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[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / locking / lockdep-design.txt
1 Runtime locking correctness validator
2 =====================================
3
4 started by Ingo Molnar <mingo@redhat.com>
5 additions by Arjan van de Ven <arjan@linux.intel.com>
6
7 Lock-class
8 ----------
9
10 The basic object the validator operates upon is a 'class' of locks.
11
12 A class of locks is a group of locks that are logically the same with
13 respect to locking rules, even if the locks may have multiple (possibly
14 tens of thousands of) instantiations. For example a lock in the inode
15 struct is one class, while each inode has its own instantiation of that
16 lock class.
17
18 The validator tracks the 'usage state' of lock-classes, and it tracks
19 the dependencies between different lock-classes. Lock usage indicates
20 how a lock is used with regard to its IRQ contexts, while lock
21 dependency can be understood as lock order, where L1 -> L2 suggests that
22 a task is attempting to acquire L2 while holding L1. From lockdep's
23 perspective, the two locks (L1 and L2) are not necessarily related; that
24 dependency just means the order ever happened. The validator maintains a
25 continuing effort to prove lock usages and dependencies are correct or
26 the validator will shoot a splat if incorrect.
27
28 A lock-class's behavior is constructed by its instances collectively:
29 when the first instance of a lock-class is used after bootup the class
30 gets registered, then all (subsequent) instances will be mapped to the
31 class and hence their usages and dependecies will contribute to those of
32 the class. A lock-class does not go away when a lock instance does, but
33 it can be removed if the memory space of the lock class (static or
34 dynamic) is reclaimed, this happens for example when a module is
35 unloaded or a workqueue is destroyed.
36
37 State
38 -----
39
40 The validator tracks lock-class usage history and divides the usage into
41 (4 usages * n STATEs + 1) categories:
42
43 where the 4 usages can be:
44 - 'ever held in STATE context'
45 - 'ever held as readlock in STATE context'
46 - 'ever held with STATE enabled'
47 - 'ever held as readlock with STATE enabled'
48
49 where the n STATEs are coded in kernel/locking/lockdep_states.h and as of
50 now they include:
51 - hardirq
52 - softirq
53
54 where the last 1 category is:
55 - 'ever used'                                       [ == !unused        ]
56
57 When locking rules are violated, these usage bits are presented in the
58 locking error messages, inside curlies, with a total of 2 * n STATEs bits.
59 A contrived example:
60
61    modprobe/2287 is trying to acquire lock:
62     (&sio_locks[i].lock){-.-.}, at: [<c02867fd>] mutex_lock+0x21/0x24
63
64    but task is already holding lock:
65     (&sio_locks[i].lock){-.-.}, at: [<c02867fd>] mutex_lock+0x21/0x24
66
67
68 For a given lock, the bit positions from left to right indicate the usage
69 of the lock and readlock (if exists), for each of the n STATEs listed
70 above respectively, and the character displayed at each bit position
71 indicates:
72
73    '.'  acquired while irqs disabled and not in irq context
74    '-'  acquired in irq context
75    '+'  acquired with irqs enabled
76    '?'  acquired in irq context with irqs enabled.
77
78 The bits are illustrated with an example:
79
80     (&sio_locks[i].lock){-.-.}, at: [<c02867fd>] mutex_lock+0x21/0x24
81                          ||||
82                          ||| \-> softirq disabled and not in softirq context
83                          || \--> acquired in softirq context
84                          | \---> hardirq disabled and not in hardirq context
85                           \----> acquired in hardirq context
86
87
88 For a given STATE, whether the lock is ever acquired in that STATE
89 context and whether that STATE is enabled yields four possible cases as
90 shown in the table below. The bit character is able to indicate which
91 exact case is for the lock as of the reporting time.
92
93    -------------------------------------------
94   |              | irq enabled | irq disabled |
95   |-------------------------------------------|
96   | ever in irq  |      ?      |       -      |
97   |-------------------------------------------|
98   | never in irq |      +      |       .      |
99    -------------------------------------------
100
101 The character '-' suggests irq is disabled because if otherwise the
102 charactor '?' would have been shown instead. Similar deduction can be
103 applied for '+' too.
