Merge branch 'x86-cpu-for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / RCU / rcubarrier.txt
1 RCU and Unloadable Modules
2
3 [Originally published in LWN Jan. 14, 2007: http://lwn.net/Articles/217484/]
4
5 RCU (read-copy update) is a synchronization mechanism that can be thought
6 of as a replacement for read-writer locking (among other things), but with
7 very low-overhead readers that are immune to deadlock, priority inversion,
8 and unbounded latency. RCU read-side critical sections are delimited
9 by rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), which, in non-CONFIG_PREEMPT
10 kernels, generate no code whatsoever.
11
12 This means that RCU writers are unaware of the presence of concurrent
13 readers, so that RCU updates to shared data must be undertaken quite
14 carefully, leaving an old version of the data structure in place until all
15 pre-existing readers have finished. These old versions are needed because
16 such readers might hold a reference to them. RCU updates can therefore be
17 rather expensive, and RCU is thus best suited for read-mostly situations.
18
19 How can an RCU writer possibly determine when all readers are finished,
20 given that readers might well leave absolutely no trace of their
21 presence? There is a synchronize_rcu() primitive that blocks until all
22 pre-existing readers have completed. An updater wishing to delete an
23 element p from a linked list might do the following, while holding an
24 appropriate lock, of course:
25
26         list_del_rcu(p);
27         synchronize_rcu();
28         kfree(p);
29
30 But the above code cannot be used in IRQ context -- the call_rcu()
31 primitive must be used instead. This primitive takes a pointer to an
32 rcu_head struct placed within the RCU-protected data structure and
33 another pointer to a function that may be invoked later to free that
34 structure. Code to delete an element p from the linked list from IRQ
35 context might then be as follows:
36
37         list_del_rcu(p);
38         call_rcu(&p->rcu, p_callback);
39
40 Since call_rcu() never blocks, this code can safely be used from within
41 IRQ context. The function p_callback() might be defined as follows:
42
43         static void p_callback(struct rcu_head *rp)
44         {
45                 struct pstruct *p = container_of(rp, struct pstruct, rcu);
46
47                 kfree(p);
48         }
49
50
51 Unloading Modules That Use call_rcu()
52
53 But what if p_callback is defined in an unloadable module?
54
55 If we unload the module while some RCU callbacks are pending,
56 the CPUs executing these callbacks are going to be severely
57 disappointed when they are later invoked, as fancifully depicted at
58 http://lwn.net/images/ns/kernel/rcu-drop.jpg.
59
60 We could try placing a synchronize_rcu() in the module-exit code path,
61 but this is not sufficient. Although synchronize_rcu() does wait for a
62 grace period to elapse, it does not wait for the callbacks to complete.
63
64 One might be tempted to try several back-to-back synchronize_rcu()
65 calls, but this is still not guaranteed to work. If there is a very
66 heavy RCU-callback load, then some of the callbacks might be deferred
67 in order to allow other processing to proceed. Such deferral is required
68 in realtime kernels in order to avoid excessive scheduling latencies.
69
70
71 rcu_barrier()
72
73 We instead need the rcu_barrier() primitive.  Rather than waiting for
74 a grace period to elapse, rcu_barrier() waits for all outstanding RCU
75 callbacks to complete.  Please note that rcu_barrier() does -not- imply
76 synchronize_rcu(), in particular, if there are no RCU callbacks queued
77 anywhere, rcu_barrier() is within its rights to return immediately,
78 without waiting for a grace period to elapse.
79
80 Pseudo-code using rcu_barrier() is as follows:
81
82    1. Prevent any new RCU callbacks from being posted.
83    2. Execute rcu_barrier().
84    3. Allow the module to be unloaded.
