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[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / memory-barriers.txt
1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
4
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6     Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
7     Will Deacon <will.deacon@arm.com>
8     Peter Zijlstra <peterz@infradead.org>
9
10 ==========
11 DISCLAIMER
12 ==========
13
14 This document is not a specification; it is intentionally (for the sake of
15 brevity) and unintentionally (due to being human) incomplete. This document is
16 meant as a guide to using the various memory barriers provided by Linux, but
17 in case of any doubt (and there are many) please ask.
18
19 To repeat, this document is not a specification of what Linux expects from
20 hardware.
21
22 The purpose of this document is twofold:
23
24  (1) to specify the minimum functionality that one can rely on for any
25      particular barrier, and
26
27  (2) to provide a guide as to how to use the barriers that are available.
28
29 Note that an architecture can provide more than the minimum requirement
30 for any particular barrier, but if the architecture provides less than
31 that, that architecture is incorrect.
32
33 Note also that it is possible that a barrier may be a no-op for an
34 architecture because the way that arch works renders an explicit barrier
35 unnecessary in that case.
36
37
38 ========
39 CONTENTS
40 ========
41
42  (*) Abstract memory access model.
43
44      - Device operations.
45      - Guarantees.
46
47  (*) What are memory barriers?
48
49      - Varieties of memory barrier.
50      - What may not be assumed about memory barriers?
51      - Data dependency barriers.
52      - Control dependencies.
53      - SMP barrier pairing.
54      - Examples of memory barrier sequences.
55      - Read memory barriers vs load speculation.
56      - Multicopy atomicity.
57
58  (*) Explicit kernel barriers.
59
60      - Compiler barrier.
61      - CPU memory barriers.
62      - MMIO write barrier.
63
64  (*) Implicit kernel memory barriers.
65
66      - Lock acquisition functions.
67      - Interrupt disabling functions.
68      - Sleep and wake-up functions.
69      - Miscellaneous functions.
70
71  (*) Inter-CPU acquiring barrier effects.
72
73      - Acquires vs memory accesses.
74      - Acquires vs I/O accesses.
75
76  (*) Where are memory barriers needed?
77
78      - Interprocessor interaction.
79      - Atomic operations.
80      - Accessing devices.
81      - Interrupts.
82
83  (*) Kernel I/O barrier effects.
84
85  (*) Assumed minimum execution ordering model.
86
87  (*) The effects of the cpu cache.
88
89      - Cache coherency.
90      - Cache coherency vs DMA.
91      - Cache coherency vs MMIO.
92
93  (*) The things CPUs get up to.
94
95      - And then there's the Alpha.
96      - Virtual Machine Guests.
97
98  (*) Example uses.
99
100      - Circular buffers.
101
102  (*) References.
103
104
105 ============================
106 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
107 ============================
108
109 Consider the following abstract model of the system:
110
111                             :                :
112                             :                :
113                             :                :
114                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
115                 |       |   :   |        |   :   |       |
116                 |       |   :   |        |   :   |       |
117                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
118                 |       |   :   |        |   :   |       |
119                 |       |   :   |        |   :   |       |
120                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
121                     ^       :       ^        :       ^
122                     |       :       |        :       |
123                     |       :       |        :       |
124                     |       :       v        :       |
125                     |       :   +--------+   :       |
126                     |       :   |        |   :       |
127                     |       :   |        |   :       |
128                     +---------->| Device |<----------+
129                             :   |        |   :
130                             :   |        |   :
131                             :   +--------+   :
132                             :                :
133
134 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
135 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
136 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
137 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
138 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
139 apparent operation of the program.
140
141 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
142 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
143 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
144
145
146 For example, consider the following sequence of events:
147
148         CPU 1           CPU 2
149         =============== ===============
150         { A == 1; B == 2 }
151         A = 3;          x = B;
152         B = 4;          y = A;
153
154 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
155 in 24 different combinations:
156
157         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
158         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD B->4,    y=LOAD A->3
159         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    STORE B=4,      x=LOAD B->4
160         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->2,    STORE B=4
161         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    STORE B=4,      y=LOAD A->3
162         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    y=LOAD A->3,    STORE B=4
163         STORE B=4,      STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
164         STORE B=4, ...
165         ...
166
167 and can thus result in four different combinations of values:
168
169         x == 2, y == 1
170         x == 2, y == 3
171         x == 4, y == 1
172         x == 4, y == 3
173
174
175 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
176 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
177 committed.
178
179
180 As a further example, consider this sequence of events:
181
182         CPU 1           CPU 2
183         =============== ===============
184         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
185         B = 4;          Q = P;
186         P = &B          D = *Q;
187
188 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
189 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
190 following results are possible:
191
192         (Q == &A) and (D == 1)
193         (Q == &B) and (D == 2)
194         (Q == &B) and (D == 4)
195
196 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
197 into Q before issuing the load of *Q.
