Merge tag 'rtc-4.13' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/abelloni/linux
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / RCU / checklist.txt
1 Review Checklist for RCU Patches
2
3
4 This document contains a checklist for producing and reviewing patches
5 that make use of RCU.  Violating any of the rules listed below will
6 result in the same sorts of problems that leaving out a locking primitive
7 would cause.  This list is based on experiences reviewing such patches
8 over a rather long period of time, but improvements are always welcome!
9
10 0.      Is RCU being applied to a read-mostly situation?  If the data
11         structure is updated more than about 10% of the time, then you
12         should strongly consider some other approach, unless detailed
13         performance measurements show that RCU is nonetheless the right
14         tool for the job.  Yes, RCU does reduce read-side overhead by
15         increasing write-side overhead, which is exactly why normal uses
16         of RCU will do much more reading than updating.
17
18         Another exception is where performance is not an issue, and RCU
19         provides a simpler implementation.  An example of this situation
20         is the dynamic NMI code in the Linux 2.6 kernel, at least on
21         architectures where NMIs are rare.
22
23         Yet another exception is where the low real-time latency of RCU's
24         read-side primitives is critically important.
25
26 1.      Does the update code have proper mutual exclusion?
27
28         RCU does allow -readers- to run (almost) naked, but -writers- must
29         still use some sort of mutual exclusion, such as:
30
31         a.      locking,
32         b.      atomic operations, or
33         c.      restricting updates to a single task.
34
35         If you choose #b, be prepared to describe how you have handled
36         memory barriers on weakly ordered machines (pretty much all of
37         them -- even x86 allows later loads to be reordered to precede
38         earlier stores), and be prepared to explain why this added
39         complexity is worthwhile.  If you choose #c, be prepared to
40         explain how this single task does not become a major bottleneck on
41         big multiprocessor machines (for example, if the task is updating
42         information relating to itself that other tasks can read, there
43         by definition can be no bottleneck).
44
45 2.      Do the RCU read-side critical sections make proper use of
46         rcu_read_lock() and friends?  These primitives are needed
47         to prevent grace periods from ending prematurely, which
48         could result in data being unceremoniously freed out from
49         under your read-side code, which can greatly increase the
50         actuarial risk of your kernel.
51
52         As a rough rule of thumb, any dereference of an RCU-protected
53         pointer must be covered by rcu_read_lock(), rcu_read_lock_bh(),
54         rcu_read_lock_sched(), or by the appropriate update-side lock.
55         Disabling of preemption can serve as rcu_read_lock_sched(), but
56         is less readable.
57
58 3.      Does the update code tolerate concurrent accesses?
59
60         The whole point of RCU is to permit readers to run without
61         any locks or atomic operations.  This means that readers will
62         be running while updates are in progress.  There are a number
63         of ways to handle this concurrency, depending on the situation:
64
65         a.      Use the RCU variants of the list and hlist update
66                 primitives to add, remove, and replace elements on
67                 an RCU-protected list.  Alternatively, use the other
68                 RCU-protected data structures that have been added to
69                 the Linux kernel.
70
71                 This is almost always the best approach.
72
73         b.      Proceed as in (a) above, but also maintain per-element
74                 locks (that are acquired by both readers and writers)
75                 that guard per-element state.  Of course, fields that
76                 the readers refrain from accessing can be guarded by
77                 some other lock acquired only by updaters, if desired.
78
79                 This works quite well, also.
80
81         c.      Make updates appear atomic to readers.  For example,
82                 pointer updates to properly aligned fields will
83                 appear atomic, as will individual atomic primitives.
84                 Sequences of perations performed under a lock will -not-
85                 appear to be atomic to RCU readers, nor will sequences
86                 of multiple atomic primitives.
87
88                 This can work, but is starting to get a bit tricky.
89
90         d.      Carefully order the updates and the reads so that
91                 readers see valid data at all phases of the update.
92                 This is often more difficult than it sounds, especially
93                 given modern CPUs' tendency to reorder memory references.
94                 One must usually liberally sprinkle memory barriers
95                 (smp_wmb(), smp_rmb(), smp_mb()) through the code,
96                 making it difficult to understand and to test.
