Linux 3.10.64
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / RCU / rcubarrier.txt
blob2e319d1b9ef28c0d9c19505306063cfc6bc9f595
1 RCU and Unloadable Modules
3 [Originally published in LWN Jan. 14, 2007: http://lwn.net/Articles/217484/]
5 RCU (read-copy update) is a synchronization mechanism that can be thought
6 of as a replacement for read-writer locking (among other things), but with
7 very low-overhead readers that are immune to deadlock, priority inversion,
8 and unbounded latency. RCU read-side critical sections are delimited
9 by rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), which, in non-CONFIG_PREEMPT
10 kernels, generate no code whatsoever.
12 This means that RCU writers are unaware of the presence of concurrent
13 readers, so that RCU updates to shared data must be undertaken quite
14 carefully, leaving an old version of the data structure in place until all
15 pre-existing readers have finished. These old versions are needed because
16 such readers might hold a reference to them. RCU updates can therefore be
17 rather expensive, and RCU is thus best suited for read-mostly situations.
19 How can an RCU writer possibly determine when all readers are finished,
20 given that readers might well leave absolutely no trace of their
21 presence? There is a synchronize_rcu() primitive that blocks until all
22 pre-existing readers have completed. An updater wishing to delete an
23 element p from a linked list might do the following, while holding an
24 appropriate lock, of course:
26         list_del_rcu(p);
27         synchronize_rcu();
28         kfree(p);
30 But the above code cannot be used in IRQ context -- the call_rcu()
31 primitive must be used instead. This primitive takes a pointer to an
32 rcu_head struct placed within the RCU-protected data structure and
33 another pointer to a function that may be invoked later to free that
34 structure. Code to delete an element p from the linked list from IRQ
35 context might then be as follows:
37         list_del_rcu(p);
38         call_rcu(&p->rcu, p_callback);
40 Since call_rcu() never blocks, this code can safely be used from within
41 IRQ context. The function p_callback() might be defined as follows:
43         static void p_callback(struct rcu_head *rp)
44         {
45                 struct pstruct *p = container_of(rp, struct pstruct, rcu);
47                 kfree(p);
48         }
51 Unloading Modules That Use call_rcu()
53 But what if p_callback is defined in an unloadable module?
55 If we unload the module while some RCU callbacks are pending,
56 the CPUs executing these callbacks are going to be severely
57 disappointed when they are later invoked, as fancifully depicted at
58 http://lwn.net/images/ns/kernel/rcu-drop.jpg.
60 We could try placing a synchronize_rcu() in the module-exit code path,
61 but this is not sufficient. Although synchronize_rcu() does wait for a
62 grace period to elapse, it does not wait for the callbacks to complete.
64 One might be tempted to try several back-to-back synchronize_rcu()
65 calls, but this is still not guaranteed to work. If there is a very
66 heavy RCU-callback load, then some of the callbacks might be deferred
67 in order to allow other processing to proceed. Such deferral is required
68 in realtime kernels in order to avoid excessive scheduling latencies.
71 rcu_barrier()
73 We instead need the rcu_barrier() primitive. This primitive is similar
74 to synchronize_rcu(), but instead of waiting solely for a grace
75 period to elapse, it also waits for all outstanding RCU callbacks to
76 complete. Pseudo-code using rcu_barrier() is as follows:
78    1. Prevent any new RCU callbacks from being posted.
79    2. Execute rcu_barrier().
80    3. Allow the module to be unloaded.