198
199
200 DEVICE OPERATIONS
201 -----------------
202
203 Some devices present their control interfaces as collections of memory
204 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
205 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
206 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
207 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
208 be used:
209
210         *A = 5;
211         x = *D;
212
213 but this might show up as either of the following two sequences:
214
215         STORE *A = 5, x = LOAD *D
216         x = LOAD *D, STORE *A = 5
217
218 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
219 the address _after_ attempting to read the register.
220
221
222 GUARANTEES
223 ----------
224
225 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
226
227  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
228      respect to itself.  This means that for:
229
230         Q = READ_ONCE(P); smp_read_barrier_depends(); D = READ_ONCE(*Q);
231
232      the CPU will issue the following memory operations:
233
234         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
235
236      and always in that order.  On most systems, smp_read_barrier_depends()
237      does nothing, but it is required for DEC Alpha.  The READ_ONCE()
238      is required to prevent compiler mischief.  Please note that you
239      should normally use something like rcu_dereference() instead of
240      open-coding smp_read_barrier_depends().
241
242  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
243      ordered within that CPU.  This means that for:
244
245         a = READ_ONCE(*X); WRITE_ONCE(*X, b);
246
247      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
248
249         a = LOAD *X, STORE *X = b
250
251      And for:
252
253         WRITE_ONCE(*X, c); d = READ_ONCE(*X);
254
255      the CPU will only issue:
256
257         STORE *X = c, d = LOAD *X
258
259      (Loads and stores overlap if they are targeted at overlapping pieces of
260      memory).
261
262 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
263
264  (*) It _must_not_ be assumed that the compiler will do what you want
265      with memory references that are not protected by READ_ONCE() and
266      WRITE_ONCE().  Without them, the compiler is within its rights to
267      do all sorts of "creative" transformations, which are covered in
268      the COMPILER BARRIER section.
269
270  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
271      in the order given.  This means that for:
272
273         X = *A; Y = *B; *D = Z;
274
275      we may get any of the following sequences:
276
277         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
278         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
279         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
280         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
281         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
282         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
283
284  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
285      discarded.  This means that for:
286
287         X = *A; Y = *(A + 4);
288
289      we may get any one of the following sequences:
290
291         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
292         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
293         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
294
295      And for:
296
297         *A = X; *(A + 4) = Y;
298
299      we may get any of:
300
301         STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
302         STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
303         STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
304
305 And there are anti-guarantees:
306
307  (*) These guarantees do not apply to bitfields, because compilers often
308      generate code to modify these using non-atomic read-modify-write
309      sequences.  Do not attempt to use bitfields to synchronize parallel
310      algorithms.
311
312  (*) Even in cases where bitfields are protected by locks, all fields
313      in a given bitfield must be protected by one lock.  If two fields
314      in a given bitfield are protected by different locks, the compiler's
315      non-atomic read-modify-write sequences can cause an update to one
316      field to corrupt the value of an adjacent field.
317
318  (*) These guarantees apply only to properly aligned and sized scalar
319      variables.  "Properly sized" currently means variables that are
320      the same size as "char", "short", "int" and "long".  "Properly
321      aligned" means the natural alignment, thus no constraints for
322      "char", two-byte alignment for "short", four-byte alignment for
323      "int", and either four-byte or eight-byte alignment for "long",
324      on 32-bit and 64-bit systems, respectively.  Note that these
325      guarantees were introduced into the C11 standard, so beware when
326      using older pre-C11 compilers (for example, gcc 4.6).  The portion
327      of the standard containing this guarantee is Section 3.14, which
328      defines "memory location" as follows:
329
330         memory location
331                 either an object of scalar type, or a maximal sequence
332                 of adjacent bit-fields all having nonzero width
333
334                 NOTE 1: Two threads of execution can update and access
335                 separate memory locations without interfering with
336                 each other.
337
338                 NOTE 2: A bit-field and an adjacent non-bit-field member
339                 are in separate memory locations. The same applies
340                 to two bit-fields, if one is declared inside a nested
341                 structure declaration and the other is not, or if the two
342                 are separated by a zero-length bit-field declaration,
343                 or if they are separated by a non-bit-field member
344                 declaration. It is not safe to concurrently update two
345                 bit-fields in the same structure if all members declared
346                 between them are also bit-fields, no matter what the
347                 sizes of those intervening bit-fields happen to be.
348
349
350 =========================
351 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
352 =========================
353
354 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
355 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
356 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
357 CPU to restrict the order.
358
359 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
360 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
361
362 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
363 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
364 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
365 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
366 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
367 interaction of multiple CPUs and/or devices.
