documentation: Clarify compiler store-fusion example
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / memory-barriers.txt
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2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
4
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6     Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
7
8 Contents:
9
10  (*) Abstract memory access model.
11
12      - Device operations.
13      - Guarantees.
14
15  (*) What are memory barriers?
16
17      - Varieties of memory barrier.
18      - What may not be assumed about memory barriers?
19      - Data dependency barriers.
20      - Control dependencies.
21      - SMP barrier pairing.
22      - Examples of memory barrier sequences.
23      - Read memory barriers vs load speculation.
24      - Transitivity
25
26  (*) Explicit kernel barriers.
27
28      - Compiler barrier.
29      - CPU memory barriers.
30      - MMIO write barrier.
31
32  (*) Implicit kernel memory barriers.
33
34      - Locking functions.
35      - Interrupt disabling functions.
36      - Sleep and wake-up functions.
37      - Miscellaneous functions.
38
39  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
40
41      - Locks vs memory accesses.
42      - Locks vs I/O accesses.
43
44  (*) Where are memory barriers needed?
45
46      - Interprocessor interaction.
47      - Atomic operations.
48      - Accessing devices.
49      - Interrupts.
50
51  (*) Kernel I/O barrier effects.
52
53  (*) Assumed minimum execution ordering model.
54
55  (*) The effects of the cpu cache.
56
57      - Cache coherency.
58      - Cache coherency vs DMA.
59      - Cache coherency vs MMIO.
60
61  (*) The things CPUs get up to.
62
63      - And then there's the Alpha.
64
65  (*) Example uses.
66
67      - Circular buffers.
68
69  (*) References.
70
71
72 ============================
73 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
74 ============================
75
76 Consider the following abstract model of the system:
77
78                             :                :
79                             :                :
80                             :                :
81                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
82                 |       |   :   |        |   :   |       |
83                 |       |   :   |        |   :   |       |
84                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
85                 |       |   :   |        |   :   |       |
86                 |       |   :   |        |   :   |       |
87                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
88                     ^       :       ^        :       ^
89                     |       :       |        :       |
90                     |       :       |        :       |
91                     |       :       v        :       |
92                     |       :   +--------+   :       |
93                     |       :   |        |   :       |
94                     |       :   |        |   :       |
95                     +---------->| Device |<----------+
96                             :   |        |   :
97                             :   |        |   :
98                             :   +--------+   :
99                             :                :
100
101 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
102 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
103 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
104 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
105 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
106 apparent operation of the program.
107
108 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
109 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
110 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
111
112
113 For example, consider the following sequence of events:
114
115         CPU 1           CPU 2
116         =============== ===============
117         { A == 1; B == 2 }
118         A = 3;          x = B;
119         B = 4;          y = A;
120
121 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
122 in 24 different combinations:
123
124         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
125         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD B->4,    y=LOAD A->3
126         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    STORE B=4,      x=LOAD B->4
127         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->2,    STORE B=4
128         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    STORE B=4,      y=LOAD A->3
129         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    y=LOAD A->3,    STORE B=4
130         STORE B=4,      STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
131         STORE B=4, ...
132         ...
133
134 and can thus result in four different combinations of values:
135
136         x == 2, y == 1
137         x == 2, y == 3
138         x == 4, y == 1
139         x == 4, y == 3
140
141
142 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
143 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
144 committed.
145
146
147 As a further example, consider this sequence of events:
148
149         CPU 1           CPU 2
150         =============== ===============
151         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
152         B = 4;          Q = P;
153         P = &B          D = *Q;
154
155 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
156 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
157 following results are possible:
158
159         (Q == &A) and (D == 1)
160         (Q == &B) and (D == 2)
161         (Q == &B) and (D == 4)
162
163 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
164 into Q before issuing the load of *Q.
165
166
167 DEVICE OPERATIONS
168 -----------------
169
170 Some devices present their control interfaces as collections of memory
171 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
172 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
173 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
174 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
175 be used:
176
177         *A = 5;
178         x = *D;
179
180 but this might show up as either of the following two sequences:
181
182         STORE *A = 5, x = LOAD *D
183         x = LOAD *D, STORE *A = 5
184
185 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
186 the address _after_ attempting to read the register.
187
188
189 GUARANTEES
190 ----------
191
192 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
193
194  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
195      respect to itself.  This means that for:
196
197         Q = READ_ONCE(P); smp_read_barrier_depends(); D = READ_ONCE(*Q);
198
199      the CPU will issue the following memory operations:
200
201         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
202
203      and always in that order.  On most systems, smp_read_barrier_depends()
204      does nothing, but it is required for DEC Alpha.  The READ_ONCE()
205      is required to prevent compiler mischief.  Please note that you
206      should normally use something like rcu_dereference() instead of
207      open-coding smp_read_barrier_depends().
208
209  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
210      ordered within that CPU.  This means that for:
211
212         a = READ_ONCE(*X); WRITE_ONCE(*X, b);
213
214      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
215
216         a = LOAD *X, STORE *X = b
217
218      And for:
219
220         WRITE_ONCE(*X, c); d = READ_ONCE(*X);
221
222      the CPU will only issue:
223
224         STORE *X = c, d = LOAD *X
225
226      (Loads and stores overlap if they are targeted at overlapping pieces of
227      memory).
228
229 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
230
231  (*) It _must_not_ be assumed that the compiler will do what you want
232      with memory references that are not protected by READ_ONCE() and
233      WRITE_ONCE().  Without them, the compiler is within its rights to
234      do all sorts of "creative" transformations, which are covered in
235      the COMPILER BARRIER section.
236
237  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
238      in the order given.  This means that for:
239
240         X = *A; Y = *B; *D = Z;
241
242      we may get any of the following sequences:
243
244         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
245         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
246         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
247         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
248         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
249         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
250
251  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
252      discarded.  This means that for:
253
254         X = *A; Y = *(A + 4);
255
256      we may get any one of the following sequences:
257
258         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
259         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
260         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
261
262      And for:
263
264         *A = X; *(A + 4) = Y;
265
266      we may get any of:
267
268         STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
269         STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
270         STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
271
272 And there are anti-guarantees:
273
274  (*) These guarantees do not apply to bitfields, because compilers often
275      generate code to modify these using non-atomic read-modify-write
276      sequences.  Do not attempt to use bitfields to synchronize parallel
277      algorithms.
278
279  (*) Even in cases where bitfields are protected by locks, all fields
280      in a given bitfield must be protected by one lock.  If two fields
281      in a given bitfield are protected by different locks, the compiler's
282      non-atomic read-modify-write sequences can cause an update to one
283      field to corrupt the value of an adjacent field.
284
285  (*) These guarantees apply only to properly aligned and sized scalar
286      variables.  "Properly sized" currently means variables that are
287      the same size as "char", "short", "int" and "long".  "Properly
288      aligned" means the natural alignment, thus no constraints for
289      "char", two-byte alignment for "short", four-byte alignment for
290      "int", and either four-byte or eight-byte alignment for "long",
291      on 32-bit and 64-bit systems, respectively.  Note that these
292      guarantees were introduced into the C11 standard, so beware when
293      using older pre-C11 compilers (for example, gcc 4.6).  The portion
294      of the standard containing this guarantee is Section 3.14, which
295      defines "memory location" as follows:
296
297         memory location
298                 either an object of scalar type, or a maximal sequence
299                 of adjacent bit-fields all having nonzero width
300
301                 NOTE 1: Two threads of execution can update and access
302                 separate memory locations without interfering with
303                 each other.
304
305                 NOTE 2: A bit-field and an adjacent non-bit-field member
306                 are in separate memory locations. The same applies
307                 to two bit-fields, if one is declared inside a nested
308                 structure declaration and the other is not, or if the two
309                 are separated by a zero-length bit-field declaration,
310                 or if they are separated by a non-bit-field member
311                 declaration. It is not safe to concurrently update two
312                 bit-fields in the same structure if all members declared
313                 between them are also bit-fields, no matter what the
314                 sizes of those intervening bit-fields happen to be.
315
316
317 =========================
318 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
319 =========================
320
321 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
322 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
323 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
324 CPU to restrict the order.
325
326 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
327 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
328
329 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
330 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
331 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
332 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
333 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
334 interaction of multiple CPUs and/or devices.
335
336
337 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
338 ---------------------------
339
340 Memory barriers come in four basic varieties:
341
342  (1) Write (or store) memory barriers.
343
344      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
345      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
346      operations specified after the barrier with respect to the other
347      components of the system.
348
349      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
350      to have any effect on loads.
351
352      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
353      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
354      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
355
356      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
357      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
358
359
360  (2) Data dependency barriers.
361
362      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
363      where two loads are performed such that the second depends on the result
364      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
365      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
366      make sure that the target of the second load is updated before the address
367      obtained by the first load is accessed.
368
369      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
370      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
371      or overlapping loads.
372
373      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
374      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
375      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
376      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
377      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
378      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
379      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
380      dependency barrier.
381
382      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
383      showing the ordering constraints.
384
385      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
386      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
387      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
388      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
389      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
390      subsection for more information.
391
392      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
393      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
394
395
396  (3) Read (or load) memory barriers.
397
398      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
399      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
400      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
401      other components of the system.
