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[linux/fpc-iii.git] / Documentation / memory-barriers.txt
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1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6     Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
7     Will Deacon <will.deacon@arm.com>
8     Peter Zijlstra <peterz@infradead.org>
10 ==========
11 DISCLAIMER
12 ==========
14 This document is not a specification; it is intentionally (for the sake of
15 brevity) and unintentionally (due to being human) incomplete. This document is
16 meant as a guide to using the various memory barriers provided by Linux, but
17 in case of any doubt (and there are many) please ask.
19 To repeat, this document is not a specification of what Linux expects from
20 hardware.
22 The purpose of this document is twofold:
24  (1) to specify the minimum functionality that one can rely on for any
25      particular barrier, and
27  (2) to provide a guide as to how to use the barriers that are available.
29 Note that an architecture can provide more than the minimum requirement
30 for any particular barrier, but if the architecure provides less than
31 that, that architecture is incorrect.
33 Note also that it is possible that a barrier may be a no-op for an
34 architecture because the way that arch works renders an explicit barrier
35 unnecessary in that case.
38 ========
39 CONTENTS
40 ========
42  (*) Abstract memory access model.
44      - Device operations.
45      - Guarantees.
47  (*) What are memory barriers?
49      - Varieties of memory barrier.
50      - What may not be assumed about memory barriers?
51      - Data dependency barriers.
52      - Control dependencies.
53      - SMP barrier pairing.
54      - Examples of memory barrier sequences.
55      - Read memory barriers vs load speculation.
56      - Transitivity
58  (*) Explicit kernel barriers.
60      - Compiler barrier.
61      - CPU memory barriers.
62      - MMIO write barrier.
64  (*) Implicit kernel memory barriers.
66      - Lock acquisition functions.
67      - Interrupt disabling functions.
68      - Sleep and wake-up functions.
69      - Miscellaneous functions.
71  (*) Inter-CPU acquiring barrier effects.
73      - Acquires vs memory accesses.
74      - Acquires vs I/O accesses.
76  (*) Where are memory barriers needed?
78      - Interprocessor interaction.
79      - Atomic operations.
80      - Accessing devices.
81      - Interrupts.
83  (*) Kernel I/O barrier effects.
85  (*) Assumed minimum execution ordering model.
87  (*) The effects of the cpu cache.
89      - Cache coherency.
90      - Cache coherency vs DMA.
91      - Cache coherency vs MMIO.
93  (*) The things CPUs get up to.
95      - And then there's the Alpha.
96      - Virtual Machine Guests.
98  (*) Example uses.
100      - Circular buffers.
102  (*) References.
105 ============================
106 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
107 ============================
109 Consider the following abstract model of the system:
111                             :                :
112                             :                :
113                             :                :
114                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
115                 |       |   :   |        |   :   |       |
116                 |       |   :   |        |   :   |       |
117                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
118                 |       |   :   |        |   :   |       |
119                 |       |   :   |        |   :   |       |
120                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
121                     ^       :       ^        :       ^
122                     |       :       |        :       |
123                     |       :       |        :       |
124                     |       :       v        :       |
125                     |       :   +--------+   :       |
126                     |       :   |        |   :       |
127                     |       :   |        |   :       |
128                     +---------->| Device |<----------+
129                             :   |        |   :
130                             :   |        |   :
131                             :   +--------+   :
132                             :                :
134 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
135 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
136 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
137 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
138 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
139 apparent operation of the program.
141 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
142 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
143 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
146 For example, consider the following sequence of events:
148         CPU 1           CPU 2
149         =============== ===============
150         { A == 1; B == 2 }
151         A = 3;          x = B;
152         B = 4;          y = A;
154 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
155 in 24 different combinations:
157         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
158         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD B->4,    y=LOAD A->3
159         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    STORE B=4,      x=LOAD B->4
160         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->2,    STORE B=4
161         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    STORE B=4,      y=LOAD A->3
162         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    y=LOAD A->3,    STORE B=4
163         STORE B=4,      STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
164         STORE B=4, ...
165         ...
167 and can thus result in four different combinations of values:
169         x == 2, y == 1
170         x == 2, y == 3
171         x == 4, y == 1
172         x == 4, y == 3
175 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
176 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
177 committed.
180 As a further example, consider this sequence of events:
182         CPU 1           CPU 2
183         =============== ===============
184         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
185         B = 4;          Q = P;
186         P = &B          D = *Q;
188 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
189 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
190 following results are possible:
192         (Q == &A) and (D == 1)
193         (Q == &B) and (D == 2)
194         (Q == &B) and (D == 4)
196 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
197 into Q before issuing the load of *Q.
200 DEVICE OPERATIONS
201 -----------------
203 Some devices present their control interfaces as collections of memory
204 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
205 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
206 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
207 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
208 be used:
210         *A = 5;
211         x = *D;
213 but this might show up as either of the following two sequences:
215         STORE *A = 5, x = LOAD *D
216         x = LOAD *D, STORE *A = 5
218 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
219 the address _after_ attempting to read the register.
222 GUARANTEES
223 ----------
225 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
227  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
228      respect to itself.  This means that for:
230         Q = READ_ONCE(P); smp_read_barrier_depends(); D = READ_ONCE(*Q);
232      the CPU will issue the following memory operations:
234         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
236      and always in that order.  On most systems, smp_read_barrier_depends()
237      does nothing, but it is required for DEC Alpha.  The READ_ONCE()
238      is required to prevent compiler mischief.  Please note that you
239      should normally use something like rcu_dereference() instead of
240      open-coding smp_read_barrier_depends().
242  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
243      ordered within that CPU.  This means that for:
245         a = READ_ONCE(*X); WRITE_ONCE(*X, b);
247      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
249         a = LOAD *X, STORE *X = b
251      And for:
253         WRITE_ONCE(*X, c); d = READ_ONCE(*X);
255      the CPU will only issue:
257         STORE *X = c, d = LOAD *X
259      (Loads and stores overlap if they are targeted at overlapping pieces of
260      memory).
262 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
264  (*) It _must_not_ be assumed that the compiler will do what you want
265      with memory references that are not protected by READ_ONCE() and
266      WRITE_ONCE().  Without them, the compiler is within its rights to
267      do all sorts of "creative" transformations, which are covered in
268      the COMPILER BARRIER section.
270  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
271      in the order given.  This means that for:
273         X = *A; Y = *B; *D = Z;
275      we may get any of the following sequences:
277         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
278         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
279         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
280         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
281         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
282         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
284  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
285      discarded.  This means that for:
287         X = *A; Y = *(A + 4);
289      we may get any one of the following sequences:
291         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
292         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
293         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
295      And for:
297         *A = X; *(A + 4) = Y;
299      we may get any of:
301         STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
302         STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
303         STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
305 And there are anti-guarantees:
307  (*) These guarantees do not apply to bitfields, because compilers often
308      generate code to modify these using non-atomic read-modify-write
309      sequences.  Do not attempt to use bitfields to synchronize parallel
310      algorithms.
312  (*) Even in cases where bitfields are protected by locks, all fields
313      in a given bitfield must be protected by one lock.  If two fields
314      in a given bitfield are protected by different locks, the compiler's
315      non-atomic read-modify-write sequences can cause an update to one
316      field to corrupt the value of an adjacent field.
318  (*) These guarantees apply only to properly aligned and sized scalar
319      variables.  "Properly sized" currently means variables that are
320      the same size as "char", "short", "int" and "long".  "Properly
321      aligned" means the natural alignment, thus no constraints for
322      "char", two-byte alignment for "short", four-byte alignment for
323      "int", and either four-byte or eight-byte alignment for "long",
324      on 32-bit and 64-bit systems, respectively.  Note that these
325      guarantees were introduced into the C11 standard, so beware when
326      using older pre-C11 compilers (for example, gcc 4.6).  The portion
327      of the standard containing this guarantee is Section 3.14, which
328      defines "memory location" as follows:
330         memory location
331                 either an object of scalar type, or a maximal sequence
332                 of adjacent bit-fields all having nonzero width
334                 NOTE 1: Two threads of execution can update and access
335                 separate memory locations without interfering with
336                 each other.
338                 NOTE 2: A bit-field and an adjacent non-bit-field member
339                 are in separate memory locations. The same applies
340                 to two bit-fields, if one is declared inside a nested
341                 structure declaration and the other is not, or if the two
342                 are separated by a zero-length bit-field declaration,
343                 or if they are separated by a non-bit-field member
344                 declaration. It is not safe to concurrently update two
345                 bit-fields in the same structure if all members declared
346                 between them are also bit-fields, no matter what the
347                 sizes of those intervening bit-fields happen to be.
350 =========================
351 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
352 =========================
354 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
355 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
356 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
357 CPU to restrict the order.
359 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
360 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
362 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
363 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
364 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
365 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
366 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
367 interaction of multiple CPUs and/or devices.
