[PATCH] Document Linux's memory barriers [try #7]
[wrt350n-kernel.git] / Documentation / memory-barriers.txt
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1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
7 Contents:
9  (*) Abstract memory access model.
11      - Device operations.
12      - Guarantees.
14  (*) What are memory barriers?
16      - Varieties of memory barrier.
17      - What may not be assumed about memory barriers?
18      - Data dependency barriers.
19      - Control dependencies.
20      - SMP barrier pairing.
21      - Examples of memory barrier sequences.
23  (*) Explicit kernel barriers.
25      - Compiler barrier.
26      - The CPU memory barriers.
27      - MMIO write barrier.
29  (*) Implicit kernel memory barriers.
31      - Locking functions.
32      - Interrupt disabling functions.
33      - Miscellaneous functions.
35  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
37      - Locks vs memory accesses.
38      - Locks vs I/O accesses.
40  (*) Where are memory barriers needed?
42      - Interprocessor interaction.
43      - Atomic operations.
44      - Accessing devices.
45      - Interrupts.
47  (*) Kernel I/O barrier effects.
49  (*) Assumed minimum execution ordering model.
51  (*) The effects of the cpu cache.
53      - Cache coherency.
54      - Cache coherency vs DMA.
55      - Cache coherency vs MMIO.
57  (*) The things CPUs get up to.
59      - And then there's the Alpha.
61  (*) References.
64 ============================
65 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
66 ============================
68 Consider the following abstract model of the system:
70                             :                :
71                             :                :
72                             :                :
73                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
74                 |       |   :   |        |   :   |       |
75                 |       |   :   |        |   :   |       |
76                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
77                 |       |   :   |        |   :   |       |
78                 |       |   :   |        |   :   |       |
79                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
80                     ^       :       ^        :       ^
81                     |       :       |        :       |
82                     |       :       |        :       |
83                     |       :       v        :       |
84                     |       :   +--------+   :       |
85                     |       :   |        |   :       |
86                     |       :   |        |   :       |
87                     +---------->| Device |<----------+
88                             :   |        |   :
89                             :   |        |   :
90                             :   +--------+   :
91                             :                :
93 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
94 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
95 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
96 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
97 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
98 apparent operation of the program.
100 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
101 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
102 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
105 For example, consider the following sequence of events:
107         CPU 1           CPU 2
108         =============== ===============
109         { A == 1; B == 2 }
110         A = 3;          x = A;
111         B = 4;          y = B;
113 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
114 in 24 different combinations:
116         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
117         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD B->4,    x=LOAD A->3
118         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    STORE B=4,      y=LOAD B->4
119         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->2,    STORE B=4
120         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    STORE B=4,      x=LOAD A->3
121         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    x=LOAD A->3,    STORE B=4
122         STORE B=4,      STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
123         STORE B=4, ...
124         ...
126 and can thus result in four different combinations of values:
128         x == 1, y == 2
129         x == 1, y == 4
130         x == 3, y == 2
131         x == 3, y == 4
134 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
135 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
136 committed.
139 As a further example, consider this sequence of events:
141         CPU 1           CPU 2
142         =============== ===============
143         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
144         B = 4;          Q = P;
145         P = &B          D = *Q;
147 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
148 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
149 following results are possible:
151         (Q == &A) and (D == 1)
152         (Q == &B) and (D == 2)
153         (Q == &B) and (D == 4)
155 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
156 into Q before issuing the load of *Q.
159 DEVICE OPERATIONS
160 -----------------
162 Some devices present their control interfaces as collections of memory
163 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
164 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
165 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
166 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
167 be used:
169         *A = 5;
170         x = *D;
172 but this might show up as either of the following two sequences:
174         STORE *A = 5, x = LOAD *D
175         x = LOAD *D, STORE *A = 5
177 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
178 the address _after_ attempting to read the register.
181 GUARANTEES
182 ----------
184 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
186  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
187      respect to itself.  This means that for:
189         Q = P; D = *Q;
191      the CPU will issue the following memory operations:
193         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
195      and always in that order.
197  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
198      ordered within that CPU.  This means that for:
200         a = *X; *X = b;
202      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
204         a = LOAD *X, STORE *X = b
206      And for:
208         *X = c; d = *X;
210      the CPU will only issue:
212         STORE *X = c, d = LOAD *X
214      (Loads and stores overlap if they are targetted at overlapping pieces of
215      memory).
217 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
219  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
220      in the order given.  This means that for:
222         X = *A; Y = *B; *D = Z;
224      we may get any of the following sequences:
226         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
227         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
228         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
229         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
230         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
231         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
233  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
234      discarded.  This means that for:
236         X = *A; Y = *(A + 4);
238      we may get any one of the following sequences:
240         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
241         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
242         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
244      And for:
246         *A = X; Y = *A;
248      we may get either of:
250         STORE *A = X; Y = LOAD *A;
251         STORE *A = Y;
254 =========================
255 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
256 =========================
258 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
259 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
260 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
261 CPU to restrict the order.
263 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
264 ordering between the memory operations specified on either side of the barrier.
