WIP FPC-III support
[linux/fpc-iii.git] / tools / memory-model / Documentation / ordering.txt
blob9b0949d3f5ec2c1d047cf9628db299902662bf92
1 This document gives an overview of the categories of memory-ordering
2 operations provided by the Linux-kernel memory model (LKMM).
5 Categories of Ordering
6 ======================
8 This section lists LKMM's three top-level categories of memory-ordering
9 operations in decreasing order of strength:
11 1.      Barriers (also known as "fences").  A barrier orders some or
12         all of the CPU's prior operations against some or all of its
13         subsequent operations.
15 2.      Ordered memory accesses.  These operations order themselves
16         against some or all of the CPU's prior accesses or some or all
17         of the CPU's subsequent accesses, depending on the subcategory
18         of the operation.
20 3.      Unordered accesses, as the name indicates, have no ordering
21         properties except to the extent that they interact with an
22         operation in the previous categories.  This being the real world,
23         some of these "unordered" operations provide limited ordering
24         in some special situations.
26 Each of the above categories is described in more detail by one of the
27 following sections.
30 Barriers
31 ========
33 Each of the following categories of barriers is described in its own
34 subsection below:
36 a.      Full memory barriers.
38 b.      Read-modify-write (RMW) ordering augmentation barriers.
40 c.      Write memory barrier.
42 d.      Read memory barrier.
44 e.      Compiler barrier.
46 Note well that many of these primitives generate absolutely no code
47 in kernels built with CONFIG_SMP=n.  Therefore, if you are writing
48 a device driver, which must correctly order accesses to a physical
49 device even in kernels built with CONFIG_SMP=n, please use the
50 ordering primitives provided for that purpose.  For example, instead of
51 smp_mb(), use mb().  See the "Linux Kernel Device Drivers" book or the
52 https://lwn.net/Articles/698014/ article for more information.
55 Full Memory Barriers
56 --------------------
58 The Linux-kernel primitives that provide full ordering include:
60 o       The smp_mb() full memory barrier.
62 o       Value-returning RMW atomic operations whose names do not end in
63         _acquire, _release, or _relaxed.
65 o       RCU's grace-period primitives.
67 First, the smp_mb() full memory barrier orders all of the CPU's prior
68 accesses against all subsequent accesses from the viewpoint of all CPUs.
69 In other words, all CPUs will agree that any earlier action taken
70 by that CPU happened before any later action taken by that same CPU.
71 For example, consider the following:
73         WRITE_ONCE(x, 1);
74         smp_mb(); // Order store to x before load from y.
75         r1 = READ_ONCE(y);
77 All CPUs will agree that the store to "x" happened before the load
78 from "y", as indicated by the comment.  And yes, please comment your
79 memory-ordering primitives.  It is surprisingly hard to remember their
80 purpose after even a few months.
82 Second, some RMW atomic operations provide full ordering.  These
83 operations include value-returning RMW atomic operations (that is, those
84 with non-void return types) whose names do not end in _acquire, _release,
85 or _relaxed.  Examples include atomic_add_return(), atomic_dec_and_test(),
86 cmpxchg(), and xchg().  Note that conditional RMW atomic operations such
87 as cmpxchg() are only guaranteed to provide ordering when they succeed.
88 When RMW atomic operations provide full ordering, they partition the
89 CPU's accesses into three groups:
91 1.      All code that executed prior to the RMW atomic operation.
93 2.      The RMW atomic operation itself.
95 3.      All code that executed after the RMW atomic operation.
97 All CPUs will agree that any operation in a given partition happened
98 before any operation in a higher-numbered partition.
100 In contrast, non-value-returning RMW atomic operations (that is, those
101 with void return types) do not guarantee any ordering whatsoever.  Nor do
102 value-returning RMW atomic operations whose names end in _relaxed.
103 Examples of the former include atomic_inc() and atomic_dec(),
104 while examples of the latter include atomic_cmpxchg_relaxed() and
105 atomic_xchg_relaxed().  Similarly, value-returning non-RMW atomic
106 operations such as atomic_read() do not guarantee full ordering, and
107 are covered in the later section on unordered operations.
109 Value-returning RMW atomic operations whose names end in _acquire or
110 _release provide limited ordering, and will be described later in this
111 document.