104
105 Unused locks (e.g., mutexes) cannot be part of the cause of an error.
106
107
108 Single-lock state rules:
109 ------------------------
110
111 A lock is irq-safe means it was ever used in an irq context, while a lock
112 is irq-unsafe means it was ever acquired with irq enabled.
113
114 A softirq-unsafe lock-class is automatically hardirq-unsafe as well. The
115 following states must be exclusive: only one of them is allowed to be set
116 for any lock-class based on its usage:
117
118  <hardirq-safe> or <hardirq-unsafe>
119  <softirq-safe> or <softirq-unsafe>
120
121 This is because if a lock can be used in irq context (irq-safe) then it
122 cannot be ever acquired with irq enabled (irq-unsafe). Otherwise, a
123 deadlock may happen. For example, in the scenario that after this lock
124 was acquired but before released, if the context is interrupted this
125 lock will be attempted to acquire twice, which creates a deadlock,
126 referred to as lock recursion deadlock.
127
128 The validator detects and reports lock usage that violates these
129 single-lock state rules.
130
131 Multi-lock dependency rules:
132 ----------------------------
133
134 The same lock-class must not be acquired twice, because this could lead
135 to lock recursion deadlocks.
136
137 Furthermore, two locks can not be taken in inverse order:
138
139  <L1> -> <L2>
140  <L2> -> <L1>
141
142 because this could lead to a deadlock - referred to as lock inversion
143 deadlock - as attempts to acquire the two locks form a circle which
144 could lead to the two contexts waiting for each other permanently. The
145 validator will find such dependency circle in arbitrary complexity,
146 i.e., there can be any other locking sequence between the acquire-lock
147 operations; the validator will still find whether these locks can be
148 acquired in a circular fashion.
149
150 Furthermore, the following usage based lock dependencies are not allowed
151 between any two lock-classes:
152
153    <hardirq-safe>   ->  <hardirq-unsafe>
154    <softirq-safe>   ->  <softirq-unsafe>
155
156 The first rule comes from the fact that a hardirq-safe lock could be
157 taken by a hardirq context, interrupting a hardirq-unsafe lock - and
158 thus could result in a lock inversion deadlock. Likewise, a softirq-safe
159 lock could be taken by an softirq context, interrupting a softirq-unsafe
160 lock.
161
162 The above rules are enforced for any locking sequence that occurs in the
163 kernel: when acquiring a new lock, the validator checks whether there is
164 any rule violation between the new lock and any of the held locks.
165
166 When a lock-class changes its state, the following aspects of the above
167 dependency rules are enforced:
168
169 - if a new hardirq-safe lock is discovered, we check whether it
170   took any hardirq-unsafe lock in the past.
171
172 - if a new softirq-safe lock is discovered, we check whether it took
173   any softirq-unsafe lock in the past.
174
175 - if a new hardirq-unsafe lock is discovered, we check whether any
176   hardirq-safe lock took it in the past.
177
178 - if a new softirq-unsafe lock is discovered, we check whether any
179   softirq-safe lock took it in the past.
180
181 (Again, we do these checks too on the basis that an interrupt context
182 could interrupt _any_ of the irq-unsafe or hardirq-unsafe locks, which
183 could lead to a lock inversion deadlock - even if that lock scenario did
184 not trigger in practice yet.)
185
186 Exception: Nested data dependencies leading to nested locking
187 -------------------------------------------------------------
188
189 There are a few cases where the Linux kernel acquires more than one
190 instance of the same lock-class. Such cases typically happen when there
191 is some sort of hierarchy within objects of the same type. In these
192 cases there is an inherent "natural" ordering between the two objects
193 (defined by the properties of the hierarchy), and the kernel grabs the
194 locks in this fixed order on each of the objects.
195
196 An example of such an object hierarchy that results in "nested locking"
197 is that of a "whole disk" block-dev object and a "partition" block-dev
198 object; the partition is "part of" the whole device and as long as one
199 always takes the whole disk lock as a higher lock than the partition
200 lock, the lock ordering is fully correct. The validator does not
201 automatically detect this natural ordering, as the locking rule behind
202 the ordering is not static.