97
98                 It is usually better to group the changing data into
99                 a separate structure, so that the change may be made
100                 to appear atomic by updating a pointer to reference
101                 a new structure containing updated values.
102
103 4.      Weakly ordered CPUs pose special challenges.  Almost all CPUs
104         are weakly ordered -- even x86 CPUs allow later loads to be
105         reordered to precede earlier stores.  RCU code must take all of
106         the following measures to prevent memory-corruption problems:
107
108         a.      Readers must maintain proper ordering of their memory
109                 accesses.  The rcu_dereference() primitive ensures that
110                 the CPU picks up the pointer before it picks up the data
111                 that the pointer points to.  This really is necessary
112                 on Alpha CPUs.  If you don't believe me, see:
113
114                         http://www.openvms.compaq.com/wizard/wiz_2637.html
115
116                 The rcu_dereference() primitive is also an excellent
117                 documentation aid, letting the person reading the
118                 code know exactly which pointers are protected by RCU.
119                 Please note that compilers can also reorder code, and
120                 they are becoming increasingly aggressive about doing
121                 just that.  The rcu_dereference() primitive therefore also
122                 prevents destructive compiler optimizations.  However,
123                 with a bit of devious creativity, it is possible to
124                 mishandle the return value from rcu_dereference().
125                 Please see rcu_dereference.txt in this directory for
126                 more information.
127
128                 The rcu_dereference() primitive is used by the
129                 various "_rcu()" list-traversal primitives, such
130                 as the list_for_each_entry_rcu().  Note that it is
131                 perfectly legal (if redundant) for update-side code to
132                 use rcu_dereference() and the "_rcu()" list-traversal
133                 primitives.  This is particularly useful in code that
134                 is common to readers and updaters.  However, lockdep
135                 will complain if you access rcu_dereference() outside
136                 of an RCU read-side critical section.  See lockdep.txt
137                 to learn what to do about this.
138
139                 Of course, neither rcu_dereference() nor the "_rcu()"
140                 list-traversal primitives can substitute for a good
141                 concurrency design coordinating among multiple updaters.
142
143         b.      If the list macros are being used, the list_add_tail_rcu()
144                 and list_add_rcu() primitives must be used in order
145                 to prevent weakly ordered machines from misordering
146                 structure initialization and pointer planting.
147                 Similarly, if the hlist macros are being used, the
148                 hlist_add_head_rcu() primitive is required.
149
150         c.      If the list macros are being used, the list_del_rcu()
151                 primitive must be used to keep list_del()'s pointer
152                 poisoning from inflicting toxic effects on concurrent
153                 readers.  Similarly, if the hlist macros are being used,
154                 the hlist_del_rcu() primitive is required.
155
156                 The list_replace_rcu() and hlist_replace_rcu() primitives
157                 may be used to replace an old structure with a new one
158                 in their respective types of RCU-protected lists.
159
160         d.      Rules similar to (4b) and (4c) apply to the "hlist_nulls"
161                 type of RCU-protected linked lists.
162
163         e.      Updates must ensure that initialization of a given
164                 structure happens before pointers to that structure are
165                 publicized.  Use the rcu_assign_pointer() primitive
166                 when publicizing a pointer to a structure that can
167                 be traversed by an RCU read-side critical section.
168
169 5.      If call_rcu(), or a related primitive such as call_rcu_bh(),
170         call_rcu_sched(), or call_srcu() is used, the callback function
171         must be written to be called from softirq context.  In particular,
172         it cannot block.
173
174 6.      Since synchronize_rcu() can block, it cannot be called from
175         any sort of irq context.  The same rule applies for
176         synchronize_rcu_bh(), synchronize_sched(), synchronize_srcu(),
177         synchronize_rcu_expedited(), synchronize_rcu_bh_expedited(),
178         synchronize_sched_expedite(), and synchronize_srcu_expedited().
179
180         The expedited forms of these primitives have the same semantics
181         as the non-expedited forms, but expediting is both expensive
182         and unfriendly to real-time workloads.  Use of the expedited
183         primitives should be restricted to rare configuration-change
184         operations that would not normally be undertaken while a real-time
185         workload is running.
