Re-apply [lldb] Do not use LC_FUNCTION_STARTS data to determine symbol size as symbol...
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1 ==============================================
2 LLVM Atomic Instructions and Concurrency Guide
3 ==============================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 LLVM supports instructions which are well-defined in the presence of threads and
12 asynchronous signals.
14 The atomic instructions are designed specifically to provide readable IR and
15 optimized code generation for the following:
17 * The C++ ``<atomic>`` header and C ``<stdatomic.h>`` headers. These
18   were originally added in C++11 and C11. The memory model has been
19   subsequently adjusted to correct errors in the initial
20   specification, so LLVM currently intends to implement the version
21   specified by C++20. (See the `C++20 draft standard
22   <https://isocpp.org/files/papers/N4860.pdf>`_ or the unofficial
23   `latest C++ draft <https://eel.is/c++draft/>`_. A `C2x draft
24   <https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/docs/n3047.pdf>`_ is
25   also available, though the text has not yet been updated with the
26   errata corrected by C++20.)
28 * Proper semantics for Java-style memory, for both ``volatile`` and regular
29   shared variables. (`Java Specification
30   <http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html>`_)
32 * gcc-compatible ``__sync_*`` builtins. (`Description
33   <https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/_005f_005fsync-Builtins.html>`_)
35 * Other scenarios with atomic semantics, including ``static`` variables with
36   non-trivial constructors in C++.
38 Atomic and volatile in the IR are orthogonal; "volatile" is the C/C++ volatile,
39 which ensures that every volatile load and store happens and is performed in the
40 stated order.  A couple examples: if a SequentiallyConsistent store is
41 immediately followed by another SequentiallyConsistent store to the same
42 address, the first store can be erased. This transformation is not allowed for a
43 pair of volatile stores. On the other hand, a non-volatile non-atomic load can
44 be moved across a volatile load freely, but not an Acquire load.
46 This document is intended to provide a guide to anyone either writing a frontend
47 for LLVM or working on optimization passes for LLVM with a guide for how to deal
48 with instructions with special semantics in the presence of concurrency. This
49 is not intended to be a precise guide to the semantics; the details can get
50 extremely complicated and unreadable, and are not usually necessary.
52 .. _Optimization outside atomic:
54 Optimization outside atomic
55 ===========================
57 The basic ``'load'`` and ``'store'`` allow a variety of optimizations, but can
58 lead to undefined results in a concurrent environment; see `NotAtomic`_. This
59 section specifically goes into the one optimizer restriction which applies in
60 concurrent environments, which gets a bit more of an extended description
61 because any optimization dealing with stores needs to be aware of it.
63 From the optimizer's point of view, the rule is that if there are not any
64 instructions with atomic ordering involved, concurrency does not matter, with
65 one exception: if a variable might be visible to another thread or signal
66 handler, a store cannot be inserted along a path where it might not execute
67 otherwise.  Take the following example:
69 .. code-block:: c
71  /* C code, for readability; run through clang -O2 -S -emit-llvm to get
72      equivalent IR */
73   int x;
74   void f(int* a) {
75     for (int i = 0; i < 100; i++) {
76       if (a[i])
77         x += 1;
78     }
79   }
81 The following is equivalent in non-concurrent situations:
83 .. code-block:: c
85   int x;
86   void f(int* a) {
87     int xtemp = x;
88     for (int i = 0; i < 100; i++) {
89       if (a[i])
90         xtemp += 1;
91     }
92     x = xtemp;
93   }
95 However, LLVM is not allowed to transform the former to the latter: it could
96 indirectly introduce undefined behavior if another thread can access ``x`` at
97 the same time. That thread would read `undef` instead of the value it was
98 expecting, which can lead to undefined behavior down the line. (This example is
99 particularly of interest because before the concurrency model was implemented,
100 LLVM would perform this transformation.)
102 Note that speculative loads are allowed; a load which is part of a race returns
103 ``undef``, but does not have undefined behavior.
105 Atomic instructions
106 ===================
108 For cases where simple loads and stores are not sufficient, LLVM provides
109 various atomic instructions. The exact guarantees provided depend on the
110 ordering; see `Atomic orderings`_.
112 ``load atomic`` and ``store atomic`` provide the same basic functionality as
113 non-atomic loads and stores, but provide additional guarantees in situations
114 where threads and signals are involved.
