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[linux/fpc-iii.git] / Documentation / scheduler / completion.txt
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1 Completions - "wait for completion" barrier APIs
2 ================================================
4 Introduction:
5 -------------
7 If you have one or more threads that must wait for some kernel activity
8 to have reached a point or a specific state, completions can provide a
9 race-free solution to this problem. Semantically they are somewhat like a
10 pthread_barrier() and have similar use-cases.
12 Completions are a code synchronization mechanism which is preferable to any
13 misuse of locks/semaphores and busy-loops. Any time you think of using
14 yield() or some quirky msleep(1) loop to allow something else to proceed,
15 you probably want to look into using one of the wait_for_completion*()
16 calls and complete() instead.
18 The advantage of using completions is that they have a well defined, focused
19 purpose which makes it very easy to see the intent of the code, but they
20 also result in more efficient code as all threads can continue execution
21 until the result is actually needed, and both the waiting and the signalling
22 is highly efficient using low level scheduler sleep/wakeup facilities.
24 Completions are built on top of the waitqueue and wakeup infrastructure of
25 the Linux scheduler. The event the threads on the waitqueue are waiting for
26 is reduced to a simple flag in 'struct completion', appropriately called "done".
28 As completions are scheduling related, the code can be found in
29 kernel/sched/completion.c.
32 Usage:
33 ------
35 There are three main parts to using completions:
37  - the initialization of the 'struct completion' synchronization object
38  - the waiting part through a call to one of the variants of wait_for_completion(),
39  - the signaling side through a call to complete() or complete_all().
41 There are also some helper functions for checking the state of completions.
42 Note that while initialization must happen first, the waiting and signaling
43 part can happen in any order. I.e. it's entirely normal for a thread
44 to have marked a completion as 'done' before another thread checks whether
45 it has to wait for it.
47 To use completions you need to #include <linux/completion.h> and
48 create a static or dynamic variable of type 'struct completion',
49 which has only two fields:
51         struct completion {
52                 unsigned int done;
53                 wait_queue_head_t wait;
54         };
56 This provides the ->wait waitqueue to place tasks on for waiting (if any), and
57 the ->done completion flag for indicating whether it's completed or not.
59 Completions should be named to refer to the event that is being synchronized on.
60 A good example is:
62         wait_for_completion(&early_console_added);
64         complete(&early_console_added);
66 Good, intuitive naming (as always) helps code readability. Naming a completion
67 'complete' is not helpful unless the purpose is super obvious...
70 Initializing completions:
71 -------------------------
73 Dynamically allocated completion objects should preferably be embedded in data
74 structures that are assured to be alive for the life-time of the function/driver,
75 to prevent races with asynchronous complete() calls from occurring.
77 Particular care should be taken when using the _timeout() or _killable()/_interruptible()
78 variants of wait_for_completion(), as it must be assured that memory de-allocation
79 does not happen until all related activities (complete() or reinit_completion())
80 have taken place, even if these wait functions return prematurely due to a timeout
81 or a signal triggering.
83 Initializing of dynamically allocated completion objects is done via a call to
84 init_completion():
86         init_completion(&dynamic_object->done);
88 In this call we initialize the waitqueue and set ->done to 0, i.e. "not completed"
89 or "not done".
91 The re-initialization function, reinit_completion(), simply resets the
92 ->done field to 0 ("not done"), without touching the waitqueue.
93 Callers of this function must make sure that there are no racy
94 wait_for_completion() calls going on in parallel.
96 Calling init_completion() on the same completion object twice is
97 most likely a bug as it re-initializes the queue to an empty queue and
98 enqueued tasks could get "lost" - use reinit_completion() in that case,
99 but be aware of other races.
101 For static declaration and initialization, macros are available.
103 For static (or global) declarations in file scope you can use DECLARE_COMPLETION():
105         static DECLARE_COMPLETION(setup_done);
106         DECLARE_COMPLETION(setup_done);
108 Note that in this case the completion is boot time (or module load time)
109 initialized to 'not done' and doesn't require an init_completion() call.
111 When a completion is declared as a local variable within a function,
112 then the initialization should always use DECLARE_COMPLETION_ONSTACK()
113 explicitly, not just to make lockdep happy, but also to make it clear
114 that limited scope had been considered and is intentional:
116         DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(setup_done)
118 Note that when using completion objects as local variables you must be
119 acutely aware of the short life time of the function stack: the function
120 must not return to a calling context until all activities (such as waiting
121 threads) have ceased and the completion object is completely unused.
123 To emphasise this again: in particular when using some of the waiting API variants
124 with more complex outcomes, such as the timeout or signalling (_timeout(),
125 _killable() and _interruptible()) variants, the wait might complete
126 prematurely while the object might still be in use by another thread - and a return
127 from the wait_on_completion*() caller function will deallocate the function
128 stack and cause subtle data corruption if a complete() is done in some
129 other thread. Simple testing might not trigger these kinds of races.
131 If unsure, use dynamically allocated completion objects, preferably embedded
132 in some other long lived object that has a boringly long life time which
133 exceeds the life time of any helper threads using the completion object,
134 or has a lock or other synchronization mechanism to make sure complete()
135 is not called on a freed object.
137 A naive DECLARE_COMPLETION() on the stack triggers a lockdep warning.
139 Waiting for completions:
140 ------------------------
142 For a thread to wait for some concurrent activity to finish, it
143 calls wait_for_completion() on the initialized completion structure:
145         void wait_for_completion(struct completion *done)
147 A typical usage scenario is:
149         CPU#1                                   CPU#2
151         struct completion setup_done;
153         init_completion(&setup_done);
154         initialize_work(...,&setup_done,...);
156         /* run non-dependent code */            /* do setup */
158         wait_for_completion(&setup_done);       complete(setup_done);
160 This is not implying any particular order between wait_for_completion() and
161 the call to complete() - if the call to complete() happened before the call
162 to wait_for_completion() then the waiting side simply will continue
163 immediately as all dependencies are satisfied; if not, it will block until
164 completion is signaled by complete().
