Merge tag 'pwm/for-4.19-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/thierry...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / core-api / atomic_ops.rst
1 =======================================================
2 Semantics and Behavior of Atomic and Bitmask Operations
3 =======================================================
4
5 :Author: David S. Miller
6
7 This document is intended to serve as a guide to Linux port
8 maintainers on how to implement atomic counter, bitops, and spinlock
9 interfaces properly.
10
11 Atomic Type And Operations
12 ==========================
13
14 The atomic_t type should be defined as a signed integer and
15 the atomic_long_t type as a signed long integer.  Also, they should
16 be made opaque such that any kind of cast to a normal C integer type
17 will fail.  Something like the following should suffice::
18
19         typedef struct { int counter; } atomic_t;
20         typedef struct { long counter; } atomic_long_t;
21
22 Historically, counter has been declared volatile.  This is now discouraged.
23 See :ref:`Documentation/process/volatile-considered-harmful.rst
24 <volatile_considered_harmful>` for the complete rationale.
25
26 local_t is very similar to atomic_t. If the counter is per CPU and only
27 updated by one CPU, local_t is probably more appropriate. Please see
28 :ref:`Documentation/core-api/local_ops.rst <local_ops>` for the semantics of
29 local_t.
30
31 The first operations to implement for atomic_t's are the initializers and
32 plain writes. ::
33
34         #define ATOMIC_INIT(i)          { (i) }
35         #define atomic_set(v, i)        ((v)->counter = (i))
36
37 The first macro is used in definitions, such as::
38
39         static atomic_t my_counter = ATOMIC_INIT(1);
40
41 The initializer is atomic in that the return values of the atomic operations
42 are guaranteed to be correct reflecting the initialized value if the
43 initializer is used before runtime.  If the initializer is used at runtime, a
44 proper implicit or explicit read memory barrier is needed before reading the
45 value with atomic_read from another thread.
46
47 As with all of the ``atomic_`` interfaces, replace the leading ``atomic_``
48 with ``atomic_long_`` to operate on atomic_long_t.
49
50 The second interface can be used at runtime, as in::
51
52         struct foo { atomic_t counter; };
53         ...
54
55         struct foo *k;
56
57         k = kmalloc(sizeof(*k), GFP_KERNEL);
58         if (!k)
59                 return -ENOMEM;
60         atomic_set(&k->counter, 0);
61
62 The setting is atomic in that the return values of the atomic operations by
63 all threads are guaranteed to be correct reflecting either the value that has
64 been set with this operation or set with another operation.  A proper implicit
65 or explicit memory barrier is needed before the value set with the operation
66 is guaranteed to be readable with atomic_read from another thread.
67
68 Next, we have::
69
70         #define atomic_read(v)  ((v)->counter)
71
72 which simply reads the counter value currently visible to the calling thread.
73 The read is atomic in that the return value is guaranteed to be one of the
74 values initialized or modified with the interface operations if a proper
75 implicit or explicit memory barrier is used after possible runtime
76 initialization by any other thread and the value is modified only with the
77 interface operations.  atomic_read does not guarantee that the runtime
78 initialization by any other thread is visible yet, so the user of the
79 interface must take care of that with a proper implicit or explicit memory
80 barrier.
81
82 .. warning::
83
84         ``atomic_read()`` and ``atomic_set()`` DO NOT IMPLY BARRIERS!
85
86         Some architectures may choose to use the volatile keyword, barriers, or
87         inline assembly to guarantee some degree of immediacy for atomic_read()
88         and atomic_set().  This is not uniformly guaranteed, and may change in
89         the future, so all users of atomic_t should treat atomic_read() and
90         atomic_set() as simple C statements that may be reordered or optimized
91         away entirely by the compiler or processor, and explicitly invoke the
92         appropriate compiler and/or memory barrier for each use case.  Failure
93         to do so will result in code that may suddenly break when used with
94         different architectures or compiler optimizations, or even changes in
95         unrelated code which changes how the compiler optimizes the section
96         accessing atomic_t variables.