113 Finally, RCU's grace-period primitives provide full ordering.  These
114 primitives include synchronize_rcu(), synchronize_rcu_expedited(),
115 synchronize_srcu() and so on.  However, these primitives have orders
116 of magnitude greater overhead than smp_mb(), atomic_xchg(), and so on.
117 Furthermore, RCU's grace-period primitives can only be invoked in
118 sleepable contexts.  Therefore, RCU's grace-period primitives are
119 typically instead used to provide ordering against RCU read-side critical
120 sections, as documented in their comment headers.  But of course if you
121 need a synchronize_rcu() to interact with readers, it costs you nothing
122 to also rely on its additional full-memory-barrier semantics.  Just please
123 carefully comment this, otherwise your future self will hate you.
126 RMW Ordering Augmentation Barriers
127 ----------------------------------
129 As noted in the previous section, non-value-returning RMW operations
130 such as atomic_inc() and atomic_dec() guarantee no ordering whatsoever.
131 Nevertheless, a number of popular CPU families, including x86, provide
132 full ordering for these primitives.  One way to obtain full ordering on
133 all architectures is to add a call to smp_mb():
135         WRITE_ONCE(x, 1);
136         atomic_inc(&my_counter);
137         smp_mb(); // Inefficient on x86!!!
138         r1 = READ_ONCE(y);
140 This works, but the added smp_mb() adds needless overhead for
141 x86, on which atomic_inc() provides full ordering all by itself.
142 The smp_mb__after_atomic() primitive can be used instead:
144         WRITE_ONCE(x, 1);
145         atomic_inc(&my_counter);
146         smp_mb__after_atomic(); // Order store to x before load from y.
147         r1 = READ_ONCE(y);
149 The smp_mb__after_atomic() primitive emits code only on CPUs whose
150 atomic_inc() implementations do not guarantee full ordering, thus
151 incurring no unnecessary overhead on x86.  There are a number of
152 variations on the smp_mb__*() theme:
154 o       smp_mb__before_atomic(), which provides full ordering prior
155         to an unordered RMW atomic operation.
157 o       smp_mb__after_atomic(), which, as shown above, provides full
158         ordering subsequent to an unordered RMW atomic operation.
160 o       smp_mb__after_spinlock(), which provides full ordering subsequent
161         to a successful spinlock acquisition.  Note that spin_lock() is
162         always successful but spin_trylock() might not be.
164 o       smp_mb__after_srcu_read_unlock(), which provides full ordering
165         subsequent to an srcu_read_unlock().
167 It is bad practice to place code between the smp__*() primitive and the
168 operation whose ordering that it is augmenting.  The reason is that the
169 ordering of this intervening code will differ from one CPU architecture
170 to another.
173 Write Memory Barrier
174 --------------------
176 The Linux kernel's write memory barrier is smp_wmb().  If a CPU executes
177 the following code:
179         WRITE_ONCE(x, 1);
180         smp_wmb();
181         WRITE_ONCE(y, 1);
183 Then any given CPU will see the write to "x" has having happened before
184 the write to "y".  However, you are usually better off using a release
185 store, as described in the "Release Operations" section below.
187 Note that smp_wmb() might fail to provide ordering for unmarked C-language
188 stores because profile-driven optimization could determine that the
189 value being overwritten is almost always equal to the new value.  Such a
190 compiler might then reasonably decide to transform "x = 1" and "y = 1"
191 as follows:
193         if (x != 1)
194                 x = 1;
195         smp_wmb(); // BUG: does not order the reads!!!
196         if (y != 1)
197                 y = 1;
199 Therefore, if you need to use smp_wmb() with unmarked C-language writes,
200 you will need to make sure that none of the compilers used to build
201 the Linux kernel carry out this sort of transformation, both now and in
202 the future.
205 Read Memory Barrier
206 -------------------
208 The Linux kernel's read memory barrier is smp_rmb().  If a CPU executes
209 the following code:
211         r0 = READ_ONCE(y);
212         smp_rmb();
213         r1 = READ_ONCE(x);
215 Then any given CPU will see the read from "y" as having preceded the read from
216 "x".  However, you are usually better off using an acquire load, as described
217 in the "Acquire Operations" section below.