402
403      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
404      have any effect on stores.
405
406      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
407      for them.
408
409      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
410      see the "SMP barrier pairing" subsection.
411
412
413  (4) General memory barriers.
414
415      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
416      operations specified before the barrier will appear to happen before all
417      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
418      the other components of the system.
419
420      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
421
422      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
423      can substitute for either.
424
425
426 And a couple of implicit varieties:
427
428  (5) ACQUIRE operations.
429
430      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
431      operations after the ACQUIRE operation will appear to happen after the
432      ACQUIRE operation with respect to the other components of the system.
433      ACQUIRE operations include LOCK operations and smp_load_acquire()
434      operations.
435
436      Memory operations that occur before an ACQUIRE operation may appear to
437      happen after it completes.
438
439      An ACQUIRE operation should almost always be paired with a RELEASE
440      operation.
441
442
443  (6) RELEASE operations.
444
445      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
446      memory operations before the RELEASE operation will appear to happen
447      before the RELEASE operation with respect to the other components of the
448      system. RELEASE operations include UNLOCK operations and
449      smp_store_release() operations.
450
451      Memory operations that occur after a RELEASE operation may appear to
452      happen before it completes.
453
454      The use of ACQUIRE and RELEASE operations generally precludes the need
455      for other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in
456      the subsection "MMIO write barrier").  In addition, a RELEASE+ACQUIRE
457      pair is -not- guaranteed to act as a full memory barrier.  However, after
458      an ACQUIRE on a given variable, all memory accesses preceding any prior
459      RELEASE on that same variable are guaranteed to be visible.  In other
460      words, within a given variable's critical section, all accesses of all
461      previous critical sections for that variable are guaranteed to have
462      completed.
463
464      This means that ACQUIRE acts as a minimal "acquire" operation and
465      RELEASE acts as a minimal "release" operation.
466
467
468 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
469 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
470 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
471 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
472
473
474 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
475 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
476 specific code.
477
478
479 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
480 ----------------------------------------------
481
482 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
483
484  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
485      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
486      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
487      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
488
489  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
490      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
491      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
492      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
493
494  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
495      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
496      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
497      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
498
499  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
500      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
501      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
502      between CPUs, but might not do so in order.
503
504         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
505
506             Documentation/PCI/pci.txt
507             Documentation/DMA-API-HOWTO.txt
508             Documentation/DMA-API.txt
509
510
511 DATA DEPENDENCY BARRIERS
512 ------------------------
513
514 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
515 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
516 following sequence of events:
517
518         CPU 1                 CPU 2
519         ===============       ===============
520         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
521         B = 4;
522         <write barrier>
523         WRITE_ONCE(P, &B)
524                               Q = READ_ONCE(P);
525                               D = *Q;
526
527 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
528 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
529
530         (Q == &A) implies (D == 1)
531         (Q == &B) implies (D == 4)
532
533 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
534 leading to the following situation:
535
536         (Q == &B) and (D == 2) ????
537
538 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
539 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
540 Alpha).
541
542 To deal with this, a data dependency barrier or better must be inserted
543 between the address load and the data load:
544
545         CPU 1                 CPU 2
546         ===============       ===============
547         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
548         B = 4;
549         <write barrier>
550         WRITE_ONCE(P, &B);
551                               Q = READ_ONCE(P);
552                               <data dependency barrier>
553                               D = *Q;
554
555 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
556 third possibility from arising.
557
558 A data-dependency barrier must also order against dependent writes:
559
560         CPU 1                 CPU 2
561         ===============       ===============
562         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
563         B = 4;
564         <write barrier>
565         WRITE_ONCE(P, &B);
566                               Q = READ_ONCE(P);
567                               <data dependency barrier>
568                               *Q = 5;
569
570 The data-dependency barrier must order the read into Q with the store
571 into *Q.  This prohibits this outcome:
572
573         (Q == B) && (B == 4)
574
575 Please note that this pattern should be rare.  After all, the whole point
576 of dependency ordering is to -prevent- writes to the data structure, along
577 with the expensive cache misses associated with those writes.  This pattern
578 can be used to record rare error conditions and the like, and the ordering
579 prevents such records from being lost.
580
581
582 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
583 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
584 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
585 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
586 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
587 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
588 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
589 but the old value of the variable B (2).
590
591
592 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
593 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
594 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
595 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
596 target appearing to be incompletely initialised.
597
598 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
599
600
601 CONTROL DEPENDENCIES
602 --------------------
603
604 A load-load control dependency requires a full read memory barrier, not
605 simply a data dependency barrier to make it work correctly.  Consider the
606 following bit of code:
607
608         q = READ_ONCE(a);
609         if (q) {
610                 <data dependency barrier>  /* BUG: No data dependency!!! */
611                 p = READ_ONCE(b);
612         }
613
614 This will not have the desired effect because there is no actual data
615 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
616 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
617 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
618 case what's actually required is:
619
620         q = READ_ONCE(a);
621         if (q) {
622                 <read barrier>
623                 p = READ_ONCE(b);
624         }
625
626 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
627 for load-store control dependencies, as in the following example:
628
629         q = READ_ONCE(a);
630         if (q) {
631                 WRITE_ONCE(b, p);
632         }
633
634 Control dependencies pair normally with other types of barriers.  That
635 said, please note that READ_ONCE() is not optional! Without the
636 READ_ONCE(), the compiler might combine the load from 'a' with other
637 loads from 'a', and the store to 'b' with other stores to 'b', with
638 possible highly counterintuitive effects on ordering.
639
640 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
641 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
642 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
643 as follows:
644
645         q = a;
646         b = p;  /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */
647
648 So don't leave out the READ_ONCE().
649
650 It is tempting to try to enforce ordering on identical stores on both
651 branches of the "if" statement as follows:
652
653         q = READ_ONCE(a);
654         if (q) {
655                 barrier();
656                 WRITE_ONCE(b, p);
657                 do_something();
658         } else {
659                 barrier();
660                 WRITE_ONCE(b, p);
661                 do_something_else();
662         }
663
664 Unfortunately, current compilers will transform this as follows at high
665 optimization levels:
666
667         q = READ_ONCE(a);
668         barrier();
669         WRITE_ONCE(b, p);  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
670         if (q) {
671                 /* WRITE_ONCE(b, p); -- moved up, BUG!!! */
672                 do_something();
673         } else {
674                 /* WRITE_ONCE(b, p); -- moved up, BUG!!! */
675                 do_something_else();
676         }
677
678 Now there is no conditional between the load from 'a' and the store to
679 'b', which means that the CPU is within its rights to reorder them:
680 The conditional is absolutely required, and must be present in the
681 assembly code even after all compiler optimizations have been applied.
682 Therefore, if you need ordering in this example, you need explicit
683 memory barriers, for example, smp_store_release():
684
685         q = READ_ONCE(a);
686         if (q) {
687                 smp_store_release(&b, p);
688                 do_something();
689         } else {
690                 smp_store_release(&b, p);
691                 do_something_else();
692         }
693
694 In contrast, without explicit memory barriers, two-legged-if control
695 ordering is guaranteed only when the stores differ, for example:
696
697         q = READ_ONCE(a);
698         if (q) {
699                 WRITE_ONCE(b, p);
700                 do_something();
701         } else {
702                 WRITE_ONCE(b, r);
703                 do_something_else();
704         }
705
706 The initial READ_ONCE() is still required to prevent the compiler from
707 proving the value of 'a'.
708
709 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
710 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
711 the needed conditional.  For example:
712
713         q = READ_ONCE(a);
714         if (q % MAX) {
715                 WRITE_ONCE(b, p);
716                 do_something();
717         } else {
718                 WRITE_ONCE(b, r);
719                 do_something_else();
720         }
721
722 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
723 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
724 transform the above code into the following:
725
726         q = READ_ONCE(a);
727         WRITE_ONCE(b, p);
728         do_something_else();
729
730 Given this transformation, the CPU is not required to respect the ordering
731 between the load from variable 'a' and the store to variable 'b'.  It is
732 tempting to add a barrier(), but this does not help.  The conditional
733 is gone, and the barrier won't bring it back.  Therefore, if you are
734 relying on this ordering, you should make sure that MAX is greater than
735 one, perhaps as follows:
736
737         q = READ_ONCE(a);
738         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
739         if (q % MAX) {
740                 WRITE_ONCE(b, p);
741                 do_something();
742         } else {
743                 WRITE_ONCE(b, r);
744                 do_something_else();
745         }
746
747 Please note once again that the stores to 'b' differ.  If they were
748 identical, as noted earlier, the compiler could pull this store outside
749 of the 'if' statement.
750
751 You must also be careful not to rely too much on boolean short-circuit
752 evaluation.  Consider this example:
753
754         q = READ_ONCE(a);
755         if (q || 1 > 0)
756                 WRITE_ONCE(b, 1);
757
758 Because the first condition cannot fault and the second condition is
759 always true, the compiler can transform this example as following,
760 defeating control dependency:
761
762         q = READ_ONCE(a);
763         WRITE_ONCE(b, 1);
764
765 This example underscores the need to ensure that the compiler cannot
766 out-guess your code.  More generally, although READ_ONCE() does force
767 the compiler to actually emit code for a given load, it does not force
768 the compiler to use the results.