368
369
370 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
371 ---------------------------
372
373 Memory barriers come in four basic varieties:
374
375  (1) Write (or store) memory barriers.
376
377      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
378      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
379      operations specified after the barrier with respect to the other
380      components of the system.
381
382      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
383      to have any effect on loads.
384
385      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
386      memory system as time progresses.  All stores _before_ a write barrier
387      will occur _before_ all the stores after the write barrier.
388
389      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
390      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
391
392
393  (2) Data dependency barriers.
394
395      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
396      where two loads are performed such that the second depends on the result
397      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
398      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
399      make sure that the target of the second load is updated before the address
400      obtained by the first load is accessed.
401
402      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
403      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
404      or overlapping loads.
405
406      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
407      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
408      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
409      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
410      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
411      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
412      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
413      dependency barrier.
414
415      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
416      showing the ordering constraints.
417
418      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
419      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
420      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
421      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
422      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
423      subsection for more information.
424
425      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
426      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
427
428
429  (3) Read (or load) memory barriers.
430
431      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
432      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
433      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
434      other components of the system.
435
436      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
437      have any effect on stores.
438
439      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
440      for them.
441
442      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
443      see the "SMP barrier pairing" subsection.
444
445
446  (4) General memory barriers.
447
448      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
449      operations specified before the barrier will appear to happen before all
450      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
451      the other components of the system.
452
453      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
454
455      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
456      can substitute for either.
457
458
459 And a couple of implicit varieties:
460
461  (5) ACQUIRE operations.
462
463      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
464      operations after the ACQUIRE operation will appear to happen after the
465      ACQUIRE operation with respect to the other components of the system.
466      ACQUIRE operations include LOCK operations and both smp_load_acquire()
467      and smp_cond_acquire() operations. The later builds the necessary ACQUIRE
468      semantics from relying on a control dependency and smp_rmb().
469
470      Memory operations that occur before an ACQUIRE operation may appear to
471      happen after it completes.
472
473      An ACQUIRE operation should almost always be paired with a RELEASE
474      operation.
475
476
477  (6) RELEASE operations.
478
479      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
480      memory operations before the RELEASE operation will appear to happen
481      before the RELEASE operation with respect to the other components of the
482      system. RELEASE operations include UNLOCK operations and
483      smp_store_release() operations.
484
485      Memory operations that occur after a RELEASE operation may appear to
486      happen before it completes.
487
488      The use of ACQUIRE and RELEASE operations generally precludes the need
489      for other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in
490      the subsection "MMIO write barrier").  In addition, a RELEASE+ACQUIRE
491      pair is -not- guaranteed to act as a full memory barrier.  However, after
492      an ACQUIRE on a given variable, all memory accesses preceding any prior
493      RELEASE on that same variable are guaranteed to be visible.  In other
494      words, within a given variable's critical section, all accesses of all
495      previous critical sections for that variable are guaranteed to have
496      completed.
497
498      This means that ACQUIRE acts as a minimal "acquire" operation and
499      RELEASE acts as a minimal "release" operation.
500
501 A subset of the atomic operations described in atomic_t.txt have ACQUIRE and
502 RELEASE variants in addition to fully-ordered and relaxed (no barrier
503 semantics) definitions.  For compound atomics performing both a load and a
504 store, ACQUIRE semantics apply only to the load and RELEASE semantics apply
505 only to the store portion of the operation.
506
507 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
508 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
509 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
510 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
511
512
513 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
514 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
515 specific code.
516
517
518 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
519 ----------------------------------------------
520
521 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
522
523  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
524      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
525      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
526      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
527
528  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
529      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
530      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
531      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
532
533  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
534      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
535      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
536      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
537
538  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
539      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
540      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
541      between CPUs, but might not do so in order.
542
543         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
544
545             Documentation/PCI/pci.txt
546             Documentation/DMA-API-HOWTO.txt
547             Documentation/DMA-API.txt
548
549
550 DATA DEPENDENCY BARRIERS
551 ------------------------
552
553 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
554 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
555 following sequence of events:
556
557         CPU 1                 CPU 2
558         ===============       ===============
559         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
560         B = 4;
561         <write barrier>
562         WRITE_ONCE(P, &B)
563                               Q = READ_ONCE(P);
564                               D = *Q;
565
566 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
567 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
568
569         (Q == &A) implies (D == 1)
570         (Q == &B) implies (D == 4)
571
572 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
573 leading to the following situation:
574
575         (Q == &B) and (D == 2) ????
