Linux 4.15.6
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / RCU / rcu_dereference.txt
blob1acb26b09b48bf2877c0bd4b96a72f9d9758c045
1 PROPER CARE AND FEEDING OF RETURN VALUES FROM rcu_dereference()
3 Most of the time, you can use values from rcu_dereference() or one of
4 the similar primitives without worries.  Dereferencing (prefix "*"),
5 field selection ("->"), assignment ("="), address-of ("&"), addition and
6 subtraction of constants, and casts all work quite naturally and safely.
8 It is nevertheless possible to get into trouble with other operations.
9 Follow these rules to keep your RCU code working properly:
11 o       You must use one of the rcu_dereference() family of primitives
12         to load an RCU-protected pointer, otherwise CONFIG_PROVE_RCU
13         will complain.  Worse yet, your code can see random memory-corruption
14         bugs due to games that compilers and DEC Alpha can play.
15         Without one of the rcu_dereference() primitives, compilers
16         can reload the value, and won't your code have fun with two
17         different values for a single pointer!  Without rcu_dereference(),
18         DEC Alpha can load a pointer, dereference that pointer, and
19         return data preceding initialization that preceded the store of
20         the pointer.
22         In addition, the volatile cast in rcu_dereference() prevents the
23         compiler from deducing the resulting pointer value.  Please see
24         the section entitled "EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH"
25         for an example where the compiler can in fact deduce the exact
26         value of the pointer, and thus cause misordering.
28 o       You are only permitted to use rcu_dereference on pointer values.
29         The compiler simply knows too much about integral values to
30         trust it to carry dependencies through integer operations.
31         There are a very few exceptions, namely that you can temporarily
32         cast the pointer to uintptr_t in order to:
34         o       Set bits and clear bits down in the must-be-zero low-order
35                 bits of that pointer.  This clearly means that the pointer
36                 must have alignment constraints, for example, this does
37                 -not- work in general for char* pointers.
39         o       XOR bits to translate pointers, as is done in some
40                 classic buddy-allocator algorithms.
42         It is important to cast the value back to pointer before
43         doing much of anything else with it.
45 o       Avoid cancellation when using the "+" and "-" infix arithmetic
46         operators.  For example, for a given variable "x", avoid
47         "(x-(uintptr_t)x)" for char* pointers.  The compiler is within its
48         rights to substitute zero for this sort of expression, so that
49         subsequent accesses no longer depend on the rcu_dereference(),
50         again possibly resulting in bugs due to misordering.
52         Of course, if "p" is a pointer from rcu_dereference(), and "a"
53         and "b" are integers that happen to be equal, the expression
54         "p+a-b" is safe because its value still necessarily depends on
55         the rcu_dereference(), thus maintaining proper ordering.
57 o       If you are using RCU to protect JITed functions, so that the
58         "()" function-invocation operator is applied to a value obtained
59         (directly or indirectly) from rcu_dereference(), you may need to
60         interact directly with the hardware to flush instruction caches.
61         This issue arises on some systems when a newly JITed function is
62         using the same memory that was used by an earlier JITed function.
64 o       Do not use the results from relational operators ("==", "!=",
65         ">", ">=", "<", or "<=") when dereferencing.  For example,
66         the following (quite strange) code is buggy:
68                 int *p;
69                 int *q;
71                 ...
73                 p = rcu_dereference(gp)
74                 q = &global_q;
75                 q += p > &oom_p;
76                 r1 = *q;  /* BUGGY!!! */
78         As before, the reason this is buggy is that relational operators
79         are often compiled using branches.  And as before, although
80         weak-memory machines such as ARM or PowerPC do order stores
81         after such branches, but can speculate loads, which can again
82         result in misordering bugs.
84 o       Be very careful about comparing pointers obtained from
85         rcu_dereference() against non-NULL values.  As Linus Torvalds
86         explained, if the two pointers are equal, the compiler could
87         substitute the pointer you are comparing against for the pointer
88         obtained from rcu_dereference().  For example:
90                 p = rcu_dereference(gp);
91                 if (p == &default_struct)
92                         do_default(p->a);
94         Because the compiler now knows that the value of "p" is exactly
95         the address of the variable "default_struct", it is free to
96         transform this code into the following:
98                 p = rcu_dereference(gp);
99                 if (p == &default_struct)
100                         do_default(default_struct.a);
102         On ARM and Power hardware, the load from "default_struct.a"
103         can now be speculated, such that it might happen before the
104         rcu_dereference().  This could result in bugs due to misordering.