265 They request that the sequence of memory events generated appears to other
266 parts of the system as if the barrier is effective on that CPU.
269 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
270 ---------------------------
272 Memory barriers come in four basic varieties:
274  (1) Write (or store) memory barriers.
276      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
277      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
278      operations specified after the barrier with respect to the other
279      components of the system.
281      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
282      to have any effect on loads.
284      A CPU can be viewed as as commiting a sequence of store operations to the
285      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
286      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
288      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
289      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
292  (2) Data dependency barriers.
294      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
295      where two loads are performed such that the second depends on the result
296      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
297      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
298      make sure that the target of the second load is updated before the address
299      obtained by the first load is accessed.
301      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
302      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
303      or overlapping loads.
305      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
306      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
307      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
308      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
309      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
310      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
311      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
312      dependency barrier.
314      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
315      showing the ordering constraints.
317      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
318      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
319      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
320      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
321      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
322      subsection for more information.
324      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
325      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
328  (3) Read (or load) memory barriers.
330      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
331      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
332      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
333      other components of the system.
335      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
336      have any effect on stores.
338      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
339      for them.
341      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
342      see the "SMP barrier pairing" subsection.
345  (4) General memory barriers.
347      A general memory barrier is a combination of both a read memory barrier
348      and a write memory barrier.  It is a partial ordering over both loads and
349      stores.
351      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
352      can substitute for either.
355 And a couple of implicit varieties:
357  (5) LOCK operations.
359      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
360      operations after the LOCK operation will appear to happen after the LOCK
361      operation with respect to the other components of the system.
363      Memory operations that occur before a LOCK operation may appear to happen
364      after it completes.
366      A LOCK operation should almost always be paired with an UNLOCK operation.
369  (6) UNLOCK operations.
371      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
372      memory operations before the UNLOCK operation will appear to happen before
373      the UNLOCK operation with respect to the other components of the system.
375      Memory operations that occur after an UNLOCK operation may appear to
376      happen before it completes.
378      LOCK and UNLOCK operations are guaranteed to appear with respect to each
379      other strictly in the order specified.
381      The use of LOCK and UNLOCK operations generally precludes the need for
382      other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in the
383      subsection "MMIO write barrier").
386 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
387 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
388 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
389 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
392 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
393 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
394 specific code.
397 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
398 ----------------------------------------------
400 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
402  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
403      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
404      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
405      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
407  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
408      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
409      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
410      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
412  (*) There is no guarantee that the a CPU will see the correct order of effects
413      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
414      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
415      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
417  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
418      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
419      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
420      between CPUs, but might not do so in order.
422         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
424             Documentation/pci.txt
425             Documentation/DMA-mapping.txt
426             Documentation/DMA-API.txt
429 DATA DEPENDENCY BARRIERS
430 ------------------------
432 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
433 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
434 following sequence of events:
436         CPU 1           CPU 2
437         =============== ===============
438         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
439         B = 4;
440         <write barrier>
441         P = &B
442                         Q = P;
443                         D = *Q;
445 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
446 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
448         (Q == &A) implies (D == 1)
449         (Q == &B) implies (D == 4)
451 But! CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
452 leading to the following situation:
454         (Q == &B) and (D == 2) ????
456 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
457 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
458 Alpha).
460 To deal with this, a data dependency barrier must be inserted between the
461 address load and the data load:
463         CPU 1           CPU 2
464         =============== ===============
465         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
466         B = 4;
467         <write barrier>
468         P = &B
469                         Q = P;
470                         <data dependency barrier>
471                         D = *Q;
473 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
474 third possibility from arising.
476 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
477 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
478 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
479 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
480 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
481 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
482 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
483 but the old value of the variable B (1).
486 Another example of where data dependency barriers might by required is where a
487 number is read from memory and then used to calculate the index for an array
488 access:
490         CPU 1           CPU 2
491         =============== ===============
492         { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
493         M[1] = 4;
494         <write barrier>
495         P = 1
496                         Q = P;
497                         <data dependency barrier>
498                         D = M[Q];
501 The data dependency barrier is very important to the RCU system, for example.
502 See rcu_dereference() in include/linux/rcupdate.h.  This permits the current
503 target of an RCU'd pointer to be replaced with a new modified target, without
504 the replacement target appearing to be incompletely initialised.
506 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
509 CONTROL DEPENDENCIES
510 --------------------
512 A control dependency requires a full read memory barrier, not simply a data
513 dependency barrier to make it work correctly.  Consider the following bit of
514 code:
516         q = &a;
517         if (p)
518                 q = &b;
519         <data dependency barrier>
520         x = *q;
522 This will not have the desired effect because there is no actual data
523 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit by
524 attempting to predict the outcome in advance.  In such a case what's actually
525 required is:
527         q = &a;
528         if (p)
529                 q = &b;
530         <read barrier>
531         x = *q;
534 SMP BARRIER PAIRING
535 -------------------
537 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
538 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
540 A write barrier should always be paired with a data dependency barrier or read
541 barrier, though a general barrier would also be viable.  Similarly a read
542 barrier or a data dependency barrier should always be paired with at least an
543 write barrier, though, again, a general barrier is viable:
545         CPU 1           CPU 2
546         =============== ===============
547         a = 1;
548         <write barrier>
549         b = 2;          x = a;
550                         <read barrier>
551                         y = b;
555         CPU 1           CPU 2
556         =============== ===============================
557         a = 1;
558         <write barrier>
559         b = &a;         x = b;
560                         <data dependency barrier>
561                         y = *x;
563 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
564 the "weaker" type.
