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Linux 3.14
[~andy/linux] / Documentation / memory-barriers.txt
index 919fd604969d68a3b84df01f2364c4db46d46ac2..102dc19c411980d0aa17beeb12f0bcdd38447e29 100644 (file)
@@ -381,33 +381,44 @@ Memory barriers come in four basic varieties:
 
 And a couple of implicit varieties:
 
- (5) LOCK operations.
+ (5) ACQUIRE operations.
 
      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
-     operations after the LOCK operation will appear to happen after the LOCK
-     operation with respect to the other components of the system.
+     operations after the ACQUIRE operation will appear to happen after the
+     ACQUIRE operation with respect to the other components of the system.
+     ACQUIRE operations include LOCK operations and smp_load_acquire()
+     operations.
 
-     Memory operations that occur before a LOCK operation may appear to happen
-     after it completes.
+     Memory operations that occur before an ACQUIRE operation may appear to
+     happen after it completes.
 
-     A LOCK operation should almost always be paired with an UNLOCK operation.
+     An ACQUIRE operation should almost always be paired with a RELEASE
+     operation.
 
 
- (6) UNLOCK operations.
+ (6) RELEASE operations.
 
      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
-     memory operations before the UNLOCK operation will appear to happen before
-     the UNLOCK operation with respect to the other components of the system.
+     memory operations before the RELEASE operation will appear to happen
+     before the RELEASE operation with respect to the other components of the
+     system. RELEASE operations include UNLOCK operations and
+     smp_store_release() operations.
 
-     Memory operations that occur after an UNLOCK operation may appear to
+     Memory operations that occur after a RELEASE operation may appear to
      happen before it completes.
 
-     LOCK and UNLOCK operations are guaranteed to appear with respect to each
-     other strictly in the order specified.
+     The use of ACQUIRE and RELEASE operations generally precludes the need
+     for other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in
+     the subsection "MMIO write barrier").  In addition, a RELEASE+ACQUIRE
+     pair is -not- guaranteed to act as a full memory barrier.  However, after
+     an ACQUIRE on a given variable, all memory accesses preceding any prior
+     RELEASE on that same variable are guaranteed to be visible.  In other
+     words, within a given variable's critical section, all accesses of all
+     previous critical sections for that variable are guaranteed to have
+     completed.
 
-     The use of LOCK and UNLOCK operations generally precludes the need for
-     other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in the
-     subsection "MMIO write barrier").
+     This means that ACQUIRE acts as a minimal "acquire" operation and
+     RELEASE acts as a minimal "release" operation.
 
 
 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
@@ -1579,7 +1590,7 @@ There are some more advanced barrier functions:
        clear_bit( ... );
 
      This prevents memory operations before the clear leaking to after it.  See
-     the subsection on "Locking Functions" with reference to UNLOCK operation
+     the subsection on "Locking Functions" with reference to RELEASE operation
      implications.
 
      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
@@ -1613,8 +1624,8 @@ provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
 of arch specific code.
 
 
-LOCKING FUNCTIONS
------------------
+ACQUIRING FUNCTIONS
+-------------------
 
 The Linux kernel has a number of locking constructs:
 
@@ -1625,65 +1636,107 @@ The Linux kernel has a number of locking constructs:
  (*) R/W semaphores
  (*) RCU
 
-In all cases there are variants on "LOCK" operations and "UNLOCK" operations
+In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
 
- (1) LOCK operation implication:
+ (1) ACQUIRE operation implication:
 
-     Memory operations issued after the LOCK will be completed after the LOCK
-     operation has completed.
+     Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
+     ACQUIRE operation has completed.
 
-     Memory operations issued before the LOCK may be completed after the LOCK
-     operation has completed.
+     Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after the
+     ACQUIRE operation has completed.  An smp_mb__before_spinlock(), combined
+     with a following ACQUIRE, orders prior loads against subsequent stores and
+     stores and prior stores against subsequent stores.  Note that this is
+     weaker than smp_mb()!  The smp_mb__before_spinlock() primitive is free on
+     many architectures.
 
- (2) UNLOCK operation implication:
+ (2) RELEASE operation implication:
 
-     Memory operations issued before the UNLOCK will be completed before the
-     UNLOCK operation has completed.
+     Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
+     RELEASE operation has completed.
 
-     Memory operations issued after the UNLOCK may be completed before the
-     UNLOCK operation has completed.
+     Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
+     RELEASE operation has completed.
 
