Documentation/spinlocks.txt

   1 UPDATE March 21 2005 Amit Gud <gud@eth.net>
   2
   3 Macros SPIN_LOCK_UNLOCKED and RW_LOCK_UNLOCKED are deprecated and will be
   4 removed soon. So for any new code dynamic initialization should be used:
   5
   6    spinlock_t xxx_lock;
   7    rwlock_t xxx_rw_lock;
   8
   9    static int __init xxx_init(void)
  10    {
  11         spin_lock_init(&xxx_lock);
  12         rwlock_init(&xxx_rw_lock);
  13         ...
  14    }
  15
  16    module_init(xxx_init);
  17
  18 Reasons for deprecation
  19   - it hurts automatic lock validators
  20   - it becomes intrusive for the realtime preemption patches
  21
  22 Following discussion is still valid, however, with the dynamic initialization
  23 of spinlocks instead of static.
  24
  25 -----------------------
  26
  27 On Fri, 2 Jan 1998, Doug Ledford wrote:
  28 >
  29 > I'm working on making the aic7xxx driver more SMP friendly (as well as
  30 > importing the latest FreeBSD sequencer code to have 7895 support) and wanted
  31 > to get some info from you.  The goal here is to make the various routines
  32 > SMP safe as well as UP safe during interrupts and other manipulating
  33 > routines.  So far, I've added a spin_lock variable to things like my queue
  34 > structs.  Now, from what I recall, there are some spin lock functions I can
  35 > use to lock these spin locks from other use as opposed to a (nasty)
  36 > save_flags(); cli(); stuff; restore_flags(); construct.  Where do I find
  37 > these routines and go about making use of them?  Do they only lock on a
  38 > per-processor basis or can they also lock say an interrupt routine from
  39 > mucking with a queue if the queue routine was manipulating it when the
  40 > interrupt occurred, or should I still use a cli(); based construct on that
  41 > one?
  42
  43 See <asm/spinlock.h>. The basic version is:
  44
  45    spinlock_t xxx_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
  46
  47
  48         unsigned long flags;
  49
  50         spin_lock_irqsave(&xxx_lock, flags);
  51         ... critical section here ..
  52         spin_unlock_irqrestore(&xxx_lock, flags);
  53
  54 and the above is always safe. It will disable interrupts _locally_, but the
  55 spinlock itself will guarantee the global lock, so it will guarantee that
  56 there is only one thread-of-control within the region(s) protected by that
  57 lock.
  58
  59 Note that it works well even under UP - the above sequence under UP
  60 essentially is just the same as doing a
  61
  62         unsigned long flags;
  63
  64         save_flags(flags); cli();
  65          ... critical section ...
  66         restore_flags(flags);
  67
  68 so the code does _not_ need to worry about UP vs SMP issues: the spinlocks
  69 work correctly under both (and spinlocks are actually more efficient on
  70 architectures that allow doing the "save_flags + cli" in one go because I
  71 don't export that interface normally).
  72
  73 NOTE NOTE NOTE! The reason the spinlock is so much faster than a global
  74 interrupt lock under SMP is exactly because it disables interrupts only on
  75 the local CPU. The spin-lock is safe only when you _also_ use the lock
  76 itself to do locking across CPU's, which implies that EVERYTHING that
  77 touches a shared variable has to agree about the spinlock they want to
  78 use.
  79
  80 The above is usually pretty simple (you usually need and want only one
  81 spinlock for most things - using more than one spinlock can make things a
  82 lot more complex and even slower and is usually worth it only for
  83 sequences that you _know_ need to be split up: avoid it at all cost if you
  84 aren't sure). HOWEVER, it _does_ mean that if you have some code that does
  85
  86         cli();
  87         .. critical section ..
  88         sti();
  89
  90 and another sequence that does
  91
  92         spin_lock_irqsave(flags);
  93         .. critical section ..
  94         spin_unlock_irqrestore(flags);
  95
  96 then they are NOT mutually exclusive, and the critical regions can happen
  97 at the same time on two different CPU's. That's fine per se, but the
  98 critical regions had better be critical for different things (ie they
  99 can't stomp on each other).
 100
 101 The above is a problem mainly if you end up mixing code - for example the
 102 routines in ll_rw_block() tend to use cli/sti to protect the atomicity of
 103 their actions, and if a driver uses spinlocks instead then you should
 104 think about issues like the above..
 105
 106 This is really the only really hard part about spinlocks: once you start
 107 using spinlocks they tend to expand to areas you might not have noticed
 108 before, because you have to make sure the spinlocks correctly protect the
 109 shared data structures _everywhere_ they are used. The spinlocks are most
 110 easily added to places that are completely independent of other code (ie
 111 internal driver data structures that nobody else ever touches, for
 112 example).
