KVM: x86: Cleanup of rflags.rf cleaning
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / atomic_ops.txt
1                 Semantics and Behavior of Atomic and
2                          Bitmask Operations
3
4                           David S. Miller        
5
6         This document is intended to serve as a guide to Linux port
7 maintainers on how to implement atomic counter, bitops, and spinlock
8 interfaces properly.
9
10         The atomic_t type should be defined as a signed integer.
11 Also, it should be made opaque such that any kind of cast to a normal
12 C integer type will fail.  Something like the following should
13 suffice:
14
15         typedef struct { int counter; } atomic_t;
16
17 Historically, counter has been declared volatile.  This is now discouraged.
18 See Documentation/volatile-considered-harmful.txt for the complete rationale.
19
20 local_t is very similar to atomic_t. If the counter is per CPU and only
21 updated by one CPU, local_t is probably more appropriate. Please see
22 Documentation/local_ops.txt for the semantics of local_t.
23
24 The first operations to implement for atomic_t's are the initializers and
25 plain reads.
26
27         #define ATOMIC_INIT(i)          { (i) }
28         #define atomic_set(v, i)        ((v)->counter = (i))
29
30 The first macro is used in definitions, such as:
31
32 static atomic_t my_counter = ATOMIC_INIT(1);
33
34 The initializer is atomic in that the return values of the atomic operations
35 are guaranteed to be correct reflecting the initialized value if the
36 initializer is used before runtime.  If the initializer is used at runtime, a
37 proper implicit or explicit read memory barrier is needed before reading the
38 value with atomic_read from another thread.
39
40 The second interface can be used at runtime, as in:
41
42         struct foo { atomic_t counter; };
43         ...
44
45         struct foo *k;
46
47         k = kmalloc(sizeof(*k), GFP_KERNEL);
48         if (!k)
49                 return -ENOMEM;
50         atomic_set(&k->counter, 0);
51
52 The setting is atomic in that the return values of the atomic operations by
53 all threads are guaranteed to be correct reflecting either the value that has
54 been set with this operation or set with another operation.  A proper implicit
55 or explicit memory barrier is needed before the value set with the operation
56 is guaranteed to be readable with atomic_read from another thread.
57
58 Next, we have:
59
60         #define atomic_read(v)  ((v)->counter)
61
62 which simply reads the counter value currently visible to the calling thread.
63 The read is atomic in that the return value is guaranteed to be one of the
64 values initialized or modified with the interface operations if a proper
65 implicit or explicit memory barrier is used after possible runtime
66 initialization by any other thread and the value is modified only with the
67 interface operations.  atomic_read does not guarantee that the runtime
68 initialization by any other thread is visible yet, so the user of the
69 interface must take care of that with a proper implicit or explicit memory
70 barrier.
71
72 *** WARNING: atomic_read() and atomic_set() DO NOT IMPLY BARRIERS! ***
73
74 Some architectures may choose to use the volatile keyword, barriers, or inline
75 assembly to guarantee some degree of immediacy for atomic_read() and
76 atomic_set().  This is not uniformly guaranteed, and may change in the future,
77 so all users of atomic_t should treat atomic_read() and atomic_set() as simple
78 C statements that may be reordered or optimized away entirely by the compiler
79 or processor, and explicitly invoke the appropriate compiler and/or memory
80 barrier for each use case.  Failure to do so will result in code that may
81 suddenly break when used with different architectures or compiler
82 optimizations, or even changes in unrelated code which changes how the
83 compiler optimizes the section accessing atomic_t variables.
84
85 *** YOU HAVE BEEN WARNED! ***
86
87 Properly aligned pointers, longs, ints, and chars (and unsigned
88 equivalents) may be atomically loaded from and stored to in the same
89 sense as described for atomic_read() and atomic_set().  The ACCESS_ONCE()
90 macro should be used to prevent the compiler from using optimizations
91 that might otherwise optimize accesses out of existence on the one hand,
92 or that might create unsolicited accesses on the other.