186
187         In particular, if you find yourself invoking one of the expedited
188         primitives repeatedly in a loop, please do everyone a favor:
189         Restructure your code so that it batches the updates, allowing
190         a single non-expedited primitive to cover the entire batch.
191         This will very likely be faster than the loop containing the
192         expedited primitive, and will be much much easier on the rest
193         of the system, especially to real-time workloads running on
194         the rest of the system.
195
196         In addition, it is illegal to call the expedited forms from
197         a CPU-hotplug notifier, or while holding a lock that is acquired
198         by a CPU-hotplug notifier.  Failing to observe this restriction
199         will result in deadlock.
200
201 7.      If the updater uses call_rcu() or synchronize_rcu(), then the
202         corresponding readers must use rcu_read_lock() and
203         rcu_read_unlock().  If the updater uses call_rcu_bh() or
204         synchronize_rcu_bh(), then the corresponding readers must
205         use rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh().  If the
206         updater uses call_rcu_sched() or synchronize_sched(), then
207         the corresponding readers must disable preemption, possibly
208         by calling rcu_read_lock_sched() and rcu_read_unlock_sched().
209         If the updater uses synchronize_srcu() or call_srcu(), then
210         the corresponding readers must use srcu_read_lock() and
211         srcu_read_unlock(), and with the same srcu_struct.  The rules for
212         the expedited primitives are the same as for their non-expedited
213         counterparts.  Mixing things up will result in confusion and
214         broken kernels.
215
216         One exception to this rule: rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
217         may be substituted for rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh()
218         in cases where local bottom halves are already known to be
219         disabled, for example, in irq or softirq context.  Commenting
220         such cases is a must, of course!  And the jury is still out on
221         whether the increased speed is worth it.
222
223 8.      Although synchronize_rcu() is slower than is call_rcu(), it
224         usually results in simpler code.  So, unless update performance is
225         critically important, the updaters cannot block, or the latency of
226         synchronize_rcu() is visible from userspace, synchronize_rcu()
227         should be used in preference to call_rcu().  Furthermore,
228         kfree_rcu() usually results in even simpler code than does
229         synchronize_rcu() without synchronize_rcu()'s multi-millisecond
230         latency.  So please take advantage of kfree_rcu()'s "fire and
231         forget" memory-freeing capabilities where it applies.
232
233         An especially important property of the synchronize_rcu()
234         primitive is that it automatically self-limits: if grace periods
235         are delayed for whatever reason, then the synchronize_rcu()
236         primitive will correspondingly delay updates.  In contrast,
237         code using call_rcu() should explicitly limit update rate in
238         cases where grace periods are delayed, as failing to do so can
239         result in excessive realtime latencies or even OOM conditions.
240
241         Ways of gaining this self-limiting property when using call_rcu()
242         include:
243
244         a.      Keeping a count of the number of data-structure elements
245                 used by the RCU-protected data structure, including
246                 those waiting for a grace period to elapse.  Enforce a
247                 limit on this number, stalling updates as needed to allow
248                 previously deferred frees to complete.  Alternatively,
249                 limit only the number awaiting deferred free rather than
250                 the total number of elements.
251
252                 One way to stall the updates is to acquire the update-side
253                 mutex.  (Don't try this with a spinlock -- other CPUs
254                 spinning on the lock could prevent the grace period
255                 from ever ending.)  Another way to stall the updates
256                 is for the updates to use a wrapper function around
257                 the memory allocator, so that this wrapper function
258                 simulates OOM when there is too much memory awaiting an
259                 RCU grace period.  There are of course many other
260                 variations on this theme.
261
262         b.      Limiting update rate.  For example, if updates occur only
263                 once per hour, then no explicit rate limiting is
264                 required, unless your system is already badly broken.
265                 Older versions of the dcache subsystem take this approach,
266                 guarding updates with a global lock, limiting their rate.
267
268         c.      Trusted update -- if updates can only be done manually by
269                 superuser or some other trusted user, then it might not
270                 be necessary to automatically limit them.  The theory
271                 here is that superuser already has lots of ways to crash
272                 the machine.