370 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
371 ---------------------------
373 Memory barriers come in four basic varieties:
375  (1) Write (or store) memory barriers.
377      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
378      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
379      operations specified after the barrier with respect to the other
380      components of the system.
382      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
383      to have any effect on loads.
385      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
386      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
387      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
389      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
390      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
393  (2) Data dependency barriers.
395      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
396      where two loads are performed such that the second depends on the result
397      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
398      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
399      make sure that the target of the second load is updated before the address
400      obtained by the first load is accessed.
402      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
403      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
404      or overlapping loads.
406      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
407      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
408      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
409      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
410      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
411      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
412      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
413      dependency barrier.
415      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
416      showing the ordering constraints.
418      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
419      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
420      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
421      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
422      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
423      subsection for more information.
425      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
426      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
429  (3) Read (or load) memory barriers.
431      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
432      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
433      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
434      other components of the system.
436      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
437      have any effect on stores.
439      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
440      for them.
442      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
443      see the "SMP barrier pairing" subsection.
446  (4) General memory barriers.
448      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
449      operations specified before the barrier will appear to happen before all
450      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
451      the other components of the system.
453      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
455      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
456      can substitute for either.
459 And a couple of implicit varieties:
461  (5) ACQUIRE operations.
463      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
464      operations after the ACQUIRE operation will appear to happen after the
465      ACQUIRE operation with respect to the other components of the system.
466      ACQUIRE operations include LOCK operations and both smp_load_acquire()
467      and smp_cond_acquire() operations. The later builds the necessary ACQUIRE
468      semantics from relying on a control dependency and smp_rmb().
470      Memory operations that occur before an ACQUIRE operation may appear to
471      happen after it completes.
473      An ACQUIRE operation should almost always be paired with a RELEASE
474      operation.
477  (6) RELEASE operations.
479      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
480      memory operations before the RELEASE operation will appear to happen
481      before the RELEASE operation with respect to the other components of the
482      system. RELEASE operations include UNLOCK operations and
483      smp_store_release() operations.
485      Memory operations that occur after a RELEASE operation may appear to
486      happen before it completes.
488      The use of ACQUIRE and RELEASE operations generally precludes the need
489      for other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in
490      the subsection "MMIO write barrier").  In addition, a RELEASE+ACQUIRE
491      pair is -not- guaranteed to act as a full memory barrier.  However, after
492      an ACQUIRE on a given variable, all memory accesses preceding any prior
493      RELEASE on that same variable are guaranteed to be visible.  In other
494      words, within a given variable's critical section, all accesses of all
495      previous critical sections for that variable are guaranteed to have
496      completed.
498      This means that ACQUIRE acts as a minimal "acquire" operation and
499      RELEASE acts as a minimal "release" operation.
501 A subset of the atomic operations described in atomic_ops.txt have ACQUIRE
502 and RELEASE variants in addition to fully-ordered and relaxed (no barrier
503 semantics) definitions.  For compound atomics performing both a load and a
504 store, ACQUIRE semantics apply only to the load and RELEASE semantics apply
505 only to the store portion of the operation.
507 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
508 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
509 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
510 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
513 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
514 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
515 specific code.
518 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
519 ----------------------------------------------
521 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
523  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
524      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
525      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
526      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
528  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
529      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
530      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
531      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
533  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
534      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
535      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
536      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
538  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
539      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
540      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
541      between CPUs, but might not do so in order.
543         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
545             Documentation/PCI/pci.txt
546             Documentation/DMA-API-HOWTO.txt
547             Documentation/DMA-API.txt
550 DATA DEPENDENCY BARRIERS
551 ------------------------
553 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
554 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
555 following sequence of events:
557         CPU 1                 CPU 2
558         ===============       ===============
559         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
560         B = 4;
561         <write barrier>
562         WRITE_ONCE(P, &B)
563                               Q = READ_ONCE(P);
564                               D = *Q;
566 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
567 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
569         (Q == &A) implies (D == 1)
570         (Q == &B) implies (D == 4)
572 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
573 leading to the following situation:
575         (Q == &B) and (D == 2) ????
577 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
578 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
579 Alpha).
581 To deal with this, a data dependency barrier or better must be inserted
582 between the address load and the data load:
584         CPU 1                 CPU 2
585         ===============       ===============
586         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
587         B = 4;
588         <write barrier>
589         WRITE_ONCE(P, &B);
590                               Q = READ_ONCE(P);
591                               <data dependency barrier>
592                               D = *Q;
594 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
595 third possibility from arising.
597 A data-dependency barrier must also order against dependent writes:
599         CPU 1                 CPU 2
600         ===============       ===============
601         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
602         B = 4;
603         <write barrier>
604         WRITE_ONCE(P, &B);
605                               Q = READ_ONCE(P);
606                               <data dependency barrier>
607                               *Q = 5;
609 The data-dependency barrier must order the read into Q with the store
610 into *Q.  This prohibits this outcome:
612         (Q == B) && (B == 4)
614 Please note that this pattern should be rare.  After all, the whole point
615 of dependency ordering is to -prevent- writes to the data structure, along
616 with the expensive cache misses associated with those writes.  This pattern
617 can be used to record rare error conditions and the like, and the ordering
618 prevents such records from being lost.
621 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
622 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
623 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
624 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
625 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
626 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
627 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
628 but the old value of the variable B (2).
631 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
632 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
633 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
634 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
635 target appearing to be incompletely initialised.
637 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
640 CONTROL DEPENDENCIES
641 --------------------
643 A load-load control dependency requires a full read memory barrier, not
644 simply a data dependency barrier to make it work correctly.  Consider the
645 following bit of code:
647         q = READ_ONCE(a);
648         if (q) {
649                 <data dependency barrier>  /* BUG: No data dependency!!! */
650                 p = READ_ONCE(b);
651         }
653 This will not have the desired effect because there is no actual data
654 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
655 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
656 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
657 case what's actually required is:
659         q = READ_ONCE(a);
660         if (q) {
661                 <read barrier>
662                 p = READ_ONCE(b);
663         }
665 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
666 for load-store control dependencies, as in the following example:
668         q = READ_ONCE(a);
669         if (q) {
670                 WRITE_ONCE(b, p);
671         }
673 Control dependencies pair normally with other types of barriers.  That
674 said, please note that READ_ONCE() is not optional! Without the
675 READ_ONCE(), the compiler might combine the load from 'a' with other
676 loads from 'a', and the store to 'b' with other stores to 'b', with
677 possible highly counterintuitive effects on ordering.
679 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
680 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
681 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
682 as follows:
684         q = a;
685         b = p;  /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */
687 So don't leave out the READ_ONCE().
689 It is tempting to try to enforce ordering on identical stores on both
690 branches of the "if" statement as follows:
692         q = READ_ONCE(a);
693         if (q) {
694                 barrier();
695                 WRITE_ONCE(b, p);
696                 do_something();
697         } else {
698                 barrier();
699                 WRITE_ONCE(b, p);
700                 do_something_else();
701         }
703 Unfortunately, current compilers will transform this as follows at high
704 optimization levels:
706         q = READ_ONCE(a);
707         barrier();
708         WRITE_ONCE(b, p);  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
709         if (q) {
710                 /* WRITE_ONCE(b, p); -- moved up, BUG!!! */
711                 do_something();
712         } else {
713                 /* WRITE_ONCE(b, p); -- moved up, BUG!!! */
714                 do_something_else();
715         }
717 Now there is no conditional between the load from 'a' and the store to
718 'b', which means that the CPU is within its rights to reorder them:
719 The conditional is absolutely required, and must be present in the
720 assembly code even after all compiler optimizations have been applied.
721 Therefore, if you need ordering in this example, you need explicit
722 memory barriers, for example, smp_store_release():
724         q = READ_ONCE(a);
725         if (q) {
726                 smp_store_release(&b, p);
727                 do_something();
728         } else {
729                 smp_store_release(&b, p);
730                 do_something_else();
731         }
733 In contrast, without explicit memory barriers, two-legged-if control
734 ordering is guaranteed only when the stores differ, for example:
736         q = READ_ONCE(a);
737         if (q) {
738                 WRITE_ONCE(b, p);
739                 do_something();
740         } else {
741                 WRITE_ONCE(b, r);
742                 do_something_else();
743         }
745 The initial READ_ONCE() is still required to prevent the compiler from
746 proving the value of 'a'.
