Merge git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/cmetcalf/linux-tile
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / RCU / rcu_dereference.txt
1 PROPER CARE AND FEEDING OF RETURN VALUES FROM rcu_dereference()
2
3 Most of the time, you can use values from rcu_dereference() or one of
4 the similar primitives without worries.  Dereferencing (prefix "*"),
5 field selection ("->"), assignment ("="), address-of ("&"), addition and
6 subtraction of constants, and casts all work quite naturally and safely.
7
8 It is nevertheless possible to get into trouble with other operations.
9 Follow these rules to keep your RCU code working properly:
10
11 o       You must use one of the rcu_dereference() family of primitives
12         to load an RCU-protected pointer, otherwise CONFIG_PROVE_RCU
13         will complain.  Worse yet, your code can see random memory-corruption
14         bugs due to games that compilers and DEC Alpha can play.
15         Without one of the rcu_dereference() primitives, compilers
16         can reload the value, and won't your code have fun with two
17         different values for a single pointer!  Without rcu_dereference(),
18         DEC Alpha can load a pointer, dereference that pointer, and
19         return data preceding initialization that preceded the store of
20         the pointer.
21
22         In addition, the volatile cast in rcu_dereference() prevents the
23         compiler from deducing the resulting pointer value.  Please see
24         the section entitled "EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH"
25         for an example where the compiler can in fact deduce the exact
26         value of the pointer, and thus cause misordering.
27
28 o       Avoid cancellation when using the "+" and "-" infix arithmetic
29         operators.  For example, for a given variable "x", avoid
30         "(x-x)".  There are similar arithmetic pitfalls from other
31         arithmetic operators, such as "(x*0)", "(x/(x+1))" or "(x%1)".
32         The compiler is within its rights to substitute zero for all of
33         these expressions, so that subsequent accesses no longer depend
34         on the rcu_dereference(), again possibly resulting in bugs due
35         to misordering.
36
37         Of course, if "p" is a pointer from rcu_dereference(), and "a"
38         and "b" are integers that happen to be equal, the expression
39         "p+a-b" is safe because its value still necessarily depends on
40         the rcu_dereference(), thus maintaining proper ordering.
41
42 o       Avoid all-zero operands to the bitwise "&" operator, and
43         similarly avoid all-ones operands to the bitwise "|" operator.
44         If the compiler is able to deduce the value of such operands,
45         it is within its rights to substitute the corresponding constant
46         for the bitwise operation.  Once again, this causes subsequent
47         accesses to no longer depend on the rcu_dereference(), causing
48         bugs due to misordering.
49
50         Please note that single-bit operands to bitwise "&" can also
51         be dangerous.  At this point, the compiler knows that the
52         resulting value can only take on one of two possible values.
53         Therefore, a very small amount of additional information will
54         allow the compiler to deduce the exact value, which again can
55         result in misordering.
56
57 o       If you are using RCU to protect JITed functions, so that the
58         "()" function-invocation operator is applied to a value obtained
59         (directly or indirectly) from rcu_dereference(), you may need to
60         interact directly with the hardware to flush instruction caches.
61         This issue arises on some systems when a newly JITed function is
62         using the same memory that was used by an earlier JITed function.
63
64 o       Do not use the results from the boolean "&&" and "||" when
65         dereferencing.  For example, the following (rather improbable)
66         code is buggy:
67
68                 int *p;
69                 int *q;
70
71                 ...
72
73                 p = rcu_dereference(gp)
74                 q = &global_q;
75                 q += p != &oom_p1 && p != &oom_p2;
76                 r1 = *q;  /* BUGGY!!! */
77
78         The reason this is buggy is that "&&" and "||" are often compiled
79         using branches.  While weak-memory machines such as ARM or PowerPC
80         do order stores after such branches, they can speculate loads,
81         which can result in misordering bugs.
82
83 o       Do not use the results from relational operators ("==", "!=",
84         ">", ">=", "<", or "<=") when dereferencing.  For example,
85         the following (quite strange) code is buggy:
86
87                 int *p;
88                 int *q;
89
90                 ...
91
92                 p = rcu_dereference(gp)
93                 q = &global_q;
94                 q += p > &oom_p;
95                 r1 = *q;  /* BUGGY!!! */
96
97         As before, the reason this is buggy is that relational operators
98         are often compiled using branches.  And as before, although
99         weak-memory machines such as ARM or PowerPC do order stores
100         after such branches, but can speculate loads, which can again
101         result in misordering bugs.
