOIA));
73         /* Spin until no-one is inside a PARANOIA_ENTRY()/RETURN() section. */
74         return 0 == val;
75 #if 0
76         /* Alternative approach, spin in case someone enters or leaves a
77          * PARANOIA_ENTRY()/RETURN() section. */
78         unsigned long old, new, val;
79         do {
80                 old = lc->flags & LC_PARANOIA;
81                 new = old | LC_LOCKED;
82                 val = cmpxchg(&lc->flags, old, new);
83         } while (unlikely (val == (old ^ LC_PARANOIA)));
84         return old == val;
85 #endif
86 }
87
88 /**
89  * lc_create - prepares to track objects in an active set
90  * @name: descriptive name only used in lc_seq_printf_stats and lc_seq_dump_details
91  * @max_pending_changes: maximum changes to accumulate until a transaction is required
92  * @e_count: number of elements allowed to be active simultaneously
93  * @e_size: size of the tracked objects
94  * @e_off: offset to the &struct lc_element member in a tracked object
95  *
96  * Returns a pointer to a newly initialized struct lru_cache on success,
97  * or NULL on (allocation) failure.
98  */
99 struct lru_cache *lc_create(const char *name, struct kmem_cache *cache,
100                 unsigned max_pending_changes,
101                 unsigned e_count, size_t e_size, size_t e_off)
102 {
103         struct hlist_head *slot = NULL;
104         struct lc_element **element = NULL;
105         struct lru_cache *lc;
106         struct lc_element *e;
107         unsigned cache_obj_size = kmem_cache_size(cache);
108         unsigned i;
109
110         WARN_ON(cache_obj_size < e_size);
111         if (cache_obj_size < e_size)
112                 return NULL;
113
114         /* e_count too big; would probably fail the allocation below anyways.
115          * for typical use cases, e_count should be few thousand at most. */
116         if (e_count > LC_MAX_ACTIVE)
117                 return NULL;
118
119         slot = kcalloc(e_count, sizeof(struct hlist_head), GFP_KERNEL);
120         if (!slot)
121                 goto out_fail;
122         element = kzalloc(e_count * sizeof(struct lc_element *), GFP_KERNEL);
123         if (!element)
124                 goto out_fail;
125
126         lc = kzalloc(sizeof(*lc), GFP_KERNEL);
127         if (!lc)
128                 goto out_fail;
129
130         INIT_LIST_HEAD(&lc->in_use);
131         INIT_LIST_HEAD(&lc->lru);
132         INIT_LIST_HEAD(&lc->free);
133         INIT_LIST_HEAD(&lc->to_be_changed);
134
135         lc->name = name;
136         lc->element_size = e_size;
137         lc->element_off = e_off;
138         lc->nr_elements = e_count;
139         lc->max_pending_changes = max_pending_changes;
140         lc->lc_cache = cache;
141         lc->lc_element = element;
142         lc->lc_slot = slot;
143
144         /* preallocate all objects */
145         for (i = 0; i < e_count; i++) {
146                 void *p = kmem_cache_alloc(cache, GFP_KERNEL);
147                 if (!p)
148                         break;
149                 memset(p, 0, lc->element_size);
150                 e = p + e_off;
151                 e->lc_index = i;
152                 e->lc_number = LC_FREE;
153                 e->lc_new_number = LC_FREE;
154                 list_add(&e->list, &lc->free);
155                 element[i] = e;
156         }
157         if (i == e_count)
158                 return lc;
159
160         /* else: could not allocate all elements, give up */
161         for (i--; i; i--) {
162                 void *p = element[i];
163                 kmem_cache_free(cache, p - e_off);
164         }
165         kfree(lc);
166 out_fail:
167         kfree(element);
168         kfree(slot);
169         return NULL;
170 }
171
172 static void lc_free_by_index(struct lru_cache *lc, unsigned i)
173 {
174         void *p = lc->lc_element[i];
175         WARN_ON(!p);
176         if (p) {
177                 p -= lc->element_off;
178                 kmem_cache_free(lc->lc_cache, p);
179         }
180 }
181
182 /**
183  * lc_destroy - frees memory allocated by lc_create()
184  * @lc: the lru cache to destroy
185  */
186 void lc_destroy(struct lru_cache *lc)
187 {
188         unsigned i;
189         if (!lc)
190                 return;
191         for (i = 0; i < lc->nr_elements; i++)
192                 lc_free_by_index(lc, i);
193         kfree(lc->lc_element);
194         kfree(lc->lc_slot);
195         kfree(lc);
196 }
197
198 /**
199  * lc_reset - does a full reset for @lc and the hash table slots.