748 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
749 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
750 the needed conditional.  For example:
752         q = READ_ONCE(a);
753         if (q % MAX) {
754                 WRITE_ONCE(b, p);
755                 do_something();
756         } else {
757                 WRITE_ONCE(b, r);
758                 do_something_else();
759         }
761 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
762 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
763 transform the above code into the following:
765         q = READ_ONCE(a);
766         WRITE_ONCE(b, p);
767         do_something_else();
769 Given this transformation, the CPU is not required to respect the ordering
770 between the load from variable 'a' and the store to variable 'b'.  It is
771 tempting to add a barrier(), but this does not help.  The conditional
772 is gone, and the barrier won't bring it back.  Therefore, if you are
773 relying on this ordering, you should make sure that MAX is greater than
774 one, perhaps as follows:
776         q = READ_ONCE(a);
777         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
778         if (q % MAX) {
779                 WRITE_ONCE(b, p);
780                 do_something();
781         } else {
782                 WRITE_ONCE(b, r);
783                 do_something_else();
784         }
786 Please note once again that the stores to 'b' differ.  If they were
787 identical, as noted earlier, the compiler could pull this store outside
788 of the 'if' statement.
790 You must also be careful not to rely too much on boolean short-circuit
791 evaluation.  Consider this example:
793         q = READ_ONCE(a);
794         if (q || 1 > 0)
795                 WRITE_ONCE(b, 1);
797 Because the first condition cannot fault and the second condition is
798 always true, the compiler can transform this example as following,
799 defeating control dependency:
801         q = READ_ONCE(a);
802         WRITE_ONCE(b, 1);
804 This example underscores the need to ensure that the compiler cannot
805 out-guess your code.  More generally, although READ_ONCE() does force
806 the compiler to actually emit code for a given load, it does not force
807 the compiler to use the results.
809 Finally, control dependencies do -not- provide transitivity.  This is
810 demonstrated by two related examples, with the initial values of
811 x and y both being zero:
813         CPU 0                     CPU 1
814         =======================   =======================
815         r1 = READ_ONCE(x);        r2 = READ_ONCE(y);
816         if (r1 > 0)               if (r2 > 0)
817           WRITE_ONCE(y, 1);         WRITE_ONCE(x, 1);
819         assert(!(r1 == 1 && r2 == 1));
821 The above two-CPU example will never trigger the assert().  However,
822 if control dependencies guaranteed transitivity (which they do not),
823 then adding the following CPU would guarantee a related assertion:
825         CPU 2
826         =====================
827         WRITE_ONCE(x, 2);
829         assert(!(r1 == 2 && r2 == 1 && x == 2)); /* FAILS!!! */
831 But because control dependencies do -not- provide transitivity, the above
832 assertion can fail after the combined three-CPU example completes.  If you
833 need the three-CPU example to provide ordering, you will need smp_mb()
834 between the loads and stores in the CPU 0 and CPU 1 code fragments,
835 that is, just before or just after the "if" statements.  Furthermore,
836 the original two-CPU example is very fragile and should be avoided.
838 These two examples are the LB and WWC litmus tests from this paper:
839 http://www.cl.cam.ac.uk/users/pes20/ppc-supplemental/test6.pdf and this
840 site: https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/ppcmem/index.html.
842 In summary:
844   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
845       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
846       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
847       later anything.  If you need these other forms of ordering,
848       use smp_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
849       later loads, smp_mb().
851   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores to
852       the same variable, then those stores must be ordered, either by
853       preceding both of them with smp_mb() or by using smp_store_release()
854       to carry out the stores.  Please note that it is -not- sufficient
855       to use barrier() at beginning of each leg of the "if" statement
856       because, as shown by the example above, optimizing compilers can
857       destroy the control dependency while respecting the letter of the
858       barrier() law.
860   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
861       between the prior load and the subsequent store, and this
862       conditional must involve the prior load.  If the compiler is able
863       to optimize the conditional away, it will have also optimized
864       away the ordering.  Careful use of READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
865       can help to preserve the needed conditional.
867   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
868       dependency into nonexistence.  Careful use of READ_ONCE() or
869       atomic{,64}_read() can help to preserve your control dependency.
870       Please see the COMPILER BARRIER section for more information.
872   (*) Control dependencies pair normally with other types of barriers.
874   (*) Control dependencies do -not- provide transitivity.  If you
875       need transitivity, use smp_mb().
878 SMP BARRIER PAIRING
879 -------------------
881 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
882 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
884 General barriers pair with each other, though they also pair with most
885 other types of barriers, albeit without transitivity.  An acquire barrier
886 pairs with a release barrier, but both may also pair with other barriers,
887 including of course general barriers.  A write barrier pairs with a data
888 dependency barrier, a control dependency, an acquire barrier, a release
889 barrier, a read barrier, or a general barrier.  Similarly a read barrier,
890 control dependency, or a data dependency barrier pairs with a write
891 barrier, an acquire barrier, a release barrier, or a general barrier:
893         CPU 1                 CPU 2
894         ===============       ===============
895         WRITE_ONCE(a, 1);
896         <write barrier>
897         WRITE_ONCE(b, 2);     x = READ_ONCE(b);
898                               <read barrier>
899                               y = READ_ONCE(a);
903         CPU 1                 CPU 2
904         ===============       ===============================
905         a = 1;
906         <write barrier>
907         WRITE_ONCE(b, &a);    x = READ_ONCE(b);
908                               <data dependency barrier>
909                               y = *x;
911 Or even:
913         CPU 1                 CPU 2
914         ===============       ===============================
915         r1 = READ_ONCE(y);
916         <general barrier>
917         WRITE_ONCE(y, 1);     if (r2 = READ_ONCE(x)) {
918                                  <implicit control dependency>
919                                  WRITE_ONCE(y, 1);
920                               }
922         assert(r1 == 0 || r2 == 0);
924 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
925 the "weaker" type.
927 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
928 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
929 versa:
931         CPU 1                               CPU 2
932         ===================                 ===================
933         WRITE_ONCE(a, 1);    }----   --->{  v = READ_ONCE(c);
934         WRITE_ONCE(b, 2);    }    \ /    {  w = READ_ONCE(d);
935         <write barrier>            \        <read barrier>
936         WRITE_ONCE(c, 3);    }    / \    {  x = READ_ONCE(a);
937         WRITE_ONCE(d, 4);    }----   --->{  y = READ_ONCE(b);
940 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
941 ------------------------------------
943 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
944 Consider the following sequence of events:
946         CPU 1
947         =======================
948         STORE A = 1
949         STORE B = 2
950         STORE C = 3
951         <write barrier>
952         STORE D = 4
953         STORE E = 5
955 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
956 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
957 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
960         +-------+       :      :
961         |       |       +------+
962         |       |------>| C=3  |     }     /\
963         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
964         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
965         |       |  :    +------+     }
966         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
967         |       |       +------+     }
968         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
969         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
970         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
971         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
972         |       |------>| D=4  |     }
973         |       |       +------+
974         +-------+       :      :
975                            |
976                            | Sequence in which stores are committed to the
977                            | memory system by CPU 1
978                            V
981 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
982 loads.  Consider the following sequence of events:
984         CPU 1                   CPU 2
985         ======================= =======================
986                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
987         STORE A = 1
988         STORE B = 2
989         <write barrier>
990         STORE C = &B            LOAD X
991         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
992                                 LOAD *C (reads B)
994 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
995 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
997         +-------+       :      :                :       :
998         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
999         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
1000         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
1001         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
1002         |       |       +------+       |        +-------+
1003         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1004         |       |       +------+       |        :       :
1005         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1006         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1007         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1008         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1009         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1010                                        |        :       :       |       |
1011                                        |        :       :       | CPU 2 |
1012                                        |        +-------+       |       |
1013             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
1014             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
1015                                        |        :       :       |       |
1016                                        |        +-------+       |       |
1017             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
1018             up the maintenance           \      +-------+       |       |
1019             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
1020                                                 +-------+
1021                                                 :       :
1024 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
1025 (which would be B) coming after the LOAD of C.