567 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
568 ------------------------------------
570 Firstly, write barriers act as a partial orderings on store operations.
571 Consider the following sequence of events:
573         CPU 1
574         =======================
575         STORE A = 1
576         STORE B = 2
577         STORE C = 3
578         <write barrier>
579         STORE D = 4
580         STORE E = 5
582 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
583 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
584 STORE B, STORE C } all occuring before the unordered set of { STORE D, STORE E
587         +-------+       :      :
588         |       |       +------+
589         |       |------>| C=3  |     }     /\
590         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible
591         |       |  :    | A=1  |     }        \/       to rest of system
592         |       |  :    +------+     }
593         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
594         |       |       +------+     }
595         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
596         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
597         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
598         |       |  :    +------+     }        further stores may be take place.
599         |       |------>| D=4  |     }
600         |       |       +------+
601         +-------+       :      :
602                            |
603                            | Sequence in which stores committed to memory system
604                            | by CPU 1
605                            V
608 Secondly, data dependency barriers act as a partial orderings on data-dependent
609 loads.  Consider the following sequence of events:
611         CPU 1                   CPU 2
612         ======================= =======================
613         STORE A = 1
614         STORE B = 2
615         <write barrier>
616         STORE C = &B            LOAD X
617         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
618                                 LOAD *C (reads B)
620 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
621 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
623         +-------+       :      :                :       :
624         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
625         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
626         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
627         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
628         |       |       +------+       |        +-------+
629         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
630         |       |       +------+       |        :       :
631         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
632         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
633         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
634         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
635         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
636                                        |        :       :       |       |
637                                        |        :       :       | CPU 2 |
638                                        |        +-------+       |       |
639             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
640             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
641                                        |        :       :       |       |
642                                        |        +-------+       |       |
643             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
644             up the maintenance           \      +-------+       |       |
645             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
646                                                 +-------+
647                                                 :       :
650 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
651 (which would be B) coming after the the LOAD of C.
653 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
654 and the load of *C (ie: B) on CPU 2, then the following will occur:
656         +-------+       :      :                :       :
657         |       |       +------+                +-------+
658         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
659         |       |  :    +------+     \          +-------+
660         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
661         |       |       +------+       |        +-------+
662         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
663         |       |       +------+       |        :       :
664         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
665         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
666         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
667         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
668         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
669                                        |        :       :       |       |
670                                        |        :       :       | CPU 2 |
671                                        |        +-------+       |       |
672                                         \       | X->9  |------>|       |
673                                          \      +-------+       |       |
674                                           ----->| B->2  |       |       |
675                                                 +-------+       |       |
676              Makes sure all effects --->    ddddddddddddddddd   |       |
677              prior to the store of C            +-------+       |       |
678              are perceptible to                 | B->2  |------>|       |
679              successive loads                   +-------+       |       |
680                                                 :       :       +-------+
683 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
684 following sequence of events:
686         CPU 1                   CPU 2
687         ======================= =======================
688         STORE A=1
689         STORE B=2
690         STORE C=3
691         <write barrier>
692         STORE D=4
693         STORE E=5
694                                 LOAD A
695                                 LOAD B
696                                 LOAD C
697                                 LOAD D
698                                 LOAD E
700 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
701 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
703         +-------+       :      :
704         |       |       +------+
705         |       |------>| C=3  | }
706         |       |  :    +------+ }
707         |       |  :    | A=1  | }
708         |       |  :    +------+ }
709         | CPU 1 |  :    | B=2  | }---
710         |       |       +------+ }   \
711         |       |   wwwwwwwwwwwww}    \
712         |       |       +------+ }     \          :       :       +-------+
713         |       |  :    | E=5  | }      \         +-------+       |       |
714         |       |  :    +------+ }       \      { | C->3  |------>|       |
715         |       |------>| D=4  | }        \     { +-------+    :  |       |
716         |       |       +------+           \    { | E->5  |    :  |       |
717         +-------+       :      :            \   { +-------+    :  |       |
718                                    Transfer  -->{ | A->1  |    :  | CPU 2 |
719                                   from CPU 1    { +-------+    :  |       |
720                                    to CPU 2     { | D->4  |    :  |       |
721                                                 { +-------+    :  |       |
722                                                 { | B->2  |------>|       |
723                                                   +-------+       |       |
724                                                   :       :       +-------+
727 If, however, a read barrier were to be placed between the load of C and the
728 load of D on CPU 2, then the partial ordering imposed by CPU 1 will be
729 perceived correctly by CPU 2.