93
94 For example consider the following code:
95
96         while (a > 0)
97                 do_something();
98
99 If the compiler can prove that do_something() does not store to the
100 variable a, then the compiler is within its rights transforming this to
101 the following:
102
103         tmp = a;
104         if (a > 0)
105                 for (;;)
106                         do_something();
107
108 If you don't want the compiler to do this (and you probably don't), then
109 you should use something like the following:
110
111         while (ACCESS_ONCE(a) < 0)
112                 do_something();
113
114 Alternatively, you could place a barrier() call in the loop.
115
116 For another example, consider the following code:
117
118         tmp_a = a;
119         do_something_with(tmp_a);
120         do_something_else_with(tmp_a);
121
122 If the compiler can prove that do_something_with() does not store to the
123 variable a, then the compiler is within its rights to manufacture an
124 additional load as follows:
125
126         tmp_a = a;
127         do_something_with(tmp_a);
128         tmp_a = a;
129         do_something_else_with(tmp_a);
130
131 This could fatally confuse your code if it expected the same value
132 to be passed to do_something_with() and do_something_else_with().
133
134 The compiler would be likely to manufacture this additional load if
135 do_something_with() was an inline function that made very heavy use
136 of registers: reloading from variable a could save a flush to the
137 stack and later reload.  To prevent the compiler from attacking your
138 code in this manner, write the following:
139
140         tmp_a = ACCESS_ONCE(a);
141         do_something_with(tmp_a);
142         do_something_else_with(tmp_a);
143
144 For a final example, consider the following code, assuming that the
145 variable a is set at boot time before the second CPU is brought online
146 and never changed later, so that memory barriers are not needed:
147
148         if (a)
149                 b = 9;
150         else
151                 b = 42;
152
153 The compiler is within its rights to manufacture an additional store
154 by transforming the above code into the following:
155
156         b = 42;
157         if (a)
158                 b = 9;
159
160 This could come as a fatal surprise to other code running concurrently
161 that expected b to never have the value 42 if a was zero.  To prevent
162 the compiler from doing this, write something like:
163
164         if (a)
165                 ACCESS_ONCE(b) = 9;
166         else
167                 ACCESS_ONCE(b) = 42;
168
169 Don't even -think- about doing this without proper use of memory barriers,
170 locks, or atomic operations if variable a can change at runtime!
171
172 *** WARNING: ACCESS_ONCE() DOES NOT IMPLY A BARRIER! ***
173
174 Now, we move onto the atomic operation interfaces typically implemented with
175 the help of assembly code.
176
177         void atomic_add(int i, atomic_t *v);
178         void atomic_sub(int i, atomic_t *v);
179         void atomic_inc(atomic_t *v);
180         void atomic_dec(atomic_t *v);
181
182 These four routines add and subtract integral values to/from the given
183 atomic_t value.  The first two routines pass explicit integers by
184 which to make the adjustment, whereas the latter two use an implicit
185 adjustment value of "1".
186
187 One very important aspect of these two routines is that they DO NOT
188 require any explicit memory barriers.  They need only perform the
189 atomic_t counter update in an SMP safe manner.
190
191 Next, we have:
192
193         int atomic_inc_return(atomic_t *v);
194         int atomic_dec_return(atomic_t *v);
195
196 These routines add 1 and subtract 1, respectively, from the given
197 atomic_t and return the new counter value after the operation is
198 performed.
199
200 Unlike the above routines, it is required that explicit memory
201 barriers are performed before and after the operation.  It must be
202 done such that all memory operations before and after the atomic
203 operation calls are strongly ordered with respect to the atomic
204 operation itself.
205
206 For example, it should behave as if a smp_mb() call existed both
207 before and after the atomic operation.
208
209 If the atomic instructions used in an implementation provide explicit
210 memory barrier semantics which satisfy the above requirements, that is
211 fine as well.
212
213 Let's move on:
214
215         int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
216         int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
217
218 These behave just like atomic_{inc,dec}_return() except that an
219 explicit counter adjustment is given instead of the implicit "1".
220 This means that like atomic_{inc,dec}_return(), the memory barrier
221 semantics are required.
222
223 Next:
224
225         int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
226         int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
227
228 These two routines increment and decrement by 1, respectively, the
229 given atomic counter.  They return a boolean indicating whether the
230 resulting counter value was zero or not.
231
232 It requires explicit memory barrier semantics around the operation as
233 above.
234
235         int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
236
237 This is identical to atomic_dec_and_test() except that an explicit
238 decrement is given instead of the implicit "1".  It requires explicit
239 memory barrier semantics around the operation.
240
241         int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);
242
243 The given increment is added to the given atomic counter value.  A
244 boolean is return which indicates whether the resulting counter value
245 is negative.  It requires explicit memory barrier semantics around the
246 operation.
