membarrier: Provide expedited private command
authorMathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
Fri, 28 Jul 2017 20:40:40 +0000 (16:40 -0400)
committerPaul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
Thu, 17 Aug 2017 14:28:05 +0000 (07:28 -0700)
Implement MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED with IPIs using cpumask built
from all runqueues for which current thread's mm is the same as the
thread calling sys_membarrier. It executes faster than the non-expedited
variant (no blocking). It also works on NOHZ_FULL configurations.

Scheduler-wise, it requires a memory barrier before and after context
switching between processes (which have different mm). The memory
barrier before context switch is already present. For the barrier after
context switch:

* Our TSO archs can do RELEASE without being a full barrier. Look at
  x86 spin_unlock() being a regular STORE for example.  But for those
  archs, all atomics imply smp_mb and all of them have atomic ops in
  switch_mm() for mm_cpumask(), and on x86 the CR3 load acts as a full
  barrier.

* From all weakly ordered machines, only ARM64 and PPC can do RELEASE,
  the rest does indeed do smp_mb(), so there the spin_unlock() is a full
  barrier and we're good.

* ARM64 has a very heavy barrier in switch_to(), which suffices.

* PPC just removed its barrier from switch_to(), but appears to be
  talking about adding something to switch_mm(). So add a
  smp_mb__after_unlock_lock() for now, until this is settled on the PPC
  side.

Changes since v3:
- Properly document the memory barriers provided by each architecture.

Changes since v2:
- Address comments from Peter Zijlstra,
- Add smp_mb__after_unlock_lock() after finish_lock_switch() in
  finish_task_switch() to add the memory barrier we need after storing
  to rq->curr. This is much simpler than the previous approach relying
  on atomic_dec_and_test() in mmdrop(), which actually added a memory
  barrier in the common case of switching between userspace processes.
- Return -EINVAL when MEMBARRIER_CMD_SHARED is used on a nohz_full
  kernel, rather than having the whole membarrier system call returning
  -ENOSYS. Indeed, CMD_PRIVATE_EXPEDITED is compatible with nohz_full.
  Adapt the CMD_QUERY mask accordingly.

Changes since v1:
- move membarrier code under kernel/sched/ because it uses the
  scheduler runqueue,
- only add the barrier when we switch from a kernel thread. The case
  where we switch from a user-space thread is already handled by
  the atomic_dec_and_test() in mmdrop().
- add a comment to mmdrop() documenting the requirement on the implicit
  memory barrier.

CC: Peter Zijlstra <peterz@infradead.org>
CC: Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
CC: Boqun Feng <boqun.feng@gmail.com>
CC: Andrew Hunter <ahh@google.com>
CC: Maged Michael <maged.michael@gmail.com>
CC: gromer@google.com
CC: Avi Kivity <avi@scylladb.com>
CC: Benjamin Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
CC: Paul Mackerras <paulus@samba.org>
CC: Michael Ellerman <mpe@ellerman.id.au>
Signed-off-by: Mathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
Signed-off-by: Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
Tested-by: Dave Watson <davejwatson@fb.com>
MAINTAINERS
arch/arm64/kernel/process.c
include/uapi/linux/membarrier.h
kernel/Makefile
kernel/membarrier.c [deleted file]
kernel/sched/Makefile
kernel/sched/core.c
kernel/sched/membarrier.c [new file with mode: 0644]

index f66488dfdbc9cc59fc744ce9f8349b9b69bd945c..3b035584272f609a8c3ea76eb3ddc6f7862864ca 100644 (file)
@@ -8621,7 +8621,7 @@ M:        Mathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
 M:     "Paul E. McKenney" <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
 L:     linux-kernel@vger.kernel.org
 S:     Supported
-F:     kernel/membarrier.c
+F:     kernel/sched/membarrier.c
 F:     include/uapi/linux/membarrier.h
 