731         +-------+       :      :
732         |       |       +------+
733         |       |------>| C=3  | }
734         |       |  :    +------+ }
735         |       |  :    | A=1  | }---
736         |       |  :    +------+ }   \
737         | CPU 1 |  :    | B=2  | }    \
738         |       |       +------+       \
739         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww    \
740         |       |       +------+         \        :       :       +-------+
741         |       |  :    | E=5  | }        \       +-------+       |       |
742         |       |  :    +------+ }---      \    { | C->3  |------>|       |
743         |       |------>| D=4  | }   \      \   { +-------+    :  |       |
744         |       |       +------+      \      -->{ | B->2  |    :  |       |
745         +-------+       :      :       \        { +-------+    :  |       |
746                                         \       { | A->1  |    :  | CPU 2 |
747                                          \        +-------+       |       |
748            At this point the read ---->   \   rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
749            barrier causes all effects      \      +-------+       |       |
750            prior to the storage of C        \   { | E->5  |    :  |       |
751            to be perceptible to CPU 2        -->{ +-------+    :  |       |
752                                                 { | D->4  |------>|       |
753                                                   +-------+       |       |
754                                                   :       :       +-------+
757 ========================
758 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
759 ========================
761 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
762 levels:
764   (*) Compiler barrier.
766   (*) CPU memory barriers.
768   (*) MMIO write barrier.
771 COMPILER BARRIER
772 ----------------
774 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
775 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
777         barrier();
779 This a general barrier - lesser varieties of compiler barrier do not exist.
781 The compiler barrier has no direct effect on the CPU, which may then reorder
782 things however it wishes.
785 CPU MEMORY BARRIERS
786 -------------------
788 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
790         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
791         =============== ======================= ===========================
792         GENERAL         mb()                    smp_mb()
793         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
794         READ            rmb()                   smp_rmb()
795         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
798 All CPU memory barriers unconditionally imply compiler barriers.
800 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
801 systems because it is assumed that a CPU will be appear to be self-consistent,
802 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
804 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
805 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
806 is sufficient.
808 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
809 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
810 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
811 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
812 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
813 CPU from reordering them.
816 There are some more advanced barrier functions:
818  (*) set_mb(var, value)
819  (*) set_wmb(var, value)
821      These assign the value to the variable and then insert at least a write
822      barrier after it, depending on the function.  They aren't guaranteed to
823      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
826  (*) smp_mb__before_atomic_dec();
827  (*) smp_mb__after_atomic_dec();
828  (*) smp_mb__before_atomic_inc();
829  (*) smp_mb__after_atomic_inc();
831      These are for use with atomic add, subtract, increment and decrement
832      functions, especially when used for reference counting.  These functions
833      do not imply memory barriers.
835      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
836      and then decrements the object's reference count:
838         obj->dead = 1;
839         smp_mb__before_atomic_dec();
840         atomic_dec(&obj->ref_count);
842      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
843      *before* the reference counter is decremented.
845      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
846      operations" subsection for information on where to use these.
849  (*) smp_mb__before_clear_bit(void);
850  (*) smp_mb__after_clear_bit(void);
852      These are for use similar to the atomic inc/dec barriers.  These are
853      typically used for bitwise unlocking operations, so care must be taken as
854      there are no implicit memory barriers here either.
856      Consider implementing an unlock operation of some nature by clearing a
857      locking bit.  The clear_bit() would then need to be barriered like this:
859         smp_mb__before_clear_bit();
860         clear_bit( ... );
862      This prevents memory operations before the clear leaking to after it.  See
863      the subsection on "Locking Functions" with reference to UNLOCK operation
864      implications.
866      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
867      operations" subsection for information on where to use these.
870 MMIO WRITE BARRIER
871 ------------------
873 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
874 writes:
876         mmiowb();
878 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
879 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
880 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
882 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
885 ===============================
886 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
887 ===============================
889 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
890 which are locking, scheduling and memory allocation functions.
892 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
893 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
894 of arch specific code.
897 LOCKING FUNCTIONS
898 -----------------
900 The Linux kernel has a number of locking constructs:
902  (*) spin locks
903  (*) R/W spin locks
904  (*) mutexes
905  (*) semaphores
906  (*) R/W semaphores
907  (*) RCU
909 In all cases there are variants on "LOCK" operations and "UNLOCK" operations
910 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
912  (1) LOCK operation implication:
914      Memory operations issued after the LOCK will be completed after the LOCK
915      operation has completed.
917      Memory operations issued before the LOCK may be completed after the LOCK
918      operation has completed.
920  (2) UNLOCK operation implication:
922      Memory operations issued before the UNLOCK will be completed before the
923      UNLOCK operation has completed.
925      Memory operations issued after the UNLOCK may be completed before the
926      UNLOCK operation has completed.
928  (3) LOCK vs LOCK implication:
930      All LOCK operations issued before another LOCK operation will be completed
931      before that LOCK operation.