273
274         d.      Use call_rcu_bh() rather than call_rcu(), in order to take
275                 advantage of call_rcu_bh()'s faster grace periods.  (This
276                 is only a partial solution, though.)
277
278         e.      Periodically invoke synchronize_rcu(), permitting a limited
279                 number of updates per grace period.
280
281         The same cautions apply to call_rcu_bh(), call_rcu_sched(),
282         call_srcu(), and kfree_rcu().
283
284         Note that although these primitives do take action to avoid memory
285         exhaustion when any given CPU has too many callbacks, a determined
286         user could still exhaust memory.  This is especially the case
287         if a system with a large number of CPUs has been configured to
288         offload all of its RCU callbacks onto a single CPU, or if the
289         system has relatively little free memory.
290
291 9.      All RCU list-traversal primitives, which include
292         rcu_dereference(), list_for_each_entry_rcu(), and
293         list_for_each_safe_rcu(), must be either within an RCU read-side
294         critical section or must be protected by appropriate update-side
295         locks.  RCU read-side critical sections are delimited by
296         rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), or by similar primitives
297         such as rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh(), in which
298         case the matching rcu_dereference() primitive must be used in
299         order to keep lockdep happy, in this case, rcu_dereference_bh().
300
301         The reason that it is permissible to use RCU list-traversal
302         primitives when the update-side lock is held is that doing so
303         can be quite helpful in reducing code bloat when common code is
304         shared between readers and updaters.  Additional primitives
305         are provided for this case, as discussed in lockdep.txt.
306
307 10.     Conversely, if you are in an RCU read-side critical section,
308         and you don't hold the appropriate update-side lock, you -must-
309         use the "_rcu()" variants of the list macros.  Failing to do so
310         will break Alpha, cause aggressive compilers to generate bad code,
311         and confuse people trying to read your code.
312
313 11.     Note that synchronize_rcu() -only- guarantees to wait until
314         all currently executing rcu_read_lock()-protected RCU read-side
315         critical sections complete.  It does -not- necessarily guarantee
316         that all currently running interrupts, NMIs, preempt_disable()
317         code, or idle loops will complete.  Therefore, if your
318         read-side critical sections are protected by something other
319         than rcu_read_lock(), do -not- use synchronize_rcu().
320
321         Similarly, disabling preemption is not an acceptable substitute
322         for rcu_read_lock().  Code that attempts to use preemption
323         disabling where it should be using rcu_read_lock() will break
324         in real-time kernel builds.
325
326         If you want to wait for interrupt handlers, NMI handlers, and
327         code under the influence of preempt_disable(), you instead
328         need to use synchronize_irq() or synchronize_sched().
329
330         This same limitation also applies to synchronize_rcu_bh()
331         and synchronize_srcu(), as well as to the asynchronous and
332         expedited forms of the three primitives, namely call_rcu(),
333         call_rcu_bh(), call_srcu(), synchronize_rcu_expedited(),
334         synchronize_rcu_bh_expedited(), and synchronize_srcu_expedited().
335
336 12.     Any lock acquired by an RCU callback must be acquired elsewhere
337         with softirq disabled, e.g., via spin_lock_irqsave(),
338         spin_lock_bh(), etc.  Failing to disable irq on a given
339         acquisition of that lock will result in deadlock as soon as
340         the RCU softirq handler happens to run your RCU callback while
341         interrupting that acquisition's critical section.
342
343 13.     RCU callbacks can be and are executed in parallel.  In many cases,
344         the callback code simply wrappers around kfree(), so that this
345         is not an issue (or, more accurately, to the extent that it is
346         an issue, the memory-allocator locking handles it).  However,
347         if the callbacks do manipulate a shared data structure, they
348         must use whatever locking or other synchronization is required
349         to safely access and/or modify that data structure.
350
351         RCU callbacks are -usually- executed on the same CPU that executed
352         the corresponding call_rcu(), call_rcu_bh(), or call_rcu_sched(),
353         but are by -no- means guaranteed to be.  For example, if a given
354         CPU goes offline while having an RCU callback pending, then that
355         RCU callback will execute on some surviving CPU.  (If this was
356         not the case, a self-spawning RCU callback would prevent the
357         victim CPU from ever going offline.)