247
248 Then:
249
250         int atomic_xchg(atomic_t *v, int new);
251
252 This performs an atomic exchange operation on the atomic variable v, setting
253 the given new value.  It returns the old value that the atomic variable v had
254 just before the operation.
255
256 atomic_xchg requires explicit memory barriers around the operation.
257
258         int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new);
259
260 This performs an atomic compare exchange operation on the atomic value v,
261 with the given old and new values. Like all atomic_xxx operations,
262 atomic_cmpxchg will only satisfy its atomicity semantics as long as all
263 other accesses of *v are performed through atomic_xxx operations.
264
265 atomic_cmpxchg requires explicit memory barriers around the operation.
266
267 The semantics for atomic_cmpxchg are the same as those defined for 'cas'
268 below.
269
270 Finally:
271
272         int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u);
273
274 If the atomic value v is not equal to u, this function adds a to v, and
275 returns non zero. If v is equal to u then it returns zero. This is done as
276 an atomic operation.
277
278 atomic_add_unless requires explicit memory barriers around the operation
279 unless it fails (returns 0).
280
281 atomic_inc_not_zero, equivalent to atomic_add_unless(v, 1, 0)
282
283
284 If a caller requires memory barrier semantics around an atomic_t
285 operation which does not return a value, a set of interfaces are
286 defined which accomplish this:
287
288         void smp_mb__before_atomic(void);
289         void smp_mb__after_atomic(void);
290
291 For example, smp_mb__before_atomic() can be used like so:
292
293         obj->dead = 1;
294         smp_mb__before_atomic();
295         atomic_dec(&obj->ref_count);
296
297 It makes sure that all memory operations preceding the atomic_dec()
298 call are strongly ordered with respect to the atomic counter
299 operation.  In the above example, it guarantees that the assignment of
300 "1" to obj->dead will be globally visible to other cpus before the
301 atomic counter decrement.
302
303 Without the explicit smp_mb__before_atomic() call, the
304 implementation could legally allow the atomic counter update visible
305 to other cpus before the "obj->dead = 1;" assignment.
306
307 A missing memory barrier in the cases where they are required by the
308 atomic_t implementation above can have disastrous results.  Here is
309 an example, which follows a pattern occurring frequently in the Linux
310 kernel.  It is the use of atomic counters to implement reference
311 counting, and it works such that once the counter falls to zero it can
312 be guaranteed that no other entity can be accessing the object:
313
314 static void obj_list_add(struct obj *obj, struct list_head *head)
315 {
316         obj->active = 1;
317         list_add(&obj->list, head);
318 }
319
320 static void obj_list_del(struct obj *obj)
321 {
322         list_del(&obj->list);
323         obj->active = 0;
324 }
325
326 static void obj_destroy(struct obj *obj)
327 {
328         BUG_ON(obj->active);
329         kfree(obj);
330 }
331
332 struct obj *obj_list_peek(struct list_head *head)
333 {
334         if (!list_empty(head)) {
335                 struct obj *obj;
336
337                 obj = list_entry(head->next, struct obj, list);
338                 atomic_inc(&obj->refcnt);
339                 return obj;
340         }
341         return NULL;
342 }
343
344 void obj_poke(void)
345 {
346         struct obj *obj;
347
348         spin_lock(&global_list_lock);
349         obj = obj_list_peek(&global_list);
350         spin_unlock(&global_list_lock);
351
352         if (obj) {
353                 obj->ops->poke(obj);
354                 if (atomic_dec_and_test(&obj->refcnt))
355                         obj_destroy(obj);
356         }
357 }
358
359 void obj_timeout(struct obj *obj)
360 {
361         spin_lock(&global_list_lock);
362         obj_list_del(obj);
363         spin_unlock(&global_list_lock);
364
365         if (atomic_dec_and_test(&obj->refcnt))
366                 obj_destroy(obj);
367 }
368
369 (This is a simplification of the ARP queue management in the
370  generic neighbour discover code of the networking.  Olaf Kirch
371  found a bug wrt. memory barriers in kfree_skb() that exposed
372  the atomic_t memory barrier requirements quite clearly.)
373
374 Given the above scheme, it must be the case that the obj->active
375 update done by the obj list deletion be visible to other processors
376 before the atomic counter decrement is performed.
377
378 Otherwise, the counter could fall to zero, yet obj->active would still
379 be set, thus triggering the assertion in obj_destroy().  The error
380 sequence looks like this:
381
382         cpu 0                           cpu 1
383         obj_poke()                      obj_timeout()
384         obj = obj_list_peek();
385         ... gains ref to obj, refcnt=2
386                                         obj_list_del(obj);
387                                         obj->active = 0 ...