166 Note that wait_for_completion() is calling spin_lock_irq()/spin_unlock_irq(),
167 so it can only be called safely when you know that interrupts are enabled.
168 Calling it from IRQs-off atomic contexts will result in hard-to-detect
169 spurious enabling of interrupts.
171 The default behavior is to wait without a timeout and to mark the task as
172 uninterruptible. wait_for_completion() and its variants are only safe
173 in process context (as they can sleep) but not in atomic context,
174 interrupt context, with disabled IRQs, or preemption is disabled - see also
175 try_wait_for_completion() below for handling completion in atomic/interrupt
176 context.
178 As all variants of wait_for_completion() can (obviously) block for a long
179 time depending on the nature of the activity they are waiting for, so in
180 most cases you probably don't want to call this with held mutexes.
183 wait_for_completion*() variants available:
184 ------------------------------------------
186 The below variants all return status and this status should be checked in
187 most(/all) cases - in cases where the status is deliberately not checked you
188 probably want to make a note explaining this (e.g. see
189 arch/arm/kernel/smp.c:__cpu_up()).
191 A common problem that occurs is to have unclean assignment of return types,
192 so take care to assign return-values to variables of the proper type.
194 Checking for the specific meaning of return values also has been found
195 to be quite inaccurate, e.g. constructs like:
197         if (!wait_for_completion_interruptible_timeout(...))
199 ... would execute the same code path for successful completion and for the
200 interrupted case - which is probably not what you want.
202         int wait_for_completion_interruptible(struct completion *done)
204 This function marks the task TASK_INTERRUPTIBLE while it is waiting.
205 If a signal was received while waiting it will return -ERESTARTSYS; 0 otherwise.
207         unsigned long wait_for_completion_timeout(struct completion *done, unsigned long timeout)
209 The task is marked as TASK_UNINTERRUPTIBLE and will wait at most 'timeout'
210 jiffies. If a timeout occurs it returns 0, else the remaining time in
211 jiffies (but at least 1).
213 Timeouts are preferably calculated with msecs_to_jiffies() or usecs_to_jiffies(),
214 to make the code largely HZ-invariant.
216 If the returned timeout value is deliberately ignored a comment should probably explain
217 why (e.g. see drivers/mfd/wm8350-core.c wm8350_read_auxadc()).
219         long wait_for_completion_interruptible_timeout(struct completion *done, unsigned long timeout)
221 This function passes a timeout in jiffies and marks the task as
222 TASK_INTERRUPTIBLE. If a signal was received it will return -ERESTARTSYS;
223 otherwise it returns 0 if the completion timed out, or the remaining time in
224 jiffies if completion occurred.
226 Further variants include _killable which uses TASK_KILLABLE as the
227 designated tasks state and will return -ERESTARTSYS if it is interrupted,
228 or 0 if completion was achieved.  There is a _timeout variant as well:
230         long wait_for_completion_killable(struct completion *done)
231         long wait_for_completion_killable_timeout(struct completion *done, unsigned long timeout)
233 The _io variants wait_for_completion_io() behave the same as the non-_io
234 variants, except for accounting waiting time as 'waiting on IO', which has
235 an impact on how the task is accounted in scheduling/IO stats:
237         void wait_for_completion_io(struct completion *done)
238         unsigned long wait_for_completion_io_timeout(struct completion *done, unsigned long timeout)
241 Signaling completions:
242 ----------------------
244 A thread that wants to signal that the conditions for continuation have been
245 achieved calls complete() to signal exactly one of the waiters that it can
246 continue:
248         void complete(struct completion *done)
250 ... or calls complete_all() to signal all current and future waiters:
252         void complete_all(struct completion *done)
254 The signaling will work as expected even if completions are signaled before
255 a thread starts waiting. This is achieved by the waiter "consuming"
256 (decrementing) the done field of 'struct completion'. Waiting threads
257 wakeup order is the same in which they were enqueued (FIFO order).
259 If complete() is called multiple times then this will allow for that number
260 of waiters to continue - each call to complete() will simply increment the
261 done field. Calling complete_all() multiple times is a bug though. Both
262 complete() and complete_all() can be called in IRQ/atomic context safely.
264 There can only be one thread calling complete() or complete_all() on a
265 particular 'struct completion' at any time - serialized through the wait
266 queue spinlock. Any such concurrent calls to complete() or complete_all()
267 probably are a design bug.
269 Signaling completion from IRQ context is fine as it will appropriately
270 lock with spin_lock_irqsave()/spin_unlock_irqrestore() and it will never
271 sleep. 
274 try_wait_for_completion()/completion_done():
275 --------------------------------------------
277 The try_wait_for_completion() function will not put the thread on the wait
278 queue but rather returns false if it would need to enqueue (block) the thread,
279 else it consumes one posted completion and returns true.
281         bool try_wait_for_completion(struct completion *done)
283 Finally, to check the state of a completion without changing it in any way,
284 call completion_done(), which returns false if there are no posted
285 completions that were not yet consumed by waiters (implying that there are
286 waiters) and true otherwise;
288         bool completion_done(struct completion *done)
290 Both try_wait_for_completion() and completion_done() are safe to be called in
291 IRQ or atomic context.