200  * @lc: the lru cache to operate on
201  *
202  * It is roughly the equivalent of re-allocating a fresh lru_cache object,
203  * basically a short cut to lc_destroy(lc); lc = lc_create(...);
204  */
205 void lc_reset(struct lru_cache *lc)
206 {
207         unsigned i;
208
209         INIT_LIST_HEAD(&lc->in_use);
210         INIT_LIST_HEAD(&lc->lru);
211         INIT_LIST_HEAD(&lc->free);
212         INIT_LIST_HEAD(&lc->to_be_changed);
213         lc->used = 0;
214         lc->hits = 0;
215         lc->misses = 0;
216         lc->starving = 0;
217         lc->locked = 0;
218         lc->changed = 0;
219         lc->pending_changes = 0;
220         lc->flags = 0;
221         memset(lc->lc_slot, 0, sizeof(struct hlist_head) * lc->nr_elements);
222
223         for (i = 0; i < lc->nr_elements; i++) {
224                 struct lc_element *e = lc->lc_element[i];
225                 void *p = e;
226                 p -= lc->element_off;
227                 memset(p, 0, lc->element_size);
228                 /* re-init it */
229                 e->lc_index = i;
230                 e->lc_number = LC_FREE;
231                 e->lc_new_number = LC_FREE;
232                 list_add(&e->list, &lc->free);
233         }
234 }
235
236 /**
237  * lc_seq_printf_stats - print stats about @lc into @seq
238  * @seq: the seq_file to print into
239  * @lc: the lru cache to print statistics of
240  */
241 size_t lc_seq_printf_stats(struct seq_file *seq, struct lru_cache *lc)
242 {
243         /* NOTE:
244          * total calls to lc_get are
245          * (starving + hits + misses)
246          * misses include "locked" count (update from an other thread in
247          * progress) and "changed", when this in fact lead to an successful
248          * update of the cache.
249          */
250         seq_printf(seq, "\t%s: used:%u/%u hits:%lu misses:%lu starving:%lu locked:%lu changed:%lu\n",
251                    lc->name, lc->used, lc->nr_elements,
252                    lc->hits, lc->misses, lc->starving, lc->locked, lc->changed);
253
254         return 0;
255 }
256
257 static struct hlist_head *lc_hash_slot(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
258 {
259         return  lc->lc_slot + (enr % lc->nr_elements);
260 }
261
262
263 static struct lc_element *__lc_find(struct lru_cache *lc, unsigned int enr,
264                 bool include_changing)
265 {
266         struct lc_element *e;
267
268         BUG_ON(!lc);
269         BUG_ON(!lc->nr_elements);
270         hlist_for_each_entry(e, lc_hash_slot(lc, enr), colision) {
271                 /* "about to be changed" elements, pending transaction commit,
272                  * are hashed by their "new number". "Normal" elements have
273                  * lc_number == lc_new_number. */
274                 if (e->lc_new_number != enr)
275                         continue;
276                 if (e->lc_new_number == e->lc_number || include_changing)
277                         return e;
278                 break;
279         }
280         return NULL;
281 }
282
283 /**
284  * lc_find - find element by label, if present in the hash table
285  * @lc: The lru_cache object
286  * @enr: element number
287  *
288  * Returns the pointer to an element, if the element with the requested
289  * "label" or element number is present in the hash table,
290  * or NULL if not found. Does not change the refcnt.
291  * Ignores elements that are "about to be used", i.e. not yet in the active
292  * set, but still pending transaction commit.
293  */
294 struct lc_element *lc_find(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
295 {
296         return __lc_find(lc, enr, 0);
297 }
298
299 /**
300  * lc_is_used - find element by label
301  * @lc: The lru_cache object
302  * @enr: element number
303  *
304  * Returns true, if the element with the requested "label" or element number is
305  * present in the hash table, and is used (refcnt > 0).
306  * Also finds elements that are not _currently_ used but only "about to be
307  * used", i.e. on the "to_be_changed" list, pending transaction commit.
308  */
309 bool lc_is_used(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
310 {
311         struct lc_element *e = __lc_find(lc, enr, 1);
312         return e && e->refcnt;
313 }
314
315 /**
316  * lc_del - removes an element from the cache
317  * @lc: The lru_cache object
318  * @e: The element to remove
319  *
320  * @e must be unused (refcnt == 0). Moves @e from "lru" to "free" list,
321  * sets @e->enr to %LC_FREE.