933  (4) LOCK vs UNLOCK implication:
935      All LOCK operations issued before an UNLOCK operation will be completed
936      before the UNLOCK operation.
938      All UNLOCK operations issued before a LOCK operation will be completed
939      before the LOCK operation.
941  (5) Failed conditional LOCK implication:
943      Certain variants of the LOCK operation may fail, either due to being
944      unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
945      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
946      locks do not imply any sort of barrier.
948 Therefore, from (1), (2) and (4) an UNLOCK followed by an unconditional LOCK is
949 equivalent to a full barrier, but a LOCK followed by an UNLOCK is not.
951 [!] Note: one of the consequence of LOCKs and UNLOCKs being only one-way
952     barriers is that the effects instructions outside of a critical section may
953     seep into the inside of the critical section.
955 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
956 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
957 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
958 with interrupt disabling operations.
960 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
963 As an example, consider the following:
965         *A = a;
966         *B = b;
967         LOCK
968         *C = c;
969         *D = d;
970         UNLOCK
971         *E = e;
972         *F = f;
974 The following sequence of events is acceptable:
976         LOCK, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, UNLOCK
978         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
980 But none of the following are:
982         {*F,*A}, *B,    LOCK, *C, *D,   UNLOCK, *E
983         *A, *B, *C,     LOCK, *D,       UNLOCK, *E, *F
984         *A, *B,         LOCK, *C,       UNLOCK, *D, *E, *F
985         *B,             LOCK, *C, *D,   UNLOCK, {*F,*A}, *E
989 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
990 -----------------------------
992 Functions that disable interrupts (LOCK equivalent) and enable interrupts
993 (UNLOCK equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
994 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
995 other means.
998 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
999 -----------------------
1001 Other functions that imply barriers:
1003  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1005  (*) Memory allocation and release functions imply full memory barriers.
1008 =================================
1009 INTER-CPU LOCKING BARRIER EFFECTS
1010 =================================
1012 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
1013 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
1014 conflict on any particular lock.
1017 LOCKS VS MEMORY ACCESSES
1018 ------------------------
1020 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (N) and (Q), and
1021 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
1023         CPU 1                           CPU 2
1024         =============================== ===============================
1025         *A = a;                         *E = e;
1026         LOCK M                          LOCK Q
1027         *B = b;                         *F = f;
1028         *C = c;                         *G = g;
1029         UNLOCK M                        UNLOCK Q
1030         *D = d;                         *H = h;
1032 Then there is no guarantee as to what order CPU #3 will see the accesses to *A
1033 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
1034 on the separate CPUs. It might, for example, see:
1036         *E, LOCK M, LOCK Q, *G, *C, *F, *A, *B, UNLOCK Q, *D, *H, UNLOCK M
1038 But it won't see any of:
1040         *B, *C or *D preceding LOCK M
1041         *A, *B or *C following UNLOCK M
1042         *F, *G or *H preceding LOCK Q
1043         *E, *F or *G following UNLOCK Q
1046 However, if the following occurs:
1048         CPU 1                           CPU 2
1049         =============================== ===============================
1050         *A = a;
1051         LOCK M          [1]
1052         *B = b;
1053         *C = c;
1054         UNLOCK M        [1]
1055         *D = d;                         *E = e;
1056                                         LOCK M          [2]
1057                                         *F = f;
1058                                         *G = g;
1059                                         UNLOCK M        [2]
1060                                         *H = h;
1062 CPU #3 might see:
1064         *E, LOCK M [1], *C, *B, *A, UNLOCK M [1],
1065                 LOCK M [2], *H, *F, *G, UNLOCK M [2], *D
1067 But assuming CPU #1 gets the lock first, it won't see any of:
1069         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding LOCK M [1]
1070         *A, *B or *C following UNLOCK M [1]
1071         *F, *G or *H preceding LOCK M [2]
1072         *A, *B, *C, *E, *F or *G following UNLOCK M [2]
1075 LOCKS VS I/O ACCESSES
1076 ---------------------
1078 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
1079 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
1080 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
1081 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
1082 read memory barriers.
1084 For example:
1086         CPU 1                           CPU 2
1087         =============================== ===============================
1088         spin_lock(Q)
1089         writel(0, ADDR)
1090         writel(1, DATA);
1091         spin_unlock(Q);
1092                                         spin_lock(Q);
1093                                         writel(4, ADDR);
1094                                         writel(5, DATA);
1095                                         spin_unlock(Q);
1097 may be seen by the PCI bridge as follows:
1099         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
1101 which would probably cause the hardware to malfunction.
1104 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
1105 spinlock, for example:
1107         CPU 1                           CPU 2
1108         =============================== ===============================
1109         spin_lock(Q)
1110         writel(0, ADDR)
1111         writel(1, DATA);
1112         mmiowb();
1113         spin_unlock(Q);
1114                                         spin_lock(Q);
1115                                         writel(4, ADDR);
1116                                         writel(5, DATA);
1117                                         mmiowb();
1118                                         spin_unlock(Q);
1120 this will ensure that the two stores issued on CPU #1 appear at the PCI bridge
1121 before either of the stores issued on CPU #2.
