[PATCH] Fix memory barrier docs wrt atomic ops
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1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
4
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6
7 Contents:
8
9  (*) Abstract memory access model.
10
11      - Device operations.
12      - Guarantees.
13
14  (*) What are memory barriers?
15
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.
22
23  (*) Explicit kernel barriers.
24
25      - Compiler barrier.
26      - The CPU memory barriers.
27      - MMIO write barrier.
28
29  (*) Implicit kernel memory barriers.
30
31      - Locking functions.
32      - Interrupt disabling functions.
33      - Miscellaneous functions.
34
35  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
36
37      - Locks vs memory accesses.
38      - Locks vs I/O accesses.
39
40  (*) Where are memory barriers needed?
41
42      - Interprocessor interaction.
43      - Atomic operations.
44      - Accessing devices.
45      - Interrupts.
46
47  (*) Kernel I/O barrier effects.
48
49  (*) Assumed minimum execution ordering model.
50
51  (*) The effects of the cpu cache.
52
53      - Cache coherency.
54      - Cache coherency vs DMA.
55      - Cache coherency vs MMIO.
56
57  (*) The things CPUs get up to.
58
59      - And then there's the Alpha.
60
61  (*) References.
62
63
64 ============================
65 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
66 ============================
67
68 Consider the following abstract model of the system:
69
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                             :                :
92
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.
99
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).
103
104
105 For example, consider the following sequence of events:
106
107         CPU 1           CPU 2
108         =============== ===============
109         { A == 1; B == 2 }
110         A = 3;          x = A;
111         B = 4;          y = B;
112
113 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
114 in 24 different combinations:
115
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         ...
125
126 and can thus result in four different combinations of values:
127
128         x == 1, y == 2
129         x == 1, y == 4
130         x == 3, y == 2
131         x == 3, y == 4
132
133
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.
137
138
139 As a further example, consider this sequence of events:
140
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;
146
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:
150
151         (Q == &A) and (D == 1)
152         (Q == &B) and (D == 2)
153         (Q == &B) and (D == 4)
154
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.
157
158
159 DEVICE OPERATIONS
160 -----------------
161
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:
168
169         *A = 5;
170         x = *D;
171
172 but this might show up as either of the following two sequences:
173
174         STORE *A = 5, x = LOAD *D
175         x = LOAD *D, STORE *A = 5
176
177 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
178 the address _after_ attempting to read the register.
179
180
181 GUARANTEES
182 ----------
183
184 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
185
186  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
187      respect to itself.  This means that for:
188
189         Q = P; D = *Q;
190
191      the CPU will issue the following memory operations:
192
193         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
194
195      and always in that order.
196
197  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
198      ordered within that CPU.  This means that for:
199
200         a = *X; *X = b;
201
202      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
203
204         a = LOAD *X, STORE *X = b
205
206      And for:
207
208         *X = c; d = *X;
209
210      the CPU will only issue:
211
212         STORE *X = c, d = LOAD *X
213
214      (Loads and stores overlap if they are targetted at overlapping pieces of
215      memory).
216
217 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
218
219  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
220      in the order given.  This means that for:
221
222         X = *A; Y = *B; *D = Z;
223
224      we may get any of the following sequences:
225
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
232
233  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
234      discarded.  This means that for:
235
236         X = *A; Y = *(A + 4);
237
238      we may get any one of the following sequences:
239
240         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
241         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
242         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
243
244      And for:
245
246         *A = X; Y = *A;
247
248      we may get either of:
249
250         STORE *A = X; Y = LOAD *A;
251         STORE *A = Y;
252
253
254 =========================
255 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
256 =========================
257
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.
262
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.
267
268
269 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
270 ---------------------------
271
272 Memory barriers come in four basic varieties:
273
274  (1) Write (or store) memory barriers.
275
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.
280
281      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
282      to have any effect on loads.
283
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.
287
288      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
289      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
290
291
292  (2) Data dependency barriers.
293
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.