203
204 In order to teach the validator about this correct usage model, new
205 versions of the various locking primitives were added that allow you to
206 specify a "nesting level". An example call, for the block device mutex,
207 looks like this:
208
209 enum bdev_bd_mutex_lock_class
210 {
211        BD_MUTEX_NORMAL,
212        BD_MUTEX_WHOLE,
213        BD_MUTEX_PARTITION
214 };
215
216  mutex_lock_nested(&bdev->bd_contains->bd_mutex, BD_MUTEX_PARTITION);
217
218 In this case the locking is done on a bdev object that is known to be a
219 partition.
220
221 The validator treats a lock that is taken in such a nested fashion as a
222 separate (sub)class for the purposes of validation.
223
224 Note: When changing code to use the _nested() primitives, be careful and
225 check really thoroughly that the hierarchy is correctly mapped; otherwise
226 you can get false positives or false negatives.
227
228 Annotations
229 -----------
230
231 Two constructs can be used to annotate and check where and if certain locks
232 must be held: lockdep_assert_held*(&lock) and lockdep_*pin_lock(&lock).
233
234 As the name suggests, lockdep_assert_held* family of macros assert that a
235 particular lock is held at a certain time (and generate a WARN() otherwise).
236 This annotation is largely used all over the kernel, e.g. kernel/sched/
237 core.c
238
239   void update_rq_clock(struct rq *rq)
240   {
241         s64 delta;
242
243         lockdep_assert_held(&rq->lock);
244         [...]
245   }
246
247 where holding rq->lock is required to safely update a rq's clock.
248
249 The other family of macros is lockdep_*pin_lock(), which is admittedly only
250 used for rq->lock ATM. Despite their limited adoption these annotations
251 generate a WARN() if the lock of interest is "accidentally" unlocked. This turns
252 out to be especially helpful to debug code with callbacks, where an upper
253 layer assumes a lock remains taken, but a lower layer thinks it can maybe drop
254 and reacquire the lock ("unwittingly" introducing races). lockdep_pin_lock()
255 returns a 'struct pin_cookie' that is then used by lockdep_unpin_lock() to check
256 that nobody tampered with the lock, e.g. kernel/sched/sched.h
257
258   static inline void rq_pin_lock(struct rq *rq, struct rq_flags *rf)
259   {
260         rf->cookie = lockdep_pin_lock(&rq->lock);
261         [...]
262   }
263
264   static inline void rq_unpin_lock(struct rq *rq, struct rq_flags *rf)
265   {
266         [...]
267         lockdep_unpin_lock(&rq->lock, rf->cookie);
268   }
269
270 While comments about locking requirements might provide useful information,
271 the runtime checks performed by annotations are invaluable when debugging
272 locking problems and they carry the same level of details when inspecting
273 code.  Always prefer annotations when in doubt!
274
275 Proof of 100% correctness:
276 --------------------------
277
278 The validator achieves perfect, mathematical 'closure' (proof of locking
279 correctness) in the sense that for every simple, standalone single-task
280 locking sequence that occurred at least once during the lifetime of the
281 kernel, the validator proves it with a 100% certainty that no
282 combination and timing of these locking sequences can cause any class of
283 lock related deadlock. [*]
284
285 I.e. complex multi-CPU and multi-task locking scenarios do not have to
286 occur in practice to prove a deadlock: only the simple 'component'
287 locking chains have to occur at least once (anytime, in any
288 task/context) for the validator to be able to prove correctness. (For
289 example, complex deadlocks that would normally need more than 3 CPUs and
290 a very unlikely constellation of tasks, irq-contexts and timings to
291 occur, can be detected on a plain, lightly loaded single-CPU system as
292 well!)
293
294 This radically decreases the complexity of locking related QA of the
295 kernel: what has to be done during QA is to trigger as many "simple"
296 single-task locking dependencies in the kernel as possible, at least
297 once, to prove locking correctness - instead of having to trigger every
298 possible combination of locking interaction between CPUs, combined with
299 every possible hardirq and softirq nesting scenario (which is impossible
300 to do in practice).