 MEMORY MANAGEMENT
index 659ae8094ed5b1bc3f0f1ae6c6b4297062725864..c8f7d98d8cb9110f1e1ea458ef9ace4ca01163c1 100644 (file)
@@ -360,6 +360,8 @@ __notrace_funcgraph struct task_struct *__switch_to(struct task_struct *prev,
        /*
         * Complete any pending TLB or cache maintenance on this CPU in case
         * the thread migrates to a different CPU.
+        * This full barrier is also required by the membarrier system
+        * call.
         */
        dsb(ish);
 
index e0b108bd2624de3765538fe61f5c2852ca766593..6d47b3249d8ad84a2fcf2b38585338ccbf05a99f 100644 (file)
  *                          (non-running threads are de facto in such a
  *                          state). This covers threads from all processes
  *                          running on the system. This command returns 0.
+ * @MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED:
+ *                          Execute a memory barrier on each running
+ *                          thread belonging to the same process as the current
+ *                          thread. Upon return from system call, the
+ *                          caller thread is ensured that all its running
+ *                          threads siblings have passed through a state
+ *                          where all memory accesses to user-space
+ *                          addresses match program order between entry
+ *                          to and return from the system call
+ *                          (non-running threads are de facto in such a
+ *                          state). This only covers threads from the
+ *                          same processes as the caller thread. This
+ *                          command returns 0. The "expedited" commands
+ *                          complete faster than the non-expedited ones,
+ *                          they never block, but have the downside of
+ *                          causing extra overhead.
  *
  * Command to be passed to the membarrier system call. The commands need to
  * be a single bit each, except for MEMBARRIER_CMD_QUERY which is assigned to
  * the value 0.
  */
 enum membarrier_cmd {
-       MEMBARRIER_CMD_QUERY = 0,
-       MEMBARRIER_CMD_SHARED = (1 << 0),
+       MEMBARRIER_CMD_QUERY                    = 0,
+       MEMBARRIER_CMD_SHARED                   = (1 << 0),
+       /* reserved for MEMBARRIER_CMD_SHARED_EXPEDITED (1 << 1) */
+       /* reserved for MEMBARRIER_CMD_PRIVATE (1 << 2) */
+       MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED        = (1 << 3),
 };
 
 #endif /* _UAPI_LINUX_MEMBARRIER_H */
index 4cb8e8b23c6ecbcfbf12fda4980a0e9957b94346..9c323a6daa469ccff04771489ba17ee31183c03b 100644 (file)
@@ -108,7 +108,6 @@ obj-$(CONFIG_CRASH_DUMP) += crash_dump.o
 obj-$(CONFIG_JUMP_LABEL) += jump_label.o
 obj-$(CONFIG_CONTEXT_TRACKING) += context_tracking.o
 obj-$(CONFIG_TORTURE_TEST) += torture.o
-obj-$(CONFIG_MEMBARRIER) += membarrier.o
 