769
770 Finally, control dependencies do -not- provide transitivity.  This is
771 demonstrated by two related examples, with the initial values of
772 x and y both being zero:
773
774         CPU 0                     CPU 1
775         =======================   =======================
776         r1 = READ_ONCE(x);        r2 = READ_ONCE(y);
777         if (r1 > 0)               if (r2 > 0)
778           WRITE_ONCE(y, 1);         WRITE_ONCE(x, 1);
779
780         assert(!(r1 == 1 && r2 == 1));
781
782 The above two-CPU example will never trigger the assert().  However,
783 if control dependencies guaranteed transitivity (which they do not),
784 then adding the following CPU would guarantee a related assertion:
785
786         CPU 2
787         =====================
788         WRITE_ONCE(x, 2);
789
790         assert(!(r1 == 2 && r2 == 1 && x == 2)); /* FAILS!!! */
791
792 But because control dependencies do -not- provide transitivity, the above
793 assertion can fail after the combined three-CPU example completes.  If you
794 need the three-CPU example to provide ordering, you will need smp_mb()
795 between the loads and stores in the CPU 0 and CPU 1 code fragments,
796 that is, just before or just after the "if" statements.  Furthermore,
797 the original two-CPU example is very fragile and should be avoided.
798
799 These two examples are the LB and WWC litmus tests from this paper:
800 http://www.cl.cam.ac.uk/users/pes20/ppc-supplemental/test6.pdf and this
801 site: https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/ppcmem/index.html.
802
803 In summary:
804
805   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
806       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
807       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
808       later anything.  If you need these other forms of ordering,
809       use smp_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
810       later loads, smp_mb().
811
812   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores to
813       the same variable, then those stores must be ordered, either by
814       preceding both of them with smp_mb() or by using smp_store_release()
815       to carry out the stores.  Please note that it is -not- sufficient
816       to use barrier() at beginning of each leg of the "if" statement,
817       as optimizing compilers do not necessarily respect barrier()
818       in this case.
819
820   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
821       between the prior load and the subsequent store, and this
822       conditional must involve the prior load.  If the compiler is able
823       to optimize the conditional away, it will have also optimized
824       away the ordering.  Careful use of READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
825       can help to preserve the needed conditional.
826
827   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
828       dependency into nonexistence.  Careful use of READ_ONCE() or
829       atomic{,64}_read() can help to preserve your control dependency.
830       Please see the COMPILER BARRIER section for more information.
831
832   (*) Control dependencies pair normally with other types of barriers.
833
834   (*) Control dependencies do -not- provide transitivity.  If you
835       need transitivity, use smp_mb().
836
837
838 SMP BARRIER PAIRING
839 -------------------
840
841 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
842 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
843
844 General barriers pair with each other, though they also pair with most
845 other types of barriers, albeit without transitivity.  An acquire barrier
846 pairs with a release barrier, but both may also pair with other barriers,
847 including of course general barriers.  A write barrier pairs with a data
848 dependency barrier, a control dependency, an acquire barrier, a release
849 barrier, a read barrier, or a general barrier.  Similarly a read barrier,
850 control dependency, or a data dependency barrier pairs with a write
851 barrier, an acquire barrier, a release barrier, or a general barrier:
852
853         CPU 1                 CPU 2
854         ===============       ===============
855         WRITE_ONCE(a, 1);
856         <write barrier>
857         WRITE_ONCE(b, 2);     x = READ_ONCE(b);
858                               <read barrier>
859                               y = READ_ONCE(a);
860
861 Or:
862
863         CPU 1                 CPU 2
864         ===============       ===============================
865         a = 1;
866         <write barrier>
867         WRITE_ONCE(b, &a);    x = READ_ONCE(b);
868                               <data dependency barrier>
869                               y = *x;
870
871 Or even:
872
873         CPU 1                 CPU 2
874         ===============       ===============================
875         r1 = READ_ONCE(y);
876         <general barrier>
877         WRITE_ONCE(y, 1);     if (r2 = READ_ONCE(x)) {
878                                  <implicit control dependency>
879                                  WRITE_ONCE(y, 1);
880                               }
881
882         assert(r1 == 0 || r2 == 0);
883
884 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
885 the "weaker" type.
886
887 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
888 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
889 versa:
890
891         CPU 1                               CPU 2
892         ===================                 ===================
893         WRITE_ONCE(a, 1);    }----   --->{  v = READ_ONCE(c);
894         WRITE_ONCE(b, 2);    }    \ /    {  w = READ_ONCE(d);
895         <write barrier>            \        <read barrier>
896         WRITE_ONCE(c, 3);    }    / \    {  x = READ_ONCE(a);
897         WRITE_ONCE(d, 4);    }----   --->{  y = READ_ONCE(b);
898
899
900 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
901 ------------------------------------
902
903 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
904 Consider the following sequence of events:
905
906         CPU 1
907         =======================
908         STORE A = 1
909         STORE B = 2
910         STORE C = 3
911         <write barrier>
912         STORE D = 4
913         STORE E = 5
914
915 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
916 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
917 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
918 }:
919
920         +-------+       :      :
921         |       |       +------+
922         |       |------>| C=3  |     }     /\
923         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
924         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
925         |       |  :    +------+     }
926         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
927         |       |       +------+     }
928         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
929         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
930         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
931         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
932         |       |------>| D=4  |     }
933         |       |       +------+
934         +-------+       :      :
935                            |
936                            | Sequence in which stores are committed to the
937                            | memory system by CPU 1
938                            V
939
940
941 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
942 loads.  Consider the following sequence of events:
943
944         CPU 1                   CPU 2
945         ======================= =======================
946                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
947         STORE A = 1
948         STORE B = 2
949         <write barrier>
950         STORE C = &B            LOAD X
951         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
952                                 LOAD *C (reads B)
953
954 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
955 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
956
957         +-------+       :      :                :       :
958         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
959         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
960         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
961         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
962         |       |       +------+       |        +-------+
963         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
964         |       |       +------+       |        :       :
965         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
966         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
967         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
968         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
969         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
970                                        |        :       :       |       |
971                                        |        :       :       | CPU 2 |
972                                        |        +-------+       |       |
973             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
974             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
975                                        |        :       :       |       |
976                                        |        +-------+       |       |
977             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
978             up the maintenance           \      +-------+       |       |
979             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
980                                                 +-------+
981                                                 :       :
982
983
984 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
985 (which would be B) coming after the LOAD of C.
986
987 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
988 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
989
990         CPU 1                   CPU 2
991         ======================= =======================
992                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
993         STORE A = 1
994         STORE B = 2
995         <write barrier>
996         STORE C = &B            LOAD X
997         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
998                                 <data dependency barrier>
999                                 LOAD *C (reads B)
1000
1001 then the following will occur:
1002
1003         +-------+       :      :                :       :
1004         |       |       +------+                +-------+
1005         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
1006         |       |  :    +------+     \          +-------+
1007         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
1008         |       |       +------+       |        +-------+
1009         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1010         |       |       +------+       |        :       :
1011         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1012         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1013         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1014         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1015         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1016                                        |        :       :       |       |
1017                                        |        :       :       | CPU 2 |
1018                                        |        +-------+       |       |
1019                                        |        | X->9  |------>|       |
1020                                        |        +-------+       |       |
1021           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
1022           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
1023           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
1024           subsequent loads                      +-------+       |       |
1025                                                 :       :       +-------+
1026
1027
1028 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
1029 following sequence of events:
1030
1031         CPU 1                   CPU 2
1032         ======================= =======================
1033                 { A = 0, B = 9 }
1034         STORE A=1
1035         <write barrier>
1036         STORE B=2
1037                                 LOAD B
1038                                 LOAD A
1039
1040 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
1041 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1042
1043         +-------+       :      :                :       :
1044         |       |       +------+                +-------+
1045         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1046         |       |       +------+      \         +-------+
1047         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1048         |       |       +------+        |       +-------+
1049         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1050         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1051         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1052                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1053                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1054                                         |       | A->0  |------>|       |
1055                                         |       +-------+       |       |
1056                                         |       :       :       +-------+
1057                                          \      :       :
1058                                           \     +-------+
1059                                            ---->| A->1  |
1060                                                 +-------+
1061                                                 :       :
1062
1063
1064 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
1065 load of A on CPU 2:
1066
1067         CPU 1                   CPU 2
1068         ======================= =======================
1069                 { A = 0, B = 9 }
1070         STORE A=1
1071         <write barrier>
1072         STORE B=2
1073                                 LOAD B
1074                                 <read barrier>
1075                                 LOAD A
1076
1077 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
1078 2:
1079
1080         +-------+       :      :                :       :
1081         |       |       +------+                +-------+
1082         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1083         |       |       +------+      \         +-------+
1084         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1085         |       |       +------+        |       +-------+
1086         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1087         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1088         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1089                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1090                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1091                                         |       :       :       |       |
1092                                         |       :       :       |       |
1093           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1094           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1095           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1096           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1097                                                 :       :       +-------+
1098
1099
1100 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1101 contained a load of A either side of the read barrier:
1102
1103         CPU 1                   CPU 2
1104         ======================= =======================
1105                 { A = 0, B = 9 }
1106         STORE A=1
1107         <write barrier>
1108         STORE B=2
1109                                 LOAD B
1110                                 LOAD A [first load of A]
1111                                 <read barrier>
1112                                 LOAD A [second load of A]
1113
1114 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1115 come up with different values:
1116
1117         +-------+       :      :                :       :
1118         |       |       +------+                +-------+
1119         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1120         |       |       +------+      \         +-------+
1121         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1122         |       |       +------+        |       +-------+
1123         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1124         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1125         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1126                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1127                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1128                                         |       :       :       |       |
1129                                         |       :       :       |       |
1130                                         |       +-------+       |       |
1131                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1132                                         |       +-------+       |       |
1133           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1134           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1135           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1136           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1137                                                 :       :       +-------+
1138
1139
1140 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1141 before the read barrier completes anyway:
1142
1143         +-------+       :      :                :       :
1144         |       |       +------+                +-------+
1145         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1146         |       |       +------+      \         +-------+
1147         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1148         |       |       +------+        |       +-------+
1149         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1150         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1151         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1152                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1153                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1154                                         |       :       :       |       |
1155                                          \      :       :       |       |
1156                                           \     +-------+       |       |
1157                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1158                                                 +-------+       |       |
1159                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1160                                                 +-------+       |       |
1161                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1162                                                 +-------+       |       |
1163                                                 :       :       +-------+
1164
1165
1166 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1167 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1168 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1169
1170
1171 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1172 ----------------------------------------
1173
1174 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1175 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1176 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1177 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1178 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1179 already has the value to hand.