219 Compiler Barrier
220 ----------------
222 The Linux kernel's compiler barrier is barrier().  This primitive
223 prohibits compiler code-motion optimizations that might move memory
224 references across the point in the code containing the barrier(), but
225 does not constrain hardware memory ordering.  For example, this can be
226 used to prevent to compiler from moving code across an infinite loop:
228         WRITE_ONCE(x, 1);
229         while (dontstop)
230                 barrier();
231         r1 = READ_ONCE(y);
233 Without the barrier(), the compiler would be within its rights to move the
234 WRITE_ONCE() to follow the loop.  This code motion could be problematic
235 in the case where an interrupt handler terminates the loop.  Another way
236 to handle this is to use READ_ONCE() for the load of "dontstop".
238 Note that the barriers discussed previously use barrier() or its low-level
239 equivalent in their implementations.
242 Ordered Memory Accesses
243 =======================
245 The Linux kernel provides a wide variety of ordered memory accesses:
247 a.      Release operations.
249 b.      Acquire operations.
251 c.      RCU read-side ordering.
253 d.      Control dependencies.
255 Each of the above categories has its own section below.
258 Release Operations
259 ------------------
261 Release operations include smp_store_release(), atomic_set_release(),
262 rcu_assign_pointer(), and value-returning RMW operations whose names
263 end in _release.  These operations order their own store against all
264 of the CPU's prior memory accesses.  Release operations often provide
265 improved readability and performance compared to explicit barriers.
266 For example, use of smp_store_release() saves a line compared to the
267 smp_wmb() example above:
269         WRITE_ONCE(x, 1);
270         smp_store_release(&y, 1);
272 More important, smp_store_release() makes it easier to connect up the
273 different pieces of the concurrent algorithm.  The variable stored to
274 by the smp_store_release(), in this case "y", will normally be used in
275 an acquire operation in other parts of the concurrent algorithm.
277 To see the performance advantages, suppose that the above example read
278 from "x" instead of writing to it.  Then an smp_wmb() could not guarantee
279 ordering, and an smp_mb() would be needed instead:
281         r1 = READ_ONCE(x);
282         smp_mb();
283         WRITE_ONCE(y, 1);
285 But smp_mb() often incurs much higher overhead than does
286 smp_store_release(), which still provides the needed ordering of "x"
287 against "y".  On x86, the version using smp_store_release() might compile
288 to a simple load instruction followed by a simple store instruction.
289 In contrast, the smp_mb() compiles to an expensive instruction that
290 provides the needed ordering.
292 There is a wide variety of release operations:
294 o       Store operations, including not only the aforementioned
295         smp_store_release(), but also atomic_set_release(), and
296         atomic_long_set_release().
298 o       RCU's rcu_assign_pointer() operation.  This is the same as
299         smp_store_release() except that: (1) It takes the pointer to
300         be assigned to instead of a pointer to that pointer, (2) It
301         is intended to be used in conjunction with rcu_dereference()
302         and similar rather than smp_load_acquire(), and (3) It checks
303         for an RCU-protected pointer in "sparse" runs.
305 o       Value-returning RMW operations whose names end in _release,
306         such as atomic_fetch_add_release() and cmpxchg_release().
307         Note that release ordering is guaranteed only against the
308         memory-store portion of the RMW operation, and not against the
309         memory-load portion.  Note also that conditional operations such
310         as cmpxchg_release() are only guaranteed to provide ordering
311         when they succeed.
313 As mentioned earlier, release operations are often paired with acquire
314 operations, which are the subject of the next section.
317 Acquire Operations
318 ------------------
320 Acquire operations include smp_load_acquire(), atomic_read_acquire(),
321 and value-returning RMW operations whose names end in _acquire.   These
322 operations order their own load against all of the CPU's subsequent
323 memory accesses.  Acquire operations often provide improved performance
324 and readability compared to explicit barriers.  For example, use of
325 smp_load_acquire() saves a line compared to the smp_rmb() example above:
327         r0 = smp_load_acquire(&y);
328         r1 = READ_ONCE(x);
330 As with smp_store_release(), this also makes it easier to connect
331 the different pieces of the concurrent algorithm by looking for the
332 smp_store_release() that stores to "y".  In addition, smp_load_acquire()
333 improves upon smp_rmb() by ordering against subsequent stores as well
334 as against subsequent loads.
336 There are a couple of categories of acquire operations:
338 o       Load operations, including not only the aforementioned
339         smp_load_acquire(), but also atomic_read_acquire(), and
340         atomic64_read_acquire().