116 ``cmpxchg`` and ``atomicrmw`` are essentially like an atomic load followed by an
117 atomic store (where the store is conditional for ``cmpxchg``), but no other
118 memory operation can happen on any thread between the load and store.
120 A ``fence`` provides Acquire and/or Release ordering which is not part
121 of another operation; it is normally used along with Monotonic memory
122 operations.  A Monotonic load followed by an Acquire fence is roughly
123 equivalent to an Acquire load, and a Monotonic store following a
124 Release fence is roughly equivalent to a Release
125 store. SequentiallyConsistent fences behave as both an Acquire and a
126 Release fence, and additionally provide a total ordering with some
127 complicated guarantees, see the C++ standard for details.
129 Frontends generating atomic instructions generally need to be aware of the
130 target to some degree; atomic instructions are guaranteed to be lock-free, and
131 therefore an instruction which is wider than the target natively supports can be
132 impossible to generate.
134 .. _Atomic orderings:
136 Atomic orderings
137 ================
139 In order to achieve a balance between performance and necessary guarantees,
140 there are six levels of atomicity. They are listed in order of strength; each
141 level includes all the guarantees of the previous level except for
142 Acquire/Release. (See also `LangRef Ordering <LangRef.html#ordering>`_.)
144 .. _NotAtomic:
146 NotAtomic
147 ---------
149 NotAtomic is the obvious, a load or store which is not atomic. (This isn't
150 really a level of atomicity, but is listed here for comparison.) This is
151 essentially a regular load or store. If there is a race on a given memory
152 location, loads from that location return undef.
154 Relevant standard
155   This is intended to match shared variables in C/C++, and to be used in any
156   other context where memory access is necessary, and a race is impossible. (The
157   precise definition is in `LangRef Memory Model <LangRef.html#memmodel>`_.)
159 Notes for frontends
160   The rule is essentially that all memory accessed with basic loads and stores
161   by multiple threads should be protected by a lock or other synchronization;
162   otherwise, you are likely to run into undefined behavior. If your frontend is
163   for a "safe" language like Java, use Unordered to load and store any shared
164   variable.  Note that NotAtomic volatile loads and stores are not properly
165   atomic; do not try to use them as a substitute. (Per the C/C++ standards,
166   volatile does provide some limited guarantees around asynchronous signals, but
167   atomics are generally a better solution.)
169 Notes for optimizers
170   Introducing loads to shared variables along a codepath where they would not
171   otherwise exist is allowed; introducing stores to shared variables is not. See
172   `Optimization outside atomic`_.
174 Notes for code generation
175   The one interesting restriction here is that it is not allowed to write to
176   bytes outside of the bytes relevant to a store.  This is mostly relevant to
177   unaligned stores: it is not allowed in general to convert an unaligned store
178   into two aligned stores of the same width as the unaligned store. Backends are
179   also expected to generate an i8 store as an i8 store, and not an instruction
180   which writes to surrounding bytes.  (If you are writing a backend for an
181   architecture which cannot satisfy these restrictions and cares about
182   concurrency, please send an email to llvm-dev.)
184 Unordered
185 ---------
187 Unordered is the lowest level of atomicity. It essentially guarantees that races
188 produce somewhat sane results instead of having undefined behavior.  It also
189 guarantees the operation to be lock-free, so it does not depend on the data
190 being part of a special atomic structure or depend on a separate per-process
191 global lock.  Note that code generation will fail for unsupported atomic
192 operations; if you need such an operation, use explicit locking.
194 Relevant standard
195   This is intended to match the Java memory model for shared variables.
197 Notes for frontends
198   This cannot be used for synchronization, but is useful for Java and other
199   "safe" languages which need to guarantee that the generated code never
200   exhibits undefined behavior. Note that this guarantee is cheap on common
201   platforms for loads of a native width, but can be expensive or unavailable for
202   wider loads, like a 64-bit store on ARM. (A frontend for Java or other "safe"
203   languages would normally split a 64-bit store on ARM into two 32-bit unordered
204   stores.)
206 Notes for optimizers
207   In terms of the optimizer, this prohibits any transformation that transforms a
208   single load into multiple loads, transforms a store into multiple stores,
209   narrows a store, or stores a value which would not be stored otherwise.  Some
210   examples of unsafe optimizations are narrowing an assignment into a bitfield,
211   rematerializing a load, and turning loads and stores into a memcpy
212   call. Reordering unordered operations is safe, though, and optimizers should
213   take advantage of that because unordered operations are common in languages
214   that need them.