1124 Furthermore, following a store by a load to the same device obviates the need
1125 for an mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
1126 is performed:
1128         CPU 1                           CPU 2
1129         =============================== ===============================
1130         spin_lock(Q)
1131         writel(0, ADDR)
1132         a = readl(DATA);
1133         spin_unlock(Q);
1134                                         spin_lock(Q);
1135                                         writel(4, ADDR);
1136                                         b = readl(DATA);
1137                                         spin_unlock(Q);
1140 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1143 =================================
1144 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
1145 =================================
1147 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
1148 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
1149 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, three
1150 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
1152  (*) Interprocessor interaction.
1154  (*) Atomic operations.
1156  (*) Accessing devices (I/O).
1158  (*) Interrupts.
1161 INTERPROCESSOR INTERACTION
1162 --------------------------
1164 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
1165 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
1166 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
1167 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
1168 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
1169 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
1170 a malfunction.
1172 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
1173 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
1174 the semaphore's list of waiting processes:
1176         struct rw_semaphore {
1177                 ...
1178                 spinlock_t lock;
1179                 struct list_head waiters;
1180         };
1182         struct rwsem_waiter {
1183                 struct list_head list;
1184                 struct task_struct *task;
1185         };
1187 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
1189  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
1190      next waiter record is;
1192  (4) read the pointer to the waiter's task structure;
1194  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
1196  (4) call wake_up_process() on the task; and
1198  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
1200 In otherwords, it has to perform this sequence of events:
1202         LOAD waiter->list.next;
1203         LOAD waiter->task;
1204         STORE waiter->task;
1205         CALL wakeup
1206         RELEASE task
1208 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
1209 malfunction.
1211 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
1212 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
1213 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
1214 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
1215 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
1216 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
1218 Consider then what might happen to the above sequence of events:
1220         CPU 1                           CPU 2
1221         =============================== ===============================
1222                                         down_xxx()
1223                                         Queue waiter
1224                                         Sleep
1225         up_yyy()
1226         LOAD waiter->task;
1227         STORE waiter->task;
1228                                         Woken up by other event
1229         <preempt>
1230                                         Resume processing
1231                                         down_xxx() returns
1232                                         call foo()
1233                                         foo() clobbers *waiter
1234         </preempt>
1235         LOAD waiter->list.next;
1236         --- OOPS ---
1238 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
1239 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
1241 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
1243         LOAD waiter->list.next;
1244         LOAD waiter->task;
1245         smp_mb();
1246         STORE waiter->task;
1247         CALL wakeup
1248         RELEASE task
1250 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
1251 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
1252 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
1253 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
1254 instruction itself is complete.
1256 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
1257 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
1258 right order without actually intervening in the CPU.  Since there there's only
1259 one CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything
1260 else.
1263 ATOMIC OPERATIONS
1264 -----------------
1266 Though they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
1267 operations are noted specially as they do _not_ generally imply memory
1268 barriers.  The possible offenders include:
1270         xchg();
1271         cmpxchg();
1272         test_and_set_bit();
1273         test_and_clear_bit();
1274         test_and_change_bit();
1275         atomic_cmpxchg();
1276         atomic_inc_return();
1277         atomic_dec_return();
1278         atomic_add_return();
1279         atomic_sub_return();
1280         atomic_inc_and_test();
1281         atomic_dec_and_test();
1282         atomic_sub_and_test();
1283         atomic_add_negative();
1284         atomic_add_unless();
1286 These may be used for such things as implementing LOCK operations or controlling
1287 the lifetime of objects by decreasing their reference counts.  In such cases
1288 they need preceding memory barriers.
1290 The following may also be possible offenders as they may be used as UNLOCK
1291 operations.
1293         set_bit();
1294         clear_bit();
1295         change_bit();
1296         atomic_set();
1299 The following are a little tricky:
1301         atomic_add();
1302         atomic_sub();
1303         atomic_inc();
1304         atomic_dec();
1306 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
1307 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
1309 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
1310 they probably don't need memory barriers because either the reference count
1311 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
1312 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
1314 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
1315 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
1316 specific order.
1319 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
1320 barriers are needed or not.  The simplest rule is probably: if the atomic
1321 operation is protected by a lock, then it does not require a barrier unless
1322 there's another operation within the critical section with respect to which an
1323 ordering must be maintained.
1325 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
1328 ACCESSING DEVICES
1329 -----------------
1331 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
1332 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
1333 make the right memory accesses in exactly the right order.
1335 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
1336 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
1337 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
1338 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
1339 the device to malfunction.
1341 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
1342 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
1343 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
1344 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
1345 might be needed:
1347  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
1348      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
1349      issued prior to unlocking the critical section.
1351  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
1352      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
1353      required to enforce ordering.
1355 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1358 INTERRUPTS
1359 ----------
1361 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
1362 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
1363 access the device.