1027 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
1028 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
1030         CPU 1                   CPU 2
1031         ======================= =======================
1032                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
1033         STORE A = 1
1034         STORE B = 2
1035         <write barrier>
1036         STORE C = &B            LOAD X
1037         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
1038                                 <data dependency barrier>
1039                                 LOAD *C (reads B)
1041 then the following will occur:
1043         +-------+       :      :                :       :
1044         |       |       +------+                +-------+
1045         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
1046         |       |  :    +------+     \          +-------+
1047         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
1048         |       |       +------+       |        +-------+
1049         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1050         |       |       +------+       |        :       :
1051         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1052         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1053         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1054         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1055         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1056                                        |        :       :       |       |
1057                                        |        :       :       | CPU 2 |
1058                                        |        +-------+       |       |
1059                                        |        | X->9  |------>|       |
1060                                        |        +-------+       |       |
1061           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
1062           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
1063           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
1064           subsequent loads                      +-------+       |       |
1065                                                 :       :       +-------+
1068 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
1069 following sequence of events:
1071         CPU 1                   CPU 2
1072         ======================= =======================
1073                 { A = 0, B = 9 }
1074         STORE A=1
1075         <write barrier>
1076         STORE B=2
1077                                 LOAD B
1078                                 LOAD A
1080 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
1081 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1083         +-------+       :      :                :       :
1084         |       |       +------+                +-------+
1085         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1086         |       |       +------+      \         +-------+
1087         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1088         |       |       +------+        |       +-------+
1089         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1090         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1091         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1092                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1093                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1094                                         |       | A->0  |------>|       |
1095                                         |       +-------+       |       |
1096                                         |       :       :       +-------+
1097                                          \      :       :
1098                                           \     +-------+
1099                                            ---->| A->1  |
1100                                                 +-------+
1101                                                 :       :
1104 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
1105 load of A on CPU 2:
1107         CPU 1                   CPU 2
1108         ======================= =======================
1109                 { A = 0, B = 9 }
1110         STORE A=1
1111         <write barrier>
1112         STORE B=2
1113                                 LOAD B
1114                                 <read barrier>
1115                                 LOAD A
1117 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
1120         +-------+       :      :                :       :
1121         |       |       +------+                +-------+
1122         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1123         |       |       +------+      \         +-------+
1124         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1125         |       |       +------+        |       +-------+
1126         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1127         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1128         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1129                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1130                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1131                                         |       :       :       |       |
1132                                         |       :       :       |       |
1133           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1134           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1135           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1136           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1137                                                 :       :       +-------+
1140 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1141 contained a load of A either side of the read barrier:
1143         CPU 1                   CPU 2
1144         ======================= =======================
1145                 { A = 0, B = 9 }
1146         STORE A=1
1147         <write barrier>
1148         STORE B=2
1149                                 LOAD B
1150                                 LOAD A [first load of A]
1151                                 <read barrier>
1152                                 LOAD A [second load of A]
1154 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1155 come up with different values:
1157         +-------+       :      :                :       :
1158         |       |       +------+                +-------+
1159         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1160         |       |       +------+      \         +-------+
1161         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1162         |       |       +------+        |       +-------+
1163         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1164         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1165         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1166                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1167                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1168                                         |       :       :       |       |
1169                                         |       :       :       |       |
1170                                         |       +-------+       |       |
1171                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1172                                         |       +-------+       |       |
1173           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1174           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1175           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1176           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1177                                                 :       :       +-------+
1180 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1181 before the read barrier completes anyway:
1183         +-------+       :      :                :       :
1184         |       |       +------+                +-------+
1185         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1186         |       |       +------+      \         +-------+
1187         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1188         |       |       +------+        |       +-------+
1189         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1190         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1191         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1192                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1193                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1194                                         |       :       :       |       |
1195                                          \      :       :       |       |
1196                                           \     +-------+       |       |
1197                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1198                                                 +-------+       |       |
1199                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1200                                                 +-------+       |       |
1201                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1202                                                 +-------+       |       |
1203                                                 :       :       +-------+
1206 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1207 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1208 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1211 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1212 ----------------------------------------
1214 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1215 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1216 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1217 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1218 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1219 already has the value to hand.
1221 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1222 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1223 cache it for later use.
1225 Consider:
1227         CPU 1                   CPU 2
1228         ======================= =======================
1229                                 LOAD B
1230                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1231                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1232                                 LOAD A
1234 Which might appear as this:
1236                                                 :       :       +-------+
1237                                                 +-------+       |       |
1238                                             --->| B->2  |------>|       |
1239                                                 +-------+       | CPU 2 |
1240                                                 :       :DIVIDE |       |
1241                                                 +-------+       |       |
1242         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1243         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1244         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1245                                                 :       :DIVIDE |       |
1246                                                 :       :   ~   |       |
1247         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1248         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1249         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1252 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1253 load:
1255         CPU 1                   CPU 2
1256         ======================= =======================
1257                                 LOAD B
1258                                 DIVIDE
1259                                 DIVIDE
1260                                 <read barrier>
1261                                 LOAD A
1263 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1264 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1265 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1267                                                 :       :       +-------+
1268                                                 +-------+       |       |
1269                                             --->| B->2  |------>|       |
1270                                                 +-------+       | CPU 2 |
1271                                                 :       :DIVIDE |       |
1272                                                 +-------+       |       |
1273         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1274         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1275         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1276                                                 :       :DIVIDE |       |
1277                                                 :       :   ~   |       |
1278                                                 :       :   ~   |       |
1279                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1280                                                 :       :   ~   |       |
1281                                                 :       :   ~-->|       |
1282                                                 :       :       |       |
1283                                                 :       :       +-------+
1286 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1287 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1289                                                 :       :       +-------+
1290                                                 +-------+       |       |
1291                                             --->| B->2  |------>|       |
1292                                                 +-------+       | CPU 2 |
1293                                                 :       :DIVIDE |       |
1294                                                 +-------+       |       |
1295         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1296         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1297         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1298                                                 :       :DIVIDE |       |
1299                                                 :       :   ~   |       |
1300                                                 :       :   ~   |       |
1301                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1302                                                 +-------+       |       |
1303         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1304         and an updated value is                 +-------+       |       |
1305         retrieved                               :       :       +-------+
1308 TRANSITIVITY
1309 ------------
1311 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1312 always provided by real computer systems.  The following example
1313 demonstrates transitivity:
1315         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1316         ======================= ======================= =======================
1317                 { X = 0, Y = 0 }
1318         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1319                                 <general barrier>       <general barrier>
1320                                 LOAD Y                  LOAD X
1322 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1323 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1324 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1325 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1327 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1328 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1329 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1330 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1331 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1332 or must return some later value.
1334 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1335 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1336 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1337 also return 1.
1339 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1340 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1341 is changed to a read barrier as shown below:
1343         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1344         ======================= ======================= =======================
1345                 { X = 0, Y = 0 }
1346         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1347                                 <read barrier>          <general barrier>
1348                                 LOAD Y                  LOAD X
1350 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1351 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1352 and CPU 3's load from X to return 0.
1354 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1355 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1356 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1357 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1358 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1359 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1361 General barriers provide "global transitivity", so that all CPUs will
1362 agree on the order of operations.  In contrast, a chain of release-acquire
1363 pairs provides only "local transitivity", so that only those CPUs on
1364 the chain are guaranteed to agree on the combined order of the accesses.
1365 For example, switching to C code in deference to Herman Hollerith:
1367         int u, v, x, y, z;
1369         void cpu0(void)
1370         {
1371                 r0 = smp_load_acquire(&x);
1372                 WRITE_ONCE(u, 1);
1373                 smp_store_release(&y, 1);
1374         }
1376         void cpu1(void)
1377         {
1378                 r1 = smp_load_acquire(&y);
1379                 r4 = READ_ONCE(v);
1380                 r5 = READ_ONCE(u);
1381                 smp_store_release(&z, 1);
1382         }
1384         void cpu2(void)
1385         {
1386                 r2 = smp_load_acquire(&z);
1387                 smp_store_release(&x, 1);
1388         }
1390         void cpu3(void)
1391         {
1392                 WRITE_ONCE(v, 1);
1393                 smp_mb();
1394                 r3 = READ_ONCE(u);
1395         }
1397 Because cpu0(), cpu1(), and cpu2() participate in a local transitive
1398 chain of smp_store_release()/smp_load_acquire() pairs, the following
1399 outcome is prohibited:
1401         r0 == 1 && r1 == 1 && r2 == 1
1403 Furthermore, because of the release-acquire relationship between cpu0()
1404 and cpu1(), cpu1() must see cpu0()'s writes, so that the following
1405 outcome is prohibited:
1407         r1 == 1 && r5 == 0
1409 However, the transitivity of release-acquire is local to the participating
1410 CPUs and does not apply to cpu3().  Therefore, the following outcome
1411 is possible:
1413         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0
1415 As an aside, the following outcome is also possible:
1417         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 && r5 == 1
1419 Although cpu0(), cpu1(), and cpu2() will see their respective reads and
1420 writes in order, CPUs not involved in the release-acquire chain might
1421 well disagree on the order.  This disagreement stems from the fact that
1422 the weak memory-barrier instructions used to implement smp_load_acquire()
1423 and smp_store_release() are not required to order prior stores against
1424 subsequent loads in all cases.  This means that cpu3() can see cpu0()'s
1425 store to u as happening -after- cpu1()'s load from v, even though
1426 both cpu0() and cpu1() agree that these two operations occurred in the
1427 intended order.
1429 However, please keep in mind that smp_load_acquire() is not magic.
1430 In particular, it simply reads from its argument with ordering.  It does
1431 -not- ensure that any particular value will be read.  Therefore, the
1432 following outcome is possible:
1434         r0 == 0 && r1 == 0 && r2 == 0 && r5 == 0
1436 Note that this outcome can happen even on a mythical sequentially
1437 consistent system where nothing is ever reordered.
1439 To reiterate, if your code requires global transitivity, use general
1440 barriers throughout.
1443 ========================
1444 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1445 ========================
1447 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1448 levels:
1450   (*) Compiler barrier.