576
577 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
578 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
579 Alpha).
580
581 To deal with this, a data dependency barrier or better must be inserted
582 between the address load and the data load:
583
584         CPU 1                 CPU 2
585         ===============       ===============
586         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
587         B = 4;
588         <write barrier>
589         WRITE_ONCE(P, &B);
590                               Q = READ_ONCE(P);
591                               <data dependency barrier>
592                               D = *Q;
593
594 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
595 third possibility from arising.
596
597
598 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
599 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
600 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
601 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
602 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
603 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
604 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
605 but the old value of the variable B (2).
606
607
608 A data-dependency barrier is not required to order dependent writes
609 because the CPUs that the Linux kernel supports don't do writes
610 until they are certain (1) that the write will actually happen, (2)
611 of the location of the write, and (3) of the value to be written.
612 But please carefully read the "CONTROL DEPENDENCIES" section and the
613 Documentation/RCU/rcu_dereference.txt file:  The compiler can and does
614 break dependencies in a great many highly creative ways.
615
616         CPU 1                 CPU 2
617         ===============       ===============
618         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
619         B = 4;
620         <write barrier>
621         WRITE_ONCE(P, &B);
622                               Q = READ_ONCE(P);
623                               WRITE_ONCE(*Q, 5);
624
625 Therefore, no data-dependency barrier is required to order the read into
626 Q with the store into *Q.  In other words, this outcome is prohibited,
627 even without a data-dependency barrier:
628
629         (Q == &B) && (B == 4)
630
631 Please note that this pattern should be rare.  After all, the whole point
632 of dependency ordering is to -prevent- writes to the data structure, along
633 with the expensive cache misses associated with those writes.  This pattern
634 can be used to record rare error conditions and the like, and the CPUs'
635 naturally occurring ordering prevents such records from being lost.
636
637
638 Note well that the ordering provided by a data dependency is local to
639 the CPU containing it.  See the section on "Multicopy atomicity" for
640 more information.
641
642
643 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
644 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
645 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
646 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
647 target appearing to be incompletely initialised.
648
649 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
650
651
652 CONTROL DEPENDENCIES
653 --------------------
654
655 Control dependencies can be a bit tricky because current compilers do
656 not understand them.  The purpose of this section is to help you prevent
657 the compiler's ignorance from breaking your code.
658
659 A load-load control dependency requires a full read memory barrier, not
660 simply a data dependency barrier to make it work correctly.  Consider the
661 following bit of code:
662
663         q = READ_ONCE(a);
664         if (q) {
665                 <data dependency barrier>  /* BUG: No data dependency!!! */
666                 p = READ_ONCE(b);
667         }
668
669 This will not have the desired effect because there is no actual data
670 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
671 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
672 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
673 case what's actually required is:
674
675         q = READ_ONCE(a);
676         if (q) {
677                 <read barrier>
678                 p = READ_ONCE(b);
679         }
680
681 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
682 for load-store control dependencies, as in the following example:
683
684         q = READ_ONCE(a);
685         if (q) {
686                 WRITE_ONCE(b, 1);
687         }
688
689 Control dependencies pair normally with other types of barriers.
690 That said, please note that neither READ_ONCE() nor WRITE_ONCE()
691 are optional! Without the READ_ONCE(), the compiler might combine the
692 load from 'a' with other loads from 'a'.  Without the WRITE_ONCE(),
693 the compiler might combine the store to 'b' with other stores to 'b'.
694 Either can result in highly counterintuitive effects on ordering.
695
696 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
697 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
698 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
699 as follows:
700
701         q = a;
702         b = 1;  /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */
703
704 So don't leave out the READ_ONCE().
705
706 It is tempting to try to enforce ordering on identical stores on both
707 branches of the "if" statement as follows:
708
709         q = READ_ONCE(a);
710         if (q) {
711                 barrier();
712                 WRITE_ONCE(b, 1);
713                 do_something();
714         } else {
715                 barrier();
716                 WRITE_ONCE(b, 1);
717                 do_something_else();
718         }
719
720 Unfortunately, current compilers will transform this as follows at high
721 optimization levels:
722
723         q = READ_ONCE(a);
724         barrier();
725         WRITE_ONCE(b, 1);  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
726         if (q) {
727                 /* WRITE_ONCE(b, 1); -- moved up, BUG!!! */
728                 do_something();
729         } else {
730                 /* WRITE_ONCE(b, 1); -- moved up, BUG!!! */
731                 do_something_else();
732         }
733
734 Now there is no conditional between the load from 'a' and the store to
735 'b', which means that the CPU is within its rights to reorder them:
736 The conditional is absolutely required, and must be present in the
737 assembly code even after all compiler optimizations have been applied.