342 o       Value-returning RMW operations whose names end in _acquire,
343         such as atomic_xchg_acquire() and atomic_cmpxchg_acquire().
344         Note that acquire ordering is guaranteed only against the
345         memory-load portion of the RMW operation, and not against the
346         memory-store portion.  Note also that conditional operations
347         such as atomic_cmpxchg_acquire() are only guaranteed to provide
348         ordering when they succeed.
350 Symmetry being what it is, acquire operations are often paired with the
351 release operations covered earlier.  For example, consider the following
352 example, where task0() and task1() execute concurrently:
354         void task0(void)
355         {
356                 WRITE_ONCE(x, 1);
357                 smp_store_release(&y, 1);
358         }
360         void task1(void)
361         {
362                 r0 = smp_load_acquire(&y);
363                 r1 = READ_ONCE(x);
364         }
366 If "x" and "y" are both initially zero, then either r0's final value
367 will be zero or r1's final value will be one, thus providing the required
368 ordering.
371 RCU Read-Side Ordering
372 ----------------------
374 This category includes read-side markers such as rcu_read_lock()
375 and rcu_read_unlock() as well as pointer-traversal primitives such as
376 rcu_dereference() and srcu_dereference().
378 Compared to locking primitives and RMW atomic operations, markers
379 for RCU read-side critical sections incur very low overhead because
380 they interact only with the corresponding grace-period primitives.
381 For example, the rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() markers interact
382 with synchronize_rcu(), synchronize_rcu_expedited(), and call_rcu().
383 The way this works is that if a given call to synchronize_rcu() cannot
384 prove that it started before a given call to rcu_read_lock(), then
385 that synchronize_rcu() must block until the matching rcu_read_unlock()
386 is reached.  For more information, please see the synchronize_rcu()
387 docbook header comment and the material in Documentation/RCU.
389 RCU's pointer-traversal primitives, including rcu_dereference() and
390 srcu_dereference(), order their load (which must be a pointer) against any
391 of the CPU's subsequent memory accesses whose address has been calculated
392 from the value loaded.  There is said to be an *address dependency*
393 from the value returned by the rcu_dereference() or srcu_dereference()
394 to that subsequent memory access.
396 A call to rcu_dereference() for a given RCU-protected pointer is
397 usually paired with a call to a call to rcu_assign_pointer() for that
398 same pointer in much the same way that a call to smp_load_acquire() is
399 paired with a call to smp_store_release().  Calls to rcu_dereference()
400 and rcu_assign_pointer are often buried in other APIs, for example,
401 the RCU list API members defined in include/linux/rculist.h.  For more
402 information, please see the docbook headers in that file, the most
403 recent LWN article on the RCU API (https://lwn.net/Articles/777036/),
404 and of course the material in Documentation/RCU.
406 If the pointer value is manipulated between the rcu_dereference()
407 that returned it and a later dereference(), please read
408 Documentation/RCU/rcu_dereference.rst.  It can also be quite helpful to
409 review uses in the Linux kernel.
412 Control Dependencies
413 --------------------
415 A control dependency extends from a marked load (READ_ONCE() or stronger)
416 through an "if" condition to a marked store (WRITE_ONCE() or stronger)
417 that is executed only by one of the legs of that "if" statement.
418 Control dependencies are so named because they are mediated by
419 control-flow instructions such as comparisons and conditional branches.
421 In short, you can use a control dependency to enforce ordering between
422 an READ_ONCE() and a WRITE_ONCE() when there is an "if" condition
423 between them.  The canonical example is as follows:
425         q = READ_ONCE(a);
426         if (q)
427                 WRITE_ONCE(b, 1);
429 In this case, all CPUs would see the read from "a" as happening before
430 the write to "b".
432 However, control dependencies are easily destroyed by compiler
433 optimizations, so any use of control dependencies must take into account
434 all of the compilers used to build the Linux kernel.  Please see the
435 "control-dependencies.txt" file for more information.
438 Unordered Accesses
439 ==================
441 Each of these two categories of unordered accesses has a section below:
443 a.      Unordered marked operations.
445 b.      Unmarked C-language accesses.
448 Unordered Marked Operations
449 ---------------------------
451 Unordered operations to different variables are just that, unordered.
452 However, if a group of CPUs apply these operations to a single variable,
453 all the CPUs will agree on the operation order.  Of course, the ordering
454 of unordered marked accesses can also be constrained using the mechanisms
455 described earlier in this document.