322  */
323 void lc_del(struct lru_cache *lc, struct lc_element *e)
324 {
325         PARANOIA_ENTRY();
326         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
327         BUG_ON(e->refcnt);
328
329         e->lc_number = e->lc_new_number = LC_FREE;
330         hlist_del_init(&e->colision);
331         list_move(&e->list, &lc->free);
332         RETURN();
333 }
334
335 static struct lc_element *lc_prepare_for_change(struct lru_cache *lc, unsigned new_number)
336 {
337         struct list_head *n;
338         struct lc_element *e;
339
340         if (!list_empty(&lc->free))
341                 n = lc->free.next;
342         else if (!list_empty(&lc->lru))
343                 n = lc->lru.prev;
344         else
345                 return NULL;
346
347         e = list_entry(n, struct lc_element, list);
348         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
349
350         e->lc_new_number = new_number;
351         if (!hlist_unhashed(&e->colision))
352                 __hlist_del(&e->colision);
353         hlist_add_head(&e->colision, lc_hash_slot(lc, new_number));
354         list_move(&e->list, &lc->to_be_changed);
355
356         return e;
357 }
358
359 static int lc_unused_element_available(struct lru_cache *lc)
360 {
361         if (!list_empty(&lc->free))
362                 return 1; /* something on the free list */
363         if (!list_empty(&lc->lru))
364                 return 1;  /* something to evict */
365
366         return 0;
367 }
368
369 /* used as internal flags to __lc_get */
370 enum {
371         LC_GET_MAY_CHANGE = 1,
372         LC_GET_MAY_USE_UNCOMMITTED = 2,
373 };
374
375 static struct lc_element *__lc_get(struct lru_cache *lc, unsigned int enr, unsigned int flags)
376 {
377         struct lc_element *e;
378
379         PARANOIA_ENTRY();
380         if (lc->flags & LC_STARVING) {
381                 ++lc->starving;
382                 RETURN(NULL);
383         }
384
385         e = __lc_find(lc, enr, 1);
386         /* if lc_new_number != lc_number,
387          * this enr is currently being pulled in already,
388          * and will be available once the pending transaction
389          * has been committed. */
390         if (e) {
391                 if (e->lc_new_number != e->lc_number) {
392                         /* It has been found above, but on the "to_be_changed"
393                          * list, not yet committed.  Don't pull it in twice,
394                          * wait for the transaction, then try again...
395                          */
396                         if (!(flags & LC_GET_MAY_USE_UNCOMMITTED))
397                                 RETURN(NULL);
398                         /* ... unless the caller is aware of the implications,
399                          * probably preparing a cumulative transaction. */
400                         ++e->refcnt;
401                         ++lc->hits;
402                         RETURN(e);
403                 }
404                 /* else: lc_new_number == lc_number; a real hit. */
405                 ++lc->hits;
406                 if (e->refcnt++ == 0)
407                         lc->used++;
408                 list_move(&e->list, &lc->in_use); /* Not evictable... */
409                 RETURN(e);
410         }
411         /* e == NULL */
412
413         ++lc->misses;
414         if (!(flags & LC_GET_MAY_CHANGE))
415                 RETURN(NULL);
416
417         /* To avoid races with lc_try_lock(), first, mark us dirty
418          * (using test_and_set_bit, as it implies memory barriers), ... */
419         test_and_set_bit(__LC_DIRTY, &lc->flags);
420
421         /* ... only then check if it is locked anyways. If lc_unlock clears
422          * the dirty bit again, that's not a problem, we will come here again.
423          */
424         if (test_bit(__LC_LOCKED, &lc->flags)) {
425                 ++lc->locked;
426                 RETURN(NULL);
427         }
428
429         /* In case there is nothing available and we can not kick out
430          * the LRU element, we have to wait ...
431          */
432         if (!lc_unused_element_available(lc)) {
433                 __set_bit(__LC_STARVING, &lc->flags);
434                 RETURN(NULL);
435         }
436
437         /* It was not present in the active set.  We are going to recycle an
438          * unused (or even "free") element, but we won't accumulate more than
439          * max_pending_changes changes.  */
440         if (lc->pending_changes >= lc->max_pending_changes)
441                 RETURN(NULL);
442
443         e = lc_prepare_for_change(lc, enr);
444         BUG_ON(!e);
445
446         clear_bit(__LC_STARVING, &lc->flags);
447         BUG_ON(++e->refcnt != 1);
448         lc->used++;
449         lc->pending_changes++;
450
451         RETURN(e);
452 }
453
454 /**
455  * lc_get - get element by label, maybe change the active set
456  * @lc: the lru cache to operate on
457  * @enr: the label to look up
458  *
459  * Finds an element in the cache, increases its usage count,
460  * "touches" and returns it.