1452   (*) CPU memory barriers.
1454   (*) MMIO write barrier.
1457 COMPILER BARRIER
1458 ----------------
1460 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1461 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1463         barrier();
1465 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write
1466 variants of barrier().  However, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() can be
1467 thought of as weak forms of barrier() that affect only the specific
1468 accesses flagged by the READ_ONCE() or WRITE_ONCE().
1470 The barrier() function has the following effects:
1472  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1473      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1474      One example use for this property is to ease communication between
1475      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1477  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1478      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1480 The READ_ONCE() and WRITE_ONCE() functions can prevent any number of
1481 optimizations that, while perfectly safe in single-threaded code, can
1482 be fatal in concurrent code.  Here are some examples of these sorts
1483 of optimizations:
1485  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1486      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1487      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1488      the following code:
1490         a[0] = x;
1491         a[1] = x;
1493      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1494      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1496         a[0] = READ_ONCE(x);
1497         a[1] = READ_ONCE(x);
1499      In short, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() provide cache coherence for
1500      accesses from multiple CPUs to a single variable.
1502  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1503      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1504      the following code:
1506         while (tmp = a)
1507                 do_something_with(tmp);
1509      into the following code, which, although in some sense legitimate
1510      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1511      intended:
1513         if (tmp = a)
1514                 for (;;)
1515                         do_something_with(tmp);
1517      Use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1519         while (tmp = READ_ONCE(a))
1520                 do_something_with(tmp);
1522  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1523      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1524      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1525      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1527         while (tmp = a)
1528                 do_something_with(tmp);
1530      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1531      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1533         while (a)
1534                 do_something_with(a);
1536      For example, the optimized version of this code could result in
1537      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1538      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1539      the call to do_something_with().
1541      Again, use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1543         while (tmp = READ_ONCE(a))
1544                 do_something_with(tmp);
1546      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1547      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1548      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1549      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1550      where it is not safe.
1552  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1553      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1554      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1556         while (tmp = a)
1557                 do_something_with(tmp);
1559      Into this:
1561         do { } while (0);
1563      This transformation is a win for single-threaded code because it
1564      gets rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler
1565      will carry out its proof assuming that the current CPU is the only
1566      one updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the
1567      compiler's proof will be erroneous.  Use READ_ONCE() to tell the
1568      compiler that it doesn't know as much as it thinks it does:
1570         while (tmp = READ_ONCE(a))
1571                 do_something_with(tmp);
1573      But please note that the compiler is also closely watching what you
1574      do with the value after the READ_ONCE().  For example, suppose you
1575      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1577         while ((tmp = READ_ONCE(a)) % MAX)
1578                 do_something_with(tmp);
1580      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1581      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1582      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1583      variable 'a'.)
1585  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1586      if it knows that the variable already has the value being stored.
1587      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1588      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1589      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1590      the following:
1592         a = 0;
1593         ... Code that does not store to variable a ...
1594         a = 0;
1596      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1597      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1598      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1599      meantime.
1601      Use WRITE_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1602      wrong guess:
1604         WRITE_ONCE(a, 0);
1605         ... Code that does not store to variable a ...
1606         WRITE_ONCE(a, 0);
1608  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1609      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1610      between process-level code and an interrupt handler:
1612         void process_level(void)
1613         {
1614                 msg = get_message();
1615                 flag = true;
1616         }
1618         void interrupt_handler(void)
1619         {
1620                 if (flag)
1621                         process_message(msg);
1622         }
1624      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1625      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1626      win for single-threaded code:
1628         void process_level(void)
1629         {
1630                 flag = true;
1631                 msg = get_message();
1632         }
1634      If the interrupt occurs between these two statement, then
1635      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use WRITE_ONCE()
1636      to prevent this as follows:
1638         void process_level(void)
1639         {
1640                 WRITE_ONCE(msg, get_message());
1641                 WRITE_ONCE(flag, true);
1642         }
1644         void interrupt_handler(void)
1645         {
1646                 if (READ_ONCE(flag))
1647                         process_message(READ_ONCE(msg));
1648         }
1650      Note that the READ_ONCE() and WRITE_ONCE() wrappers in
1651      interrupt_handler() are needed if this interrupt handler can itself
1652      be interrupted by something that also accesses 'flag' and 'msg',
1653      for example, a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, READ_ONCE()
1654      and WRITE_ONCE() are not needed in interrupt_handler() other than
1655      for documentation purposes.  (Note also that nested interrupts
1656      do not typically occur in modern Linux kernels, in fact, if an
1657      interrupt handler returns with interrupts enabled, you will get a
1658      WARN_ONCE() splat.)
1660      You should assume that the compiler can move READ_ONCE() and
1661      WRITE_ONCE() past code not containing READ_ONCE(), WRITE_ONCE(),
1662      barrier(), or similar primitives.
1664      This effect could also be achieved using barrier(), but READ_ONCE()
1665      and WRITE_ONCE() are more selective:  With READ_ONCE() and
1666      WRITE_ONCE(), the compiler need only forget the contents of the
1667      indicated memory locations, while with barrier() the compiler must
1668      discard the value of all memory locations that it has currented
1669      cached in any machine registers.  Of course, the compiler must also
1670      respect the order in which the READ_ONCE()s and WRITE_ONCE()s occur,
1671      though the CPU of course need not do so.
1673  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1674      as in the following example:
1676         if (a)
1677                 b = a;
1678         else
1679                 b = 42;
1681      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1683         b = 42;
1684         if (a)
1685                 b = a;
1687      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1688      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1689      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1690      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1691      Use WRITE_ONCE() to prevent this as follows:
1693         if (a)
1694                 WRITE_ONCE(b, a);
1695         else
1696                 WRITE_ONCE(b, 42);
1698      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1699      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1700      poor performance and scalability.  Use READ_ONCE() to prevent
1701      invented loads.
1703  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1704      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1705      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1706      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1707      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1708      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1709      implement the following 32-bit store:
1711         p = 0x00010002;
1713      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1714      which is not surprising given that it would likely take more
1715      than two instructions to build the constant and then store it.
1716      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1717      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1718      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1719      use of WRITE_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1721         WRITE_ONCE(p, 0x00010002);
1723      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1724      as in this example:
1726         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1727                 short a;
1728                 int b;
1729                 short c;
1730         };
1731         struct foo foo1, foo2;
1732         ...
1734         foo2.a = foo1.a;
1735         foo2.b = foo1.b;
1736         foo2.c = foo1.c;
1738      Because there are no READ_ONCE() or WRITE_ONCE() wrappers and no
1739      volatile markings, the compiler would be well within its rights to
1740      implement these three assignment statements as a pair of 32-bit
1741      loads followed by a pair of 32-bit stores.  This would result in
1742      load tearing on 'foo1.b' and store tearing on 'foo2.b'.  READ_ONCE()
1743      and WRITE_ONCE() again prevent tearing in this example:
1745         foo2.a = foo1.a;
1746         WRITE_ONCE(foo2.b, READ_ONCE(foo1.b));
1747         foo2.c = foo1.c;
1749 All that aside, it is never necessary to use READ_ONCE() and
1750 WRITE_ONCE() on a variable that has been marked volatile.  For example,
1751 because 'jiffies' is marked volatile, it is never necessary to
1752 say READ_ONCE(jiffies).  The reason for this is that READ_ONCE() and
1753 WRITE_ONCE() are implemented as volatile casts, which has no effect when
1754 its argument is already marked volatile.
1756 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1757 which may then reorder things however it wishes.
1760 CPU MEMORY BARRIERS
1761 -------------------
1763 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1765         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1766         =============== ======================= ===========================
1767         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1768         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1769         READ            rmb()                   smp_rmb()
1770         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1773 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1774 barrier.  Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1776 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected
1777 to issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load
1778 the value of b before loading a[b]), however there is no guarantee in
1779 the C specification that the compiler may not speculate the value of b
1780 (eg. is equal to 1) and load a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1)
1781 tmp = a[b]; ).  There is also the problem of a compiler reloading b after
1782 having loaded a[b], thus having a newer copy of b than a[b].  A consensus
1783 has not yet been reached about these problems, however the READ_ONCE()
1784 macro is a good place to start looking.
1786 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1787 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1788 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1789 However, see the subsection on "Virtual Machine Guests" below.
1791 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1792 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1793 is sufficient.
1795 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1796 barriers impose unnecessary overhead on both SMP and UP systems. They may,
1797 however, be used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O
1798 windows.  These barriers are required even on non-SMP systems as they affect
1799 the order in which memory operations appear to a device by prohibiting both the
1800 compiler and the CPU from reordering them.
1803 There are some more advanced barrier functions:
1805  (*) smp_store_mb(var, value)
1807      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1808      barrier after it.  It isn't guaranteed to insert anything more than a
1809      compiler barrier in a UP compilation.