1365 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
1366 form of locking), such that the critical operations are all contained within
1367 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
1368 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
1369 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
1370 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
1372 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
1373 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
1374 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
1376         LOCAL IRQ DISABLE
1377         writew(ADDR, 3);
1378         writew(DATA, y);
1379         LOCAL IRQ ENABLE
1380         <interrupt>
1381         writew(ADDR, 4);
1382         q = readw(DATA);
1383         </interrupt>
1385 The store to the data register might happen after the second store to the
1386 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
1388         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
1391 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
1392 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
1393 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
1394 explicit barriers are used.
1396 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
1397 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
1398 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
1399 mmiowb() may need to be used explicitly.
1402 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
1403 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
1404 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
1407 ==========================
1408 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
1409 ==========================
1411 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
1412 functions:
1414  (*) inX(), outX():
1416      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
1417      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
1418      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
1419      CPUs don't have such a concept.
1421      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept - which on such
1422      CPUs as i386 and x86_64 cpus readily maps to the CPU's concept of I/O
1423      space.  However, it may also mapped as a virtual I/O space in the CPU's
1424      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate
1425      I/O spaces.
1427      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
1428      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
1429      that.
1431      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
1433      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
1434      memory and I/O operation.
1436  (*) readX(), writeX():
1438      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
1439      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
1440      defined for the memory window through which they're accessing. On later
1441      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
1442      MTRR registers.
1444      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,,
1445      provided they're not accessing a prefetchable device.
1447      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
1448      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
1449      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
1450      space should suffice for PCI.
1452      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
1453          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
1454          example.
1456      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
1457      force stores to be ordered.
1459      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
1460      between PCI transactions.
1462  (*) readX_relaxed()
1464      These are similar to readX(), but are not guaranteed to be ordered in any
1465      way. Be aware that there is no I/O read barrier available.
1467  (*) ioreadX(), iowriteX()
1469      These will perform as appropriate for the type of access they're actually
1470      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
1473 ========================================
1474 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
1475 ========================================
1477 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
1478 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
1479 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
1480 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
1481 of arch-specific code.
1483 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
1484 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
1485 instruction in the stream depends on the an earlier instruction, then that
1486 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
1487 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
1488 causality is maintained.
1490  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
1491      condition codes, changing registers or changing memory - and different
1492      instructions may depend on different effects.
1494 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
1495 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
1496 immediate value into the same register, the first may be discarded.
1499 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
1500 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
1501 maintained.
1504 ============================
1505 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
1506 ============================
1508 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
1509 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
1510 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
1512 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
1513 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
1514 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
1515 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
1517             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
1518                                   :
1519         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1520         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1521         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
1522         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1523         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
1524         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1525         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1526                                   :                 | Cache     |    +--------+
1527                                   :                 | Coherency |
1528                                   :                 | Mechanism |    +--------+
1529         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1530         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1531         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
1532         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1533         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
1534         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1535         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1536                                   :
1537                                   :
1539 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
1540 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
1541 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
1542 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
1543 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
1545 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
1546 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
1547 generate load and store operations which then go into the queue of memory
1548 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
1549 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
1550 to complete.
1552 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
1553 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
1554 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
1555 in the system.
1557 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
1558 their own loads and stores as if they had happened in program order.
1560 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
1561 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
1562 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
1565 CACHE COHERENCY
1566 ---------------
1568 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
1569 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
1570 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
1571 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
1572 become apparent in the same order on those other CPUs.
1575 Consider dealing with a system that has pair of CPUs (1 & 2), each of which has
1576 a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
1578                     :
1579                     :                          +--------+
1580                     :      +---------+         |        |
1581         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
1582         |        |  : |    +---------+         |        |
1583         |  CPU 1 |<---+                        |        |
1584         |        |  : |    +---------+         |        |
1585         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
1586                     :      +---------+         |        |
1587                     :                          | Memory |
1588                     :      +---------+         | System |
1589         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
1590         |        |  : |    +---------+         |        |
1591         |  CPU 2 |<---+                        |        |
1592         |        |  : |    +---------+         |        |
1593         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
1594                     :      +---------+         |        |
1595                     :                          +--------+
1596                     :
1598 Imagine the system has the following properties:
1600  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
1601      resident in memory;
1603  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
1604      resident in memory;
1606  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
1607      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
1608      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
1610  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
1611      to maintain coherency with the rest of the system;
1613  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
1614      present in the cache, even though the contents of the queue may
1615      potentially effect those loads.
1617 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
1618 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
1619 the requisite order:
1621         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1622         =============== =============== =======================================
1623                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1624         v = 2;
1625         smp_wmb();                      Make sure change to v visible before
1626                                          change to p
1627         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
1628         p = &v;
1629         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
1631 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
1632 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
1633 now imagine that the second CPU that wants to read those values:
1635         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1636         =============== =============== =======================================
1637         ...