301
302 [*] assuming that the validator itself is 100% correct, and no other
303     part of the system corrupts the state of the validator in any way.
304     We also assume that all NMI/SMM paths [which could interrupt
305     even hardirq-disabled codepaths] are correct and do not interfere
306     with the validator. We also assume that the 64-bit 'chain hash'
307     value is unique for every lock-chain in the system. Also, lock
308     recursion must not be higher than 20.
309
310 Performance:
311 ------------
312
313 The above rules require _massive_ amounts of runtime checking. If we did
314 that for every lock taken and for every irqs-enable event, it would
315 render the system practically unusably slow. The complexity of checking
316 is O(N^2), so even with just a few hundred lock-classes we'd have to do
317 tens of thousands of checks for every event.
318
319 This problem is solved by checking any given 'locking scenario' (unique
320 sequence of locks taken after each other) only once. A simple stack of
321 held locks is maintained, and a lightweight 64-bit hash value is
322 calculated, which hash is unique for every lock chain. The hash value,
323 when the chain is validated for the first time, is then put into a hash
324 table, which hash-table can be checked in a lockfree manner. If the
325 locking chain occurs again later on, the hash table tells us that we
326 don't have to validate the chain again.
327
328 Troubleshooting:
329 ----------------
330
331 The validator tracks a maximum of MAX_LOCKDEP_KEYS number of lock classes.
332 Exceeding this number will trigger the following lockdep warning:
333
334         (DEBUG_LOCKS_WARN_ON(id >= MAX_LOCKDEP_KEYS))
335
336 By default, MAX_LOCKDEP_KEYS is currently set to 8191, and typical
337 desktop systems have less than 1,000 lock classes, so this warning
338 normally results from lock-class leakage or failure to properly
339 initialize locks.  These two problems are illustrated below:
340
341 1.      Repeated module loading and unloading while running the validator
342         will result in lock-class leakage.  The issue here is that each
343         load of the module will create a new set of lock classes for
344         that module's locks, but module unloading does not remove old
345         classes (see below discussion of reuse of lock classes for why).
346         Therefore, if that module is loaded and unloaded repeatedly,
347         the number of lock classes will eventually reach the maximum.
348
349 2.      Using structures such as arrays that have large numbers of
350         locks that are not explicitly initialized.  For example,
351         a hash table with 8192 buckets where each bucket has its own
352         spinlock_t will consume 8192 lock classes -unless- each spinlock
353         is explicitly initialized at runtime, for example, using the
354         run-time spin_lock_init() as opposed to compile-time initializers
355         such as __SPIN_LOCK_UNLOCKED().  Failure to properly initialize
356         the per-bucket spinlocks would guarantee lock-class overflow.
357         In contrast, a loop that called spin_lock_init() on each lock
358         would place all 8192 locks into a single lock class.
359
360         The moral of this story is that you should always explicitly
361         initialize your locks.
362
363 One might argue that the validator should be modified to allow
364 lock classes to be reused.  However, if you are tempted to make this
365 argument, first review the code and think through the changes that would
366 be required, keeping in mind that the lock classes to be removed are
367 likely to be linked into the lock-dependency graph.  This turns out to
368 be harder to do than to say.
369
370 Of course, if you do run out of lock classes, the next thing to do is
371 to find the offending lock classes.  First, the following command gives
372 you the number of lock classes currently in use along with the maximum:
373
374         grep "lock-classes" /proc/lockdep_stats
375
376 This command produces the following output on a modest system:
377
378          lock-classes:                          748 [max: 8191]
379
380 If the number allocated (748 above) increases continually over time,
381 then there is likely a leak.  The following command can be used to
382 identify the leaking lock classes:
383
384         grep "BD" /proc/lockdep
385
386 Run the command and save the output, then compare against the output from
387 a later run of this command to identify the leakers.  This same output
388 can also help you find situations where runtime lock initialization has
389 been omitted.