216 Notes for code generation
217   These operations are required to be atomic in the sense that if you use
218   unordered loads and unordered stores, a load cannot see a value which was
219   never stored.  A normal load or store instruction is usually sufficient, but
220   note that an unordered load or store cannot be split into multiple
221   instructions (or an instruction which does multiple memory operations, like
222   ``LDRD`` on ARM without LPAE, or not naturally-aligned ``LDRD`` on LPAE ARM).
224 Monotonic
225 ---------
227 Monotonic is the weakest level of atomicity that can be used in synchronization
228 primitives, although it does not provide any general synchronization. It
229 essentially guarantees that if you take all the operations affecting a specific
230 address, a consistent ordering exists.
232 Relevant standard
233   This corresponds to the C++/C ``memory_order_relaxed``; see those
234   standards for the exact definition.
236 Notes for frontends
237   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.  The
238   guarantees in terms of synchronization are very weak, so make sure these are
239   only used in a pattern which you know is correct.  Generally, these would
240   either be used for atomic operations which do not protect other memory (like
241   an atomic counter), or along with a ``fence``.
243 Notes for optimizers
244   In terms of the optimizer, this can be treated as a read+write on the relevant
245   memory location (and alias analysis will take advantage of that). In addition,
246   it is legal to reorder non-atomic and Unordered loads around Monotonic
247   loads. CSE/DSE and a few other optimizations are allowed, but Monotonic
248   operations are unlikely to be used in ways which would make those
249   optimizations useful.
251 Notes for code generation
252   Code generation is essentially the same as that for unordered for loads and
253   stores.  No fences are required.  ``cmpxchg`` and ``atomicrmw`` are required
254   to appear as a single operation.
256 Acquire
257 -------
259 Acquire provides a barrier of the sort necessary to acquire a lock to access
260 other memory with normal loads and stores.
262 Relevant standard
263   This corresponds to the C++/C ``memory_order_acquire``. It should also be
264   used for C++/C ``memory_order_consume``.
266 Notes for frontends
267   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.
268   Acquire only provides a semantic guarantee when paired with a Release
269   operation.
271 Notes for optimizers
272   Optimizers not aware of atomics can treat this like a nothrow call.  It is
273   also possible to move stores from before an Acquire load or read-modify-write
274   operation to after it, and move non-Acquire loads from before an Acquire
275   operation to after it.
277 Notes for code generation
278   Architectures with weak memory ordering (essentially everything relevant today
279   except x86 and SPARC) require some sort of fence to maintain the Acquire
280   semantics.  The precise fences required varies widely by architecture, but for
281   a simple implementation, most architectures provide a barrier which is strong
282   enough for everything (``dmb`` on ARM, ``sync`` on PowerPC, etc.).  Putting
283   such a fence after the equivalent Monotonic operation is sufficient to
284   maintain Acquire semantics for a memory operation.
286 Release
287 -------
289 Release is similar to Acquire, but with a barrier of the sort necessary to
290 release a lock.
292 Relevant standard
293   This corresponds to the C++/C ``memory_order_release``.
295 Notes for frontends
296   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.
297   Release only provides a semantic guarantee when paired with an Acquire
298   operation.
300 Notes for optimizers
301   Optimizers not aware of atomics can treat this like a nothrow call.  It is
302   also possible to move loads from after a Release store or read-modify-write
303   operation to before it, and move non-Release stores from after a Release
304   operation to before it.
306 Notes for code generation
307   See the section on Acquire; a fence before the relevant operation is usually
308   sufficient for Release. Note that a store-store fence is not sufficient to
309   implement Release semantics; store-store fences are generally not exposed to
310   IR because they are extremely difficult to use correctly.
312 AcquireRelease
313 --------------
315 AcquireRelease (``acq_rel`` in IR) provides both an Acquire and a Release
316 barrier (for fences and operations which both read and write memory).
318 Relevant standard
319   This corresponds to the C++/C ``memory_order_acq_rel``.
321 Notes for frontends
322   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.
323   Acquire only provides a semantic guarantee when paired with a Release
324   operation, and vice versa.
326 Notes for optimizers
327   In general, optimizers should treat this like a nothrow call; the possible
328   optimizations are usually not interesting.