461  *
462  * In case the requested number is not present, it needs to be added to the
463  * cache. Therefore it is possible that an other element becomes evicted from
464  * the cache. In either case, the user is notified so he is able to e.g. keep
465  * a persistent log of the cache changes, and therefore the objects in use.
466  *
467  * Return values:
468  *  NULL
469  *     The cache was marked %LC_STARVING,
470  *     or the requested label was not in the active set
471  *     and a changing transaction is still pending (@lc was marked %LC_DIRTY).
472  *     Or no unused or free element could be recycled (@lc will be marked as
473  *     %LC_STARVING, blocking further lc_get() operations).
474  *
475  *  pointer to the element with the REQUESTED element number.
476  *     In this case, it can be used right away
477  *
478  *  pointer to an UNUSED element with some different element number,
479  *          where that different number may also be %LC_FREE.
480  *
481  *          In this case, the cache is marked %LC_DIRTY,
482  *          so lc_try_lock() will no longer succeed.
483  *          The returned element pointer is moved to the "to_be_changed" list,
484  *          and registered with the new element number on the hash collision chains,
485  *          so it is possible to pick it up from lc_is_used().
486  *          Up to "max_pending_changes" (see lc_create()) can be accumulated.
487  *          The user now should do whatever housekeeping is necessary,
488  *          typically serialize on lc_try_lock_for_transaction(), then call
489  *          lc_committed(lc) and lc_unlock(), to finish the change.
490  *
491  * NOTE: The user needs to check the lc_number on EACH use, so he recognizes
492  *       any cache set change.
493  */
494 struct lc_element *lc_get(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
495 {
496         return __lc_get(lc, enr, LC_GET_MAY_CHANGE);
497 }
498
499 /**
500  * lc_get_cumulative - like lc_get; also finds to-be-changed elements
501  * @lc: the lru cache to operate on
502  * @enr: the label to look up
503  *
504  * Unlike lc_get this also returns the element for @enr, if it is belonging to
505  * a pending transaction, so the return values are like for lc_get(),
506  * plus:
507  *
508  * pointer to an element already on the "to_be_changed" list.
509  *      In this case, the cache was already marked %LC_DIRTY.
510  *
511  * Caller needs to make sure that the pending transaction is completed,
512  * before proceeding to actually use this element.
513  */
514 struct lc_element *lc_get_cumulative(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
515 {
516         return __lc_get(lc, enr, LC_GET_MAY_CHANGE|LC_GET_MAY_USE_UNCOMMITTED);
517 }
518
519 /**
520  * lc_try_get - get element by label, if present; do not change the active set
521  * @lc: the lru cache to operate on
522  * @enr: the label to look up
523  *
524  * Finds an element in the cache, increases its usage count,
525  * "touches" and returns it.
526  *
527  * Return values:
528  *  NULL
529  *     The cache was marked %LC_STARVING,
530  *     or the requested label was not in the active set
531  *
532  *  pointer to the element with the REQUESTED element number.
533  *     In this case, it can be used right away
534  */
535 struct lc_element *lc_try_get(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
536 {
537         return __lc_get(lc, enr, 0);
538 }
539
540 /**
541  * lc_committed - tell @lc that pending changes have been recorded
542  * @lc: the lru cache to operate on
543  *
544  * User is expected to serialize on explicit lc_try_lock_for_transaction()
545  * before the transaction is started, and later needs to lc_unlock() explicitly
546  * as well.
547  */
548 void lc_committed(struct lru_cache *lc)
549 {
550         struct lc_element *e, *tmp;
551
552         PARANOIA_ENTRY();
553         list_for_each_entry_safe(e, tmp, &lc->to_be_changed, list) {
554                 /* count number of changes, not number of transactions */
555                 ++lc->changed;
556                 e->lc_number = e->lc_new_number;
557                 list_move(&e->list, &lc->in_use);
558         }
559         lc->pending_changes = 0;
560         RETURN();
561 }
562
563
564 /**
565  * lc_put - give up refcnt of @e
566  * @lc: the lru cache to operate on
567  * @e: the element to put
568  *
569  * If refcnt reaches zero, the element is moved to the lru list,
570  * and a %LC_STARVING (if set) is cleared.
571  * Returns the new (post-decrement) refcnt.