358
359 14.     SRCU (srcu_read_lock(), srcu_read_unlock(), srcu_dereference(),
360         synchronize_srcu(), synchronize_srcu_expedited(), and call_srcu())
361         may only be invoked from process context.  Unlike other forms of
362         RCU, it -is- permissible to block in an SRCU read-side critical
363         section (demarked by srcu_read_lock() and srcu_read_unlock()),
364         hence the "SRCU": "sleepable RCU".  Please note that if you
365         don't need to sleep in read-side critical sections, you should be
366         using RCU rather than SRCU, because RCU is almost always faster
367         and easier to use than is SRCU.
368
369         Also unlike other forms of RCU, explicit initialization
370         and cleanup is required via init_srcu_struct() and
371         cleanup_srcu_struct().  These are passed a "struct srcu_struct"
372         that defines the scope of a given SRCU domain.  Once initialized,
373         the srcu_struct is passed to srcu_read_lock(), srcu_read_unlock()
374         synchronize_srcu(), synchronize_srcu_expedited(), and call_srcu().
375         A given synchronize_srcu() waits only for SRCU read-side critical
376         sections governed by srcu_read_lock() and srcu_read_unlock()
377         calls that have been passed the same srcu_struct.  This property
378         is what makes sleeping read-side critical sections tolerable --
379         a given subsystem delays only its own updates, not those of other
380         subsystems using SRCU.  Therefore, SRCU is less prone to OOM the
381         system than RCU would be if RCU's read-side critical sections
382         were permitted to sleep.
383
384         The ability to sleep in read-side critical sections does not
385         come for free.  First, corresponding srcu_read_lock() and
386         srcu_read_unlock() calls must be passed the same srcu_struct.
387         Second, grace-period-detection overhead is amortized only
388         over those updates sharing a given srcu_struct, rather than
389         being globally amortized as they are for other forms of RCU.
390         Therefore, SRCU should be used in preference to rw_semaphore
391         only in extremely read-intensive situations, or in situations
392         requiring SRCU's read-side deadlock immunity or low read-side
393         realtime latency.
394
395         Note that, rcu_assign_pointer() relates to SRCU just as it does
396         to other forms of RCU.
397
398 15.     The whole point of call_rcu(), synchronize_rcu(), and friends
399         is to wait until all pre-existing readers have finished before
400         carrying out some otherwise-destructive operation.  It is
401         therefore critically important to -first- remove any path
402         that readers can follow that could be affected by the
403         destructive operation, and -only- -then- invoke call_rcu(),
404         synchronize_rcu(), or friends.
405
406         Because these primitives only wait for pre-existing readers, it
407         is the caller's responsibility to guarantee that any subsequent
408         readers will execute safely.
409
410 16.     The various RCU read-side primitives do -not- necessarily contain
411         memory barriers.  You should therefore plan for the CPU
412         and the compiler to freely reorder code into and out of RCU
413         read-side critical sections.  It is the responsibility of the
414         RCU update-side primitives to deal with this.
415
416 17.     Use CONFIG_PROVE_LOCKING, CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD, and the
417         __rcu sparse checks to validate your RCU code.  These can help
418         find problems as follows:
419
420         CONFIG_PROVE_LOCKING: check that accesses to RCU-protected data
421                 structures are carried out under the proper RCU
422                 read-side critical section, while holding the right
423                 combination of locks, or whatever other conditions
424                 are appropriate.
425
426         CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD: check that you don't pass the
427                 same object to call_rcu() (or friends) before an RCU
428                 grace period has elapsed since the last time that you
429                 passed that same object to call_rcu() (or friends).
430
431         __rcu sparse checks: tag the pointer to the RCU-protected data
432                 structure with __rcu, and sparse will warn you if you
433                 access that pointer without the services of one of the
434                 variants of rcu_dereference().
435
436         These debugging aids can help you find problems that are
437         otherwise extremely difficult to spot.