- (3) LOCK vs LOCK implication:
+ (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
 
-     All LOCK operations issued before another LOCK operation will be completed
-     before that LOCK operation.
+     All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
+     completed before that ACQUIRE operation.
 
- (4) LOCK vs UNLOCK implication:
+ (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
 
-     All LOCK operations issued before an UNLOCK operation will be completed
-     before the UNLOCK operation.
+     All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
+     completed before the RELEASE operation.
 
-     All UNLOCK operations issued before a LOCK operation will be completed
-     before the LOCK operation.
+ (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
 
- (5) Failed conditional LOCK implication:
-
-     Certain variants of the LOCK operation may fail, either due to being
-     unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
+     Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
+     being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
      locks do not imply any sort of barrier.
 
-Therefore, from (1), (2) and (4) an UNLOCK followed by an unconditional LOCK is
-equivalent to a full barrier, but a LOCK followed by an UNLOCK is not.
-
-[!] Note: one of the consequences of LOCKs and UNLOCKs being only one-way
-    barriers is that the effects of instructions outside of a critical section
-    may seep into the inside of the critical section.
+[!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
+one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
+section may seep into the inside of the critical section.
 
-A LOCK followed by an UNLOCK may not be assumed to be full memory barrier
-because it is possible for an access preceding the LOCK to happen after the
-LOCK, and an access following the UNLOCK to happen before the UNLOCK, and the
-two accesses can themselves then cross:
+An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
+because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
+ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
+the two accesses can themselves then cross:
 
        *A = a;
-       LOCK
-       UNLOCK
+       ACQUIRE M
+       RELEASE M
        *B = b;
 
 may occur as:
 
-       LOCK, STORE *B, STORE *A, UNLOCK
+       ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
+
+This same reordering can of course occur if the lock's ACQUIRE and RELEASE are
+to the same lock variable, but only from the perspective of another CPU not
+holding that lock.
+
+In short, a RELEASE followed by an ACQUIRE may -not- be assumed to be a full
+memory barrier because it is possible for a preceding RELEASE to pass a
+later ACQUIRE from the viewpoint of the CPU, but not from the viewpoint
+of the compiler.  Note that deadlocks cannot be introduced by this
+interchange because if such a deadlock threatened, the RELEASE would
+simply complete.
+
+If it is necessary for a RELEASE-ACQUIRE pair to produce a full barrier, the
+ACQUIRE can be followed by an smp_mb__after_unlock_lock() invocation.  This
+will produce a full barrier if either (a) the RELEASE and the ACQUIRE are
+executed by the same CPU or task, or (b) the RELEASE and ACQUIRE act on the
+same variable.  The smp_mb__after_unlock_lock() primitive is free on many
+architectures.  Without smp_mb__after_unlock_lock(), the critical sections
+corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross:
+
+       *A = a;
+       RELEASE M
+       ACQUIRE N
+       *B = b;
+
+could occur as:
+
+       ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
+
+With smp_mb__after_unlock_lock(), they cannot, so that:
+
+       *A = a;
+       RELEASE M
+       ACQUIRE N
+       smp_mb__after_unlock_lock();
+       *B = b;
+
+will always occur as either of the following:
+
+       STORE *A, RELEASE, ACQUIRE, STORE *B
+       STORE *A, ACQUIRE, RELEASE, STORE *B
+
+If the RELEASE and ACQUIRE were instead both operating on the same lock
+variable, only the first of these two alternatives can occur.
 
 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
@@ -1697,33 +1750,33 @@ As an example, consider the following:
 
        *A = a;
        *B = b;
-       LOCK
+       ACQUIRE
        *C = c;
        *D = d;
-       UNLOCK
+       RELEASE
        *E = e;
        *F = f;
 
 The following sequence of events is acceptable:
 
-       LOCK, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, UNLOCK
+       ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
 
        [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
 
 But none of the following are:
 
-       {*F,*A}, *B,    LOCK, *C, *D,   UNLOCK, *E
-       *A, *B, *C,     LOCK, *D,       UNLOCK, *E, *F
-       *A, *B,         LOCK, *C,       UNLOCK, *D, *E, *F
-       *B,             LOCK, *C, *D,   UNLOCK, {*F,*A}, *E
+       {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
+       *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
+       *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
+       *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
 
 
 
 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
 -----------------------------
 
-Functions that disable interrupts (LOCK equivalent) and enable interrupts
-(UNLOCK equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
+Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
+(RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
 other means.
 