 obj-$(CONFIG_HAS_IOMEM) += memremap.o
 
diff --git a/kernel/membarrier.c b/kernel/membarrier.c
deleted file mode 100644 (file)
index 9f9284f..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,70 +0,0 @@
-/*
- * Copyright (C) 2010, 2015 Mathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
- *
- * membarrier system call
- *
- * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
- * it under the terms of the GNU General Public License as published by
- * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
- * (at your option) any later version.
- *
- * This program is distributed in the hope that it will be useful,
- * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
- * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
- * GNU General Public License for more details.
- */
-
-#include <linux/syscalls.h>
-#include <linux/membarrier.h>
-#include <linux/tick.h>
-
-/*
- * Bitmask made from a "or" of all commands within enum membarrier_cmd,
- * except MEMBARRIER_CMD_QUERY.
- */
-#define MEMBARRIER_CMD_BITMASK (MEMBARRIER_CMD_SHARED)
-
-/**
- * sys_membarrier - issue memory barriers on a set of threads
- * @cmd:   Takes command values defined in enum membarrier_cmd.
- * @flags: Currently needs to be 0. For future extensions.
- *
- * If this system call is not implemented, -ENOSYS is returned. If the
- * command specified does not exist, or if the command argument is invalid,
- * this system call returns -EINVAL. For a given command, with flags argument
- * set to 0, this system call is guaranteed to always return the same value
- * until reboot.
- *
- * All memory accesses performed in program order from each targeted thread
- * is guaranteed to be ordered with respect to sys_membarrier(). If we use
- * the semantic "barrier()" to represent a compiler barrier forcing memory
- * accesses to be performed in program order across the barrier, and
- * smp_mb() to represent explicit memory barriers forcing full memory
- * ordering across the barrier, we have the following ordering table for
- * each pair of barrier(), sys_membarrier() and smp_mb():
- *
- * The pair ordering is detailed as (O: ordered, X: not ordered):
- *
- *                        barrier()   smp_mb() sys_membarrier()
- *        barrier()          X           X            O
- *        smp_mb()           X           O            O
- *        sys_membarrier()   O           O            O
- */
-SYSCALL_DEFINE2(membarrier, int, cmd, int, flags)
-{
-       /* MEMBARRIER_CMD_SHARED is not compatible with nohz_full. */
-       if (tick_nohz_full_enabled())
-               return -ENOSYS;
-       if (unlikely(flags))
-               return -EINVAL;
-       switch (cmd) {
-       case MEMBARRIER_CMD_QUERY:
-               return MEMBARRIER_CMD_BITMASK;
-       case MEMBARRIER_CMD_SHARED:
-               if (num_online_cpus() > 1)
-                       synchronize_sched();
-               return 0;
-       default:
-               return -EINVAL;
-       }
-}
index 53f0164ed362dd91b3a218f5db1790420b2a6850..78f54932ea1d09edfab191763583d565df677adf 100644 (file)
@@ -25,3 +25,4 @@ obj-$(CONFIG_SCHED_DEBUG) += debug.o
 obj-$(CONFIG_CGROUP_CPUACCT) += cpuacct.o
 obj-$(CONFIG_CPU_FREQ) += cpufreq.o
 obj-$(CONFIG_CPU_FREQ_GOV_SCHEDUTIL) += cpufreq_schedutil.o
+obj-$(CONFIG_MEMBARRIER) += membarrier.o
index bfee6ea7db493420e2adef01999b496e0c973780..f77269c6c2f8cda455ec36a45197988e98811b49 100644 (file)
@@ -2640,6 +2640,16 @@ static struct rq *finish_task_switch(struct task_struct *prev)
        prev_state = prev->state;
        vtime_task_switch(prev);
        perf_event_task_sched_in(prev, current);
+       /*
+        * The membarrier system call requires a full memory barrier
+        * after storing to rq->curr, before going back to user-space.
+        *
+        * TODO: This smp_mb__after_unlock_lock can go away if PPC end
+        * up adding a full barrier to switch_mm(), or we should figure
+        * out if a smp_mb__after_unlock_lock is really the proper API
+        * to use.
+        */
+       smp_mb__after_unlock_lock();
        finish_lock_switch(rq, prev);
        finish_arch_post_lock_switch();
 
@@ -3329,6 +3339,21 @@ static void __sched notrace __schedule(bool preempt)
        if (likely(prev != next)) {
                rq->nr_switches++;
                rq->curr = next;
+               /*
+                * The membarrier system call requires each architecture
+                * to have a full memory barrier after updating
+                * rq->curr, before returning to user-space. For TSO
+                * (e.g. x86), the architecture must provide its own
+                * barrier in switch_mm(). For weakly ordered machines
+                * for which spin_unlock() acts as a full memory
+                * barrier, finish_lock_switch() in common code takes
+                * care of this barrier. For weakly ordered machines for
+                * which spin_unlock() acts as a RELEASE barrier (only
+                * arm64 and PowerPC), arm64 has a full barrier in
+                * switch_to(), and PowerPC has
+                * smp_mb__after_unlock_lock() before
+                * finish_lock_switch().
+                */
                ++*switch_count;
 