738 Therefore, if you need ordering in this example, you need explicit
739 memory barriers, for example, smp_store_release():
740
741         q = READ_ONCE(a);
742         if (q) {
743                 smp_store_release(&b, 1);
744                 do_something();
745         } else {
746                 smp_store_release(&b, 1);
747                 do_something_else();
748         }
749
750 In contrast, without explicit memory barriers, two-legged-if control
751 ordering is guaranteed only when the stores differ, for example:
752
753         q = READ_ONCE(a);
754         if (q) {
755                 WRITE_ONCE(b, 1);
756                 do_something();
757         } else {
758                 WRITE_ONCE(b, 2);
759                 do_something_else();
760         }
761
762 The initial READ_ONCE() is still required to prevent the compiler from
763 proving the value of 'a'.
764
765 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
766 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
767 the needed conditional.  For example:
768
769         q = READ_ONCE(a);
770         if (q % MAX) {
771                 WRITE_ONCE(b, 1);
772                 do_something();
773         } else {
774                 WRITE_ONCE(b, 2);
775                 do_something_else();
776         }
777
778 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
779 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
780 transform the above code into the following:
781
782         q = READ_ONCE(a);
783         WRITE_ONCE(b, 2);
784         do_something_else();
785
786 Given this transformation, the CPU is not required to respect the ordering
787 between the load from variable 'a' and the store to variable 'b'.  It is
788 tempting to add a barrier(), but this does not help.  The conditional
789 is gone, and the barrier won't bring it back.  Therefore, if you are
790 relying on this ordering, you should make sure that MAX is greater than
791 one, perhaps as follows:
792
793         q = READ_ONCE(a);
794         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
795         if (q % MAX) {
796                 WRITE_ONCE(b, 1);
797                 do_something();
798         } else {
799                 WRITE_ONCE(b, 2);
800                 do_something_else();
801         }
802
803 Please note once again that the stores to 'b' differ.  If they were
804 identical, as noted earlier, the compiler could pull this store outside
805 of the 'if' statement.
806
807 You must also be careful not to rely too much on boolean short-circuit
808 evaluation.  Consider this example:
809
810         q = READ_ONCE(a);
811         if (q || 1 > 0)
812                 WRITE_ONCE(b, 1);
813
814 Because the first condition cannot fault and the second condition is
815 always true, the compiler can transform this example as following,
816 defeating control dependency:
817
818         q = READ_ONCE(a);
819         WRITE_ONCE(b, 1);
820
821 This example underscores the need to ensure that the compiler cannot
822 out-guess your code.  More generally, although READ_ONCE() does force
823 the compiler to actually emit code for a given load, it does not force
824 the compiler to use the results.
825
826 In addition, control dependencies apply only to the then-clause and
827 else-clause of the if-statement in question.  In particular, it does
828 not necessarily apply to code following the if-statement:
829
830         q = READ_ONCE(a);
831         if (q) {
832                 WRITE_ONCE(b, 1);
833         } else {
834                 WRITE_ONCE(b, 2);
835         }
836         WRITE_ONCE(c, 1);  /* BUG: No ordering against the read from 'a'. */
837
838 It is tempting to argue that there in fact is ordering because the
839 compiler cannot reorder volatile accesses and also cannot reorder
840 the writes to 'b' with the condition.  Unfortunately for this line
841 of reasoning, the compiler might compile the two writes to 'b' as
842 conditional-move instructions, as in this fanciful pseudo-assembly
843 language:
844
845         ld r1,a
846         cmp r1,$0
847         cmov,ne r4,$1
848         cmov,eq r4,$2
849         st r4,b
850         st $1,c
851
852 A weakly ordered CPU would have no dependency of any sort between the load
853 from 'a' and the store to 'c'.  The control dependencies would extend
854 only to the pair of cmov instructions and the store depending on them.
855 In short, control dependencies apply only to the stores in the then-clause
856 and else-clause of the if-statement in question (including functions
857 invoked by those two clauses), not to code following that if-statement.
858
859
860 Note well that the ordering provided by a control dependency is local
861 to the CPU containing it.  See the section on "Multicopy atomicity"
862 for more information.
863
864
865 In summary:
866
867   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
868       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
869       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
870       later anything.  If you need these other forms of ordering,
871       use smp_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
872       later loads, smp_mb().
873
874   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores to
875       the same variable, then those stores must be ordered, either by
876       preceding both of them with smp_mb() or by using smp_store_release()
877       to carry out the stores.  Please note that it is -not- sufficient
878       to use barrier() at beginning of each leg of the "if" statement
879       because, as shown by the example above, optimizing compilers can
880       destroy the control dependency while respecting the letter of the
881       barrier() law.