300
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.
304
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.
313
314      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
315      showing the ordering constraints.
316
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.
323
324      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
325      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
326
327
328  (3) Read (or load) memory barriers.
329
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.
334
335      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
336      have any effect on stores.
337
338      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
339      for them.
340
341      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
342      see the "SMP barrier pairing" subsection.
343
344
345  (4) General memory barriers.
346
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.
350
351      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
352      can substitute for either.
353
354
355 And a couple of implicit varieties:
356
357  (5) LOCK operations.
358
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.
362
363      Memory operations that occur before a LOCK operation may appear to happen
364      after it completes.
365
366      A LOCK operation should almost always be paired with an UNLOCK operation.
367
368
369  (6) UNLOCK operations.
370
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.
374
375      Memory operations that occur after an UNLOCK operation may appear to
376      happen before it completes.
377
378      LOCK and UNLOCK operations are guaranteed to appear with respect to each
379      other strictly in the order specified.
380
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").
384
385
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.
390
391
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.
395
396
397 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
398 ----------------------------------------------
399
400 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
401
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.
406
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:
411
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").
416
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.
421
422         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
423
424             Documentation/pci.txt
425             Documentation/DMA-mapping.txt
426             Documentation/DMA-API.txt
427
428
429 DATA DEPENDENCY BARRIERS
430 ------------------------
431
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:
435
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;
444
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:
447
448         (Q == &A) implies (D == 1)
449         (Q == &B) implies (D == 4)
450
451 But! CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
452 leading to the following situation:
453
454         (Q == &B) and (D == 2) ????
455
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).
459
460 To deal with this, a data dependency barrier must be inserted between the
461 address load and the data load:
462
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;
472
473 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
474 third possibility from arising.
475
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).
484
485
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:
489
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];
499
500
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.
505
506 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
507
508
509 CONTROL DEPENDENCIES
510 --------------------
511
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:
515
516         q = &a;
517         if (p)
518                 q = &b;
519         <data dependency barrier>
520         x = *q;
521
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:
526
527         q = &a;
528         if (p)
529                 q = &b;
530         <read barrier>
531         x = *q;
532
533
534 SMP BARRIER PAIRING
535 -------------------
536
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.
539
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:
544
545         CPU 1           CPU 2
546         =============== ===============
547         a = 1;
548         <write barrier>
549         b = 2;          x = a;
550                         <read barrier>
551                         y = b;
552
553 Or:
554
555         CPU 1           CPU 2
556         =============== ===============================
557         a = 1;
558         <write barrier>
559         b = &a;         x = b;
560                         <data dependency barrier>
561                         y = *x;
562
563 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
564 the "weaker" type.
565
566
567 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
568 ------------------------------------
569
570 Firstly, write barriers act as a partial orderings on store operations.
571 Consider the following sequence of events:
572
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
581
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
585 }:
586
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
606
607
608 Secondly, data dependency barriers act as a partial orderings on data-dependent
609 loads.  Consider the following sequence of events:
610
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)
619
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:
622
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                                                 :       :
648
649
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.
652
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:
655
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                                                 :       :       +-------+
681
682
683 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
684 following sequence of events:
685
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
699
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:
702
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                                                   :       :       +-------+
725
726
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.
730
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                                                   :       :       +-------+
755
756
757 ========================
758 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
759 ========================
760
761 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
762 levels:
763
764   (*) Compiler barrier.
765
766   (*) CPU memory barriers.
767
768   (*) MMIO write barrier.
769
770
771 COMPILER BARRIER
772 ----------------
773
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:
776
777         barrier();
778
779 This a general barrier - lesser varieties of compiler barrier do not exist.
780
781 The compiler barrier has no direct effect on the CPU, which may then reorder
782 things however it wishes.
783
784
785 CPU MEMORY BARRIERS
786 -------------------
787
788 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
789
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()
796
797
798 All CPU memory barriers unconditionally imply compiler barriers.
799
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.