                trace_sched_switch(preempt, prev, next);
diff --git a/kernel/sched/membarrier.c b/kernel/sched/membarrier.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..a92fddc
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,152 @@
+/*
+ * Copyright (C) 2010-2017 Mathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
+ *
+ * membarrier system call
+ *
+ * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
+ * it under the terms of the GNU General Public License as published by
+ * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
+ * (at your option) any later version.
+ *
+ * This program is distributed in the hope that it will be useful,
+ * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+ * GNU General Public License for more details.
+ */
+
+#include <linux/syscalls.h>
+#include <linux/membarrier.h>
+#include <linux/tick.h>
+#include <linux/cpumask.h>
+
+#include "sched.h"     /* for cpu_rq(). */
+
+/*
+ * Bitmask made from a "or" of all commands within enum membarrier_cmd,
+ * except MEMBARRIER_CMD_QUERY.
+ */
+#define MEMBARRIER_CMD_BITMASK \
+       (MEMBARRIER_CMD_SHARED | MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED)
+
+static void ipi_mb(void *info)
+{
+       smp_mb();       /* IPIs should be serializing but paranoid. */
+}
+
+static void membarrier_private_expedited(void)
+{
+       int cpu;
+       bool fallback = false;
+       cpumask_var_t tmpmask;
+
+       if (num_online_cpus() == 1)
+               return;
+
+       /*
+        * Matches memory barriers around rq->curr modification in
+        * scheduler.
+        */
+       smp_mb();       /* system call entry is not a mb. */
+
+       /*
+        * Expedited membarrier commands guarantee that they won't
+        * block, hence the GFP_NOWAIT allocation flag and fallback
+        * implementation.
+        */
+       if (!zalloc_cpumask_var(&tmpmask, GFP_NOWAIT)) {
+               /* Fallback for OOM. */
+               fallback = true;
+       }
+
+       cpus_read_lock();
+       for_each_online_cpu(cpu) {
+               struct task_struct *p;
+
+               /*
+                * Skipping the current CPU is OK even through we can be
+                * migrated at any point. The current CPU, at the point
+                * where we read raw_smp_processor_id(), is ensured to
+                * be in program order with respect to the caller
+                * thread. Therefore, we can skip this CPU from the
+                * iteration.
+                */
+               if (cpu == raw_smp_processor_id())
+                       continue;
+               rcu_read_lock();
+               p = task_rcu_dereference(&cpu_rq(cpu)->curr);
+               if (p && p->mm == current->mm) {
+                       if (!fallback)
+                               __cpumask_set_cpu(cpu, tmpmask);
+                       else
+                               smp_call_function_single(cpu, ipi_mb, NULL, 1);
+               }
+               rcu_read_unlock();
+       }
+       if (!fallback) {
+               smp_call_function_many(tmpmask, ipi_mb, NULL, 1);
+               free_cpumask_var(tmpmask);
+       }
+       cpus_read_unlock();
+
+       /*
+        * Memory barrier on the caller thread _after_ we finished
+        * waiting for the last IPI. Matches memory barriers around
+        * rq->curr modification in scheduler.
+        */
+       smp_mb();       /* exit from system call is not a mb */
+}
+
+/**
+ * sys_membarrier - issue memory barriers on a set of threads
+ * @cmd:   Takes command values defined in enum membarrier_cmd.
+ * @flags: Currently needs to be 0. For future extensions.
+ *
+ * If this system call is not implemented, -ENOSYS is returned. If the
+ * command specified does not exist, not available on the running
+ * kernel, or if the command argument is invalid, this system call
+ * returns -EINVAL. For a given command, with flags argument set to 0,
+ * this system call is guaranteed to always return the same value until
+ * reboot.
+ *
+ * All memory accesses performed in program order from each targeted thread
+ * is guaranteed to be ordered with respect to sys_membarrier(). If we use
+ * the semantic "barrier()" to represent a compiler barrier forcing memory
+ * accesses to be performed in program order across the barrier, and
+ * smp_mb() to represent explicit memory barriers forcing full memory
+ * ordering across the barrier, we have the following ordering table for
+ * each pair of barrier(), sys_membarrier() and smp_mb():
+ *
+ * The pair ordering is detailed as (O: ordered, X: not ordered):
+ *
+ *                        barrier()   smp_mb() sys_membarrier()
+ *        barrier()          X           X            O
+ *        smp_mb()           X           O            O
+ *        sys_membarrier()   O           O            O
+ */
+SYSCALL_DEFINE2(membarrier, int, cmd, int, flags)
+{
+       if (unlikely(flags))
+               return -EINVAL;
+       switch (cmd) {
+       case MEMBARRIER_CMD_QUERY:
+       {
+               int cmd_mask = MEMBARRIER_CMD_BITMASK;
+
+               if (tick_nohz_full_enabled())
+                       cmd_mask &= ~MEMBARRIER_CMD_SHARED;
+               return cmd_mask;
+       }
+       case MEMBARRIER_CMD_SHARED:
+               /* MEMBARRIER_CMD_SHARED is not compatible with nohz_full. */
+               if (tick_nohz_full_enabled())
+                       return -EINVAL;
+               if (num_online_cpus() > 1)
+                       synchronize_sched();
+               return 0;
+       case MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED:
+               membarrier_private_expedited();
+               return 0;
+       default:
+               return -EINVAL;
+       }
+}