882
883   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
884       between the prior load and the subsequent store, and this
885       conditional must involve the prior load.  If the compiler is able
886       to optimize the conditional away, it will have also optimized
887       away the ordering.  Careful use of READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
888       can help to preserve the needed conditional.
889
890   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
891       dependency into nonexistence.  Careful use of READ_ONCE() or
892       atomic{,64}_read() can help to preserve your control dependency.
893       Please see the COMPILER BARRIER section for more information.
894
895   (*) Control dependencies apply only to the then-clause and else-clause
896       of the if-statement containing the control dependency, including
897       any functions that these two clauses call.  Control dependencies
898       do -not- apply to code following the if-statement containing the
899       control dependency.
900
901   (*) Control dependencies pair normally with other types of barriers.
902
903   (*) Control dependencies do -not- provide multicopy atomicity.  If you
904       need all the CPUs to see a given store at the same time, use smp_mb().
905
906   (*) Compilers do not understand control dependencies.  It is therefore
907       your job to ensure that they do not break your code.
908
909
910 SMP BARRIER PAIRING
911 -------------------
912
913 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
914 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
915
916 General barriers pair with each other, though they also pair with most
917 other types of barriers, albeit without multicopy atomicity.  An acquire
918 barrier pairs with a release barrier, but both may also pair with other
919 barriers, including of course general barriers.  A write barrier pairs
920 with a data dependency barrier, a control dependency, an acquire barrier,
921 a release barrier, a read barrier, or a general barrier.  Similarly a
922 read barrier, control dependency, or a data dependency barrier pairs
923 with a write barrier, an acquire barrier, a release barrier, or a
924 general barrier:
925
926         CPU 1                 CPU 2
927         ===============       ===============
928         WRITE_ONCE(a, 1);
929         <write barrier>
930         WRITE_ONCE(b, 2);     x = READ_ONCE(b);
931                               <read barrier>
932                               y = READ_ONCE(a);
933
934 Or:
935
936         CPU 1                 CPU 2
937         ===============       ===============================
938         a = 1;
939         <write barrier>
940         WRITE_ONCE(b, &a);    x = READ_ONCE(b);
941                               <data dependency barrier>
942                               y = *x;
943
944 Or even:
945
946         CPU 1                 CPU 2
947         ===============       ===============================
948         r1 = READ_ONCE(y);
949         <general barrier>
950         WRITE_ONCE(x, 1);     if (r2 = READ_ONCE(x)) {
951                                  <implicit control dependency>
952                                  WRITE_ONCE(y, 1);
953                               }
954
955         assert(r1 == 0 || r2 == 0);
956
957 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
958 the "weaker" type.
959
960 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
961 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
962 versa:
963
964         CPU 1                               CPU 2
965         ===================                 ===================
966         WRITE_ONCE(a, 1);    }----   --->{  v = READ_ONCE(c);
967         WRITE_ONCE(b, 2);    }    \ /    {  w = READ_ONCE(d);
968         <write barrier>            \        <read barrier>
969         WRITE_ONCE(c, 3);    }    / \    {  x = READ_ONCE(a);
970         WRITE_ONCE(d, 4);    }----   --->{  y = READ_ONCE(b);
971
972
973 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
974 ------------------------------------
975
976 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
977 Consider the following sequence of events:
978
979         CPU 1
980         =======================
981         STORE A = 1
982         STORE B = 2
983         STORE C = 3
984         <write barrier>
985         STORE D = 4
986         STORE E = 5
987
988 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
989 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
990 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
991 }:
992
993         +-------+       :      :
994         |       |       +------+
995         |       |------>| C=3  |     }     /\
996         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
997         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
998         |       |  :    +------+     }
999         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
1000         |       |       +------+     }
1001         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
1002         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
1003         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
1004         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
1005         |       |------>| D=4  |     }
1006         |       |       +------+
1007         +-------+       :      :
1008                            |
1009                            | Sequence in which stores are committed to the
1010                            | memory system by CPU 1
1011                            V
1012
1013
1014 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
1015 loads.  Consider the following sequence of events:
1016
1017         CPU 1                   CPU 2
1018         ======================= =======================
1019                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
1020         STORE A = 1
1021         STORE B = 2
1022         <write barrier>
1023         STORE C = &B            LOAD X
1024         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
1025                                 LOAD *C (reads B)
1026
1027 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
1028 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1029
1030         +-------+       :      :                :       :
1031         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
1032         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
1033         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
1034         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
1035         |       |       +------+       |        +-------+
1036         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1037         |       |       +------+       |        :       :
1038         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1039         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1040         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1041         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1042         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1043                                        |        :       :       |       |
1044                                        |        :       :       | CPU 2 |
1045                                        |        +-------+       |       |
1046             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
1047             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
1048                                        |        :       :       |       |
1049                                        |        +-------+       |       |
1050             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
1051             up the maintenance           \      +-------+       |       |
1052             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
1053                                                 +-------+
1054                                                 :       :
1055
1056
1057 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
1058 (which would be B) coming after the LOAD of C.