102
103 o       Be very careful about comparing pointers obtained from
104         rcu_dereference() against non-NULL values.  As Linus Torvalds
105         explained, if the two pointers are equal, the compiler could
106         substitute the pointer you are comparing against for the pointer
107         obtained from rcu_dereference().  For example:
108
109                 p = rcu_dereference(gp);
110                 if (p == &default_struct)
111                         do_default(p->a);
112
113         Because the compiler now knows that the value of "p" is exactly
114         the address of the variable "default_struct", it is free to
115         transform this code into the following:
116
117                 p = rcu_dereference(gp);
118                 if (p == &default_struct)
119                         do_default(default_struct.a);
120
121         On ARM and Power hardware, the load from "default_struct.a"
122         can now be speculated, such that it might happen before the
123         rcu_dereference().  This could result in bugs due to misordering.
124
125         However, comparisons are OK in the following cases:
126
127         o       The comparison was against the NULL pointer.  If the
128                 compiler knows that the pointer is NULL, you had better
129                 not be dereferencing it anyway.  If the comparison is
130                 non-equal, the compiler is none the wiser.  Therefore,
131                 it is safe to compare pointers from rcu_dereference()
132                 against NULL pointers.
133
134         o       The pointer is never dereferenced after being compared.
135                 Since there are no subsequent dereferences, the compiler
136                 cannot use anything it learned from the comparison
137                 to reorder the non-existent subsequent dereferences.
138                 This sort of comparison occurs frequently when scanning
139                 RCU-protected circular linked lists.
140
141                 Note that if checks for being within an RCU read-side
142                 critical section are not required and the pointer is never
143                 dereferenced, rcu_access_pointer() should be used in place
144                 of rcu_dereference(). The rcu_access_pointer() primitive
145                 does not require an enclosing read-side critical section,
146                 and also omits the smp_read_barrier_depends() included in
147                 rcu_dereference(), which in turn should provide a small
148                 performance gain in some CPUs (e.g., the DEC Alpha).
149
150         o       The comparison is against a pointer that references memory
151                 that was initialized "a long time ago."  The reason
152                 this is safe is that even if misordering occurs, the
153                 misordering will not affect the accesses that follow
154                 the comparison.  So exactly how long ago is "a long
155                 time ago"?  Here are some possibilities:
156
157                 o       Compile time.
158
159                 o       Boot time.
160
161                 o       Module-init time for module code.
162
163                 o       Prior to kthread creation for kthread code.
164
165                 o       During some prior acquisition of the lock that
166                         we now hold.
167
168                 o       Before mod_timer() time for a timer handler.
169
170                 There are many other possibilities involving the Linux
171                 kernel's wide array of primitives that cause code to
172                 be invoked at a later time.
173
174         o       The pointer being compared against also came from
175                 rcu_dereference().  In this case, both pointers depend
176                 on one rcu_dereference() or another, so you get proper
177                 ordering either way.
178
179                 That said, this situation can make certain RCU usage
180                 bugs more likely to happen.  Which can be a good thing,
181                 at least if they happen during testing.  An example
182                 of such an RCU usage bug is shown in the section titled
183                 "EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG".
184
185         o       All of the accesses following the comparison are stores,
186                 so that a control dependency preserves the needed ordering.
187                 That said, it is easy to get control dependencies wrong.
188                 Please see the "CONTROL DEPENDENCIES" section of
189                 Documentation/memory-barriers.txt for more details.
190
191         o       The pointers are not equal -and- the compiler does
192                 not have enough information to deduce the value of the
193                 pointer.  Note that the volatile cast in rcu_dereference()
194                 will normally prevent the compiler from knowing too much.
195
196                 However, please note that if the compiler knows that the
197                 pointer takes on only one of two values, a not-equal
198                 comparison will provide exactly the information that the
199                 compiler needs to deduce the value of the pointer.
200
201 o       Disable any value-speculation optimizations that your compiler
202         might provide, especially if you are making use of feedback-based
203         optimizations that take data collected from prior runs.  Such
204         value-speculation optimizations reorder operations by design.
205
206         There is one exception to this rule:  Value-speculation
207         optimizations that leverage the branch-prediction hardware are
208         safe on strongly ordered systems (such as x86), but not on weakly
209         ordered systems (such as ARM or Power).  Choose your compiler
210         command-line options wisely!