572  */
573 unsigned int lc_put(struct lru_cache *lc, struct lc_element *e)
574 {
575         PARANOIA_ENTRY();
576         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
577         BUG_ON(e->refcnt == 0);
578         BUG_ON(e->lc_number != e->lc_new_number);
579         if (--e->refcnt == 0) {
580                 /* move it to the front of LRU. */
581                 list_move(&e->list, &lc->lru);
582                 lc->used--;
583                 clear_bit_unlock(__LC_STARVING, &lc->flags);
584         }
585         RETURN(e->refcnt);
586 }
587
588 /**
589  * lc_element_by_index
590  * @lc: the lru cache to operate on
591  * @i: the index of the element to return
592  */
593 struct lc_element *lc_element_by_index(struct lru_cache *lc, unsigned i)
594 {
595         BUG_ON(i >= lc->nr_elements);
596         BUG_ON(lc->lc_element[i] == NULL);
597         BUG_ON(lc->lc_element[i]->lc_index != i);
598         return lc->lc_element[i];
599 }
600
601 /**
602  * lc_index_of
603  * @lc: the lru cache to operate on
604  * @e: the element to query for its index position in lc->element
605  */
606 unsigned int lc_index_of(struct lru_cache *lc, struct lc_element *e)
607 {
608         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
609         return e->lc_index;
610 }
611
612 /**
613  * lc_set - associate index with label
614  * @lc: the lru cache to operate on
615  * @enr: the label to set
616  * @index: the element index to associate label with.
617  *
618  * Used to initialize the active set to some previously recorded state.
619  */
620 void lc_set(struct lru_cache *lc, unsigned int enr, int index)
621 {
622         struct lc_element *e;
623         struct list_head *lh;
624
625         if (index < 0 || index >= lc->nr_elements)
626                 return;
627
628         e = lc_element_by_index(lc, index);
629         BUG_ON(e->lc_number != e->lc_new_number);
630         BUG_ON(e->refcnt != 0);
631
632         e->lc_number = e->lc_new_number = enr;
633         hlist_del_init(&e->colision);
634         if (enr == LC_FREE)
635                 lh = &lc->free;
636         else {
637                 hlist_add_head(&e->colision, lc_hash_slot(lc, enr));
638                 lh = &lc->lru;
639         }
640         list_move(&e->list, lh);
641 }
642
643 /**
644  * lc_dump - Dump a complete LRU cache to seq in textual form.
645  * @lc: the lru cache to operate on
646  * @seq: the &struct seq_file pointer to seq_printf into
647  * @utext: user supplied additional "heading" or other info
648  * @detail: function pointer the user may provide to dump further details
649  * of the object the lc_element is embedded in. May be NULL.
650  * Note: a leading space ' ' and trailing newline '\n' is implied.
651  */
652 void lc_seq_dump_details(struct seq_file *seq, struct lru_cache *lc, char *utext,
653              void (*detail) (struct seq_file *, struct lc_element *))
654 {
655         unsigned int nr_elements = lc->nr_elements;
656         struct lc_element *e;
657         int i;
658
659         seq_printf(seq, "\tnn: lc_number (new nr) refcnt %s\n ", utext);
660         for (i = 0; i < nr_elements; i++) {
661                 e = lc_element_by_index(lc, i);
662                 if (e->lc_number != e->lc_new_number)
663                         seq_printf(seq, "\t%5d: %6d %8d %6d ",
664                                 i, e->lc_number, e->lc_new_number, e->refcnt);
665                 else
666                         seq_printf(seq, "\t%5d: %6d %-8s %6d ",
667                                 i, e->lc_number, "-\"-", e->refcnt);
668                 if (detail)
669                         detail(seq, e);
670                 seq_putc(seq, '\n');
671         }
672 }
673
674 EXPORT_SYMBOL(lc_create);
675 EXPORT_SYMBOL(lc_reset);
676 EXPORT_SYMBOL(lc_destroy);
677 EXPORT_SYMBOL(lc_set);
678 EXPORT_SYMBOL(lc_del);
679 EXPORT_SYMBOL(lc_try_get);
680 EXPORT_SYMBOL(lc_find);
681 EXPORT_SYMBOL(lc_get);
682 EXPORT_SYMBOL(lc_put);
683 EXPORT_SYMBOL(lc_committed);
684 EXPORT_SYMBOL(lc_element_by_index);
685 EXPORT_SYMBOL(lc_index_of);
686 EXPORT_SYMBOL(lc_seq_printf_stats);
687 EXPORT_SYMBOL(lc_seq_dump_details);
688 EXPORT_SYMBOL(lc_try_lock);
689 EXPORT_SYMBOL(lc_is_used);
690 EXPORT_SYMBOL(lc_get_cumulative);