803
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.
807
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.
814
815
816 There are some more advanced barrier functions:
817
818  (*) set_mb(var, value)
819  (*) set_wmb(var, value)
820
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.
824
825
826  (*) smp_mb__before_atomic_dec();
827  (*) smp_mb__after_atomic_dec();
828  (*) smp_mb__before_atomic_inc();
829  (*) smp_mb__after_atomic_inc();
830
831      These are for use with atomic add, subtract, increment and decrement
832      functions that don't return a value, especially when used for reference
833      counting.  These functions do not imply memory barriers.
834
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:
837
838         obj->dead = 1;
839         smp_mb__before_atomic_dec();
840         atomic_dec(&obj->ref_count);
841
842      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
843      *before* the reference counter is decremented.
844
845      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
846      operations" subsection for information on where to use these.
847
848
849  (*) smp_mb__before_clear_bit(void);
850  (*) smp_mb__after_clear_bit(void);
851
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.
855
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:
858
859         smp_mb__before_clear_bit();
860         clear_bit( ... );
861
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.
865
866      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
867      operations" subsection for information on where to use these.
868
869
870 MMIO WRITE BARRIER
871 ------------------
872
873 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
874 writes:
875
876         mmiowb();
877
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.
881
882 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
883
884
885 ===============================
886 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
887 ===============================
888
889 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
890 which are locking, scheduling and memory allocation functions.
891
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.
895
896
897 LOCKING FUNCTIONS
898 -----------------
899
900 The Linux kernel has a number of locking constructs:
901
902  (*) spin locks
903  (*) R/W spin locks
904  (*) mutexes
905  (*) semaphores
906  (*) R/W semaphores
907  (*) RCU
908
909 In all cases there are variants on "LOCK" operations and "UNLOCK" operations
910 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
911
912  (1) LOCK operation implication:
913
914      Memory operations issued after the LOCK will be completed after the LOCK
915      operation has completed.
916
917      Memory operations issued before the LOCK may be completed after the LOCK
918      operation has completed.
919
920  (2) UNLOCK operation implication:
921
922      Memory operations issued before the UNLOCK will be completed before the
923      UNLOCK operation has completed.
924
925      Memory operations issued after the UNLOCK may be completed before the
926      UNLOCK operation has completed.
927
928  (3) LOCK vs LOCK implication:
929
930      All LOCK operations issued before another LOCK operation will be completed
931      before that LOCK operation.
932
933  (4) LOCK vs UNLOCK implication:
934
935      All LOCK operations issued before an UNLOCK operation will be completed
936      before the UNLOCK operation.
937
938      All UNLOCK operations issued before a LOCK operation will be completed
939      before the LOCK operation.
940
941  (5) Failed conditional LOCK implication:
942
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.
947
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.
950
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.
954
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.
959
960 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
961
962
963 As an example, consider the following:
964
965         *A = a;
966         *B = b;
967         LOCK
968         *C = c;
969         *D = d;
970         UNLOCK
971         *E = e;
972         *F = f;
973
974 The following sequence of events is acceptable:
975
976         LOCK, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, UNLOCK
977
978         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
979
980 But none of the following are:
981
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
986
987
988
989 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
990 -----------------------------
991
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.
996
997
998 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
999 -----------------------
1000
1001 Other functions that imply barriers:
1002
1003  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1004
1005  (*) Memory allocation and release functions imply full memory barriers.
1006
1007
1008 =================================
1009 INTER-CPU LOCKING BARRIER EFFECTS
1010 =================================
1011
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.
1015
1016
1017 LOCKS VS MEMORY ACCESSES
1018 ------------------------
1019
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:
1022
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;
1031
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:
1035
1036         *E, LOCK M, LOCK Q, *G, *C, *F, *A, *B, UNLOCK Q, *D, *H, UNLOCK M
1037
1038 But it won't see any of:
1039
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
1044
1045
1046 However, if the following occurs:
1047
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;
1061
1062 CPU #3 might see:
1063
1064         *E, LOCK M [1], *C, *B, *A, UNLOCK M [1],
1065                 LOCK M [2], *H, *F, *G, UNLOCK M [2], *D
1066
1067 But assuming CPU #1 gets the lock first, it won't see any of:
1068
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]
1073
1074
1075 LOCKS VS I/O ACCESSES
1076 ---------------------
1077
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.