1812  (*) smp_mb__before_atomic();
1813  (*) smp_mb__after_atomic();
1815      These are for use with atomic (such as add, subtract, increment and
1816      decrement) functions that don't return a value, especially when used for
1817      reference counting.  These functions do not imply memory barriers.
1819      These are also used for atomic bitop functions that do not return a
1820      value (such as set_bit and clear_bit).
1822      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1823      and then decrements the object's reference count:
1825         obj->dead = 1;
1826         smp_mb__before_atomic();
1827         atomic_dec(&obj->ref_count);
1829      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1830      *before* the reference counter is decremented.
1832      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1833      operations" subsection for information on where to use these.
1836  (*) lockless_dereference();
1838      This can be thought of as a pointer-fetch wrapper around the
1839      smp_read_barrier_depends() data-dependency barrier.
1841      This is also similar to rcu_dereference(), but in cases where
1842      object lifetime is handled by some mechanism other than RCU, for
1843      example, when the objects removed only when the system goes down.
1844      In addition, lockless_dereference() is used in some data structures
1845      that can be used both with and without RCU.
1848  (*) dma_wmb();
1849  (*) dma_rmb();
1851      These are for use with consistent memory to guarantee the ordering
1852      of writes or reads of shared memory accessible to both the CPU and a
1853      DMA capable device.
1855      For example, consider a device driver that shares memory with a device
1856      and uses a descriptor status value to indicate if the descriptor belongs
1857      to the device or the CPU, and a doorbell to notify it when new
1858      descriptors are available:
1860         if (desc->status != DEVICE_OWN) {
1861                 /* do not read data until we own descriptor */
1862                 dma_rmb();
1864                 /* read/modify data */
1865                 read_data = desc->data;
1866                 desc->data = write_data;
1868                 /* flush modifications before status update */
1869                 dma_wmb();
1871                 /* assign ownership */
1872                 desc->status = DEVICE_OWN;
1874                 /* force memory to sync before notifying device via MMIO */
1875                 wmb();
1877                 /* notify device of new descriptors */
1878                 writel(DESC_NOTIFY, doorbell);
1879         }
1881      The dma_rmb() allows us guarantee the device has released ownership
1882      before we read the data from the descriptor, and the dma_wmb() allows
1883      us to guarantee the data is written to the descriptor before the device
1884      can see it now has ownership.  The wmb() is needed to guarantee that the
1885      cache coherent memory writes have completed before attempting a write to
1886      the cache incoherent MMIO region.
1888      See Documentation/DMA-API.txt for more information on consistent memory.
1890 MMIO WRITE BARRIER
1891 ------------------
1893 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1894 writes:
1896         mmiowb();
1898 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1899 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1900 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1902 See the subsection "Acquires vs I/O accesses" for more information.
1905 ===============================
1906 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1907 ===============================
1909 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1910 which are locking and scheduling functions.
1912 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1913 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1914 of arch specific code.
1917 LOCK ACQUISITION FUNCTIONS
1918 --------------------------
1920 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1922  (*) spin locks
1923  (*) R/W spin locks
1924  (*) mutexes
1925  (*) semaphores
1926  (*) R/W semaphores
1928 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1929 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1931  (1) ACQUIRE operation implication:
1933      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
1934      ACQUIRE operation has completed.
1936      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
1937      the ACQUIRE operation has completed.  An smp_mb__before_spinlock(),
1938      combined with a following ACQUIRE, orders prior stores against
1939      subsequent loads and stores.  Note that this is weaker than smp_mb()!
1940      The smp_mb__before_spinlock() primitive is free on many architectures.
1942  (2) RELEASE operation implication:
1944      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
1945      RELEASE operation has completed.
1947      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
1948      RELEASE operation has completed.
1950  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
1952      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
1953      completed before that ACQUIRE operation.
1955  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
1957      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
1958      completed before the RELEASE operation.
1960  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
1962      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
1963      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1964      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1965      locks do not imply any sort of barrier.
1967 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
1968 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
1969 section may seep into the inside of the critical section.
1971 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
1972 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
1973 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
1974 the two accesses can themselves then cross:
1976         *A = a;
1977         ACQUIRE M
1978         RELEASE M
1979         *B = b;
1981 may occur as:
1983         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1985 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
1986 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
1987 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
1988 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
1989 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
1991 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does
1992 not imply a full memory barrier.  Therefore, the CPU's execution of the
1993 critical sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross,
1994 so that:
1996         *A = a;
1997         RELEASE M
1998         ACQUIRE N
1999         *B = b;
2001 could occur as:
2003         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
2005 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
2006 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
2007 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
2009         Why does this work?
2011         One key point is that we are only talking about the CPU doing
2012         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
2013         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
2014         -could- occur.
2016         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
2017         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
2018         simply elected to try executing the later lock operation first.
2019         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
2020         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
2021         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
2022         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
2023         allowing the lock operation to succeed.
2025         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
2026         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
2027         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
2028         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
2029         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
2030         such races properly in any case.
2032 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
2033 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
2034 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
2035 with interrupt disabling operations.
2037 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
2040 As an example, consider the following:
2042         *A = a;
2043         *B = b;
2044         ACQUIRE
2045         *C = c;
2046         *D = d;
2047         RELEASE
2048         *E = e;
2049         *F = f;
2051 The following sequence of events is acceptable:
2053         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
2055         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
2057 But none of the following are:
2059         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
2060         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
2061         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
2062         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
2066 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
2067 -----------------------------
2069 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
2070 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
2071 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
2072 other means.
2075 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
2076 ---------------------------
2078 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
2079 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
2080 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
2081 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
2082 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
2083 barriers.
2085 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
2087         for (;;) {
2088                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
2089                 if (event_indicated)
2090                         break;
2091                 schedule();
2092         }
2094 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
2095 after it has altered the task state:
2097         CPU 1
2098         ===============================
2099         set_current_state();
2100           smp_store_mb();
2101             STORE current->state
2102             <general barrier>
2103         LOAD event_indicated
2105 set_current_state() may be wrapped by:
2107         prepare_to_wait();
2108         prepare_to_wait_exclusive();
2110 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
2111 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
2112 interpolate the memory barrier in the right place:
2114         wait_event();
2115         wait_event_interruptible();
2116         wait_event_interruptible_exclusive();
2117         wait_event_interruptible_timeout();
2118         wait_event_killable();
2119         wait_event_timeout();
2120         wait_on_bit();
2121         wait_on_bit_lock();
2124 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
2126         event_indicated = 1;
2127         wake_up(&event_wait_queue);
2131         event_indicated = 1;
2132         wake_up_process(event_daemon);
2134 A write memory barrier is implied by wake_up() and co.  if and only if they
2135 wake something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so
2136 sits between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
2138         CPU 1                           CPU 2
2139         =============================== ===============================
2140         set_current_state();            STORE event_indicated
2141           smp_store_mb();               wake_up();
2142             STORE current->state          <write barrier>
2143             <general barrier>             STORE current->state
2144         LOAD event_indicated
2146 To repeat, this write memory barrier is present if and only if something
2147 is actually awakened.  To see this, consider the following sequence of
2148 events, where X and Y are both initially zero:
2150         CPU 1                           CPU 2
2151         =============================== ===============================
2152         X = 1;                          STORE event_indicated
2153         smp_mb();                       wake_up();
2154         Y = 1;                          wait_event(wq, Y == 1);
2155         wake_up();                        load from Y sees 1, no memory barrier
2156                                         load from X might see 0
2158 In contrast, if a wakeup does occur, CPU 2's load from X would be guaranteed
2159 to see 1.
2161 The available waker functions include:
2163         complete();
2164         wake_up();
2165         wake_up_all();
2166         wake_up_bit();
2167         wake_up_interruptible();
2168         wake_up_interruptible_all();
2169         wake_up_interruptible_nr();
2170         wake_up_interruptible_poll();
2171         wake_up_interruptible_sync();
2172         wake_up_interruptible_sync_poll();
2173         wake_up_locked();
2174         wake_up_locked_poll();
2175         wake_up_nr();
2176         wake_up_poll();
2177         wake_up_process();
2180 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
2181 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
2182 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
2183 sleeper does:
2185         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2186         if (event_indicated)
2187                 break;
2188         __set_current_state(TASK_RUNNING);
2189         do_something(my_data);
2191 and the waker does:
2193         my_data = value;
2194         event_indicated = 1;
2195         wake_up(&event_wait_queue);
2197 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
2198 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
2199 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
2200 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
2202         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2203         if (event_indicated) {
2204                 smp_rmb();
2205                 do_something(my_data);
2206         }
2208 and the waker should do:
2210         my_data = value;
2211         smp_wmb();
2212         event_indicated = 1;
2213         wake_up(&event_wait_queue);
2216 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
2217 -----------------------
2219 Other functions that imply barriers:
2221  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
2224 ===================================
2225 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
2226 ===================================
2228 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
2229 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
2230 conflict on any particular lock.