330 Notes for code generation
331   This operation has Acquire and Release semantics; see the sections on Acquire
332   and Release.
334 SequentiallyConsistent
335 ----------------------
337 SequentiallyConsistent (``seq_cst`` in IR) provides Acquire semantics for loads
338 and Release semantics for stores. Additionally, it guarantees that a total
339 ordering exists between all SequentiallyConsistent operations.
341 Relevant standard
342   This corresponds to the C++/C ``memory_order_seq_cst``, Java volatile, and
343   the gcc-compatible ``__sync_*`` builtins which do not specify otherwise.
345 Notes for frontends
346   If a frontend is exposing atomic operations, these are much easier to reason
347   about for the programmer than other kinds of operations, and using them is
348   generally a practical performance tradeoff.
350 Notes for optimizers
351   Optimizers not aware of atomics can treat this like a nothrow call.  For
352   SequentiallyConsistent loads and stores, the same reorderings are allowed as
353   for Acquire loads and Release stores, except that SequentiallyConsistent
354   operations may not be reordered.
356 Notes for code generation
357   SequentiallyConsistent loads minimally require the same barriers as Acquire
358   operations and SequentiallyConsistent stores require Release
359   barriers. Additionally, the code generator must enforce ordering between
360   SequentiallyConsistent stores followed by SequentiallyConsistent loads. This
361   is usually done by emitting either a full fence before the loads or a full
362   fence after the stores; which is preferred varies by architecture.
364 Atomics and IR optimization
365 ===========================
367 Predicates for optimizer writers to query:
369 * ``isSimple()``: A load or store which is not volatile or atomic.  This is
370   what, for example, memcpyopt would check for operations it might transform.
372 * ``isUnordered()``: A load or store which is not volatile and at most
373   Unordered. This would be checked, for example, by LICM before hoisting an
374   operation.
376 * ``mayReadFromMemory()``/``mayWriteToMemory()``: Existing predicate, but note
377   that they return true for any operation which is volatile or at least
378   Monotonic.
380 * ``isStrongerThan`` / ``isAtLeastOrStrongerThan``: These are predicates on
381   orderings. They can be useful for passes that are aware of atomics, for
382   example to do DSE across a single atomic access, but not across a
383   release-acquire pair (see MemoryDependencyAnalysis for an example of this)
385 * Alias analysis: Note that AA will return ModRef for anything Acquire or
386   Release, and for the address accessed by any Monotonic operation.
388 To support optimizing around atomic operations, make sure you are using the
389 right predicates; everything should work if that is done.  If your pass should
390 optimize some atomic operations (Unordered operations in particular), make sure
391 it doesn't replace an atomic load or store with a non-atomic operation.
393 Some examples of how optimizations interact with various kinds of atomic
394 operations:
396 * ``memcpyopt``: An atomic operation cannot be optimized into part of a
397   memcpy/memset, including unordered loads/stores.  It can pull operations
398   across some atomic operations.
400 * LICM: Unordered loads/stores can be moved out of a loop.  It just treats
401   monotonic operations like a read+write to a memory location, and anything
402   stricter than that like a nothrow call.
404 * DSE: Unordered stores can be DSE'ed like normal stores.  Monotonic stores can
405   be DSE'ed in some cases, but it's tricky to reason about, and not especially
406   important. It is possible in some case for DSE to operate across a stronger
407   atomic operation, but it is fairly tricky. DSE delegates this reasoning to
408   MemoryDependencyAnalysis (which is also used by other passes like GVN).
410 * Folding a load: Any atomic load from a constant global can be constant-folded,
411   because it cannot be observed.  Similar reasoning allows sroa with
412   atomic loads and stores.
414 Atomics and Codegen
415 ===================
417 Atomic operations are represented in the SelectionDAG with ``ATOMIC_*`` opcodes.
418 On architectures which use barrier instructions for all atomic ordering (like
419 ARM), appropriate fences can be emitted by the AtomicExpand Codegen pass if
420 ``shouldInsertFencesForAtomic()`` returns true.
422 The MachineMemOperand for all atomic operations is currently marked as volatile;
423 this is not correct in the IR sense of volatile, but CodeGen handles anything
424 marked volatile very conservatively.  This should get fixed at some point.
426 One very important property of the atomic operations is that if your backend
427 supports any inline lock-free atomic operations of a given size, you should
428 support *ALL* operations of that size in a lock-free manner.