 113
 114 ----
 115
 116 Lesson 2: reader-writer spinlocks.
 117
 118 If your data accesses have a very natural pattern where you usually tend
 119 to mostly read from the shared variables, the reader-writer locks
 120 (rw_lock) versions of the spinlocks are often nicer. They allow multiple
 121 readers to be in the same critical region at once, but if somebody wants
 122 to change the variables it has to get an exclusive write lock. The
 123 routines look the same as above:
 124
 125    rwlock_t xxx_lock = RW_LOCK_UNLOCKED;
 126
 127
 128         unsigned long flags;
 129
 130         read_lock_irqsave(&xxx_lock, flags);
 131         .. critical section that only reads the info ...
 132         read_unlock_irqrestore(&xxx_lock, flags);
 133
 134         write_lock_irqsave(&xxx_lock, flags);
 135         .. read and write exclusive access to the info ...
 136         write_unlock_irqrestore(&xxx_lock, flags);
 137
 138 The above kind of lock is useful for complex data structures like linked
 139 lists etc, especially when you know that most of the work is to just
 140 traverse the list searching for entries without changing the list itself,
 141 for example. Then you can use the read lock for that kind of list
 142 traversal, which allows many concurrent readers. Anything that _changes_
 143 the list will have to get the write lock.
 144
 145 Note: you cannot "upgrade" a read-lock to a write-lock, so if you at _any_
 146 time need to do any changes (even if you don't do it every time), you have
 147 to get the write-lock at the very beginning. I could fairly easily add a
 148 primitive to create a "upgradeable" read-lock, but it hasn't been an issue
 149 yet. Tell me if you'd want one.
 150
 151 ----
 152
 153 Lesson 3: spinlocks revisited.
 154
 155 The single spin-lock primitives above are by no means the only ones. They
 156 are the most safe ones, and the ones that work under all circumstances,
 157 but partly _because_ they are safe they are also fairly slow. They are
 158 much faster than a generic global cli/sti pair, but slower than they'd
 159 need to be, because they do have to disable interrupts (which is just a
 160 single instruction on a x86, but it's an expensive one - and on other
 161 architectures it can be worse).
 162
 163 If you have a case where you have to protect a data structure across
 164 several CPU's and you want to use spinlocks you can potentially use
 165 cheaper versions of the spinlocks. IFF you know that the spinlocks are
 166 never used in interrupt handlers, you can use the non-irq versions:
 167
 168         spin_lock(&lock);
 169         ...
 170         spin_unlock(&lock);
 171
 172 (and the equivalent read-write versions too, of course). The spinlock will
 173 guarantee the same kind of exclusive access, and it will be much faster.
 174 This is useful if you know that the data in question is only ever
 175 manipulated from a "process context", ie no interrupts involved.
 176
 177 The reasons you mustn't use these versions if you have interrupts that
 178 play with the spinlock is that you can get deadlocks:
 179
 180         spin_lock(&lock);
 181         ...
 182                 <- interrupt comes in:
 183                         spin_lock(&lock);
 184
 185 where an interrupt tries to lock an already locked variable. This is ok if
 186 the other interrupt happens on another CPU, but it is _not_ ok if the
 187 interrupt happens on the same CPU that already holds the lock, because the
 188 lock will obviously never be released (because the interrupt is waiting
 189 for the lock, and the lock-holder is interrupted by the interrupt and will
 190 not continue until the interrupt has been processed).
 191
 192 (This is also the reason why the irq-versions of the spinlocks only need
 193 to disable the _local_ interrupts - it's ok to use spinlocks in interrupts
 194 on other CPU's, because an interrupt on another CPU doesn't interrupt the
 195 CPU that holds the lock, so the lock-holder can continue and eventually
 196 releases the lock).
 197
 198 Note that you can be clever with read-write locks and interrupts. For
 199 example, if you know that the interrupt only ever gets a read-lock, then
 200 you can use a non-irq version of read locks everywhere - because they
 201 don't block on each other (and thus there is no dead-lock wrt interrupts.
 202 But when you do the write-lock, you have to use the irq-safe version.
 203
 204 For an example of being clever with rw-locks, see the "waitqueue_lock"
 205 handling in kernel/sched.c - nothing ever _changes_ a wait-queue from
 206 within an interrupt, they only read the queue in order to know whom to
 207 wake up. So read-locks are safe (which is good: they are very common
 208 indeed), while write-locks need to protect themselves against interrupts.
 209
 210                 Linus
 211
 212