2233 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
2234 ---------------------------
2236 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
2237 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
2239         CPU 1                           CPU 2
2240         =============================== ===============================
2241         WRITE_ONCE(*A, a);              WRITE_ONCE(*E, e);
2242         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2243         WRITE_ONCE(*B, b);              WRITE_ONCE(*F, f);
2244         WRITE_ONCE(*C, c);              WRITE_ONCE(*G, g);
2245         RELEASE M                       RELEASE Q
2246         WRITE_ONCE(*D, d);              WRITE_ONCE(*H, h);
2248 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2249 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2250 on the separate CPUs.  It might, for example, see:
2252         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2254 But it won't see any of:
2256         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2257         *A, *B or *C following RELEASE M
2258         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2259         *E, *F or *G following RELEASE Q
2263 ACQUIRES VS I/O ACCESSES
2264 ------------------------
2266 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
2267 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
2268 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
2269 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
2270 read memory barriers.
2272 For example:
2274         CPU 1                           CPU 2
2275         =============================== ===============================
2276         spin_lock(Q)
2277         writel(0, ADDR)
2278         writel(1, DATA);
2279         spin_unlock(Q);
2280                                         spin_lock(Q);
2281                                         writel(4, ADDR);
2282                                         writel(5, DATA);
2283                                         spin_unlock(Q);
2285 may be seen by the PCI bridge as follows:
2287         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
2289 which would probably cause the hardware to malfunction.
2292 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
2293 spinlock, for example:
2295         CPU 1                           CPU 2
2296         =============================== ===============================
2297         spin_lock(Q)
2298         writel(0, ADDR)
2299         writel(1, DATA);
2300         mmiowb();
2301         spin_unlock(Q);
2302                                         spin_lock(Q);
2303                                         writel(4, ADDR);
2304                                         writel(5, DATA);
2305                                         mmiowb();
2306                                         spin_unlock(Q);
2308 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
2309 before either of the stores issued on CPU 2.
2312 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
2313 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
2314 is performed:
2316         CPU 1                           CPU 2
2317         =============================== ===============================
2318         spin_lock(Q)
2319         writel(0, ADDR)
2320         a = readl(DATA);
2321         spin_unlock(Q);
2322                                         spin_lock(Q);
2323                                         writel(4, ADDR);
2324                                         b = readl(DATA);
2325                                         spin_unlock(Q);
2328 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2331 =================================
2332 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2333 =================================
2335 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2336 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2337 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2338 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2340  (*) Interprocessor interaction.
2342  (*) Atomic operations.
2344  (*) Accessing devices.
2346  (*) Interrupts.
2349 INTERPROCESSOR INTERACTION
2350 --------------------------
2352 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2353 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2354 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2355 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2356 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2357 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2358 a malfunction.
2360 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2361 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2362 the semaphore's list of waiting processes:
2364         struct rw_semaphore {
2365                 ...
2366                 spinlock_t lock;
2367                 struct list_head waiters;
2368         };
2370         struct rwsem_waiter {
2371                 struct list_head list;
2372                 struct task_struct *task;
2373         };
2375 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2377  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2378      next waiter record is;
2380  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2382  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2384  (4) call wake_up_process() on the task; and
2386  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2388 In other words, it has to perform this sequence of events:
2390         LOAD waiter->list.next;
2391         LOAD waiter->task;
2392         STORE waiter->task;
2393         CALL wakeup
2394         RELEASE task
2396 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2397 malfunction.
2399 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2400 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2401 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2402 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2403 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2404 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2406 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2408         CPU 1                           CPU 2
2409         =============================== ===============================
2410                                         down_xxx()
2411                                         Queue waiter
2412                                         Sleep
2413         up_yyy()
2414         LOAD waiter->task;
2415         STORE waiter->task;
2416                                         Woken up by other event
2417         <preempt>
2418                                         Resume processing
2419                                         down_xxx() returns
2420                                         call foo()
2421                                         foo() clobbers *waiter
2422         </preempt>
2423         LOAD waiter->list.next;
2424         --- OOPS ---
2426 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2427 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2429 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2431         LOAD waiter->list.next;
2432         LOAD waiter->task;
2433         smp_mb();
2434         STORE waiter->task;
2435         CALL wakeup
2436         RELEASE task
2438 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2439 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2440 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2441 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2442 instruction itself is complete.
2444 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2445 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2446 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2447 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2450 ATOMIC OPERATIONS
2451 -----------------
2453 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2454 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2455 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2456 kernel.
2458 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
2459 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
2460 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
2461 explicit lock operations, described later).  These include:
2463         xchg();
2464         atomic_xchg();                  atomic_long_xchg();
2465         atomic_inc_return();            atomic_long_inc_return();
2466         atomic_dec_return();            atomic_long_dec_return();
2467         atomic_add_return();            atomic_long_add_return();
2468         atomic_sub_return();            atomic_long_sub_return();
2469         atomic_inc_and_test();          atomic_long_inc_and_test();
2470         atomic_dec_and_test();          atomic_long_dec_and_test();
2471         atomic_sub_and_test();          atomic_long_sub_and_test();
2472         atomic_add_negative();          atomic_long_add_negative();
2473         test_and_set_bit();
2474         test_and_clear_bit();
2475         test_and_change_bit();
2477         /* when succeeds */
2478         cmpxchg();
2479         atomic_cmpxchg();               atomic_long_cmpxchg();
2480         atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
2482 These are used for such things as implementing ACQUIRE-class and RELEASE-class
2483 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
2484 such the implicit memory barrier effects are necessary.
2487 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
2488 barriers, but might be used for implementing such things as RELEASE-class
2489 operations:
2491         atomic_set();
2492         set_bit();
2493         clear_bit();
2494         change_bit();
2496 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
2497 (smp_mb__before_atomic() for instance).
2500 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
2501 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic() for
2502 instance):
2504         atomic_add();
2505         atomic_sub();
2506         atomic_inc();
2507         atomic_dec();
2509 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
2510 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
2512 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
2513 they probably don't need memory barriers because either the reference count
2514 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
2515 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
2517 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
2518 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
2519 specific order.
2521 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
2522 barriers are needed or not.
2524 The following operations are special locking primitives:
2526         test_and_set_bit_lock();
2527         clear_bit_unlock();
2528         __clear_bit_unlock();
2530 These implement ACQUIRE-class and RELEASE-class operations.  These should be
2531 used in preference to other operations when implementing locking primitives,
2532 because their implementations can be optimised on many architectures.
2534 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
2535 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
2536 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
2537 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
2539 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
2542 ACCESSING DEVICES
2543 -----------------
2545 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2546 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2547 make the right memory accesses in exactly the right order.
2549 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2550 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2551 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2552 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2553 the device to malfunction.
2555 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2556 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2557 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2558 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2559 might be needed:
2561  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2562      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2563      issued prior to unlocking the critical section.
2565  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2566      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2567      required to enforce ordering.
2569 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2572 INTERRUPTS
2573 ----------
2575 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2576 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2577 access the device.
2579 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2580 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2581 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2582 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2583 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2584 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2586 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2587 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2588 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2590         LOCAL IRQ DISABLE
2591         writew(ADDR, 3);
2592         writew(DATA, y);
2593         LOCAL IRQ ENABLE
2594         <interrupt>
2595         writew(ADDR, 4);
2596         q = readw(DATA);
2597         </interrupt>
2599 The store to the data register might happen after the second store to the
2600 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2602         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2605 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2606 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2607 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2608 explicit barriers are used.
2610 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2611 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2612 registers that form implicit I/O barriers.  If this isn't sufficient then an
2613 mmiowb() may need to be used explicitly.
2616 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2617 running on separate CPUs that communicate with each other.  If such a case is
2618 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2621 ==========================
2622 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2623 ==========================
2625 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2626 functions:
2628  (*) inX(), outX():
2630      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2631      that's primarily a CPU-specific concept.  The i386 and x86_64 processors
2632      do indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2633      CPUs don't have such a concept.
2635      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2636      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2637      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2638      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2639      spaces.
2641      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2642      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2643      that.
2645      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2647      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2648      memory and I/O operation.
2650  (*) readX(), writeX():
2652      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2653      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2654      defined for the memory window through which they're accessing.  On later
2655      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2656      MTRR registers.
2658      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2659      provided they're not accessing a prefetchable device.
2661      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2662      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2663      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2664      space should suffice for PCI.
2666      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2667          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2668          example.
2670      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2671      force stores to be ordered.
2673      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2674      between PCI transactions.
2676  (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed()
2678      These are similar to readX() and writeX(), but provide weaker memory
2679      ordering guarantees.  Specifically, they do not guarantee ordering with
2680      respect to normal memory accesses (e.g. DMA buffers) nor do they guarantee
2681      ordering with respect to LOCK or UNLOCK operations.  If the latter is
2682      required, an mmiowb() barrier can be used.  Note that relaxed accesses to
2683      the same peripheral are guaranteed to be ordered with respect to each
2684      other.