430 When the target implements atomic ``cmpxchg`` or LL/SC instructions (as most do)
431 this is trivial: all the other operations can be implemented on top of those
432 primitives. However, on many older CPUs (e.g. ARMv5, SparcV8, Intel 80386) there
433 are atomic load and store instructions, but no ``cmpxchg`` or LL/SC. As it is
434 invalid to implement ``atomic load`` using the native instruction, but
435 ``cmpxchg`` using a library call to a function that uses a mutex, ``atomic
436 load`` must *also* expand to a library call on such architectures, so that it
437 can remain atomic with regards to a simultaneous ``cmpxchg``, by using the same
438 mutex.
440 AtomicExpandPass can help with that: it will expand all atomic operations to the
441 proper ``__atomic_*`` libcalls for any size above the maximum set by
442 ``setMaxAtomicSizeInBitsSupported`` (which defaults to 0).
444 On x86, all atomic loads generate a ``MOV``. SequentiallyConsistent stores
445 generate an ``XCHG``, other stores generate a ``MOV``. SequentiallyConsistent
446 fences generate an ``MFENCE``, other fences do not cause any code to be
447 generated.  ``cmpxchg`` uses the ``LOCK CMPXCHG`` instruction.  ``atomicrmw xchg``
448 uses ``XCHG``, ``atomicrmw add`` and ``atomicrmw sub`` use ``XADD``, and all
449 other ``atomicrmw`` operations generate a loop with ``LOCK CMPXCHG``.  Depending
450 on the users of the result, some ``atomicrmw`` operations can be translated into
451 operations like ``LOCK AND``, but that does not work in general.
453 On ARM (before v8), MIPS, and many other RISC architectures, Acquire, Release,
454 and SequentiallyConsistent semantics require barrier instructions for every such
455 operation. Loads and stores generate normal instructions.  ``cmpxchg`` and
456 ``atomicrmw`` can be represented using a loop with LL/SC-style instructions
457 which take some sort of exclusive lock on a cache line (``LDREX`` and ``STREX``
458 on ARM, etc.).
460 It is often easiest for backends to use AtomicExpandPass to lower some of the
461 atomic constructs. Here are some lowerings it can do:
463 * cmpxchg -> loop with load-linked/store-conditional
464   by overriding ``shouldExpandAtomicCmpXchgInIR()``, ``emitLoadLinked()``,
465   ``emitStoreConditional()``
466 * large loads/stores -> ll-sc/cmpxchg
467   by overriding ``shouldExpandAtomicStoreInIR()``/``shouldExpandAtomicLoadInIR()``
468 * strong atomic accesses -> monotonic accesses + fences by overriding
469   ``shouldInsertFencesForAtomic()``, ``emitLeadingFence()``, and
470   ``emitTrailingFence()``
471 * atomic rmw -> loop with cmpxchg or load-linked/store-conditional
472   by overriding ``expandAtomicRMWInIR()``
473 * expansion to __atomic_* libcalls for unsupported sizes.
474 * part-word atomicrmw/cmpxchg -> target-specific intrinsic by overriding
475   ``shouldExpandAtomicRMWInIR``, ``emitMaskedAtomicRMWIntrinsic``,
476   ``shouldExpandAtomicCmpXchgInIR``, and ``emitMaskedAtomicCmpXchgIntrinsic``.
478 For an example of these look at the ARM (first five lowerings) or RISC-V (last
479 lowering) backend.
481 AtomicExpandPass supports two strategies for lowering atomicrmw/cmpxchg to
482 load-linked/store-conditional (LL/SC) loops. The first expands the LL/SC loop
483 in IR, calling target lowering hooks to emit intrinsics for the LL and SC
484 operations. However, many architectures have strict requirements for LL/SC
485 loops to ensure forward progress, such as restrictions on the number and type
486 of instructions in the loop. It isn't possible to enforce these restrictions
487 when the loop is expanded in LLVM IR, and so affected targets may prefer to
488 expand to LL/SC loops at a very late stage (i.e. after register allocation).
489 AtomicExpandPass can help support lowering of part-word atomicrmw or cmpxchg
490 using this strategy by producing IR for any shifting and masking that can be
491 performed outside of the LL/SC loop.