1180
1181 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1182 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1183 cache it for later use.
1184
1185 Consider:
1186
1187         CPU 1                   CPU 2
1188         ======================= =======================
1189                                 LOAD B
1190                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1191                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1192                                 LOAD A
1193
1194 Which might appear as this:
1195
1196                                                 :       :       +-------+
1197                                                 +-------+       |       |
1198                                             --->| B->2  |------>|       |
1199                                                 +-------+       | CPU 2 |
1200                                                 :       :DIVIDE |       |
1201                                                 +-------+       |       |
1202         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1203         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1204         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1205                                                 :       :DIVIDE |       |
1206                                                 :       :   ~   |       |
1207         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1208         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1209         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1210
1211
1212 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1213 load:
1214
1215         CPU 1                   CPU 2
1216         ======================= =======================
1217                                 LOAD B
1218                                 DIVIDE
1219                                 DIVIDE
1220                                 <read barrier>
1221                                 LOAD A
1222
1223 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1224 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1225 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1226
1227                                                 :       :       +-------+
1228                                                 +-------+       |       |
1229                                             --->| B->2  |------>|       |
1230                                                 +-------+       | CPU 2 |
1231                                                 :       :DIVIDE |       |
1232                                                 +-------+       |       |
1233         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1234         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1235         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1236                                                 :       :DIVIDE |       |
1237                                                 :       :   ~   |       |
1238                                                 :       :   ~   |       |
1239                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1240                                                 :       :   ~   |       |
1241                                                 :       :   ~-->|       |
1242                                                 :       :       |       |
1243                                                 :       :       +-------+
1244
1245
1246 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1247 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1248
1249                                                 :       :       +-------+
1250                                                 +-------+       |       |
1251                                             --->| B->2  |------>|       |
1252                                                 +-------+       | CPU 2 |
1253                                                 :       :DIVIDE |       |
1254                                                 +-------+       |       |
1255         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1256         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1257         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1258                                                 :       :DIVIDE |       |
1259                                                 :       :   ~   |       |
1260                                                 :       :   ~   |       |
1261                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1262                                                 +-------+       |       |
1263         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1264         and an updated value is                 +-------+       |       |
1265         retrieved                               :       :       +-------+
1266
1267
1268 TRANSITIVITY
1269 ------------
1270
1271 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1272 always provided by real computer systems.  The following example
1273 demonstrates transitivity:
1274
1275         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1276         ======================= ======================= =======================
1277                 { X = 0, Y = 0 }
1278         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1279                                 <general barrier>       <general barrier>
1280                                 LOAD Y                  LOAD X
1281
1282 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1283 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1284 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1285 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1286
1287 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1288 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1289 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1290 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1291 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1292 or must return some later value.
1293
1294 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1295 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1296 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1297 also return 1.
1298
1299 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1300 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1301 is changed to a read barrier as shown below:
1302
1303         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1304         ======================= ======================= =======================
1305                 { X = 0, Y = 0 }
1306         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1307                                 <read barrier>          <general barrier>
1308                                 LOAD Y                  LOAD X
1309
1310 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1311 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1312 and CPU 3's load from X to return 0.
1313
1314 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1315 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1316 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1317 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1318 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1319 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1320
1321 General barriers provide "global transitivity", so that all CPUs will
1322 agree on the order of operations.  In contrast, a chain of release-acquire
1323 pairs provides only "local transitivity", so that only those CPUs on
1324 the chain are guaranteed to agree on the combined order of the accesses.
1325 For example, switching to C code in deference to Herman Hollerith:
1326
1327         int u, v, x, y, z;
1328
1329         void cpu0(void)
1330         {
1331                 r0 = smp_load_acquire(&x);
1332                 WRITE_ONCE(u, 1);
1333                 smp_store_release(&y, 1);
1334         }
1335
1336         void cpu1(void)
1337         {
1338                 r1 = smp_load_acquire(&y);
1339                 r4 = READ_ONCE(v);
1340                 r5 = READ_ONCE(u);
1341                 smp_store_release(&z, 1);
1342         }
1343
1344         void cpu2(void)
1345         {
1346                 r2 = smp_load_acquire(&z);
1347                 smp_store_release(&x, 1);
1348         }
1349
1350         void cpu3(void)
1351         {
1352                 WRITE_ONCE(v, 1);
1353                 smp_mb();
1354                 r3 = READ_ONCE(u);
1355         }
1356
1357 Because cpu0(), cpu1(), and cpu2() participate in a local transitive
1358 chain of smp_store_release()/smp_load_acquire() pairs, the following
1359 outcome is prohibited:
1360
1361         r0 == 1 && r1 == 1 && r2 == 1
1362
1363 Furthermore, because of the release-acquire relationship between cpu0()
1364 and cpu1(), cpu1() must see cpu0()'s writes, so that the following
1365 outcome is prohibited:
1366
1367         r1 == 1 && r5 == 0
1368
1369 However, the transitivity of release-acquire is local to the participating
1370 CPUs and does not apply to cpu3().  Therefore, the following outcome
1371 is possible:
1372
1373         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0
1374
1375 As an aside, the following outcome is also possible:
1376
1377         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 && r5 == 1
1378
1379 Although cpu0(), cpu1(), and cpu2() will see their respective reads and
1380 writes in order, CPUs not involved in the release-acquire chain might
1381 well disagree on the order.  This disagreement stems from the fact that
1382 the weak memory-barrier instructions used to implement smp_load_acquire()
1383 and smp_store_release() are not required to order prior stores against
1384 subsequent loads in all cases.  This means that cpu3() can see cpu0()'s
1385 store to u as happening -after- cpu1()'s load from v, even though
1386 both cpu0() and cpu1() agree that these two operations occurred in the
1387 intended order.
1388
1389 However, please keep in mind that smp_load_acquire() is not magic.
1390 In particular, it simply reads from its argument with ordering.  It does
1391 -not- ensure that any particular value will be read.  Therefore, the
1392 following outcome is possible:
1393
1394         r0 == 0 && r1 == 0 && r2 == 0 && r5 == 0
1395
1396 Note that this outcome can happen even on a mythical sequentially
1397 consistent system where nothing is ever reordered.
1398
1399 To reiterate, if your code requires global transitivity, use general
1400 barriers throughout.
1401
1402
1403 ========================
1404 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1405 ========================
1406
1407 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1408 levels:
1409
1410   (*) Compiler barrier.
1411
1412   (*) CPU memory barriers.
1413
1414   (*) MMIO write barrier.
1415
1416
1417 COMPILER BARRIER
1418 ----------------
1419
1420 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1421 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1422
1423         barrier();
1424
1425 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write
1426 variants of barrier().  However, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() can be
1427 thought of as weak forms of barrier() that affect only the specific
1428 accesses flagged by the READ_ONCE() or WRITE_ONCE().
1429
1430 The barrier() function has the following effects:
1431
1432  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1433      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1434      One example use for this property is to ease communication between
1435      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1436
1437  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1438      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1439
1440 The READ_ONCE() and WRITE_ONCE() functions can prevent any number of
1441 optimizations that, while perfectly safe in single-threaded code, can
1442 be fatal in concurrent code.  Here are some examples of these sorts
1443 of optimizations:
1444
1445  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1446      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1447      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1448      the following code:
1449
1450         a[0] = x;
1451         a[1] = x;
1452
1453      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1454      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1455
1456         a[0] = READ_ONCE(x);
1457         a[1] = READ_ONCE(x);
1458
1459      In short, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() provide cache coherence for
1460      accesses from multiple CPUs to a single variable.