1059
1060 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
1061 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
1062
1063         CPU 1                   CPU 2
1064         ======================= =======================
1065                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
1066         STORE A = 1
1067         STORE B = 2
1068         <write barrier>
1069         STORE C = &B            LOAD X
1070         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
1071                                 <data dependency barrier>
1072                                 LOAD *C (reads B)
1073
1074 then the following will occur:
1075
1076         +-------+       :      :                :       :
1077         |       |       +------+                +-------+
1078         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
1079         |       |  :    +------+     \          +-------+
1080         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
1081         |       |       +------+       |        +-------+
1082         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1083         |       |       +------+       |        :       :
1084         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1085         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1086         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1087         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1088         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1089                                        |        :       :       |       |
1090                                        |        :       :       | CPU 2 |
1091                                        |        +-------+       |       |
1092                                        |        | X->9  |------>|       |
1093                                        |        +-------+       |       |
1094           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
1095           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
1096           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
1097           subsequent loads                      +-------+       |       |
1098                                                 :       :       +-------+
1099
1100
1101 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
1102 following sequence of events:
1103
1104         CPU 1                   CPU 2
1105         ======================= =======================
1106                 { A = 0, B = 9 }
1107         STORE A=1
1108         <write barrier>
1109         STORE B=2
1110                                 LOAD B
1111                                 LOAD A
1112
1113 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
1114 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1115
1116         +-------+       :      :                :       :
1117         |       |       +------+                +-------+
1118         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1119         |       |       +------+      \         +-------+
1120         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1121         |       |       +------+        |       +-------+
1122         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1123         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1124         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1125                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1126                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1127                                         |       | A->0  |------>|       |
1128                                         |       +-------+       |       |
1129                                         |       :       :       +-------+
1130                                          \      :       :
1131                                           \     +-------+
1132                                            ---->| A->1  |
1133                                                 +-------+
1134                                                 :       :
1135
1136
1137 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
1138 load of A on CPU 2:
1139
1140         CPU 1                   CPU 2
1141         ======================= =======================
1142                 { A = 0, B = 9 }
1143         STORE A=1
1144         <write barrier>
1145         STORE B=2
1146                                 LOAD B
1147                                 <read barrier>
1148                                 LOAD A
1149
1150 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
1151 2:
1152
1153         +-------+       :      :                :       :
1154         |       |       +------+                +-------+
1155         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1156         |       |       +------+      \         +-------+
1157         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1158         |       |       +------+        |       +-------+
1159         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1160         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1161         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1162                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1163                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1164                                         |       :       :       |       |
1165                                         |       :       :       |       |
1166           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1167           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1168           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1169           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1170                                                 :       :       +-------+
1171
1172
1173 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1174 contained a load of A either side of the read barrier:
1175
1176         CPU 1                   CPU 2
1177         ======================= =======================
1178                 { A = 0, B = 9 }
1179         STORE A=1
1180         <write barrier>
1181         STORE B=2
1182                                 LOAD B
1183                                 LOAD A [first load of A]
1184                                 <read barrier>
1185                                 LOAD A [second load of A]
1186
1187 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1188 come up with different values:
1189
1190         +-------+       :      :                :       :
1191         |       |       +------+                +-------+
1192         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1193         |       |       +------+      \         +-------+
1194         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1195         |       |       +------+        |       +-------+
1196         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1197         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1198         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1199                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1200                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1201                                         |       :       :       |       |
1202                                         |       :       :       |       |
1203                                         |       +-------+       |       |
1204                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1205                                         |       +-------+       |       |
1206           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1207           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1208           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1209           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1210                                                 :       :       +-------+
1211
1212
1213 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1214 before the read barrier completes anyway:
1215
1216         +-------+       :      :                :       :
1217         |       |       +------+                +-------+
1218         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1219         |       |       +------+      \         +-------+
1220         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1221         |       |       +------+        |       +-------+
1222         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1223         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1224         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1225                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1226                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1227                                         |       :       :       |       |
1228                                          \      :       :       |       |
1229                                           \     +-------+       |       |
1230                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1231                                                 +-------+       |       |
1232                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1233                                                 +-------+       |       |
1234                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1235                                                 +-------+       |       |
1236                                                 :       :       +-------+
1237
1238
1239 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1240 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1241 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1242
1243
1244 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1245 ----------------------------------------
1246
1247 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1248 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1249 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1250 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1251 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1252 already has the value to hand.