1083
1084 For example:
1085
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);
1096
1097 may be seen by the PCI bridge as follows:
1098
1099         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
1100
1101 which would probably cause the hardware to malfunction.
1102
1103
1104 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
1105 spinlock, for example:
1106
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);
1119
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.
1122
1123
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:
1127
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);
1138
1139
1140 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1141
1142
1143 =================================
1144 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
1145 =================================
1146
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:
1151
1152  (*) Interprocessor interaction.
1153
1154  (*) Atomic operations.
1155
1156  (*) Accessing devices (I/O).
1157
1158  (*) Interrupts.
1159
1160
1161 INTERPROCESSOR INTERACTION
1162 --------------------------
1163
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.
1171
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:
1175
1176         struct rw_semaphore {
1177                 ...
1178                 spinlock_t lock;
1179                 struct list_head waiters;
1180         };
1181
1182         struct rwsem_waiter {
1183                 struct list_head list;
1184                 struct task_struct *task;
1185         };
1186
1187 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
1188
1189  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
1190      next waiter record is;
1191
1192  (4) read the pointer to the waiter's task structure;
1193
1194  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
1195
1196  (4) call wake_up_process() on the task; and
1197
1198  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
1199
1200 In otherwords, it has to perform this sequence of events:
1201
1202         LOAD waiter->list.next;
1203         LOAD waiter->task;
1204         STORE waiter->task;
1205         CALL wakeup
1206         RELEASE task
1207
1208 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
1209 malfunction.
1210
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.
1217
1218 Consider then what might happen to the above sequence of events:
1219
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 ---
1237
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.
1240
1241 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
1242
1243         LOAD waiter->list.next;
1244         LOAD waiter->task;
1245         smp_mb();
1246         STORE waiter->task;
1247         CALL wakeup
1248         RELEASE task
1249
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.
1255
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.
1261
1262
1263 ATOMIC OPERATIONS
1264 -----------------
1265
1266 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
1267 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
1268 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
1269 kernel.
1270
1271 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
1272 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
1273 (smp_mb()) on each side of the actual operation.  These include:
1274
1275         xchg();
1276         cmpxchg();
1277         atomic_cmpxchg();
1278         atomic_inc_return();
1279         atomic_dec_return();
1280         atomic_add_return();
1281         atomic_sub_return();
1282         atomic_inc_and_test();
1283         atomic_dec_and_test();
1284         atomic_sub_and_test();
1285         atomic_add_negative();
1286         atomic_add_unless();
1287         test_and_set_bit();
1288         test_and_clear_bit();
1289         test_and_change_bit();
1290
1291 These are used for such things as implementing LOCK-class and UNLOCK-class
1292 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
1293 such the implicit memory barrier effects are necessary.
1294
1295
1296 The following operation are potential problems as they do _not_ imply memory
1297 barriers, but might be used for implementing such things as UNLOCK-class
1298 operations:
1299
1300         atomic_set();
1301         set_bit();
1302         clear_bit();
1303         change_bit();
1304
1305 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
1306 (smp_mb__before_clear_bit() for instance).
1307
1308
1309 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
1310 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic_dec() for
1311 instance)):
1312
1313         atomic_add();
1314         atomic_sub();
1315         atomic_inc();
1316         atomic_dec();
1317
1318 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
1319 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
1320
1321 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
1322 they probably don't need memory barriers because either the reference count
1323 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
1324 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
1325
1326 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
1327 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
1328 specific order.
1329
1330
1331 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
1332 barriers are needed or not.