82 There are also rcu_barrier_bh(), rcu_barrier_sched(), and srcu_barrier()
83 functions for the other flavors of RCU, and you of course must match
84 the flavor of rcu_barrier() with that of call_rcu().  If your module
85 uses multiple flavors of call_rcu(), then it must also use multiple
86 flavors of rcu_barrier() when unloading that module.  For example, if
87 it uses call_rcu_bh(), call_srcu() on srcu_struct_1, and call_srcu() on
88 srcu_struct_2(), then the following three lines of code will be required
89 when unloading:
91  1 rcu_barrier_bh();
92  2 srcu_barrier(&srcu_struct_1);
93  3 srcu_barrier(&srcu_struct_2);
95 The rcutorture module makes use of rcu_barrier() in its exit function
96 as follows:
98  1 static void
99  2 rcu_torture_cleanup(void)
100  3 {
101  4   int i;
103  6   fullstop = 1;
104  7   if (shuffler_task != NULL) {
105  8     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_shuffle task");
106  9     kthread_stop(shuffler_task);
107 10   }
108 11   shuffler_task = NULL;
110 13   if (writer_task != NULL) {
111 14     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_writer task");
112 15     kthread_stop(writer_task);
113 16   }
114 17   writer_task = NULL;
116 19   if (reader_tasks != NULL) {
117 20     for (i = 0; i < nrealreaders; i++) {
118 21       if (reader_tasks[i] != NULL) {
119 22         VERBOSE_PRINTK_STRING(
120 23           "Stopping rcu_torture_reader task");
121 24         kthread_stop(reader_tasks[i]);
122 25       }
123 26       reader_tasks[i] = NULL;
124 27     }
125 28     kfree(reader_tasks);
126 29     reader_tasks = NULL;
127 30   }
128 31   rcu_torture_current = NULL;
130 33   if (fakewriter_tasks != NULL) {
131 34     for (i = 0; i < nfakewriters; i++) {
132 35       if (fakewriter_tasks[i] != NULL) {
133 36         VERBOSE_PRINTK_STRING(
134 37           "Stopping rcu_torture_fakewriter task");
135 38         kthread_stop(fakewriter_tasks[i]);
136 39       }
137 40       fakewriter_tasks[i] = NULL;
138 41     }
139 42     kfree(fakewriter_tasks);
140 43     fakewriter_tasks = NULL;
141 44   }
143 46   if (stats_task != NULL) {
144 47     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_stats task");
145 48     kthread_stop(stats_task);
146 49   }
147 50   stats_task = NULL;
149 52   /* Wait for all RCU callbacks to fire. */
150 53   rcu_barrier();
152 55   rcu_torture_stats_print(); /* -After- the stats thread is stopped! */
154 57   if (cur_ops->cleanup != NULL)
155 58     cur_ops->cleanup();
156 59   if (atomic_read(&n_rcu_torture_error))
157 60     rcu_torture_print_module_parms("End of test: FAILURE");
158 61   else
159 62     rcu_torture_print_module_parms("End of test: SUCCESS");
160 63 }
162 Line 6 sets a global variable that prevents any RCU callbacks from
163 re-posting themselves. This will not be necessary in most cases, since
164 RCU callbacks rarely include calls to call_rcu(). However, the rcutorture
165 module is an exception to this rule, and therefore needs to set this
166 global variable.
168 Lines 7-50 stop all the kernel tasks associated with the rcutorture
169 module. Therefore, once execution reaches line 53, no more rcutorture
170 RCU callbacks will be posted. The rcu_barrier() call on line 53 waits
171 for any pre-existing callbacks to complete.
173 Then lines 55-62 print status and do operation-specific cleanup, and
174 then return, permitting the module-unload operation to be completed.
176 Quick Quiz #1: Is there any other situation where rcu_barrier() might
177         be required?
179 Your module might have additional complications. For example, if your
180 module invokes call_rcu() from timers, you will need to first cancel all
181 the timers, and only then invoke rcu_barrier() to wait for any remaining
182 RCU callbacks to complete.
184 Of course, if you module uses call_rcu_bh(), you will need to invoke
185 rcu_barrier_bh() before unloading.  Similarly, if your module uses
186 call_rcu_sched(), you will need to invoke rcu_barrier_sched() before
187 unloading.  If your module uses call_rcu(), call_rcu_bh(), -and-
188 call_rcu_sched(), then you will need to invoke each of rcu_barrier(),
189 rcu_barrier_bh(), and rcu_barrier_sched().
192 Implementing rcu_barrier()
194 Dipankar Sarma's implementation of rcu_barrier() makes use of the fact
195 that RCU callbacks are never reordered once queued on one of the per-CPU
196 queues. His implementation queues an RCU callback on each of the per-CPU
197 callback queues, and then waits until they have all started executing, at
198 which point, all earlier RCU callbacks are guaranteed to have completed.
200 The original code for rcu_barrier() was as follows:
202  1 void rcu_barrier(void)
203  2 {
204  3   BUG_ON(in_interrupt());
205  4   /* Take cpucontrol mutex to protect against CPU hotplug */
206  5   mutex_lock(&rcu_barrier_mutex);
207  6   init_completion(&rcu_barrier_completion);
208  7   atomic_set(&rcu_barrier_cpu_count, 0);
209  8   on_each_cpu(rcu_barrier_func, NULL, 0, 1);
210  9   wait_for_completion(&rcu_barrier_completion);
211 10   mutex_unlock(&rcu_barrier_mutex);
212 11 }
214 Line 3 verifies that the caller is in process context, and lines 5 and 10
215 use rcu_barrier_mutex to ensure that only one rcu_barrier() is using the
216 global completion and counters at a time, which are initialized on lines
217 6 and 7. Line 8 causes each CPU to invoke rcu_barrier_func(), which is
218 shown below. Note that the final "1" in on_each_cpu()'s argument list
219 ensures that all the calls to rcu_barrier_func() will have completed
220 before on_each_cpu() returns. Line 9 then waits for the completion.