@@ -1862,17 +1915,17 @@ Other functions that imply barriers:
  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
 
 
-=================================
-INTER-CPU LOCKING BARRIER EFFECTS
-=================================
+===================================
+INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
+===================================
 
 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
 conflict on any particular lock.
 
 
-LOCKS VS MEMORY ACCESSES
-------------------------
+ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
+---------------------------
 
 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
@@ -1880,24 +1933,24 @@ three CPUs; then should the following sequence of events occur:
        CPU 1                           CPU 2
        =============================== ===============================
        ACCESS_ONCE(*A) = a;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
-       LOCK M                          LOCK Q
+       ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
        ACCESS_ONCE(*B) = b;            ACCESS_ONCE(*F) = f;
        ACCESS_ONCE(*C) = c;            ACCESS_ONCE(*G) = g;
-       UNLOCK M                        UNLOCK Q
+       RELEASE M                       RELEASE Q
        ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*H) = h;
 
 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
 on the separate CPUs. It might, for example, see:
 
-       *E, LOCK M, LOCK Q, *G, *C, *F, *A, *B, UNLOCK Q, *D, *H, UNLOCK M
+       *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
 
 But it won't see any of:
 
-       *B, *C or *D preceding LOCK M
-       *A, *B or *C following UNLOCK M
-       *F, *G or *H preceding LOCK Q
-       *E, *F or *G following UNLOCK Q
+       *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
+       *A, *B or *C following RELEASE M
+       *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
+       *E, *F or *G following RELEASE Q
 
 
 However, if the following occurs:
@@ -1905,32 +1958,38 @@ However, if the following occurs:
        CPU 1                           CPU 2
        =============================== ===============================
        ACCESS_ONCE(*A) = a;
-       LOCK M               [1]
+       ACQUIRE M                    [1]
        ACCESS_ONCE(*B) = b;
        ACCESS_ONCE(*C) = c;
-       UNLOCK M             [1]
+       RELEASE M            [1]
        ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
-                                       LOCK M               [2]
+                                       ACQUIRE M                    [2]
+                                       smp_mb__after_unlock_lock();
                                        ACCESS_ONCE(*F) = f;
                                        ACCESS_ONCE(*G) = g;
-                                       UNLOCK M             [2]
+                                       RELEASE M            [2]
                                        ACCESS_ONCE(*H) = h;
 
 CPU 3 might see:
 
-       *E, LOCK M [1], *C, *B, *A, UNLOCK M [1],
-               LOCK M [2], *H, *F, *G, UNLOCK M [2], *D
+       *E, ACQUIRE M [1], *C, *B, *A, RELEASE M [1],
+               ACQUIRE M [2], *H, *F, *G, RELEASE M [2], *D
 
 But assuming CPU 1 gets the lock first, CPU 3 won't see any of:
 
-       *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding LOCK M [1]
-       *A, *B or *C following UNLOCK M [1]
-       *F, *G or *H preceding LOCK M [2]
-       *A, *B, *C, *E, *F or *G following UNLOCK M [2]
+       *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [1]
+       *A, *B or *C following RELEASE M [1]
+       *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [2]
+       *A, *B, *C, *E, *F or *G following RELEASE M [2]
+
+Note that the smp_mb__after_unlock_lock() is critically important
+here: Without it CPU 3 might see some of the above orderings.
+Without smp_mb__after_unlock_lock(), the accesses are not guaranteed
+to be seen in order unless CPU 3 holds lock M.
 
 
-LOCKS VS I/O ACCESSES
----------------------
+ACQUIRES VS I/O ACCESSES
+------------------------
 
 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
@@ -2148,13 +2207,13 @@ explicit lock operations, described later).  These include:
        /* when succeeds (returns 1) */
        atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
 
-These are used for such things as implementing LOCK-class and UNLOCK-class
+These are used for such things as implementing ACQUIRE-class and RELEASE-class
 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
 such the implicit memory barrier effects are necessary.
 
 
 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
-barriers, but might be used for implementing such things as UNLOCK-class
+barriers, but might be used for implementing such things as RELEASE-class
 operations:
 
        atomic_set();
@@ -2196,7 +2255,7 @@ The following operations are special locking primitives:
        clear_bit_unlock();
        __clear_bit_unlock();
 
-These implement LOCK-class and UNLOCK-class operations. These should be used in
+These implement ACQUIRE-class and RELEASE-class operations. These should be used in
 preference to other operations when implementing locking primitives, because
 their implementations can be optimised on many architectures.