388                                         ... visibility delayed ...
389                                         atomic_dec_and_test()
390                                         ... refcnt drops to 1 ...
391         atomic_dec_and_test()
392         ... refcount drops to 0 ...
393         obj_destroy()
394         BUG() triggers since obj->active
395         still seen as one
396                                         obj->active update visibility occurs
397
398 With the memory barrier semantics required of the atomic_t operations
399 which return values, the above sequence of memory visibility can never
400 happen.  Specifically, in the above case the atomic_dec_and_test()
401 counter decrement would not become globally visible until the
402 obj->active update does.
403
404 As a historical note, 32-bit Sparc used to only allow usage of
405 24-bits of its atomic_t type.  This was because it used 8 bits
406 as a spinlock for SMP safety.  Sparc32 lacked a "compare and swap"
407 type instruction.  However, 32-bit Sparc has since been moved over
408 to a "hash table of spinlocks" scheme, that allows the full 32-bit
409 counter to be realized.  Essentially, an array of spinlocks are
410 indexed into based upon the address of the atomic_t being operated
411 on, and that lock protects the atomic operation.  Parisc uses the
412 same scheme.
413
414 Another note is that the atomic_t operations returning values are
415 extremely slow on an old 386.
416
417 We will now cover the atomic bitmask operations.  You will find that
418 their SMP and memory barrier semantics are similar in shape and scope
419 to the atomic_t ops above.
420
421 Native atomic bit operations are defined to operate on objects aligned
422 to the size of an "unsigned long" C data type, and are least of that
423 size.  The endianness of the bits within each "unsigned long" are the
424 native endianness of the cpu.
425
426         void set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
427         void clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
428         void change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
429
430 These routines set, clear, and change, respectively, the bit number
431 indicated by "nr" on the bit mask pointed to by "ADDR".
432
433 They must execute atomically, yet there are no implicit memory barrier
434 semantics required of these interfaces.
435
436         int test_and_set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
437         int test_and_clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
438         int test_and_change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
439
440 Like the above, except that these routines return a boolean which
441 indicates whether the changed bit was set _BEFORE_ the atomic bit
442 operation.
443
444 WARNING! It is incredibly important that the value be a boolean,
445 ie. "0" or "1".  Do not try to be fancy and save a few instructions by
446 declaring the above to return "long" and just returning something like
447 "old_val & mask" because that will not work.
448
449 For one thing, this return value gets truncated to int in many code
450 paths using these interfaces, so on 64-bit if the bit is set in the
451 upper 32-bits then testers will never see that.
452
453 One great example of where this problem crops up are the thread_info
454 flag operations.  Routines such as test_and_set_ti_thread_flag() chop
455 the return value into an int.  There are other places where things
456 like this occur as well.
457
458 These routines, like the atomic_t counter operations returning values,
459 require explicit memory barrier semantics around their execution.  All
460 memory operations before the atomic bit operation call must be made
461 visible globally before the atomic bit operation is made visible.
462 Likewise, the atomic bit operation must be visible globally before any
463 subsequent memory operation is made visible.  For example:
464
465         obj->dead = 1;
466         if (test_and_set_bit(0, &obj->flags))
467                 /* ... */;
468         obj->killed = 1;
469
470 The implementation of test_and_set_bit() must guarantee that
471 "obj->dead = 1;" is visible to cpus before the atomic memory operation
472 done by test_and_set_bit() becomes visible.  Likewise, the atomic
473 memory operation done by test_and_set_bit() must become visible before
474 "obj->killed = 1;" is visible.
475
476 Finally there is the basic operation:
477
478         int test_bit(unsigned long nr, __const__ volatile unsigned long *addr);
479
480 Which returns a boolean indicating if bit "nr" is set in the bitmask
481 pointed to by "addr".
482
483 If explicit memory barriers are required around {set,clear}_bit() (which do
484 not return a value, and thus does not need to provide memory barrier
485 semantics), two interfaces are provided:
486
487         void smp_mb__before_atomic(void);
488         void smp_mb__after_atomic(void);
489
490 They are used as follows, and are akin to their atomic_t operation
491 brothers:
492
493         /* All memory operations before this call will
494          * be globally visible before the clear_bit().