1461
1462  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1463      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1464      the following code:
1465
1466         while (tmp = a)
1467                 do_something_with(tmp);
1468
1469      into the following code, which, although in some sense legitimate
1470      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1471      intended:
1472
1473         if (tmp = a)
1474                 for (;;)
1475                         do_something_with(tmp);
1476
1477      Use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1478
1479         while (tmp = READ_ONCE(a))
1480                 do_something_with(tmp);
1481
1482  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1483      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1484      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1485      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1486
1487         while (tmp = a)
1488                 do_something_with(tmp);
1489
1490      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1491      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1492
1493         while (a)
1494                 do_something_with(a);
1495
1496      For example, the optimized version of this code could result in
1497      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1498      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1499      the call to do_something_with().
1500
1501      Again, use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1502
1503         while (tmp = READ_ONCE(a))
1504                 do_something_with(tmp);
1505
1506      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1507      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1508      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1509      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1510      where it is not safe.
1511
1512  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1513      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1514      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1515
1516         while (tmp = a)
1517                 do_something_with(tmp);
1518
1519      Into this:
1520
1521         do { } while (0);
1522
1523      This transformation is a win for single-threaded code because it
1524      gets rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler
1525      will carry out its proof assuming that the current CPU is the only
1526      one updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the
1527      compiler's proof will be erroneous.  Use READ_ONCE() to tell the
1528      compiler that it doesn't know as much as it thinks it does:
1529
1530         while (tmp = READ_ONCE(a))
1531                 do_something_with(tmp);
1532
1533      But please note that the compiler is also closely watching what you
1534      do with the value after the READ_ONCE().  For example, suppose you
1535      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1536
1537         while ((tmp = READ_ONCE(a)) % MAX)
1538                 do_something_with(tmp);
1539
1540      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1541      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1542      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1543      variable 'a'.)
1544
1545  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1546      if it knows that the variable already has the value being stored.
1547      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1548      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1549      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1550      the following:
1551
1552         a = 0;
1553         ... Code that does not store to variable a ...
1554         a = 0;
1555
1556      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1557      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1558      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1559      meantime.
1560
1561      Use WRITE_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1562      wrong guess:
1563
1564         WRITE_ONCE(a, 0);
1565         ... Code that does not store to variable a ...
1566         WRITE_ONCE(a, 0);
1567
1568  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1569      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1570      between process-level code and an interrupt handler:
1571
1572         void process_level(void)
1573         {
1574                 msg = get_message();
1575                 flag = true;
1576         }
1577
1578         void interrupt_handler(void)
1579         {
1580                 if (flag)
1581                         process_message(msg);
1582         }
1583
1584      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1585      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1586      win for single-threaded code:
1587
1588         void process_level(void)
1589         {
1590                 flag = true;
1591                 msg = get_message();
1592         }
1593
1594      If the interrupt occurs between these two statement, then
1595      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use WRITE_ONCE()
1596      to prevent this as follows:
1597
1598         void process_level(void)
1599         {
1600                 WRITE_ONCE(msg, get_message());
1601                 WRITE_ONCE(flag, true);
1602         }
1603
1604         void interrupt_handler(void)
1605         {
1606                 if (READ_ONCE(flag))
1607                         process_message(READ_ONCE(msg));
1608         }
1609
1610      Note that the READ_ONCE() and WRITE_ONCE() wrappers in
1611      interrupt_handler() are needed if this interrupt handler can itself
1612      be interrupted by something that also accesses 'flag' and 'msg',
1613      for example, a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, READ_ONCE()
1614      and WRITE_ONCE() are not needed in interrupt_handler() other than
1615      for documentation purposes.  (Note also that nested interrupts
1616      do not typically occur in modern Linux kernels, in fact, if an
1617      interrupt handler returns with interrupts enabled, you will get a
1618      WARN_ONCE() splat.)
1619
1620      You should assume that the compiler can move READ_ONCE() and
1621      WRITE_ONCE() past code not containing READ_ONCE(), WRITE_ONCE(),
1622      barrier(), or similar primitives.
1623
1624      This effect could also be achieved using barrier(), but READ_ONCE()
1625      and WRITE_ONCE() are more selective:  With READ_ONCE() and
1626      WRITE_ONCE(), the compiler need only forget the contents of the
1627      indicated memory locations, while with barrier() the compiler must
1628      discard the value of all memory locations that it has currented
1629      cached in any machine registers.  Of course, the compiler must also
1630      respect the order in which the READ_ONCE()s and WRITE_ONCE()s occur,
1631      though the CPU of course need not do so.
1632
1633  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1634      as in the following example:
1635
1636         if (a)
1637                 b = a;
1638         else
1639                 b = 42;
1640
1641      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1642
1643         b = 42;
1644         if (a)
1645                 b = a;
1646
1647      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1648      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1649      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1650      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1651      Use WRITE_ONCE() to prevent this as follows:
1652
1653         if (a)
1654                 WRITE_ONCE(b, a);
1655         else
1656                 WRITE_ONCE(b, 42);
1657
1658      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1659      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1660      poor performance and scalability.  Use READ_ONCE() to prevent
1661      invented loads.
1662
1663  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1664      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1665      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1666      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1667      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1668      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1669      implement the following 32-bit store:
1670
1671         p = 0x00010002;
1672
1673      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1674      which is not surprising given that it would likely take more
1675      than two instructions to build the constant and then store it.
1676      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1677      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1678      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1679      use of WRITE_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1680
1681         WRITE_ONCE(p, 0x00010002);
1682
1683      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1684      as in this example:
1685
1686         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1687                 short a;
1688                 int b;
1689                 short c;
1690         };
1691         struct foo foo1, foo2;
1692         ...
1693
1694         foo2.a = foo1.a;
1695         foo2.b = foo1.b;
1696         foo2.c = foo1.c;
1697
1698      Because there are no READ_ONCE() or WRITE_ONCE() wrappers and no
1699      volatile markings, the compiler would be well within its rights to
1700      implement these three assignment statements as a pair of 32-bit
1701      loads followed by a pair of 32-bit stores.  This would result in
1702      load tearing on 'foo1.b' and store tearing on 'foo2.b'.  READ_ONCE()
1703      and WRITE_ONCE() again prevent tearing in this example:
1704
1705         foo2.a = foo1.a;
1706         WRITE_ONCE(foo2.b, READ_ONCE(foo1.b));
1707         foo2.c = foo1.c;
1708
1709 All that aside, it is never necessary to use READ_ONCE() and
1710 WRITE_ONCE() on a variable that has been marked volatile.  For example,
1711 because 'jiffies' is marked volatile, it is never necessary to
1712 say READ_ONCE(jiffies).  The reason for this is that READ_ONCE() and
1713 WRITE_ONCE() are implemented as volatile casts, which has no effect when
1714 its argument is already marked volatile.
1715
1716 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1717 which may then reorder things however it wishes.
1718
1719
1720 CPU MEMORY BARRIERS
1721 -------------------
1722
1723 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1724
1725         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1726         =============== ======================= ===========================
1727         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1728         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1729         READ            rmb()                   smp_rmb()
1730         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1731
1732
1733 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1734 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1735
1736 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected
1737 to issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load
1738 the value of b before loading a[b]), however there is no guarantee in
1739 the C specification that the compiler may not speculate the value of b
1740 (eg. is equal to 1) and load a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1)
1741 tmp = a[b]; ). There is also the problem of a compiler reloading b after
1742 having loaded a[b], thus having a newer copy of b than a[b]. A consensus
1743 has not yet been reached about these problems, however the READ_ONCE()
1744 macro is a good place to start looking.
1745
1746 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1747 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1748 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1749 However, see the subsection on "Virtual Machine Guests" below.
1750
1751 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1752 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1753 is sufficient.
1754
1755 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1756 barriers impose unnecessary overhead on both SMP and UP systems. They may,
1757 however, be used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O
1758 windows.  These barriers are required even on non-SMP systems as they affect
1759 the order in which memory operations appear to a device by prohibiting both the
1760 compiler and the CPU from reordering them.
1761
1762
1763 There are some more advanced barrier functions:
1764
1765  (*) smp_store_mb(var, value)
1766
1767      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1768      barrier after it.  It isn't guaranteed to insert anything more than a
1769      compiler barrier in a UP compilation.
1770
1771
1772  (*) smp_mb__before_atomic();
1773  (*) smp_mb__after_atomic();
1774
1775      These are for use with atomic (such as add, subtract, increment and
1776      decrement) functions that don't return a value, especially when used for
1777      reference counting.  These functions do not imply memory barriers.
1778
1779      These are also used for atomic bitop functions that do not return a
1780      value (such as set_bit and clear_bit).
1781
1782      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1783      and then decrements the object's reference count:
1784
1785         obj->dead = 1;
1786         smp_mb__before_atomic();
1787         atomic_dec(&obj->ref_count);
1788
1789      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1790      *before* the reference counter is decremented.
1791
1792      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1793      operations" subsection for information on where to use these.
1794
1795
1796  (*) lockless_dereference();
1797      This can be thought of as a pointer-fetch wrapper around the
1798      smp_read_barrier_depends() data-dependency barrier.
1799
1800      This is also similar to rcu_dereference(), but in cases where
1801      object lifetime is handled by some mechanism other than RCU, for
1802      example, when the objects removed only when the system goes down.
1803      In addition, lockless_dereference() is used in some data structures
1804      that can be used both with and without RCU.