97
98 Properly aligned pointers, longs, ints, and chars (and unsigned
99 equivalents) may be atomically loaded from and stored to in the same
100 sense as described for atomic_read() and atomic_set().  The READ_ONCE()
101 and WRITE_ONCE() macros should be used to prevent the compiler from using
102 optimizations that might otherwise optimize accesses out of existence on
103 the one hand, or that might create unsolicited accesses on the other.
104
105 For example consider the following code::
106
107         while (a > 0)
108                 do_something();
109
110 If the compiler can prove that do_something() does not store to the
111 variable a, then the compiler is within its rights transforming this to
112 the following::
113
114         if (a > 0)
115                 for (;;)
116                         do_something();
117
118 If you don't want the compiler to do this (and you probably don't), then
119 you should use something like the following::
120
121         while (READ_ONCE(a) > 0)
122                 do_something();
123
124 Alternatively, you could place a barrier() call in the loop.
125
126 For another example, consider the following code::
127
128         tmp_a = a;
129         do_something_with(tmp_a);
130         do_something_else_with(tmp_a);
131
132 If the compiler can prove that do_something_with() does not store to the
133 variable a, then the compiler is within its rights to manufacture an
134 additional load as follows::
135
136         tmp_a = a;
137         do_something_with(tmp_a);
138         tmp_a = a;
139         do_something_else_with(tmp_a);
140
141 This could fatally confuse your code if it expected the same value
142 to be passed to do_something_with() and do_something_else_with().
143
144 The compiler would be likely to manufacture this additional load if
145 do_something_with() was an inline function that made very heavy use
146 of registers: reloading from variable a could save a flush to the
147 stack and later reload.  To prevent the compiler from attacking your
148 code in this manner, write the following::
149
150         tmp_a = READ_ONCE(a);
151         do_something_with(tmp_a);
152         do_something_else_with(tmp_a);
153
154 For a final example, consider the following code, assuming that the
155 variable a is set at boot time before the second CPU is brought online
156 and never changed later, so that memory barriers are not needed::
157
158         if (a)
159                 b = 9;
160         else
161                 b = 42;
162
163 The compiler is within its rights to manufacture an additional store
164 by transforming the above code into the following::
165
166         b = 42;
167         if (a)
168                 b = 9;
169
170 This could come as a fatal surprise to other code running concurrently
171 that expected b to never have the value 42 if a was zero.  To prevent
172 the compiler from doing this, write something like::
173
174         if (a)
175                 WRITE_ONCE(b, 9);
176         else
177                 WRITE_ONCE(b, 42);
178
179 Don't even -think- about doing this without proper use of memory barriers,
180 locks, or atomic operations if variable a can change at runtime!
181
182 .. warning::
183
184         ``READ_ONCE()`` OR ``WRITE_ONCE()`` DO NOT IMPLY A BARRIER!
185
186 Now, we move onto the atomic operation interfaces typically implemented with
187 the help of assembly code. ::
188
189         void atomic_add(int i, atomic_t *v);
190         void atomic_sub(int i, atomic_t *v);
191         void atomic_inc(atomic_t *v);
192         void atomic_dec(atomic_t *v);
193
194 These four routines add and subtract integral values to/from the given
195 atomic_t value.  The first two routines pass explicit integers by
196 which to make the adjustment, whereas the latter two use an implicit
197 adjustment value of "1".
198
199 One very important aspect of these two routines is that they DO NOT
200 require any explicit memory barriers.  They need only perform the
201 atomic_t counter update in an SMP safe manner.
202
203 Next, we have::
204
205         int atomic_inc_return(atomic_t *v);
206         int atomic_dec_return(atomic_t *v);
207
208 These routines add 1 and subtract 1, respectively, from the given
209 atomic_t and return the new counter value after the operation is
210 performed.