495          */
496         smp_mb__before_atomic();
497         clear_bit( ... );
498
499         /* The clear_bit() will be visible before all
500          * subsequent memory operations.
501          */
502          smp_mb__after_atomic();
503
504 There are two special bitops with lock barrier semantics (acquire/release,
505 same as spinlocks). These operate in the same way as their non-_lock/unlock
506 postfixed variants, except that they are to provide acquire/release semantics,
507 respectively. This means they can be used for bit_spin_trylock and
508 bit_spin_unlock type operations without specifying any more barriers.
509
510         int test_and_set_bit_lock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
511         void clear_bit_unlock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
512         void __clear_bit_unlock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
513
514 The __clear_bit_unlock version is non-atomic, however it still implements
515 unlock barrier semantics. This can be useful if the lock itself is protecting
516 the other bits in the word.
517
518 Finally, there are non-atomic versions of the bitmask operations
519 provided.  They are used in contexts where some other higher-level SMP
520 locking scheme is being used to protect the bitmask, and thus less
521 expensive non-atomic operations may be used in the implementation.
522 They have names similar to the above bitmask operation interfaces,
523 except that two underscores are prefixed to the interface name.
524
525         void __set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
526         void __clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
527         void __change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
528         int __test_and_set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
529         int __test_and_clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
530         int __test_and_change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
531
532 These non-atomic variants also do not require any special memory
533 barrier semantics.
534
535 The routines xchg() and cmpxchg() need the same exact memory barriers
536 as the atomic and bit operations returning values.
537
538 Spinlocks and rwlocks have memory barrier expectations as well.
539 The rule to follow is simple:
540
541 1) When acquiring a lock, the implementation must make it globally
542    visible before any subsequent memory operation.
543
544 2) When releasing a lock, the implementation must make it such that
545    all previous memory operations are globally visible before the
546    lock release.
547
548 Which finally brings us to _atomic_dec_and_lock().  There is an
549 architecture-neutral version implemented in lib/dec_and_lock.c,
550 but most platforms will wish to optimize this in assembler.
551
552         int _atomic_dec_and_lock(atomic_t *atomic, spinlock_t *lock);
553
554 Atomically decrement the given counter, and if will drop to zero
555 atomically acquire the given spinlock and perform the decrement
556 of the counter to zero.  If it does not drop to zero, do nothing
557 with the spinlock.
558
559 It is actually pretty simple to get the memory barrier correct.
560 Simply satisfy the spinlock grab requirements, which is make
561 sure the spinlock operation is globally visible before any
562 subsequent memory operation.
563
564 We can demonstrate this operation more clearly if we define
565 an abstract atomic operation:
566
567         long cas(long *mem, long old, long new);
568
569 "cas" stands for "compare and swap".  It atomically:
570
571 1) Compares "old" with the value currently at "mem".
572 2) If they are equal, "new" is written to "mem".
573 3) Regardless, the current value at "mem" is returned.
574
575 As an example usage, here is what an atomic counter update
576 might look like:
577
578 void example_atomic_inc(long *counter)
579 {
580         long old, new, ret;
581
582         while (1) {
583                 old = *counter;
584                 new = old + 1;
585
586                 ret = cas(counter, old, new);
587                 if (ret == old)
588                         break;
589         }
590 }
591
592 Let's use cas() in order to build a pseudo-C atomic_dec_and_lock():
593
594 int _atomic_dec_and_lock(atomic_t *atomic, spinlock_t *lock)
595 {
596         long old, new, ret;
597         int went_to_zero;
598
599         went_to_zero = 0;
600         while (1) {
601                 old = atomic_read(atomic);
602                 new = old - 1;
603                 if (new == 0) {
604                         went_to_zero = 1;
605                         spin_lock(lock);
606                 }
607                 ret = cas(atomic, old, new);
608                 if (ret == old)
609                         break;
610                 if (went_to_zero) {
611                         spin_unlock(lock);
612                         went_to_zero = 0;
613                 }
614         }
615
616         return went_to_zero;
617 }
618
619 Now, as far as memory barriers go, as long as spin_lock()
620 strictly orders all subsequent memory operations (including
621 the cas()) with respect to itself, things will be fine.
622
623 Said another way, _atomic_dec_and_lock() must guarantee that
624 a counter dropping to zero is never made visible before the
625 spinlock being acquired.
626
627 Note that this also means that for the case where the counter
628 is not dropping to zero, there are no memory ordering
629 requirements.