85
86 There is also an srcu_barrier() function for SRCU, and you of course
87 must match the flavor of rcu_barrier() with that of call_rcu().  If your
88 module uses multiple flavors of call_rcu(), then it must also use multiple
89 flavors of rcu_barrier() when unloading that module.  For example, if
90 it uses call_rcu(), call_srcu() on srcu_struct_1, and call_srcu() on
91 srcu_struct_2(), then the following three lines of code will be required
92 when unloading:
93
94  1 rcu_barrier();
95  2 srcu_barrier(&srcu_struct_1);
96  3 srcu_barrier(&srcu_struct_2);
97
98 The rcutorture module makes use of rcu_barrier() in its exit function
99 as follows:
100
101  1 static void
102  2 rcu_torture_cleanup(void)
103  3 {
104  4   int i;
105  5
106  6   fullstop = 1;
107  7   if (shuffler_task != NULL) {
108  8     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_shuffle task");
109  9     kthread_stop(shuffler_task);
110 10   }
111 11   shuffler_task = NULL;
112 12
113 13   if (writer_task != NULL) {
114 14     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_writer task");
115 15     kthread_stop(writer_task);
116 16   }
117 17   writer_task = NULL;
118 18
119 19   if (reader_tasks != NULL) {
120 20     for (i = 0; i < nrealreaders; i++) {
121 21       if (reader_tasks[i] != NULL) {
122 22         VERBOSE_PRINTK_STRING(
123 23           "Stopping rcu_torture_reader task");
124 24         kthread_stop(reader_tasks[i]);
125 25       }
126 26       reader_tasks[i] = NULL;
127 27     }
128 28     kfree(reader_tasks);
129 29     reader_tasks = NULL;
130 30   }
131 31   rcu_torture_current = NULL;
132 32
133 33   if (fakewriter_tasks != NULL) {
134 34     for (i = 0; i < nfakewriters; i++) {
135 35       if (fakewriter_tasks[i] != NULL) {
136 36         VERBOSE_PRINTK_STRING(
137 37           "Stopping rcu_torture_fakewriter task");
138 38         kthread_stop(fakewriter_tasks[i]);
139 39       }
140 40       fakewriter_tasks[i] = NULL;
141 41     }
142 42     kfree(fakewriter_tasks);
143 43     fakewriter_tasks = NULL;
144 44   }
145 45
146 46   if (stats_task != NULL) {
147 47     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_stats task");
148 48     kthread_stop(stats_task);
149 49   }
150 50   stats_task = NULL;
151 51
152 52   /* Wait for all RCU callbacks to fire. */
153 53   rcu_barrier();
154 54
155 55   rcu_torture_stats_print(); /* -After- the stats thread is stopped! */
156 56
157 57   if (cur_ops->cleanup != NULL)
158 58     cur_ops->cleanup();
159 59   if (atomic_read(&n_rcu_torture_error))
160 60     rcu_torture_print_module_parms("End of test: FAILURE");
161 61   else
162 62     rcu_torture_print_module_parms("End of test: SUCCESS");
163 63 }
164
165 Line 6 sets a global variable that prevents any RCU callbacks from
166 re-posting themselves. This will not be necessary in most cases, since
167 RCU callbacks rarely include calls to call_rcu(). However, the rcutorture
168 module is an exception to this rule, and therefore needs to set this
169 global variable.
170
171 Lines 7-50 stop all the kernel tasks associated with the rcutorture
172 module. Therefore, once execution reaches line 53, no more rcutorture
173 RCU callbacks will be posted. The rcu_barrier() call on line 53 waits
174 for any pre-existing callbacks to complete.
175
176 Then lines 55-62 print status and do operation-specific cleanup, and
177 then return, permitting the module-unload operation to be completed.
178
179 Quick Quiz #1: Is there any other situation where rcu_barrier() might
180         be required?
181
182 Your module might have additional complications. For example, if your
183 module invokes call_rcu() from timers, you will need to first cancel all
184 the timers, and only then invoke rcu_barrier() to wait for any remaining
185 RCU callbacks to complete.
186
187 Of course, if you module uses call_rcu(), you will need to invoke
188 rcu_barrier() before unloading.  Similarly, if your module uses
189 call_srcu(), you will need to invoke srcu_barrier() before unloading,
190 and on the same srcu_struct structure.  If your module uses call_rcu()
191 -and- call_srcu(), then you will need to invoke rcu_barrier() -and-
192 srcu_barrier().
193
194
195 Implementing rcu_barrier()
196
197 Dipankar Sarma's implementation of rcu_barrier() makes use of the fact
198 that RCU callbacks are never reordered once queued on one of the per-CPU
199 queues. His implementation queues an RCU callback on each of the per-CPU
200 callback queues, and then waits until they have all started executing, at
201 which point, all earlier RCU callbacks are guaranteed to have completed.
202
203 The original code for rcu_barrier() was as follows:
204
205  1 void rcu_barrier(void)
206  2 {
207  3   BUG_ON(in_interrupt());
208  4   /* Take cpucontrol mutex to protect against CPU hotplug */
209  5   mutex_lock(&rcu_barrier_mutex);
210  6   init_completion(&rcu_barrier_completion);
211  7   atomic_set(&rcu_barrier_cpu_count, 0);
212  8   on_each_cpu(rcu_barrier_func, NULL, 0, 1);
213  9   wait_for_completion(&rcu_barrier_completion);
214 10   mutex_unlock(&rcu_barrier_mutex);
215 11 }
216
217 Line 3 verifies that the caller is in process context, and lines 5 and 10
218 use rcu_barrier_mutex to ensure that only one rcu_barrier() is using the
219 global completion and counters at a time, which are initialized on lines
220 6 and 7. Line 8 causes each CPU to invoke rcu_barrier_func(), which is
221 shown below. Note that the final "1" in on_each_cpu()'s argument list
222 ensures that all the calls to rcu_barrier_func() will have completed
223 before on_each_cpu() returns. Line 9 then waits for the completion.