493 Libcalls: __atomic_*
494 ====================
496 There are two kinds of atomic library calls that are generated by LLVM. Please
497 note that both sets of library functions somewhat confusingly share the names of
498 builtin functions defined by clang. Despite this, the library functions are
499 not directly related to the builtins: it is *not* the case that ``__atomic_*``
500 builtins lower to ``__atomic_*`` library calls and ``__sync_*`` builtins lower
501 to ``__sync_*`` library calls.
503 The first set of library functions are named ``__atomic_*``. This set has been
504 "standardized" by GCC, and is described below. (See also `GCC's documentation
505 <https://gcc.gnu.org/wiki/Atomic/GCCMM/LIbrary>`_)
507 LLVM's AtomicExpandPass will translate atomic operations on data sizes above
508 ``MaxAtomicSizeInBitsSupported`` into calls to these functions.
510 There are four generic functions, which can be called with data of any size or
511 alignment::
513    void __atomic_load(size_t size, void *ptr, void *ret, int ordering)
514    void __atomic_store(size_t size, void *ptr, void *val, int ordering)
515    void __atomic_exchange(size_t size, void *ptr, void *val, void *ret, int ordering)
516    bool __atomic_compare_exchange(size_t size, void *ptr, void *expected, void *desired, int success_order, int failure_order)
518 There are also size-specialized versions of the above functions, which can only
519 be used with *naturally-aligned* pointers of the appropriate size. In the
520 signatures below, "N" is one of 1, 2, 4, 8, and 16, and "iN" is the appropriate
521 integer type of that size; if no such integer type exists, the specialization
522 cannot be used::
524    iN __atomic_load_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
525    void __atomic_store_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
526    iN __atomic_exchange_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
527    bool __atomic_compare_exchange_N(iN *ptr, iN *expected, iN desired, int success_order, int failure_order)
529 Finally there are some read-modify-write functions, which are only available in
530 the size-specific variants (any other sizes use a ``__atomic_compare_exchange``
531 loop)::
533    iN __atomic_fetch_add_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
534    iN __atomic_fetch_sub_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
535    iN __atomic_fetch_and_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
536    iN __atomic_fetch_or_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
537    iN __atomic_fetch_xor_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
538    iN __atomic_fetch_nand_N(iN *ptr, iN val, int ordering)
540 This set of library functions have some interesting implementation requirements
541 to take note of:
543 - They support all sizes and alignments -- including those which cannot be
544   implemented natively on any existing hardware. Therefore, they will certainly
545   use mutexes in for some sizes/alignments.
547 - As a consequence, they cannot be shipped in a statically linked
548   compiler-support library, as they have state which must be shared amongst all
549   DSOs loaded in the program. They must be provided in a shared library used by
550   all objects.
552 - The set of atomic sizes supported lock-free must be a superset of the sizes
553   any compiler can emit. That is: if a new compiler introduces support for
554   inline-lock-free atomics of size N, the ``__atomic_*`` functions must also have a
555   lock-free implementation for size N. This is a requirement so that code
556   produced by an old compiler (which will have called the ``__atomic_*`` function)
557   interoperates with code produced by the new compiler (which will use native
558   the atomic instruction).
560 Note that it's possible to write an entirely target-independent implementation
561 of these library functions by using the compiler atomic builtins themselves to
562 implement the operations on naturally-aligned pointers of supported sizes, and a
563 generic mutex implementation otherwise.
565 Libcalls: __sync_*
566 ==================
568 Some targets or OS/target combinations can support lock-free atomics, but for
569 various reasons, it is not practical to emit the instructions inline.
571 There's two typical examples of this.
573 Some CPUs support multiple instruction sets which can be switched back and forth
574 on function-call boundaries. For example, MIPS supports the MIPS16 ISA, which
575 has a smaller instruction encoding than the usual MIPS32 ISA. ARM, similarly,
576 has the Thumb ISA. In MIPS16 and earlier versions of Thumb, the atomic
577 instructions are not encodable. However, those instructions are available via a
578 function call to a function with the longer encoding.
580 Additionally, a few OS/target pairs provide kernel-supported lock-free
581 atomics. ARM/Linux is an example of this: the kernel `provides
582 <https://www.kernel.org/doc/Documentation/arm/kernel_user_helpers.txt>`_ a
583 function which on older CPUs contains a "magically-restartable" atomic sequence
584 (which looks atomic so long as there's only one CPU), and contains actual atomic
585 instructions on newer multicore models. This sort of functionality can typically
586 be provided on any architecture, if all CPUs which are missing atomic
587 compare-and-swap support are uniprocessor (no SMP). This is almost always the
588 case. The only common architecture without that property is SPARC -- SPARCV8 SMP
589 systems were common, yet it doesn't support any sort of compare-and-swap
590 operation.
