Documentation/volatile-considered-harmful.txt

   1 Why the "volatile" type class should not be used
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   4 C programmers have often taken volatile to mean that the variable could be
   5 changed outside of the current thread of execution; as a result, they are
   6 sometimes tempted to use it in kernel code when shared data structures are
   7 being used.  In other words, they have been known to treat volatile types
   8 as a sort of easy atomic variable, which they are not.  The use of volatile in
   9 kernel code is almost never correct; this document describes why.
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  11 The key point to understand with regard to volatile is that its purpose is
  12 to suppress optimization, which is almost never what one really wants to
  13 do.  In the kernel, one must protect shared data structures against
  14 unwanted concurrent access, which is very much a different task.  The
  15 process of protecting against unwanted concurrency will also avoid almost
  16 all optimization-related problems in a more efficient way.
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  18 Like volatile, the kernel primitives which make concurrent access to data
  19 safe (spinlocks, mutexes, memory barriers, etc.) are designed to prevent
  20 unwanted optimization.  If they are being used properly, there will be no
  21 need to use volatile as well.  If volatile is still necessary, there is
  22 almost certainly a bug in the code somewhere.  In properly-written kernel
  23 code, volatile can only serve to slow things down.
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  25 Consider a typical block of kernel code:
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  27     spin_lock(&the_lock);
  28     do_something_on(&shared_data);
  29     do_something_else_with(&shared_data);
  30     spin_unlock(&the_lock);
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  32 If all the code follows the locking rules, the value of shared_data cannot
  33 change unexpectedly while the_lock is held.  Any other code which might
  34 want to play with that data will be waiting on the lock.  The spinlock
  35 primitives act as memory barriers - they are explicitly written to do so -
  36 meaning that data accesses will not be optimized across them.  So the
  37 compiler might think it knows what will be in shared_data, but the
  38 spin_lock() call, since it acts as a memory barrier, will force it to
  39 forget anything it knows.  There will be no optimization problems with
  40 accesses to that data.
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  42 If shared_data were declared volatile, the locking would still be
  43 necessary.  But the compiler would also be prevented from optimizing access
  44 to shared_data _within_ the critical section, when we know that nobody else
  45 can be working with it.  While the lock is held, shared_data is not
  46 volatile.  When dealing with shared data, proper locking makes volatile
  47 unnecessary - and potentially harmful.
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  49 The volatile storage class was originally meant for memory-mapped I/O
  50 registers.  Within the kernel, register accesses, too, should be protected
  51 by locks, but one also does not want the compiler "optimizing" register
  52 accesses within a critical section.  But, within the kernel, I/O memory
  53 accesses are always done through accessor functions; accessing I/O memory
  54 directly through pointers is frowned upon and does not work on all
  55 architectures.  Those accessors are written to prevent unwanted
  56 optimization, so, once again, volatile is unnecessary.
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  58 Another situation where one might be tempted to use volatile is
  59 when the processor is busy-waiting on the value of a variable.  The right
  60 way to perform a busy wait is:
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  62     while (my_variable != what_i_want)
  63         cpu_relax();
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  65 The cpu_relax() call can lower CPU power consumption or yield to a
  66 hyperthreaded twin processor; it also happens to serve as a memory barrier,
  67 so, once again, volatile is unnecessary.  Of course, busy-waiting is
  68 generally an anti-social act to begin with.
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  70 There are still a few rare situations where volatile makes sense in the
  71 kernel:
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  73   - The above-mentioned accessor functions might use volatile on
  74     architectures where direct I/O memory access does work.  Essentially,
  75     each accessor call becomes a little critical section on its own and
  76     ensures that the access happens as expected by the programmer.
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  78   - Inline assembly code which changes memory, but which has no other
  79     visible side effects, risks being deleted by GCC.  Adding the volatile
  80     keyword to asm statements will prevent this removal.
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  82   - The jiffies variable is special in that it can have a different value
  83     every time it is referenced, but it can be read without any special
  84     locking.  So jiffies can be volatile, but the addition of other
  85     variables of this type is strongly frowned upon.  Jiffies is considered
  86     to be a "stupid legacy" issue (Linus's words) in this regard; fixing it
  87     would be more trouble than it is worth.
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  89   - Pointers to data structures in coherent memory which might be modified
  90     by I/O devices can, sometimes, legitimately be volatile.  A ring buffer
  91     used by a network adapter, where that adapter changes pointers to
  92     indicate which descriptors have been processed, is an example of this
  93     type of situation.
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  95 For most code, none of the above justifications for volatile apply.  As a
  96 result, the use of volatile is likely to be seen as a bug and will bring
  97 additional scrutiny to the code.  Developers who are tempted to use
  98 volatile should take a step back and think about what they are truly trying
  99 to accomplish.
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 101 Patches to remove volatile variables are generally welcome - as long as
 102 they come with a justification which shows that the concurrency issues have
 103 been properly thought through.
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 105
 106 NOTES
 107 -----
 108
 109 [1] http://lwn.net/Articles/233481/
 110 [2] http://lwn.net/Articles/233482/
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 112 CREDITS
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 115 Original impetus and research by Randy Dunlap
 116 Written by Jonathan Corbet
 117 Improvements via coments from Satyam Sharma, Johannes Stezenbach, Jesper
 118         Juhl, Heikki Orsila, H. Peter Anvin, Philipp Hahn, and Stefan
 119         Richter.