224
225 This code was rewritten in 2008 and several times thereafter, but this
226 still gives the general idea.
227
228 The rcu_barrier_func() runs on each CPU, where it invokes call_rcu()
229 to post an RCU callback, as follows:
230
231  1 static void rcu_barrier_func(void *notused)
232  2 {
233  3 int cpu = smp_processor_id();
234  4 struct rcu_data *rdp = &per_cpu(rcu_data, cpu);
235  5 struct rcu_head *head;
236  6
237  7 head = &rdp->barrier;
238  8 atomic_inc(&rcu_barrier_cpu_count);
239  9 call_rcu(head, rcu_barrier_callback);
240 10 }
241
242 Lines 3 and 4 locate RCU's internal per-CPU rcu_data structure,
243 which contains the struct rcu_head that needed for the later call to
244 call_rcu(). Line 7 picks up a pointer to this struct rcu_head, and line
245 8 increments a global counter. This counter will later be decremented
246 by the callback. Line 9 then registers the rcu_barrier_callback() on
247 the current CPU's queue.
248
249 The rcu_barrier_callback() function simply atomically decrements the
250 rcu_barrier_cpu_count variable and finalizes the completion when it
251 reaches zero, as follows:
252
253  1 static void rcu_barrier_callback(struct rcu_head *notused)
254  2 {
255  3 if (atomic_dec_and_test(&rcu_barrier_cpu_count))
256  4 complete(&rcu_barrier_completion);
257  5 }
258
259 Quick Quiz #2: What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
260         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
261         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
262         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
263         rcu_barrier() returning prematurely?
264
265 The current rcu_barrier() implementation is more complex, due to the need
266 to avoid disturbing idle CPUs (especially on battery-powered systems)
267 and the need to minimally disturb non-idle CPUs in real-time systems.
268 However, the code above illustrates the concepts.
269
270
271 rcu_barrier() Summary
272
273 The rcu_barrier() primitive has seen relatively little use, since most
274 code using RCU is in the core kernel rather than in modules. However, if
275 you are using RCU from an unloadable module, you need to use rcu_barrier()
276 so that your module may be safely unloaded.
277
278
279 Answers to Quick Quizzes
280
281 Quick Quiz #1: Is there any other situation where rcu_barrier() might
282         be required?
283
284 Answer: Interestingly enough, rcu_barrier() was not originally
285         implemented for module unloading. Nikita Danilov was using
286         RCU in a filesystem, which resulted in a similar situation at
287         filesystem-unmount time. Dipankar Sarma coded up rcu_barrier()
288         in response, so that Nikita could invoke it during the
289         filesystem-unmount process.
290
291         Much later, yours truly hit the RCU module-unload problem when
292         implementing rcutorture, and found that rcu_barrier() solves
293         this problem as well.
294
295 Quick Quiz #2: What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
296         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
297         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
298         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
299         rcu_barrier() returning prematurely?
300
301 Answer: This cannot happen. The reason is that on_each_cpu() has its last
302         argument, the wait flag, set to "1". This flag is passed through
303         to smp_call_function() and further to smp_call_function_on_cpu(),
304         causing this latter to spin until the cross-CPU invocation of
305         rcu_barrier_func() has completed. This by itself would prevent
306         a grace period from completing on non-CONFIG_PREEMPT kernels,
307         since each CPU must undergo a context switch (or other quiescent
308         state) before the grace period can complete. However, this is
309         of no use in CONFIG_PREEMPT kernels.
310
311         Therefore, on_each_cpu() disables preemption across its call
312         to smp_call_function() and also across the local call to
313         rcu_barrier_func(). This prevents the local CPU from context
314         switching, again preventing grace periods from completing. This
315         means that all CPUs have executed rcu_barrier_func() before
316         the first rcu_barrier_callback() can possibly execute, in turn
317         preventing rcu_barrier_cpu_count from prematurely reaching zero.
318
319         Currently, -rt implementations of RCU keep but a single global
320         queue for RCU callbacks, and thus do not suffer from this
321         problem. However, when the -rt RCU eventually does have per-CPU
322         callback queues, things will have to change. One simple change
323         is to add an rcu_read_lock() before line 8 of rcu_barrier()
324         and an rcu_read_unlock() after line 8 of this same function. If
325         you can think of a better change, please let me know!