592 Some targets (like RISCV) support a ``+forced-atomics`` target feature, which
593 enables the use of lock-free atomics even if LLVM is not aware of any specific
594 OS support for them. In this case, the user is responsible for ensuring that
595 necessary ``__sync_*`` implementations are available. Code using
596 ``+forced-atomics`` is ABI-incompatible with code not using the feature, if
597 atomic variables cross the ABI boundary.
599 In either of these cases, the Target in LLVM can claim support for atomics of an
600 appropriate size, and then implement some subset of the operations via libcalls
601 to a ``__sync_*`` function. Such functions *must* not use locks in their
602 implementation, because unlike the ``__atomic_*`` routines used by
603 AtomicExpandPass, these may be mixed-and-matched with native instructions by the
604 target lowering.
606 Further, these routines do not need to be shared, as they are stateless. So,
607 there is no issue with having multiple copies included in one binary. Thus,
608 typically these routines are implemented by the statically-linked compiler
609 runtime support library.
611 LLVM will emit a call to an appropriate ``__sync_*`` routine if the target
612 ISelLowering code has set the corresponding ``ATOMIC_CMPXCHG``, ``ATOMIC_SWAP``,
613 or ``ATOMIC_LOAD_*`` operation to "Expand", and if it has opted-into the
614 availability of those library functions via a call to ``initSyncLibcalls()``.
616 The full set of functions that may be called by LLVM is (for ``N`` being 1, 2,
617 4, 8, or 16)::
619   iN __sync_val_compare_and_swap_N(iN *ptr, iN expected, iN desired)
620   iN __sync_lock_test_and_set_N(iN *ptr, iN val)
621   iN __sync_fetch_and_add_N(iN *ptr, iN val)
622   iN __sync_fetch_and_sub_N(iN *ptr, iN val)
623   iN __sync_fetch_and_and_N(iN *ptr, iN val)
624   iN __sync_fetch_and_or_N(iN *ptr, iN val)
625   iN __sync_fetch_and_xor_N(iN *ptr, iN val)
626   iN __sync_fetch_and_nand_N(iN *ptr, iN val)
627   iN __sync_fetch_and_max_N(iN *ptr, iN val)
628   iN __sync_fetch_and_umax_N(iN *ptr, iN val)
629   iN __sync_fetch_and_min_N(iN *ptr, iN val)
630   iN __sync_fetch_and_umin_N(iN *ptr, iN val)
632 This list doesn't include any function for atomic load or store; all known
633 architectures support atomic loads and stores directly (possibly by emitting a
634 fence on either side of a normal load or store.)
636 There's also, somewhat separately, the possibility to lower ``ATOMIC_FENCE`` to
637 ``__sync_synchronize()``. This may happen or not happen independent of all the
638 above, controlled purely by ``setOperationAction(ISD::ATOMIC_FENCE, ...)``.
640 On AArch64, a variant of the __sync_* routines is used which contain the memory
641 order as part of the function name. These routines may determine at runtime
642 whether the single-instruction atomic operations which were introduced as part
643 of AArch64 Large System Extensions "LSE" instruction set are available, or if
644 it needs to fall back to an LL/SC loop. The following helper functions are
645 implemented in both ``compiler-rt`` and ``libgcc`` libraries
646 (``N`` is one of 1, 2, 4, 8, and ``M`` is one of 1, 2, 4, 8 and 16, and
647 ``ORDER`` is one of 'relax', 'acq', 'rel', 'acq_rel')::
649   iM __aarch64_casM_ORDER(iM expected, iM desired, iM *ptr)
650   iN __aarch64_swpN_ORDER(iN val, iN *ptr)
651   iN __aarch64_ldaddN_ORDER(iN val, iN *ptr)
652   iN __aarch64_ldclrN_ORDER(iN val, iN *ptr)
653   iN __aarch64_ldeorN_ORDER(iN val, iN *ptr)
654   iN __aarch64_ldsetN_ORDER(iN val, iN *ptr)
656 Please note, if LSE instruction set is specified for AArch64 target then
657 out-of-line atomics calls are not generated and single-instruction atomic
658 operations are used in place.