1333
1334 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
1335 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
1336 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
1337 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
1338
1339 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
1340
1341
1342 ACCESSING DEVICES
1343 -----------------
1344
1345 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
1346 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
1347 make the right memory accesses in exactly the right order.
1348
1349 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
1350 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
1351 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
1352 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
1353 the device to malfunction.
1354
1355 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
1356 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
1357 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
1358 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
1359 might be needed:
1360
1361  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
1362      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
1363      issued prior to unlocking the critical section.
1364
1365  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
1366      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
1367      required to enforce ordering.
1368
1369 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1370
1371
1372 INTERRUPTS
1373 ----------
1374
1375 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
1376 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
1377 access the device.
1378
1379 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
1380 form of locking), such that the critical operations are all contained within
1381 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
1382 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
1383 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
1384 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
1385
1386 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
1387 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
1388 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
1389
1390         LOCAL IRQ DISABLE
1391         writew(ADDR, 3);
1392         writew(DATA, y);
1393         LOCAL IRQ ENABLE
1394         <interrupt>
1395         writew(ADDR, 4);
1396         q = readw(DATA);
1397         </interrupt>
1398
1399 The store to the data register might happen after the second store to the
1400 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
1401
1402         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
1403
1404
1405 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
1406 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
1407 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
1408 explicit barriers are used.
1409
1410 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
1411 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
1412 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
1413 mmiowb() may need to be used explicitly.
1414
1415
1416 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
1417 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
1418 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
1419
1420
1421 ==========================
1422 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
1423 ==========================
1424
1425 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
1426 functions:
1427
1428  (*) inX(), outX():
1429
1430      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
1431      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
1432      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
1433      CPUs don't have such a concept.
1434
1435      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept - which on such
1436      CPUs as i386 and x86_64 cpus readily maps to the CPU's concept of I/O
1437      space.  However, it may also mapped as a virtual I/O space in the CPU's
1438      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate
1439      I/O spaces.
1440
1441      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
1442      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
1443      that.
1444
1445      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
1446
1447      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
1448      memory and I/O operation.
1449
1450  (*) readX(), writeX():
1451
1452      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
1453      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
1454      defined for the memory window through which they're accessing. On later
1455      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
1456      MTRR registers.
1457
1458      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,,
1459      provided they're not accessing a prefetchable device.
1460
1461      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
1462      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
1463      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
1464      space should suffice for PCI.
1465
1466      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
1467          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
1468          example.
1469
1470      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
1471      force stores to be ordered.
1472
1473      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
1474      between PCI transactions.
1475
1476  (*) readX_relaxed()
1477
1478      These are similar to readX(), but are not guaranteed to be ordered in any
1479      way. Be aware that there is no I/O read barrier available.
1480
1481  (*) ioreadX(), iowriteX()
1482
1483      These will perform as appropriate for the type of access they're actually
1484      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
1485
1486
1487 ========================================
1488 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
1489 ========================================
1490
1491 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
1492 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
1493 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
1494 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
1495 of arch-specific code.
1496
1497 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
1498 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
1499 instruction in the stream depends on the an earlier instruction, then that
1500 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
1501 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
1502 causality is maintained.
1503
1504  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
1505      condition codes, changing registers or changing memory - and different
1506      instructions may depend on different effects.
1507
1508 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
1509 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
1510 immediate value into the same register, the first may be discarded.
1511
1512
1513 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
1514 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
1515 maintained.
1516
1517
1518 ============================
1519 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
1520 ============================
1521
1522 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
1523 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
1524 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
1525
1526 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
1527 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
1528 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
1529 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
1530
1531             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
1532                                   :
1533         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1534         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1535         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
1536         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1537         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
1538         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1539         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1540                                   :                 | Cache     |    +--------+
1541                                   :                 | Coherency |
1542                                   :                 | Mechanism |    +--------+
1543         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1544         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1545         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
1546         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1547         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
1548         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1549         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1550                                   :
1551                                   :
1552
1553 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
1554 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
1555 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
1556 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
1557 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
1558
1559 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
1560 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
1561 generate load and store operations which then go into the queue of memory
1562 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
1563 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
1564 to complete.