211
212 Unlike the above routines, it is required that these primitives
213 include explicit memory barriers that are performed before and after
214 the operation.  It must be done such that all memory operations before
215 and after the atomic operation calls are strongly ordered with respect
216 to the atomic operation itself.
217
218 For example, it should behave as if a smp_mb() call existed both
219 before and after the atomic operation.
220
221 If the atomic instructions used in an implementation provide explicit
222 memory barrier semantics which satisfy the above requirements, that is
223 fine as well.
224
225 Let's move on::
226
227         int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
228         int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
229
230 These behave just like atomic_{inc,dec}_return() except that an
231 explicit counter adjustment is given instead of the implicit "1".
232 This means that like atomic_{inc,dec}_return(), the memory barrier
233 semantics are required.
234
235 Next::
236
237         int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
238         int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
239
240 These two routines increment and decrement by 1, respectively, the
241 given atomic counter.  They return a boolean indicating whether the
242 resulting counter value was zero or not.
243
244 Again, these primitives provide explicit memory barrier semantics around
245 the atomic operation::
246
247         int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
248
249 This is identical to atomic_dec_and_test() except that an explicit
250 decrement is given instead of the implicit "1".  This primitive must
251 provide explicit memory barrier semantics around the operation::
252
253         int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);
254
255 The given increment is added to the given atomic counter value.  A boolean
256 is return which indicates whether the resulting counter value is negative.
257 This primitive must provide explicit memory barrier semantics around
258 the operation.
259
260 Then::
261
262         int atomic_xchg(atomic_t *v, int new);
263
264 This performs an atomic exchange operation on the atomic variable v, setting
265 the given new value.  It returns the old value that the atomic variable v had
266 just before the operation.
267
268 atomic_xchg must provide explicit memory barriers around the operation. ::
269
270         int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new);
271
272 This performs an atomic compare exchange operation on the atomic value v,
273 with the given old and new values. Like all atomic_xxx operations,
274 atomic_cmpxchg will only satisfy its atomicity semantics as long as all
275 other accesses of \*v are performed through atomic_xxx operations.
276
277 atomic_cmpxchg must provide explicit memory barriers around the operation,
278 although if the comparison fails then no memory ordering guarantees are
279 required.
280
281 The semantics for atomic_cmpxchg are the same as those defined for 'cas'
282 below.
283
284 Finally::
285
286         int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u);
287
288 If the atomic value v is not equal to u, this function adds a to v, and
289 returns non zero. If v is equal to u then it returns zero. This is done as
290 an atomic operation.
291
292 atomic_add_unless must provide explicit memory barriers around the
293 operation unless it fails (returns 0).
294
295 atomic_inc_not_zero, equivalent to atomic_add_unless(v, 1, 0)
296
297
298 If a caller requires memory barrier semantics around an atomic_t
299 operation which does not return a value, a set of interfaces are
300 defined which accomplish this::
301
302         void smp_mb__before_atomic(void);
303         void smp_mb__after_atomic(void);
304
305 Preceding a non-value-returning read-modify-write atomic operation with
306 smp_mb__before_atomic() and following it with smp_mb__after_atomic()
307 provides the same full ordering that is provided by value-returning
308 read-modify-write atomic operations.
309
310 For example, smp_mb__before_atomic() can be used like so::
311
312         obj->dead = 1;
313         smp_mb__before_atomic();
314         atomic_dec(&obj->ref_count);
315
316 It makes sure that all memory operations preceding the atomic_dec()
317 call are strongly ordered with respect to the atomic counter
318 operation.  In the above example, it guarantees that the assignment of
319 "1" to obj->dead will be globally visible to other cpus before the
320 atomic counter decrement.
321
322 Without the explicit smp_mb__before_atomic() call, the
323 implementation could legally allow the atomic counter update visible
324 to other cpus before the "obj->dead = 1;" assignment.