222 This code was rewritten in 2008 to support rcu_barrier_bh() and
223 rcu_barrier_sched() in addition to the original rcu_barrier().
225 The rcu_barrier_func() runs on each CPU, where it invokes call_rcu()
226 to post an RCU callback, as follows:
228  1 static void rcu_barrier_func(void *notused)
229  2 {
230  3 int cpu = smp_processor_id();
231  4 struct rcu_data *rdp = &per_cpu(rcu_data, cpu);
232  5 struct rcu_head *head;
234  7 head = &rdp->barrier;
235  8 atomic_inc(&rcu_barrier_cpu_count);
236  9 call_rcu(head, rcu_barrier_callback);
237 10 }
239 Lines 3 and 4 locate RCU's internal per-CPU rcu_data structure,
240 which contains the struct rcu_head that needed for the later call to
241 call_rcu(). Line 7 picks up a pointer to this struct rcu_head, and line
242 8 increments a global counter. This counter will later be decremented
243 by the callback. Line 9 then registers the rcu_barrier_callback() on
244 the current CPU's queue.
246 The rcu_barrier_callback() function simply atomically decrements the
247 rcu_barrier_cpu_count variable and finalizes the completion when it
248 reaches zero, as follows:
250  1 static void rcu_barrier_callback(struct rcu_head *notused)
251  2 {
252  3 if (atomic_dec_and_test(&rcu_barrier_cpu_count))
253  4 complete(&rcu_barrier_completion);
254  5 }
256 Quick Quiz #2: What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
257         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
258         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
259         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
260         rcu_barrier() returning prematurely?
263 rcu_barrier() Summary
265 The rcu_barrier() primitive has seen relatively little use, since most
266 code using RCU is in the core kernel rather than in modules. However, if
267 you are using RCU from an unloadable module, you need to use rcu_barrier()
268 so that your module may be safely unloaded.
271 Answers to Quick Quizzes
273 Quick Quiz #1: Is there any other situation where rcu_barrier() might
274         be required?
276 Answer: Interestingly enough, rcu_barrier() was not originally
277         implemented for module unloading. Nikita Danilov was using
278         RCU in a filesystem, which resulted in a similar situation at
279         filesystem-unmount time. Dipankar Sarma coded up rcu_barrier()
280         in response, so that Nikita could invoke it during the
281         filesystem-unmount process.
283         Much later, yours truly hit the RCU module-unload problem when
284         implementing rcutorture, and found that rcu_barrier() solves
285         this problem as well.
287 Quick Quiz #2: What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
288         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
289         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
290         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
291         rcu_barrier() returning prematurely?
293 Answer: This cannot happen. The reason is that on_each_cpu() has its last
294         argument, the wait flag, set to "1". This flag is passed through
295         to smp_call_function() and further to smp_call_function_on_cpu(),
296         causing this latter to spin until the cross-CPU invocation of
297         rcu_barrier_func() has completed. This by itself would prevent
298         a grace period from completing on non-CONFIG_PREEMPT kernels,
299         since each CPU must undergo a context switch (or other quiescent
300         state) before the grace period can complete. However, this is
301         of no use in CONFIG_PREEMPT kernels.
303         Therefore, on_each_cpu() disables preemption across its call
304         to smp_call_function() and also across the local call to
305         rcu_barrier_func(). This prevents the local CPU from context
306         switching, again preventing grace periods from completing. This
307         means that all CPUs have executed rcu_barrier_func() before
308         the first rcu_barrier_callback() can possibly execute, in turn
309         preventing rcu_barrier_cpu_count from prematurely reaching zero.
311         Currently, -rt implementations of RCU keep but a single global
312         queue for RCU callbacks, and thus do not suffer from this
313         problem. However, when the -rt RCU eventually does have per-CPU
314         callback queues, things will have to change. One simple change
315         is to add an rcu_read_lock() before line 8 of rcu_barrier()
316         and an rcu_read_unlock() after line 8 of this same function. If
317         you can think of a better change, please let me know!