457 These operations come in three categories:
459 o       Marked writes, such as WRITE_ONCE() and atomic_set().  These
460         primitives required the compiler to emit the corresponding store
461         instructions in the expected execution order, thus suppressing
462         a number of destructive optimizations.  However, they provide no
463         hardware ordering guarantees, and in fact many CPUs will happily
464         reorder marked writes with each other or with other unordered
465         operations, unless these operations are to the same variable.
467 o       Marked reads, such as READ_ONCE() and atomic_read().  These
468         primitives required the compiler to emit the corresponding load
469         instructions in the expected execution order, thus suppressing
470         a number of destructive optimizations.  However, they provide no
471         hardware ordering guarantees, and in fact many CPUs will happily
472         reorder marked reads with each other or with other unordered
473         operations, unless these operations are to the same variable.
475 o       Unordered RMW atomic operations.  These are non-value-returning
476         RMW atomic operations whose names do not end in _acquire or
477         _release, and also value-returning RMW operations whose names
478         end in _relaxed.  Examples include atomic_add(), atomic_or(),
479         and atomic64_fetch_xor_relaxed().  These operations do carry
480         out the specified RMW operation atomically, for example, five
481         concurrent atomic_inc() operations applied to a given variable
482         will reliably increase the value of that variable by five.
483         However, many CPUs will happily reorder these operations with
484         each other or with other unordered operations.
486         This category of operations can be efficiently ordered using
487         smp_mb__before_atomic() and smp_mb__after_atomic(), as was
488         discussed in the "RMW Ordering Augmentation Barriers" section.
490 In short, these operations can be freely reordered unless they are all
491 operating on a single variable or unless they are constrained by one of
492 the operations called out earlier in this document.
495 Unmarked C-Language Accesses
496 ----------------------------
498 Unmarked C-language accesses are normal variable accesses to normal
499 variables, that is, to variables that are not "volatile" and are not
500 C11 atomic variables.  These operations provide no ordering guarantees,
501 and further do not guarantee "atomic" access.  For example, the compiler
502 might (and sometimes does) split a plain C-language store into multiple
503 smaller stores.  A load from that same variable running on some other
504 CPU while such a store is executing might see a value that is a mashup
505 of the old value and the new value.
507 Unmarked C-language accesses are unordered, and are also subject to
508 any number of compiler optimizations, many of which can break your
509 concurrent code.  It is possible to used unmarked C-language accesses for
510 shared variables that are subject to concurrent access, but great care
511 is required on an ongoing basis.  The compiler-constraining barrier()
512 primitive can be helpful, as can the various ordering primitives discussed
513 in this document.  It nevertheless bears repeating that use of unmarked
514 C-language accesses requires careful attention to not just your code,
515 but to all the compilers that might be used to build it.  Such compilers
516 might replace a series of loads with a single load, and might replace
517 a series of stores with a single store.  Some compilers will even split
518 a single store into multiple smaller stores.
520 But there are some ways of using unmarked C-language accesses for shared
521 variables without such worries:
523 o       Guard all accesses to a given variable by a particular lock,
524         so that there are never concurrent conflicting accesses to
525         that variable.  (There are "conflicting accesses" when
526         (1) at least one of the concurrent accesses to a variable is an
527         unmarked C-language access and (2) when at least one of those
528         accesses is a write, whether marked or not.)
530 o       As above, but using other synchronization primitives such
531         as reader-writer locks or sequence locks.
533 o       Use locking or other means to ensure that all concurrent accesses
534         to a given variable are reads.
536 o       Restrict use of a given variable to statistics or heuristics
537         where the occasional bogus value can be tolerated.
539 o       Declare the accessed variables as C11 atomics.
540         https://lwn.net/Articles/691128/
542 o       Declare the accessed variables as "volatile".
544 If you need to live more dangerously, please do take the time to
545 understand the compilers.  One place to start is these two LWN
546 articles:
548 Who's afraid of a big bad optimizing compiler?
549         https://lwn.net/Articles/793253
550 Calibrating your fear of big bad optimizing compilers
551         https://lwn.net/Articles/799218
553 Used properly, unmarked C-language accesses can reduce overhead on
554 fastpaths.  However, the price is great care and continual attention
555 to your compiler as new versions come out and as new optimizations
556 are enabled.