325
326 A missing memory barrier in the cases where they are required by the
327 atomic_t implementation above can have disastrous results.  Here is
328 an example, which follows a pattern occurring frequently in the Linux
329 kernel.  It is the use of atomic counters to implement reference
330 counting, and it works such that once the counter falls to zero it can
331 be guaranteed that no other entity can be accessing the object::
332
333         static void obj_list_add(struct obj *obj, struct list_head *head)
334         {
335                 obj->active = 1;
336                 list_add(&obj->list, head);
337         }
338
339         static void obj_list_del(struct obj *obj)
340         {
341                 list_del(&obj->list);
342                 obj->active = 0;
343         }
344
345         static void obj_destroy(struct obj *obj)
346         {
347                 BUG_ON(obj->active);
348                 kfree(obj);
349         }
350
351         struct obj *obj_list_peek(struct list_head *head)
352         {
353                 if (!list_empty(head)) {
354                         struct obj *obj;
355
356                         obj = list_entry(head->next, struct obj, list);
357                         atomic_inc(&obj->refcnt);
358                         return obj;
359                 }
360                 return NULL;
361         }
362
363         void obj_poke(void)
364         {
365                 struct obj *obj;
366
367                 spin_lock(&global_list_lock);
368                 obj = obj_list_peek(&global_list);
369                 spin_unlock(&global_list_lock);
370
371                 if (obj) {
372                         obj->ops->poke(obj);
373                         if (atomic_dec_and_test(&obj->refcnt))
374                                 obj_destroy(obj);
375                 }
376         }
377
378         void obj_timeout(struct obj *obj)
379         {
380                 spin_lock(&global_list_lock);
381                 obj_list_del(obj);
382                 spin_unlock(&global_list_lock);
383
384                 if (atomic_dec_and_test(&obj->refcnt))
385                         obj_destroy(obj);
386         }
387
388 .. note::
389
390         This is a simplification of the ARP queue management in the generic
391         neighbour discover code of the networking.  Olaf Kirch found a bug wrt.
392         memory barriers in kfree_skb() that exposed the atomic_t memory barrier
393         requirements quite clearly.
394
395 Given the above scheme, it must be the case that the obj->active
396 update done by the obj list deletion be visible to other processors
397 before the atomic counter decrement is performed.
398
399 Otherwise, the counter could fall to zero, yet obj->active would still
400 be set, thus triggering the assertion in obj_destroy().  The error
401 sequence looks like this::
402
403         cpu 0                           cpu 1
404         obj_poke()                      obj_timeout()
405         obj = obj_list_peek();
406         ... gains ref to obj, refcnt=2
407                                         obj_list_del(obj);
408                                         obj->active = 0 ...
409                                         ... visibility delayed ...
410                                         atomic_dec_and_test()
411                                         ... refcnt drops to 1 ...
412         atomic_dec_and_test()
413         ... refcount drops to 0 ...
414         obj_destroy()
415         BUG() triggers since obj->active
416         still seen as one
417                                         obj->active update visibility occurs
418
419 With the memory barrier semantics required of the atomic_t operations
420 which return values, the above sequence of memory visibility can never
421 happen.  Specifically, in the above case the atomic_dec_and_test()
422 counter decrement would not become globally visible until the
423 obj->active update does.
424
425 As a historical note, 32-bit Sparc used to only allow usage of
426 24-bits of its atomic_t type.  This was because it used 8 bits
427 as a spinlock for SMP safety.  Sparc32 lacked a "compare and swap"
428 type instruction.  However, 32-bit Sparc has since been moved over
429 to a "hash table of spinlocks" scheme, that allows the full 32-bit
430 counter to be realized.  Essentially, an array of spinlocks are
431 indexed into based upon the address of the atomic_t being operated
432 on, and that lock protects the atomic operation.  Parisc uses the
433 same scheme.
434
435 Another note is that the atomic_t operations returning values are
436 extremely slow on an old 386.