1805
1806
1807  (*) dma_wmb();
1808  (*) dma_rmb();
1809
1810      These are for use with consistent memory to guarantee the ordering
1811      of writes or reads of shared memory accessible to both the CPU and a
1812      DMA capable device.
1813
1814      For example, consider a device driver that shares memory with a device
1815      and uses a descriptor status value to indicate if the descriptor belongs
1816      to the device or the CPU, and a doorbell to notify it when new
1817      descriptors are available:
1818
1819         if (desc->status != DEVICE_OWN) {
1820                 /* do not read data until we own descriptor */
1821                 dma_rmb();
1822
1823                 /* read/modify data */
1824                 read_data = desc->data;
1825                 desc->data = write_data;
1826
1827                 /* flush modifications before status update */
1828                 dma_wmb();
1829
1830                 /* assign ownership */
1831                 desc->status = DEVICE_OWN;
1832
1833                 /* force memory to sync before notifying device via MMIO */
1834                 wmb();
1835
1836                 /* notify device of new descriptors */
1837                 writel(DESC_NOTIFY, doorbell);
1838         }
1839
1840      The dma_rmb() allows us guarantee the device has released ownership
1841      before we read the data from the descriptor, and the dma_wmb() allows
1842      us to guarantee the data is written to the descriptor before the device
1843      can see it now has ownership.  The wmb() is needed to guarantee that the
1844      cache coherent memory writes have completed before attempting a write to
1845      the cache incoherent MMIO region.
1846
1847      See Documentation/DMA-API.txt for more information on consistent memory.
1848
1849 MMIO WRITE BARRIER
1850 ------------------
1851
1852 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1853 writes:
1854
1855         mmiowb();
1856
1857 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1858 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1859 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1860
1861 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1862
1863
1864 ===============================
1865 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1866 ===============================
1867
1868 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1869 which are locking and scheduling functions.
1870
1871 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1872 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1873 of arch specific code.
1874
1875
1876 ACQUIRING FUNCTIONS
1877 -------------------
1878
1879 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1880
1881  (*) spin locks
1882  (*) R/W spin locks
1883  (*) mutexes
1884  (*) semaphores
1885  (*) R/W semaphores
1886
1887 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1888 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1889
1890  (1) ACQUIRE operation implication:
1891
1892      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
1893      ACQUIRE operation has completed.
1894
1895      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
1896      the ACQUIRE operation has completed.  An smp_mb__before_spinlock(),
1897      combined with a following ACQUIRE, orders prior stores against
1898      subsequent loads and stores. Note that this is weaker than smp_mb()!
1899      The smp_mb__before_spinlock() primitive is free on many architectures.
1900
1901  (2) RELEASE operation implication:
1902
1903      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
1904      RELEASE operation has completed.
1905
1906      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
1907      RELEASE operation has completed.
1908
1909  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
1910
1911      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
1912      completed before that ACQUIRE operation.
1913
1914  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
1915
1916      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
1917      completed before the RELEASE operation.
1918
1919  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
1920
1921      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
1922      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1923      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1924      locks do not imply any sort of barrier.
1925
1926 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
1927 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
1928 section may seep into the inside of the critical section.
1929
1930 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
1931 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
1932 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
1933 the two accesses can themselves then cross:
1934
1935         *A = a;
1936         ACQUIRE M
1937         RELEASE M
1938         *B = b;
1939
1940 may occur as:
1941
1942         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1943
1944 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
1945 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
1946 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
1947 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
1948 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
1949
1950 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does
1951 not imply a full memory barrier.  Therefore, the CPU's execution of the
1952 critical sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross,
1953 so that:
1954
1955         *A = a;
1956         RELEASE M
1957         ACQUIRE N
1958         *B = b;
1959
1960 could occur as:
1961
1962         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1963
1964 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
1965 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
1966 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
1967
1968         Why does this work?
1969
1970         One key point is that we are only talking about the CPU doing
1971         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
1972         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
1973         -could- occur.
1974
1975         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
1976         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
1977         simply elected to try executing the later lock operation first.
1978         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
1979         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
1980         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
1981         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
1982         allowing the lock operation to succeed.
1983
1984         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
1985         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
1986         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
1987         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
1988         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
1989         such races properly in any case.
1990
1991 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1992 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1993 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1994 with interrupt disabling operations.
1995
1996 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1997
1998
1999 As an example, consider the following:
2000
2001         *A = a;
2002         *B = b;
2003         ACQUIRE
2004         *C = c;
2005         *D = d;
2006         RELEASE
2007         *E = e;
2008         *F = f;
2009
2010 The following sequence of events is acceptable:
2011
2012         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
2013
2014         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
2015
2016 But none of the following are:
2017
2018         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
2019         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
2020         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
2021         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
2022
2023
2024
2025 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
2026 -----------------------------
2027
2028 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
2029 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
2030 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
2031 other means.
2032
2033
2034 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
2035 ---------------------------
2036
2037 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
2038 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
2039 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
2040 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
2041 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
2042 barriers.
2043
2044 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
2045
2046         for (;;) {
2047                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
2048                 if (event_indicated)
2049                         break;
2050                 schedule();
2051         }
2052
2053 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
2054 after it has altered the task state:
2055
2056         CPU 1
2057         ===============================
2058         set_current_state();
2059           smp_store_mb();
2060             STORE current->state
2061             <general barrier>
2062         LOAD event_indicated
2063
2064 set_current_state() may be wrapped by:
2065
2066         prepare_to_wait();
2067         prepare_to_wait_exclusive();
2068
2069 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
2070 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
2071 interpolate the memory barrier in the right place:
2072
2073         wait_event();
2074         wait_event_interruptible();
2075         wait_event_interruptible_exclusive();
2076         wait_event_interruptible_timeout();
2077         wait_event_killable();
2078         wait_event_timeout();
2079         wait_on_bit();
2080         wait_on_bit_lock();
2081
2082
2083 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
2084
2085         event_indicated = 1;
2086         wake_up(&event_wait_queue);
2087
2088 or:
2089
2090         event_indicated = 1;
2091         wake_up_process(event_daemon);
2092
2093 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
2094 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
2095 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
2096
2097         CPU 1                           CPU 2
2098         =============================== ===============================
2099         set_current_state();            STORE event_indicated
2100           smp_store_mb();               wake_up();
2101             STORE current->state          <write barrier>
2102             <general barrier>             STORE current->state
2103         LOAD event_indicated
2104
2105 To repeat, this write memory barrier is present if and only if something
2106 is actually awakened.  To see this, consider the following sequence of
2107 events, where X and Y are both initially zero:
2108
2109         CPU 1                           CPU 2
2110         =============================== ===============================
2111         X = 1;                          STORE event_indicated
2112         smp_mb();                       wake_up();
2113         Y = 1;                          wait_event(wq, Y == 1);
2114         wake_up();                        load from Y sees 1, no memory barrier
2115                                         load from X might see 0
2116
2117 In contrast, if a wakeup does occur, CPU 2's load from X would be guaranteed
2118 to see 1.
2119
2120 The available waker functions include:
2121
2122         complete();
2123         wake_up();
2124         wake_up_all();
2125         wake_up_bit();
2126         wake_up_interruptible();
2127         wake_up_interruptible_all();
2128         wake_up_interruptible_nr();
2129         wake_up_interruptible_poll();
2130         wake_up_interruptible_sync();
2131         wake_up_interruptible_sync_poll();
2132         wake_up_locked();
2133         wake_up_locked_poll();
2134         wake_up_nr();
2135         wake_up_poll();
2136         wake_up_process();
2137
2138
2139 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
2140 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
2141 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
2142 sleeper does:
2143
2144         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2145         if (event_indicated)
2146                 break;
2147         __set_current_state(TASK_RUNNING);
2148         do_something(my_data);
2149
2150 and the waker does:
2151
2152         my_data = value;
2153         event_indicated = 1;
2154         wake_up(&event_wait_queue);
2155
2156 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
2157 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
2158 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
2159 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
2160
2161         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2162         if (event_indicated) {
2163                 smp_rmb();
2164                 do_something(my_data);
2165         }
2166
2167 and the waker should do:
2168
2169         my_data = value;
2170         smp_wmb();
2171         event_indicated = 1;
2172         wake_up(&event_wait_queue);
2173
2174
2175 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
2176 -----------------------
2177
2178 Other functions that imply barriers:
2179
2180  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
2181
2182
2183 ===================================
2184 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
2185 ===================================
2186
2187 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
2188 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
2189 conflict on any particular lock.
2190
2191
2192 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
2193 ---------------------------
2194
2195 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
2196 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
2197
2198         CPU 1                           CPU 2
2199         =============================== ===============================
2200         WRITE_ONCE(*A, a);              WRITE_ONCE(*E, e);
2201         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2202         WRITE_ONCE(*B, b);              WRITE_ONCE(*F, f);
2203         WRITE_ONCE(*C, c);              WRITE_ONCE(*G, g);
2204         RELEASE M                       RELEASE Q
2205         WRITE_ONCE(*D, d);              WRITE_ONCE(*H, h);
2206
2207 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2208 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2209 on the separate CPUs. It might, for example, see:
2210
2211         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2212
2213 But it won't see any of:
2214
2215         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2216         *A, *B or *C following RELEASE M
2217         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2218         *E, *F or *G following RELEASE Q
2219
2220
2221
2222 ACQUIRES VS I/O ACCESSES
2223 ------------------------
2224
2225 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
2226 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
2227 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
2228 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
2229 read memory barriers.