2686  (*) ioreadX(), iowriteX()
2688      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2689      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2692 ========================================
2693 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2694 ========================================
2696 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2697 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2698 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2699 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2700 of arch-specific code.
2702 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2703 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2704 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2705 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2706 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2707 causality is maintained.
2709  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2710      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2711      instructions may depend on different effects.
2713 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2714 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2715 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2718 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2719 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2720 maintained.
2723 ============================
2724 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2725 ============================
2727 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2728 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2729 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2731 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2732 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2733 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2734 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2736             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2737                                   :
2738         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2739         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2740         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2741         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2742         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2743         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2744         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2745                                   :                 | Cache     |    +--------+
2746                                   :                 | Coherency |
2747                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2748         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2749         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2750         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2751         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2752         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2753         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2754         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2755                                   :
2756                                   :
2758 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2759 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2760 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2761 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2762 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2764 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2765 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2766 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2767 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2768 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2769 to complete.
2771 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2772 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2773 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2774 in the system.
2776 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2777 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2779 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2780 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2781 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2784 CACHE COHERENCY
2785 ---------------
2787 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2788 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2789 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2790 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2791 become apparent in the same order on those other CPUs.
2794 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2795 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2797                     :
2798                     :                          +--------+
2799                     :      +---------+         |        |
2800         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2801         |        |  : |    +---------+         |        |
2802         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2803         |        |  : |    +---------+         |        |
2804         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2805                     :      +---------+         |        |
2806                     :                          | Memory |
2807                     :      +---------+         | System |
2808         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2809         |        |  : |    +---------+         |        |
2810         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2811         |        |  : |    +---------+         |        |
2812         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2813                     :      +---------+         |        |
2814                     :                          +--------+
2815                     :
2817 Imagine the system has the following properties:
2819  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2820      resident in memory;
2822  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2823      resident in memory;
2825  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2826      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2827      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2829  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2830      to maintain coherency with the rest of the system;
2832  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2833      present in the cache, even though the contents of the queue may
2834      potentially affect those loads.
2836 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2837 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2838 the requisite order:
2840         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2841         =============== =============== =======================================
2842                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2843         v = 2;
2844         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2845                                          change to p
2846         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2847         p = &v;
2848         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2850 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2851 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2852 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2854         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2855         =============== =============== =======================================
2856         ...
2857                         q = p;
2858                         x = *q;
2860 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2861 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2862 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2863 CPU's caches by some other cache event:
2865         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2866         =============== =============== =======================================
2867                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2868         v = 2;
2869         smp_wmb();
2870         <A:modify v=2>  <C:busy>
2871                         <C:queue v=2>
2872         p = &v;         q = p;
2873                         <D:request p>
2874         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2875                         <D:read p>
2876                         x = *q;
2877                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2878                         <C:unbusy>
2879                         <C:commit v=2>
2881 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2882 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2883 as that committed on CPU 1.
2886 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2887 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2888 queue before processing any further requests:
2890         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2891         =============== =============== =======================================
2892                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2893         v = 2;
2894         smp_wmb();
2895         <A:modify v=2>  <C:busy>
2896                         <C:queue v=2>
2897         p = &v;         q = p;
2898                         <D:request p>
2899         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2900                         <D:read p>
2901                         smp_read_barrier_depends()
2902                         <C:unbusy>
2903                         <C:commit v=2>
2904                         x = *q;
2905                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2908 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2909 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2910 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2911 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2913 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2914 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2915 need for coordination in the absence of memory barriers.
2918 CACHE COHERENCY VS DMA
2919 ----------------------
2921 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2922 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2923 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2924 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2925 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2926 invalidate them as well).
2928 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2929 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2930 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2931 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2932 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2933 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2934 cache on each CPU.
2936 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2939 CACHE COHERENCY VS MMIO
2940 -----------------------
2942 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2943 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2944 the usual RAM directed window.
2946 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2947 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2948 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2949 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2950 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2951 any way dependent.
2954 =========================
2955 THE THINGS CPUS GET UP TO
2956 =========================
2958 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2959 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2960 given the following piece of code to execute:
2962         a = READ_ONCE(*A);
2963         WRITE_ONCE(*B, b);
2964         c = READ_ONCE(*C);
2965         d = READ_ONCE(*D);
2966         WRITE_ONCE(*E, e);
2968 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2969 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2970 operations as seen by external observers in the system:
2972         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2975 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2976 assumption doesn't hold because:
2978  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2979      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2980      problem;
2982  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2983      to have been unnecessary;
2985  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2986      at the wrong time in the expected sequence of events;
2988  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2989      of the CPU buses and caches;
2991  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2992      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2993      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2994      both be able to do this); and
2996  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2997      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2998      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2999      order to other CPUs.
3001 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
3004         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
3006         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
3009 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
3010 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
3011 barrier.  For instance with the following code:
3013         U = READ_ONCE(*A);
3014         WRITE_ONCE(*A, V);
3015         WRITE_ONCE(*A, W);
3016         X = READ_ONCE(*A);
3017         WRITE_ONCE(*A, Y);
3018         Z = READ_ONCE(*A);
3020 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
3021 the final result will appear to be:
3023         U == the original value of *A
3024         X == W
3025         Z == Y
3026         *A == Y
3028 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
3029 accesses:
3031         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
3033 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
3034 combination of elements combined or discarded, provided the program's view
3035 of the world remains consistent.  Note that READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
3036 are -not- optional in the above example, as there are architectures
3037 where a given CPU might reorder successive loads to the same location.
3038 On such architectures, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() do whatever is
3039 necessary to prevent this, for example, on Itanium the volatile casts
3040 used by READ_ONCE() and WRITE_ONCE() cause GCC to emit the special ld.acq
3041 and st.rel instructions (respectively) that prevent such reordering.
3043 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
3044 the CPU even sees them.
3046 For instance:
3048         *A = V;
3049         *A = W;
3051 may be reduced to:
3053         *A = W;
3055 since, without either a write barrier or an WRITE_ONCE(), it can be
3056 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
3058         *A = Y;
3059         Z = *A;
3061 may, without a memory barrier or an READ_ONCE() and WRITE_ONCE(), be
3062 reduced to:
3064         *A = Y;
3065         Z = Y;
3067 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
3070 AND THEN THERE'S THE ALPHA
3071 --------------------------
3073 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
3074 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
3075 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
3076 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
3077 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
3078 changes vs new data occur in the right order.
3080 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
3082 See the subsection on "Cache Coherency" above.
3085 VIRTUAL MACHINE GUESTS
3086 ----------------------
3088 Guests running within virtual machines might be affected by SMP effects even if
3089 the guest itself is compiled without SMP support.  This is an artifact of
3090 interfacing with an SMP host while running an UP kernel.  Using mandatory
3091 barriers for this use-case would be possible but is often suboptimal.
3093 To handle this case optimally, low-level virt_mb() etc macros are available.
3094 These have the same effect as smp_mb() etc when SMP is enabled, but generate
3095 identical code for SMP and non-SMP systems.  For example, virtual machine guests
3096 should use virt_mb() rather than smp_mb() when synchronizing against a
3097 (possibly SMP) host.
3099 These are equivalent to smp_mb() etc counterparts in all other respects,
3100 in particular, they do not control MMIO effects: to control
3101 MMIO effects, use mandatory barriers.
3104 ============
3105 EXAMPLE USES
3106 ============
3108 CIRCULAR BUFFERS
3109 ----------------
3111 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
3112 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
3114         Documentation/circular-buffers.txt
3116 for details.
3119 ==========
3120 REFERENCES
3121 ==========
3123 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
3124 Digital Press)
3125         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
3126         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
3127         Chapter 5.5: Data Sharing
3128         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
3130 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
3131         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
3132         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
3134 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
3135 System Programming Guide
3136         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
3137         Chapter 7.2: Memory Ordering
3138         Chapter 7.4: Serializing Instructions
3140 The SPARC Architecture Manual, Version 9
3141         Chapter 8: Memory Models
3142         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
3143         Appendix J: Programming with the Memory Models
3145 UltraSPARC Programmer Reference Manual
3146         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
3147         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
3149 UltraSPARC III Cu User's Manual
3150         Chapter 9: Memory Models
3152 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
3153         Chapter 8: Memory Models
3155 UltraSPARC Architecture 2005
3156         Chapter 9: Memory
3157         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
3159 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
3160         Chapter 8: Memory Models
3161         Appendix F: Caches and Cache Coherency
3163 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
3164         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
3165                         Synchronization
3167 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
3168 for Kernel Programmers:
3169         Chapter 13: Other Memory Models
3171 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
3172         Section 2.6: Speculation
3173         Section 4.4: Memory Access