437
438
439 Atomic Bitmask
440 ==============
441
442 We will now cover the atomic bitmask operations.  You will find that
443 their SMP and memory barrier semantics are similar in shape and scope
444 to the atomic_t ops above.
445
446 Native atomic bit operations are defined to operate on objects aligned
447 to the size of an "unsigned long" C data type, and are least of that
448 size.  The endianness of the bits within each "unsigned long" are the
449 native endianness of the cpu. ::
450
451         void set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
452         void clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
453         void change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
454
455 These routines set, clear, and change, respectively, the bit number
456 indicated by "nr" on the bit mask pointed to by "ADDR".
457
458 They must execute atomically, yet there are no implicit memory barrier
459 semantics required of these interfaces. ::
460
461         int test_and_set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
462         int test_and_clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
463         int test_and_change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
464
465 Like the above, except that these routines return a boolean which
466 indicates whether the changed bit was set _BEFORE_ the atomic bit
467 operation.
468
469
470 .. warning::
471         It is incredibly important that the value be a boolean, ie. "0" or "1".
472         Do not try to be fancy and save a few instructions by declaring the
473         above to return "long" and just returning something like "old_val &
474         mask" because that will not work.
475
476 For one thing, this return value gets truncated to int in many code
477 paths using these interfaces, so on 64-bit if the bit is set in the
478 upper 32-bits then testers will never see that.
479
480 One great example of where this problem crops up are the thread_info
481 flag operations.  Routines such as test_and_set_ti_thread_flag() chop
482 the return value into an int.  There are other places where things
483 like this occur as well.
484
485 These routines, like the atomic_t counter operations returning values,
486 must provide explicit memory barrier semantics around their execution.
487 All memory operations before the atomic bit operation call must be
488 made visible globally before the atomic bit operation is made visible.
489 Likewise, the atomic bit operation must be visible globally before any
490 subsequent memory operation is made visible.  For example::
491
492         obj->dead = 1;
493         if (test_and_set_bit(0, &obj->flags))
494                 /* ... */;
495         obj->killed = 1;
496
497 The implementation of test_and_set_bit() must guarantee that
498 "obj->dead = 1;" is visible to cpus before the atomic memory operation
499 done by test_and_set_bit() becomes visible.  Likewise, the atomic
500 memory operation done by test_and_set_bit() must become visible before
501 "obj->killed = 1;" is visible.
502
503 Finally there is the basic operation::
504
505         int test_bit(unsigned long nr, __const__ volatile unsigned long *addr);
506
507 Which returns a boolean indicating if bit "nr" is set in the bitmask
508 pointed to by "addr".
509
510 If explicit memory barriers are required around {set,clear}_bit() (which do
511 not return a value, and thus does not need to provide memory barrier
512 semantics), two interfaces are provided::
513
514         void smp_mb__before_atomic(void);
515         void smp_mb__after_atomic(void);
516
517 They are used as follows, and are akin to their atomic_t operation
518 brothers::
519
520         /* All memory operations before this call will
521          * be globally visible before the clear_bit().
522          */
523         smp_mb__before_atomic();
524         clear_bit( ... );
525
526         /* The clear_bit() will be visible before all
527          * subsequent memory operations.
528          */
529          smp_mb__after_atomic();
530
531 There are two special bitops with lock barrier semantics (acquire/release,
532 same as spinlocks). These operate in the same way as their non-_lock/unlock
533 postfixed variants, except that they are to provide acquire/release semantics,
534 respectively. This means they can be used for bit_spin_trylock and
535 bit_spin_unlock type operations without specifying any more barriers. ::
536
537         int test_and_set_bit_lock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
538         void clear_bit_unlock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
539         void __clear_bit_unlock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
540
541 The __clear_bit_unlock version is non-atomic, however it still implements
542 unlock barrier semantics. This can be useful if the lock itself is protecting
543 the other bits in the word.