1638                         q = p;
1639                         x = *q;
1641 The above pair of reads may then fail to happen in expected order, as the
1642 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
1643 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
1644 CPU's caches by some other cache event:
1646         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1647         =============== =============== =======================================
1648                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1649         v = 2;
1650         smp_wmb();
1651         <A:modify v=2>  <C:busy>
1652                         <C:queue v=2>
1653         p = &b;         q = p;
1654                         <D:request p>
1655         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
1656                         <D:read p>
1657                         x = *q;
1658                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
1659                         <C:unbusy>
1660                         <C:commit v=2>
1662 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
1663 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
1664 as that committed on CPU 1.
1667 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
1668 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
1669 queue before processing any further requests:
1671         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1672         =============== =============== =======================================
1673                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1674         v = 2;
1675         smp_wmb();
1676         <A:modify v=2>  <C:busy>
1677                         <C:queue v=2>
1678         p = &b;         q = p;
1679                         <D:request p>
1680         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
1681                         <D:read p>
1682                         smp_read_barrier_depends()
1683                         <C:unbusy>
1684                         <C:commit v=2>
1685                         x = *q;
1686                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
1689 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
1690 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
1691 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
1692 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
1694 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
1695 cachelets for normal memory accesss.  The semantics of the Alpha removes the
1696 need for coordination in absence of memory barriers.
1699 CACHE COHERENCY VS DMA
1700 ----------------------
1702 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
1703 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
1704 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
1705 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
1706 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
1707 invalidate them as well).
1709 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
1710 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
1711 installed its own data, or cache lines simply present in a CPUs cache may
1712 simply obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the
1713 cacheline is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this,
1714 the appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
1715 cache on each CPU.
1717 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
1720 CACHE COHERENCY VS MMIO
1721 -----------------------
1723 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
1724 a window in the CPU's memory space that have different properties assigned than
1725 the usual RAM directed window.
1727 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
1728 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
1729 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
1730 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
1731 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
1732 any way dependent.
1735 =========================
1736 THE THINGS CPUS GET UP TO
1737 =========================
1739 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
1740 operations in exactly the order specified, so that if a CPU is, for example,
1741 given the following piece of code to execute:
1743         a = *A;
1744         *B = b;
1745         c = *C;
1746         d = *D;
1747         *E = e;
1749 They would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
1750 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
1751 operations as seen by external observers in the system:
1753         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
1756 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
1757 assumption doesn't hold because:
1759  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
1760      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
1761      problem;
1763  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
1764      to have been unnecessary;
1766  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having being
1767      fetched at the wrong time in the expected sequence of events;
1769  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
1770      of the CPU buses and caches;
1772  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
1773      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
1774      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
1775      both be able to do this); and
1777  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
1778      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
1779      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
1780      order to other CPUs.
1782 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
1785         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
1787         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
1790 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
1791 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
1792 barrier.  For instance with the following code:
1794         U = *A;
1795         *A = V;
1796         *A = W;
1797         X = *A;
1798         *A = Y;
1799         Z = *A;
1801 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
1802 the final result will appear to be:
1804         U == the original value of *A
1805         X == W
1806         Z == Y
1807         *A == Y
1809 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
1810 accesses:
1812         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
1814 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
1815 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
1816 the world remains consistent.
1818 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
1819 the CPU even sees them.
1821 For instance:
1823         *A = V;
1824         *A = W;
1826 may be reduced to:
1828         *A = W;
1830 since, without a write barrier, it can be assumed that the effect of the
1831 storage of V to *A is lost.  Similarly:
1833         *A = Y;
1834         Z = *A;
1836 may, without a memory barrier, be reduced to:
1838         *A = Y;
1839         Z = Y;
1841 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
1844 AND THEN THERE'S THE ALPHA
1845 --------------------------
1847 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
1848 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
1849 two semantically related cache lines updating at separate times.  This is where
1850 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
1851 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
1852 changes vs new data occur in the right order.
1854 The Alpha defines the Linux's kernel's memory barrier model.
1856 See the subsection on "Cache Coherency" above.
1859 ==========
1860 REFERENCES
1861 ==========
1863 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
1864 Digital Press)
1865         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
1866         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
1867         Chapter 5.5: Data Sharing
1868         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
1870 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
1871         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
1872         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
1874 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
1875 System Programming Guide
1876         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
1877         Chapter 7.2: Memory Ordering
1878         Chapter 7.4: Serializing Instructions
1880 The SPARC Architecture Manual, Version 9
1881         Chapter 8: Memory Models
1882         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
1883         Appendix J: Programming with the Memory Models
1885 UltraSPARC Programmer Reference Manual
1886         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
1887         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
1889 UltraSPARC III Cu User's Manual
1890         Chapter 9: Memory Models
1892 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
1893         Chapter 8: Memory Models
1895 UltraSPARC Architecture 2005
1896         Chapter 9: Memory
1897         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
1899 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
1900         Chapter 8: Memory Models
1901         Appendix F: Caches and Cache Coherency
1903 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
1904         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
1905                         Synchronization
1907 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
1908 for Kernel Programmers:
1909         Chapter 13: Other Memory Models
1911 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
1912         Section 2.6: Speculation
1913         Section 4.4: Memory Access