211
212
213 EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG
214
215 Because updaters can run concurrently with RCU readers, RCU readers can
216 see stale and/or inconsistent values.  If RCU readers need fresh or
217 consistent values, which they sometimes do, they need to take proper
218 precautions.  To see this, consider the following code fragment:
219
220         struct foo {
221                 int a;
222                 int b;
223                 int c;
224         };
225         struct foo *gp1;
226         struct foo *gp2;
227
228         void updater(void)
229         {
230                 struct foo *p;
231
232                 p = kmalloc(...);
233                 if (p == NULL)
234                         deal_with_it();
235                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
236                 p->b = 43;
237                 p->c = 44;
238                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
239                 p->b = 143;
240                 p->c = 144;
241                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
242         }
243
244         void reader(void)
245         {
246                 struct foo *p;
247                 struct foo *q;
248                 int r1, r2;
249
250                 p = rcu_dereference(gp2);
251                 if (p == NULL)
252                         return;
253                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
254                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
255                 if (p == q) {
256                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
257                         r2 = p->c; /* Could get 44 on weakly order system. */
258                 }
259                 do_something_with(r1, r2);
260         }
261
262 You might be surprised that the outcome (r1 == 143 && r2 == 44) is possible,
263 but you should not be.  After all, the updater might have been invoked
264 a second time between the time reader() loaded into "r1" and the time
265 that it loaded into "r2".  The fact that this same result can occur due
266 to some reordering from the compiler and CPUs is beside the point.
267
268 But suppose that the reader needs a consistent view?
269
270 Then one approach is to use locking, for example, as follows:
271
272         struct foo {
273                 int a;
274                 int b;
275                 int c;
276                 spinlock_t lock;
277         };
278         struct foo *gp1;
279         struct foo *gp2;
280
281         void updater(void)
282         {
283                 struct foo *p;
284
285                 p = kmalloc(...);
286                 if (p == NULL)
287                         deal_with_it();
288                 spin_lock(&p->lock);
289                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
290                 p->b = 43;
291                 p->c = 44;
292                 spin_unlock(&p->lock);
293                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
294                 spin_lock(&p->lock);
295                 p->b = 143;
296                 p->c = 144;
297                 spin_unlock(&p->lock);
298                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
299         }
300
301         void reader(void)
302         {
303                 struct foo *p;
304                 struct foo *q;
305                 int r1, r2;
306
307                 p = rcu_dereference(gp2);
308                 if (p == NULL)
309                         return;
310                 spin_lock(&p->lock);
311                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
312                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
313                 if (p == q) {
314                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
315                         r2 = p->c; /* Locking guarantees r2 == 144. */
316                 }
317                 spin_unlock(&p->lock);
318                 do_something_with(r1, r2);
319         }
320
321 As always, use the right tool for the job!
322
323
324 EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH
325
326 If a pointer obtained from rcu_dereference() compares not-equal to some
327 other pointer, the compiler normally has no clue what the value of the
328 first pointer might be.  This lack of knowledge prevents the compiler
329 from carrying out optimizations that otherwise might destroy the ordering
330 guarantees that RCU depends on.  And the volatile cast in rcu_dereference()
331 should prevent the compiler from guessing the value.
332
333 But without rcu_dereference(), the compiler knows more than you might
334 expect.  Consider the following code fragment:
335
336         struct foo {
337                 int a;
338                 int b;
339         };
340         static struct foo variable1;
341         static struct foo variable2;
342         static struct foo *gp = &variable1;
343
344         void updater(void)
345         {
346                 initialize_foo(&variable2);
347                 rcu_assign_pointer(gp, &variable2);
348                 /*
349                  * The above is the only store to gp in this translation unit,
350                  * and the address of gp is not exported in any way.
351                  */
352         }
353
354         int reader(void)
355         {
356                 struct foo *p;
357
358                 p = gp;
359                 barrier();
360                 if (p == &variable1)
361                         return p->a; /* Must be variable1.a. */
362                 else
363                         return p->b; /* Must be variable2.b. */
364         }
365
366 Because the compiler can see all stores to "gp", it knows that the only
367 possible values of "gp" are "variable1" on the one hand and "variable2"
368 on the other.  The comparison in reader() therefore tells the compiler
369 the exact value of "p" even in the not-equals case.  This allows the
370 compiler to make the return values independent of the load from "gp",
371 in turn destroying the ordering between this load and the loads of the
372 return values.  This can result in "p->b" returning pre-initialization
373 garbage values.
374
375 In short, rcu_dereference() is -not- optional when you are going to
376 dereference the resulting pointer.