544
545 Finally, there are non-atomic versions of the bitmask operations
546 provided.  They are used in contexts where some other higher-level SMP
547 locking scheme is being used to protect the bitmask, and thus less
548 expensive non-atomic operations may be used in the implementation.
549 They have names similar to the above bitmask operation interfaces,
550 except that two underscores are prefixed to the interface name. ::
551
552         void __set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
553         void __clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
554         void __change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
555         int __test_and_set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
556         int __test_and_clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
557         int __test_and_change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
558
559 These non-atomic variants also do not require any special memory
560 barrier semantics.
561
562 The routines xchg() and cmpxchg() must provide the same exact
563 memory-barrier semantics as the atomic and bit operations returning
564 values.
565
566 .. note::
567
568         If someone wants to use xchg(), cmpxchg() and their variants,
569         linux/atomic.h should be included rather than asm/cmpxchg.h, unless the
570         code is in arch/* and can take care of itself.
571
572 Spinlocks and rwlocks have memory barrier expectations as well.
573 The rule to follow is simple:
574
575 1) When acquiring a lock, the implementation must make it globally
576    visible before any subsequent memory operation.
577
578 2) When releasing a lock, the implementation must make it such that
579    all previous memory operations are globally visible before the
580    lock release.
581
582 Which finally brings us to _atomic_dec_and_lock().  There is an
583 architecture-neutral version implemented in lib/dec_and_lock.c,
584 but most platforms will wish to optimize this in assembler. ::
585
586         int _atomic_dec_and_lock(atomic_t *atomic, spinlock_t *lock);
587
588 Atomically decrement the given counter, and if will drop to zero
589 atomically acquire the given spinlock and perform the decrement
590 of the counter to zero.  If it does not drop to zero, do nothing
591 with the spinlock.
592
593 It is actually pretty simple to get the memory barrier correct.
594 Simply satisfy the spinlock grab requirements, which is make
595 sure the spinlock operation is globally visible before any
596 subsequent memory operation.
597
598 We can demonstrate this operation more clearly if we define
599 an abstract atomic operation::
600
601         long cas(long *mem, long old, long new);
602
603 "cas" stands for "compare and swap".  It atomically:
604
605 1) Compares "old" with the value currently at "mem".
606 2) If they are equal, "new" is written to "mem".
607 3) Regardless, the current value at "mem" is returned.
608
609 As an example usage, here is what an atomic counter update
610 might look like::
611
612         void example_atomic_inc(long *counter)
613         {
614                 long old, new, ret;
615
616                 while (1) {
617                         old = *counter;
618                         new = old + 1;
619
620                         ret = cas(counter, old, new);
621                         if (ret == old)
622                                 break;
623                 }
624         }
625
626 Let's use cas() in order to build a pseudo-C atomic_dec_and_lock()::
627
628         int _atomic_dec_and_lock(atomic_t *atomic, spinlock_t *lock)
629         {
630                 long old, new, ret;
631                 int went_to_zero;
632
633                 went_to_zero = 0;
634                 while (1) {
635                         old = atomic_read(atomic);
636                         new = old - 1;
637                         if (new == 0) {
638                                 went_to_zero = 1;
639                                 spin_lock(lock);
640                         }
641                         ret = cas(atomic, old, new);
642                         if (ret == old)
643                                 break;
644                         if (went_to_zero) {
645                                 spin_unlock(lock);
646                                 went_to_zero = 0;
647                         }
648                 }
649
650                 return went_to_zero;
651         }
652
653 Now, as far as memory barriers go, as long as spin_lock()
654 strictly orders all subsequent memory operations (including
655 the cas()) with respect to itself, things will be fine.
656
657 Said another way, _atomic_dec_and_lock() must guarantee that
658 a counter dropping to zero is never made visible before the
659 spinlock being acquired.
660
661 .. note::
662
663         Note that this also means that for the case where the counter is not
664         dropping to zero, there are no memory ordering requirements.