2230
2231 For example:
2232
2233         CPU 1                           CPU 2
2234         =============================== ===============================
2235         spin_lock(Q)
2236         writel(0, ADDR)
2237         writel(1, DATA);
2238         spin_unlock(Q);
2239                                         spin_lock(Q);
2240                                         writel(4, ADDR);
2241                                         writel(5, DATA);
2242                                         spin_unlock(Q);
2243
2244 may be seen by the PCI bridge as follows:
2245
2246         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
2247
2248 which would probably cause the hardware to malfunction.
2249
2250
2251 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
2252 spinlock, for example:
2253
2254         CPU 1                           CPU 2
2255         =============================== ===============================
2256         spin_lock(Q)
2257         writel(0, ADDR)
2258         writel(1, DATA);
2259         mmiowb();
2260         spin_unlock(Q);
2261                                         spin_lock(Q);
2262                                         writel(4, ADDR);
2263                                         writel(5, DATA);
2264                                         mmiowb();
2265                                         spin_unlock(Q);
2266
2267 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
2268 before either of the stores issued on CPU 2.
2269
2270
2271 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
2272 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
2273 is performed:
2274
2275         CPU 1                           CPU 2
2276         =============================== ===============================
2277         spin_lock(Q)
2278         writel(0, ADDR)
2279         a = readl(DATA);
2280         spin_unlock(Q);
2281                                         spin_lock(Q);
2282                                         writel(4, ADDR);
2283                                         b = readl(DATA);
2284                                         spin_unlock(Q);
2285
2286
2287 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2288
2289
2290 =================================
2291 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2292 =================================
2293
2294 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2295 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2296 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2297 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2298
2299  (*) Interprocessor interaction.
2300
2301  (*) Atomic operations.
2302
2303  (*) Accessing devices.
2304
2305  (*) Interrupts.
2306
2307
2308 INTERPROCESSOR INTERACTION
2309 --------------------------
2310
2311 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2312 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2313 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2314 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2315 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2316 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2317 a malfunction.
2318
2319 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2320 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2321 the semaphore's list of waiting processes:
2322
2323         struct rw_semaphore {
2324                 ...
2325                 spinlock_t lock;
2326                 struct list_head waiters;
2327         };
2328
2329         struct rwsem_waiter {
2330                 struct list_head list;
2331                 struct task_struct *task;
2332         };
2333
2334 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2335
2336  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2337      next waiter record is;
2338
2339  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2340
2341  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2342
2343  (4) call wake_up_process() on the task; and
2344
2345  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2346
2347 In other words, it has to perform this sequence of events:
2348
2349         LOAD waiter->list.next;
2350         LOAD waiter->task;
2351         STORE waiter->task;
2352         CALL wakeup
2353         RELEASE task
2354
2355 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2356 malfunction.
2357
2358 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2359 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2360 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2361 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2362 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2363 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2364
2365 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2366
2367         CPU 1                           CPU 2
2368         =============================== ===============================
2369                                         down_xxx()
2370                                         Queue waiter
2371                                         Sleep
2372         up_yyy()
2373         LOAD waiter->task;
2374         STORE waiter->task;
2375                                         Woken up by other event
2376         <preempt>
2377                                         Resume processing
2378                                         down_xxx() returns
2379                                         call foo()
2380                                         foo() clobbers *waiter
2381         </preempt>
2382         LOAD waiter->list.next;
2383         --- OOPS ---
2384
2385 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2386 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2387
2388 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2389
2390         LOAD waiter->list.next;
2391         LOAD waiter->task;
2392         smp_mb();
2393         STORE waiter->task;
2394         CALL wakeup
2395         RELEASE task
2396
2397 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2398 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2399 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2400 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2401 instruction itself is complete.
2402
2403 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2404 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2405 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2406 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2407
2408
2409 ATOMIC OPERATIONS
2410 -----------------
2411
2412 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2413 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2414 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2415 kernel.
2416
2417 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
2418 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
2419 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
2420 explicit lock operations, described later).  These include:
2421
2422         xchg();
2423         atomic_xchg();                  atomic_long_xchg();
2424         atomic_inc_return();            atomic_long_inc_return();
2425         atomic_dec_return();            atomic_long_dec_return();
2426         atomic_add_return();            atomic_long_add_return();
2427         atomic_sub_return();            atomic_long_sub_return();
2428         atomic_inc_and_test();          atomic_long_inc_and_test();
2429         atomic_dec_and_test();          atomic_long_dec_and_test();
2430         atomic_sub_and_test();          atomic_long_sub_and_test();
2431         atomic_add_negative();          atomic_long_add_negative();
2432         test_and_set_bit();
2433         test_and_clear_bit();
2434         test_and_change_bit();
2435
2436         /* when succeeds */
2437         cmpxchg();
2438         atomic_cmpxchg();               atomic_long_cmpxchg();
2439         atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
2440
2441 These are used for such things as implementing ACQUIRE-class and RELEASE-class
2442 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
2443 such the implicit memory barrier effects are necessary.
2444
2445
2446 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
2447 barriers, but might be used for implementing such things as RELEASE-class
2448 operations:
2449
2450         atomic_set();
2451         set_bit();
2452         clear_bit();
2453         change_bit();
2454
2455 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
2456 (smp_mb__before_atomic() for instance).
2457
2458
2459 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
2460 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic() for
2461 instance):
2462
2463         atomic_add();
2464         atomic_sub();
2465         atomic_inc();
2466         atomic_dec();
2467
2468 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
2469 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
2470
2471 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
2472 they probably don't need memory barriers because either the reference count
2473 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
2474 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
2475
2476 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
2477 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
2478 specific order.
2479
2480 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
2481 barriers are needed or not.
2482
2483 The following operations are special locking primitives:
2484
2485         test_and_set_bit_lock();
2486         clear_bit_unlock();
2487         __clear_bit_unlock();
2488
2489 These implement ACQUIRE-class and RELEASE-class operations. These should be used in
2490 preference to other operations when implementing locking primitives, because
2491 their implementations can be optimised on many architectures.
2492
2493 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
2494 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
2495 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
2496 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
2497
2498 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
2499
2500
2501 ACCESSING DEVICES
2502 -----------------
2503
2504 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2505 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2506 make the right memory accesses in exactly the right order.
2507
2508 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2509 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2510 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2511 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2512 the device to malfunction.
2513
2514 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2515 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2516 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2517 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2518 might be needed:
2519
2520  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2521      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2522      issued prior to unlocking the critical section.
2523
2524  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2525      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2526      required to enforce ordering.
2527
2528 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2529
2530
2531 INTERRUPTS
2532 ----------
2533
2534 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2535 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2536 access the device.
2537
2538 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2539 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2540 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2541 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2542 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2543 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2544
2545 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2546 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2547 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2548
2549         LOCAL IRQ DISABLE
2550         writew(ADDR, 3);
2551         writew(DATA, y);
2552         LOCAL IRQ ENABLE
2553         <interrupt>
2554         writew(ADDR, 4);
2555         q = readw(DATA);
2556         </interrupt>
2557
2558 The store to the data register might happen after the second store to the
2559 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2560
2561         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2562
2563
2564 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2565 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2566 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2567 explicit barriers are used.
2568
2569 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2570 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2571 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
2572 mmiowb() may need to be used explicitly.
2573
2574
2575 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2576 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
2577 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2578
2579
2580 ==========================
2581 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2582 ==========================
2583
2584 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2585 functions:
2586
2587  (*) inX(), outX():
2588
2589      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2590      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
2591      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2592      CPUs don't have such a concept.
2593
2594      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2595      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2596      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2597      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2598      spaces.
2599
2600      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2601      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2602      that.
2603
2604      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2605
2606      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2607      memory and I/O operation.
2608
2609  (*) readX(), writeX():
2610
2611      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2612      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2613      defined for the memory window through which they're accessing. On later
2614      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2615      MTRR registers.
2616
2617      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2618      provided they're not accessing a prefetchable device.
2619
2620      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2621      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2622      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2623      space should suffice for PCI.
2624
2625      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2626          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2627          example.
2628
2629      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2630      force stores to be ordered.
2631
2632      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2633      between PCI transactions.
2634
2635  (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed()
2636
2637      These are similar to readX() and writeX(), but provide weaker memory
2638      ordering guarantees. Specifically, they do not guarantee ordering with
2639      respect to normal memory accesses (e.g. DMA buffers) nor do they guarantee
2640      ordering with respect to LOCK or UNLOCK operations. If the latter is
2641      required, an mmiowb() barrier can be used. Note that relaxed accesses to
2642      the same peripheral are guaranteed to be ordered with respect to each
2643      other.
2644
2645  (*) ioreadX(), iowriteX()
2646
2647      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2648      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2649
2650
2651 ========================================
2652 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2653 ========================================
2654
2655 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2656 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2657 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2658 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2659 of arch-specific code.
2660
2661 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2662 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2663 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2664 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2665 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2666 causality is maintained.