106         However, comparisons are OK in the following cases:
108         o       The comparison was against the NULL pointer.  If the
109                 compiler knows that the pointer is NULL, you had better
110                 not be dereferencing it anyway.  If the comparison is
111                 non-equal, the compiler is none the wiser.  Therefore,
112                 it is safe to compare pointers from rcu_dereference()
113                 against NULL pointers.
115         o       The pointer is never dereferenced after being compared.
116                 Since there are no subsequent dereferences, the compiler
117                 cannot use anything it learned from the comparison
118                 to reorder the non-existent subsequent dereferences.
119                 This sort of comparison occurs frequently when scanning
120                 RCU-protected circular linked lists.
122                 Note that if checks for being within an RCU read-side
123                 critical section are not required and the pointer is never
124                 dereferenced, rcu_access_pointer() should be used in place
125                 of rcu_dereference(). The rcu_access_pointer() primitive
126                 does not require an enclosing read-side critical section,
127                 and also omits the smp_read_barrier_depends() included in
128                 rcu_dereference(), which in turn should provide a small
129                 performance gain in some CPUs (e.g., the DEC Alpha).
131         o       The comparison is against a pointer that references memory
132                 that was initialized "a long time ago."  The reason
133                 this is safe is that even if misordering occurs, the
134                 misordering will not affect the accesses that follow
135                 the comparison.  So exactly how long ago is "a long
136                 time ago"?  Here are some possibilities:
138                 o       Compile time.
140                 o       Boot time.
142                 o       Module-init time for module code.
144                 o       Prior to kthread creation for kthread code.
146                 o       During some prior acquisition of the lock that
147                         we now hold.
149                 o       Before mod_timer() time for a timer handler.
151                 There are many other possibilities involving the Linux
152                 kernel's wide array of primitives that cause code to
153                 be invoked at a later time.
155         o       The pointer being compared against also came from
156                 rcu_dereference().  In this case, both pointers depend
157                 on one rcu_dereference() or another, so you get proper
158                 ordering either way.
160                 That said, this situation can make certain RCU usage
161                 bugs more likely to happen.  Which can be a good thing,
162                 at least if they happen during testing.  An example
163                 of such an RCU usage bug is shown in the section titled
164                 "EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG".
166         o       All of the accesses following the comparison are stores,
167                 so that a control dependency preserves the needed ordering.
168                 That said, it is easy to get control dependencies wrong.
169                 Please see the "CONTROL DEPENDENCIES" section of
170                 Documentation/memory-barriers.txt for more details.
172         o       The pointers are not equal -and- the compiler does
173                 not have enough information to deduce the value of the
174                 pointer.  Note that the volatile cast in rcu_dereference()
175                 will normally prevent the compiler from knowing too much.
177                 However, please note that if the compiler knows that the
178                 pointer takes on only one of two values, a not-equal
179                 comparison will provide exactly the information that the
180                 compiler needs to deduce the value of the pointer.
182 o       Disable any value-speculation optimizations that your compiler
183         might provide, especially if you are making use of feedback-based
184         optimizations that take data collected from prior runs.  Such
185         value-speculation optimizations reorder operations by design.
187         There is one exception to this rule:  Value-speculation
188         optimizations that leverage the branch-prediction hardware are
189         safe on strongly ordered systems (such as x86), but not on weakly
190         ordered systems (such as ARM or Power).  Choose your compiler
191         command-line options wisely!