1565
1566 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
1567 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
1568 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
1569 in the system.
1570
1571 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
1572 their own loads and stores as if they had happened in program order.
1573
1574 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
1575 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
1576 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
1577
1578
1579 CACHE COHERENCY
1580 ---------------
1581
1582 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
1583 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
1584 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
1585 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
1586 become apparent in the same order on those other CPUs.
1587
1588
1589 Consider dealing with a system that has pair of CPUs (1 & 2), each of which has
1590 a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
1591
1592                     :
1593                     :                          +--------+
1594                     :      +---------+         |        |
1595         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
1596         |        |  : |    +---------+         |        |
1597         |  CPU 1 |<---+                        |        |
1598         |        |  : |    +---------+         |        |
1599         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
1600                     :      +---------+         |        |
1601                     :                          | Memory |
1602                     :      +---------+         | System |
1603         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
1604         |        |  : |    +---------+         |        |
1605         |  CPU 2 |<---+                        |        |
1606         |        |  : |    +---------+         |        |
1607         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
1608                     :      +---------+         |        |
1609                     :                          +--------+
1610                     :
1611
1612 Imagine the system has the following properties:
1613
1614  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
1615      resident in memory;
1616
1617  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
1618      resident in memory;
1619
1620  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
1621      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
1622      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
1623
1624  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
1625      to maintain coherency with the rest of the system;
1626
1627  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
1628      present in the cache, even though the contents of the queue may
1629      potentially effect those loads.
1630
1631 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
1632 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
1633 the requisite order:
1634
1635         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1636         =============== =============== =======================================
1637                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1638         v = 2;
1639         smp_wmb();                      Make sure change to v visible before
1640                                          change to p
1641         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
1642         p = &v;
1643         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
1644
1645 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
1646 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
1647 now imagine that the second CPU that wants to read those values:
1648
1649         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1650         =============== =============== =======================================
1651         ...
1652                         q = p;
1653                         x = *q;
1654
1655 The above pair of reads may then fail to happen in expected order, as the
1656 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
1657 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
1658 CPU's caches by some other cache event:
1659
1660         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1661         =============== =============== =======================================
1662                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1663         v = 2;
1664         smp_wmb();
1665         <A:modify v=2>  <C:busy>
1666                         <C:queue v=2>
1667         p = &b;         q = p;
1668                         <D:request p>
1669         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
1670                         <D:read p>
1671                         x = *q;
1672                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
1673                         <C:unbusy>
1674                         <C:commit v=2>
1675
1676 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
1677 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
1678 as that committed on CPU 1.
1679
1680
1681 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
1682 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
1683 queue before processing any further requests:
1684
1685         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1686         =============== =============== =======================================
1687                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1688         v = 2;
1689         smp_wmb();
1690         <A:modify v=2>  <C:busy>
1691                         <C:queue v=2>
1692         p = &b;         q = p;
1693                         <D:request p>
1694         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
1695                         <D:read p>
1696                         smp_read_barrier_depends()
1697                         <C:unbusy>
1698                         <C:commit v=2>
1699                         x = *q;
1700                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
1701
1702
1703 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
1704 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
1705 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
1706 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
1707
1708 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
1709 cachelets for normal memory accesss.  The semantics of the Alpha removes the
1710 need for coordination in absence of memory barriers.
1711
1712
1713 CACHE COHERENCY VS DMA
1714 ----------------------
1715
1716 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
1717 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
1718 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
1719 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
1720 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
1721 invalidate them as well).
1722
1723 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
1724 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
1725 installed its own data, or cache lines simply present in a CPUs cache may
1726 simply obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the
1727 cacheline is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this,
1728 the appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
1729 cache on each CPU.