2667
2668  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2669      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2670      instructions may depend on different effects.
2671
2672 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2673 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2674 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2675
2676
2677 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2678 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2679 maintained.
2680
2681
2682 ============================
2683 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2684 ============================
2685
2686 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2687 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2688 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2689
2690 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2691 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2692 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2693 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2694
2695             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2696                                   :
2697         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2698         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2699         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2700         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2701         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2702         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2703         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2704                                   :                 | Cache     |    +--------+
2705                                   :                 | Coherency |
2706                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2707         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2708         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2709         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2710         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2711         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2712         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2713         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2714                                   :
2715                                   :
2716
2717 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2718 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2719 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2720 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2721 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2722
2723 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2724 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2725 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2726 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2727 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2728 to complete.
2729
2730 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2731 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2732 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2733 in the system.
2734
2735 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2736 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2737
2738 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2739 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2740 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2741
2742
2743 CACHE COHERENCY
2744 ---------------
2745
2746 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2747 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2748 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2749 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2750 become apparent in the same order on those other CPUs.
2751
2752
2753 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2754 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2755
2756                     :
2757                     :                          +--------+
2758                     :      +---------+         |        |
2759         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2760         |        |  : |    +---------+         |        |
2761         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2762         |        |  : |    +---------+         |        |
2763         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2764                     :      +---------+         |        |
2765                     :                          | Memory |
2766                     :      +---------+         | System |
2767         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2768         |        |  : |    +---------+         |        |
2769         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2770         |        |  : |    +---------+         |        |
2771         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2772                     :      +---------+         |        |
2773                     :                          +--------+
2774                     :
2775
2776 Imagine the system has the following properties:
2777
2778  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2779      resident in memory;
2780
2781  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2782      resident in memory;
2783
2784  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2785      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2786      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2787
2788  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2789      to maintain coherency with the rest of the system;
2790
2791  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2792      present in the cache, even though the contents of the queue may
2793      potentially affect those loads.
2794
2795 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2796 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2797 the requisite order:
2798
2799         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2800         =============== =============== =======================================
2801                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2802         v = 2;
2803         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2804                                          change to p
2805         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2806         p = &v;
2807         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2808
2809 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2810 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2811 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2812
2813         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2814         =============== =============== =======================================
2815         ...
2816                         q = p;
2817                         x = *q;
2818
2819 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2820 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2821 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2822 CPU's caches by some other cache event:
2823
2824         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2825         =============== =============== =======================================
2826                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2827         v = 2;
2828         smp_wmb();
2829         <A:modify v=2>  <C:busy>
2830                         <C:queue v=2>
2831         p = &v;         q = p;
2832                         <D:request p>
2833         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2834                         <D:read p>
2835                         x = *q;
2836                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2837                         <C:unbusy>
2838                         <C:commit v=2>
2839
2840 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2841 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2842 as that committed on CPU 1.
2843
2844
2845 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2846 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2847 queue before processing any further requests:
2848
2849         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2850         =============== =============== =======================================
2851                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2852         v = 2;
2853         smp_wmb();
2854         <A:modify v=2>  <C:busy>
2855                         <C:queue v=2>
2856         p = &v;         q = p;
2857                         <D:request p>
2858         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2859                         <D:read p>
2860                         smp_read_barrier_depends()
2861                         <C:unbusy>
2862                         <C:commit v=2>
2863                         x = *q;
2864                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2865
2866
2867 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2868 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2869 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2870 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2871
2872 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2873 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2874 need for coordination in the absence of memory barriers.
2875
2876
2877 CACHE COHERENCY VS DMA
2878 ----------------------
2879
2880 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2881 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2882 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2883 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2884 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2885 invalidate them as well).
2886
2887 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2888 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2889 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2890 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2891 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2892 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2893 cache on each CPU.
2894
2895 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2896
2897
2898 CACHE COHERENCY VS MMIO
2899 -----------------------
2900
2901 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2902 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2903 the usual RAM directed window.
2904
2905 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2906 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2907 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2908 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2909 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2910 any way dependent.
2911
2912
2913 =========================
2914 THE THINGS CPUS GET UP TO
2915 =========================
2916
2917 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2918 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2919 given the following piece of code to execute:
2920
2921         a = READ_ONCE(*A);
2922         WRITE_ONCE(*B, b);
2923         c = READ_ONCE(*C);
2924         d = READ_ONCE(*D);
2925         WRITE_ONCE(*E, e);
2926
2927 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2928 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2929 operations as seen by external observers in the system:
2930
2931         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2932
2933
2934 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2935 assumption doesn't hold because:
2936
2937  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2938      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2939      problem;
2940
2941  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2942      to have been unnecessary;
2943
2944  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2945      at the wrong time in the expected sequence of events;
2946
2947  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2948      of the CPU buses and caches;
2949
2950  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2951      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2952      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2953      both be able to do this); and
2954
2955  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2956      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2957      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2958      order to other CPUs.
2959
2960 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2961 is:
2962
2963         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2964
2965         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2966
2967
2968 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2969 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2970 barrier.  For instance with the following code:
2971
2972         U = READ_ONCE(*A);
2973         WRITE_ONCE(*A, V);
2974         WRITE_ONCE(*A, W);
2975         X = READ_ONCE(*A);
2976         WRITE_ONCE(*A, Y);
2977         Z = READ_ONCE(*A);
2978
2979 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2980 the final result will appear to be:
2981
2982         U == the original value of *A
2983         X == W
2984         Z == Y
2985         *A == Y
2986
2987 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2988 accesses:
2989
2990         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2991
2992 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2993 combination of elements combined or discarded, provided the program's view
2994 of the world remains consistent.  Note that READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
2995 are -not- optional in the above example, as there are architectures
2996 where a given CPU might reorder successive loads to the same location.
2997 On such architectures, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() do whatever is
2998 necessary to prevent this, for example, on Itanium the volatile casts
2999 used by READ_ONCE() and WRITE_ONCE() cause GCC to emit the special ld.acq
3000 and st.rel instructions (respectively) that prevent such reordering.
3001
3002 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
3003 the CPU even sees them.
3004
3005 For instance:
3006
3007         *A = V;
3008         *A = W;
3009
3010 may be reduced to:
3011
3012         *A = W;
3013
3014 since, without either a write barrier or an WRITE_ONCE(), it can be
3015 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
3016
3017         *A = Y;
3018         Z = *A;
3019
3020 may, without a memory barrier or an READ_ONCE() and WRITE_ONCE(), be
3021 reduced to:
3022
3023         *A = Y;
3024         Z = Y;
3025
3026 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
3027
3028
3029 AND THEN THERE'S THE ALPHA
3030 --------------------------
3031
3032 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
3033 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
3034 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
3035 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
3036 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
3037 changes vs new data occur in the right order.
3038
3039 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
3040
3041 See the subsection on "Cache Coherency" above.
3042
3043 VIRTUAL MACHINE GUESTS
3044 -------------------
3045
3046 Guests running within virtual machines might be affected by SMP effects even if
3047 the guest itself is compiled without SMP support.  This is an artifact of
3048 interfacing with an SMP host while running an UP kernel.  Using mandatory
3049 barriers for this use-case would be possible but is often suboptimal.
3050
3051 To handle this case optimally, low-level virt_mb() etc macros are available.
3052 These have the same effect as smp_mb() etc when SMP is enabled, but generate
3053 identical code for SMP and non-SMP systems. For example, virtual machine guests
3054 should use virt_mb() rather than smp_mb() when synchronizing against a
3055 (possibly SMP) host.
3056
3057 These are equivalent to smp_mb() etc counterparts in all other respects,
3058 in particular, they do not control MMIO effects: to control
3059 MMIO effects, use mandatory barriers.
3060
3061 ============
3062 EXAMPLE USES
3063 ============
3064
3065 CIRCULAR BUFFERS
3066 ----------------
3067
3068 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
3069 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
3070
3071         Documentation/circular-buffers.txt
3072
3073 for details.
3074
3075
3076 ==========
3077 REFERENCES
3078 ==========
3079
3080 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
3081 Digital Press)
3082         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
3083         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
3084         Chapter 5.5: Data Sharing
3085         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
3086
3087 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
3088         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
3089         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
3090
3091 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
3092 System Programming Guide
3093         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
3094         Chapter 7.2: Memory Ordering
3095         Chapter 7.4: Serializing Instructions
3096
3097 The SPARC Architecture Manual, Version 9
3098         Chapter 8: Memory Models
3099         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
3100         Appendix J: Programming with the Memory Models
3101
3102 UltraSPARC Programmer Reference Manual
3103         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
3104         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
3105
3106 UltraSPARC III Cu User's Manual
3107         Chapter 9: Memory Models
3108
3109 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
3110         Chapter 8: Memory Models
3111
3112 UltraSPARC Architecture 2005
3113         Chapter 9: Memory
3114         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
3115
3116 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
3117         Chapter 8: Memory Models
3118         Appendix F: Caches and Cache Coherency
3119
3120 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
3121         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
3122                         Synchronization
3123
3124 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
3125 for Kernel Programmers:
3126         Chapter 13: Other Memory Models
3127
3128 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
3129         Section 2.6: Speculation
3130         Section 4.4: Memory Access