194 EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG
196 Because updaters can run concurrently with RCU readers, RCU readers can
197 see stale and/or inconsistent values.  If RCU readers need fresh or
198 consistent values, which they sometimes do, they need to take proper
199 precautions.  To see this, consider the following code fragment:
201         struct foo {
202                 int a;
203                 int b;
204                 int c;
205         };
206         struct foo *gp1;
207         struct foo *gp2;
209         void updater(void)
210         {
211                 struct foo *p;
213                 p = kmalloc(...);
214                 if (p == NULL)
215                         deal_with_it();
216                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
217                 p->b = 43;
218                 p->c = 44;
219                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
220                 p->b = 143;
221                 p->c = 144;
222                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
223         }
225         void reader(void)
226         {
227                 struct foo *p;
228                 struct foo *q;
229                 int r1, r2;
231                 p = rcu_dereference(gp2);
232                 if (p == NULL)
233                         return;
234                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
235                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
236                 if (p == q) {
237                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
238                         r2 = p->c; /* Could get 44 on weakly order system. */
239                 }
240                 do_something_with(r1, r2);
241         }
243 You might be surprised that the outcome (r1 == 143 && r2 == 44) is possible,
244 but you should not be.  After all, the updater might have been invoked
245 a second time between the time reader() loaded into "r1" and the time
246 that it loaded into "r2".  The fact that this same result can occur due
247 to some reordering from the compiler and CPUs is beside the point.
249 But suppose that the reader needs a consistent view?
251 Then one approach is to use locking, for example, as follows:
253         struct foo {
254                 int a;
255                 int b;
256                 int c;
257                 spinlock_t lock;
258         };
259         struct foo *gp1;
260         struct foo *gp2;
262         void updater(void)
263         {
264                 struct foo *p;
266                 p = kmalloc(...);
267                 if (p == NULL)
268                         deal_with_it();
269                 spin_lock(&p->lock);
270                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
271                 p->b = 43;
272                 p->c = 44;
273                 spin_unlock(&p->lock);
274                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
275                 spin_lock(&p->lock);
276                 p->b = 143;
277                 p->c = 144;
278                 spin_unlock(&p->lock);
279                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
280         }
282         void reader(void)
283         {
284                 struct foo *p;
285                 struct foo *q;
286                 int r1, r2;
288                 p = rcu_dereference(gp2);
289                 if (p == NULL)
290                         return;
291                 spin_lock(&p->lock);
292                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
293                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
294                 if (p == q) {
295                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
296                         r2 = p->c; /* Locking guarantees r2 == 144. */
297                 }
298                 spin_unlock(&p->lock);
299                 do_something_with(r1, r2);
300         }
302 As always, use the right tool for the job!
305 EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH
307 If a pointer obtained from rcu_dereference() compares not-equal to some
308 other pointer, the compiler normally has no clue what the value of the
309 first pointer might be.  This lack of knowledge prevents the compiler
310 from carrying out optimizations that otherwise might destroy the ordering
311 guarantees that RCU depends on.  And the volatile cast in rcu_dereference()
312 should prevent the compiler from guessing the value.
314 But without rcu_dereference(), the compiler knows more than you might
315 expect.  Consider the following code fragment:
317         struct foo {
318                 int a;
319                 int b;
320         };
321         static struct foo variable1;
322         static struct foo variable2;
323         static struct foo *gp = &variable1;
325         void updater(void)
326         {
327                 initialize_foo(&variable2);
328                 rcu_assign_pointer(gp, &variable2);
329                 /*
330                  * The above is the only store to gp in this translation unit,
331                  * and the address of gp is not exported in any way.
332                  */
333         }
335         int reader(void)
336         {
337                 struct foo *p;
339                 p = gp;
340                 barrier();
341                 if (p == &variable1)
342                         return p->a; /* Must be variable1.a. */
343                 else
344                         return p->b; /* Must be variable2.b. */
345         }
347 Because the compiler can see all stores to "gp", it knows that the only
348 possible values of "gp" are "variable1" on the one hand and "variable2"
349 on the other.  The comparison in reader() therefore tells the compiler
350 the exact value of "p" even in the not-equals case.  This allows the
351 compiler to make the return values independent of the load from "gp",
352 in turn destroying the ordering between this load and the loads of the
353 return values.  This can result in "p->b" returning pre-initialization
354 garbage values.
356 In short, rcu_dereference() is -not- optional when you are going to
357 dereference the resulting pointer.