1730
1731 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
1732
1733
1734 CACHE COHERENCY VS MMIO
1735 -----------------------
1736
1737 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
1738 a window in the CPU's memory space that have different properties assigned than
1739 the usual RAM directed window.
1740
1741 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
1742 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
1743 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
1744 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
1745 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
1746 any way dependent.
1747
1748
1749 =========================
1750 THE THINGS CPUS GET UP TO
1751 =========================
1752
1753 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
1754 operations in exactly the order specified, so that if a CPU is, for example,
1755 given the following piece of code to execute:
1756
1757         a = *A;
1758         *B = b;
1759         c = *C;
1760         d = *D;
1761         *E = e;
1762
1763 They would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
1764 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
1765 operations as seen by external observers in the system:
1766
1767         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
1768
1769
1770 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
1771 assumption doesn't hold because:
1772
1773  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
1774      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
1775      problem;
1776
1777  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
1778      to have been unnecessary;
1779
1780  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having being
1781      fetched at the wrong time in the expected sequence of events;
1782
1783  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
1784      of the CPU buses and caches;
1785
1786  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
1787      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
1788      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
1789      both be able to do this); and
1790
1791  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
1792      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
1793      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
1794      order to other CPUs.
1795
1796 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
1797 is:
1798
1799         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
1800
1801         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
1802
1803
1804 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
1805 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
1806 barrier.  For instance with the following code:
1807
1808         U = *A;
1809         *A = V;
1810         *A = W;
1811         X = *A;
1812         *A = Y;
1813         Z = *A;
1814
1815 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
1816 the final result will appear to be:
1817
1818         U == the original value of *A
1819         X == W
1820         Z == Y
1821         *A == Y
1822
1823 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
1824 accesses:
1825
1826         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
1827
1828 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
1829 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
1830 the world remains consistent.
1831
1832 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
1833 the CPU even sees them.
1834
1835 For instance:
1836
1837         *A = V;
1838         *A = W;
1839
1840 may be reduced to:
1841
1842         *A = W;
1843
1844 since, without a write barrier, it can be assumed that the effect of the
1845 storage of V to *A is lost.  Similarly:
1846
1847         *A = Y;
1848         Z = *A;
1849
1850 may, without a memory barrier, be reduced to:
1851
1852         *A = Y;
1853         Z = Y;
1854
1855 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
1856
1857
1858 AND THEN THERE'S THE ALPHA
1859 --------------------------
1860
1861 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
1862 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
1863 two semantically related cache lines updating at separate times.  This is where
1864 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
1865 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
1866 changes vs new data occur in the right order.
1867
1868 The Alpha defines the Linux's kernel's memory barrier model.
1869
1870 See the subsection on "Cache Coherency" above.
1871
1872
1873 ==========
1874 REFERENCES
1875 ==========
1876
1877 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
1878 Digital Press)
1879         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
1880         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
1881         Chapter 5.5: Data Sharing
1882         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
1883
1884 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
1885         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
1886         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
1887
1888 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
1889 System Programming Guide
1890         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
1891         Chapter 7.2: Memory Ordering
1892         Chapter 7.4: Serializing Instructions
1893
1894 The SPARC Architecture Manual, Version 9
1895         Chapter 8: Memory Models
1896         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
1897         Appendix J: Programming with the Memory Models
1898
1899 UltraSPARC Programmer Reference Manual
1900         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
1901         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
1902
1903 UltraSPARC III Cu User's Manual
1904         Chapter 9: Memory Models
1905
1906 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
1907         Chapter 8: Memory Models
1908
1909 UltraSPARC Architecture 2005
1910         Chapter 9: Memory
1911         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
1912
1913 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
1914         Chapter 8: Memory Models
1915         Appendix F: Caches and Cache Coherency
1916
1917 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
1918         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
1919                         Synchronization
1920
1921 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
1922 for Kernel Programmers:
1923         Chapter 13: Other Memory Models
1924
1925 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
1926         Section 2.6: Speculation
1927         Section 4.4: Memory Access