1253
1254 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1255 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1256 cache it for later use.
1257
1258 Consider:
1259
1260         CPU 1                   CPU 2
1261         ======================= =======================
1262                                 LOAD B
1263                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1264                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1265                                 LOAD A
1266
1267 Which might appear as this:
1268
1269                                                 :       :       +-------+
1270                                                 +-------+       |       |
1271                                             --->| B->2  |------>|       |
1272                                                 +-------+       | CPU 2 |
1273                                                 :       :DIVIDE |       |
1274                                                 +-------+       |       |
1275         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1276         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1277         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1278                                                 :       :DIVIDE |       |
1279                                                 :       :   ~   |       |
1280         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1281         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1282         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1283
1284
1285 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1286 load:
1287
1288         CPU 1                   CPU 2
1289         ======================= =======================
1290                                 LOAD B
1291                                 DIVIDE
1292                                 DIVIDE
1293                                 <read barrier>
1294                                 LOAD A
1295
1296 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1297 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1298 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1299
1300                                                 :       :       +-------+
1301                                                 +-------+       |       |
1302                                             --->| B->2  |------>|       |
1303                                                 +-------+       | CPU 2 |
1304                                                 :       :DIVIDE |       |
1305                                                 +-------+       |       |
1306         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1307         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1308         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1309                                                 :       :DIVIDE |       |
1310                                                 :       :   ~   |       |
1311                                                 :       :   ~   |       |
1312                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1313                                                 :       :   ~   |       |
1314                                                 :       :   ~-->|       |
1315                                                 :       :       |       |
1316                                                 :       :       +-------+
1317
1318
1319 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1320 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1321
1322                                                 :       :       +-------+
1323                                                 +-------+       |       |
1324                                             --->| B->2  |------>|       |
1325                                                 +-------+       | CPU 2 |
1326                                                 :       :DIVIDE |       |
1327                                                 +-------+       |       |
1328         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1329         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1330         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1331                                                 :       :DIVIDE |       |
1332                                                 :       :   ~   |       |
1333                                                 :       :   ~   |       |
1334                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1335                                                 +-------+       |       |
1336         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1337         and an updated value is                 +-------+       |       |
1338         retrieved                               :       :       +-------+
1339
1340
1341 MULTICOPY ATOMICITY
1342 --------------------
1343
1344 Multicopy atomicity is a deeply intuitive notion about ordering that is
1345 not always provided by real computer systems, namely that a given store
1346 becomes visible at the same time to all CPUs, or, alternatively, that all
1347 CPUs agree on the order in which all stores become visible.  However,
1348 support of full multicopy atomicity would rule out valuable hardware
1349 optimizations, so a weaker form called ``other multicopy atomicity''
1350 instead guarantees only that a given store becomes visible at the same
1351 time to all -other- CPUs.  The remainder of this document discusses this
1352 weaker form, but for brevity will call it simply ``multicopy atomicity''.
1353
1354 The following example demonstrates multicopy atomicity:
1355
1356         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1357         ======================= ======================= =======================
1358                 { X = 0, Y = 0 }
1359         STORE X=1               r1=LOAD X (reads 1)     LOAD Y (reads 1)
1360                                 <general barrier>       <read barrier>
1361                                 STORE Y=r1              LOAD X
1362
1363 Suppose that CPU 2's load from X returns 1, which it then stores to Y,
1364 and CPU 3's load from Y returns 1.  This indicates that CPU 1's store
1365 to X precedes CPU 2's load from X and that CPU 2's store to Y precedes
1366 CPU 3's load from Y.  In addition, the memory barriers guarantee that
1367 CPU 2 executes its load before its store, and CPU 3 loads from Y before
1368 it loads from X.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1369
1370 Because CPU 3's load from X in some sense comes after CPU 2's load, it
1371 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1372 This expectation follows from multicopy atomicity: if a load executing
1373 on CPU B follows a load from the same variable executing on CPU A (and
1374 CPU A did not originally store the value which it read), then on
1375 multicopy-atomic systems, CPU B's load must return either the same value
1376 that CPU A's load did or some later value.  However, the Linux kernel
1377 does not require systems to be multicopy atomic.
1378
1379 The use of a general memory barrier in the example above compensates
1380 for any lack of multicopy atomicity.  In the example, if CPU 2's load
1381 from X returns 1 and CPU 3's load from Y returns 1, then CPU 3's load
1382 from X must indeed also return 1.
1383
1384 However, dependencies, read barriers, and write barriers are not always
1385 able to compensate for non-multicopy atomicity.  For example, suppose
1386 that CPU 2's general barrier is removed from the above example, leaving
1387 only the data dependency shown below:
1388
1389         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1390         ======================= ======================= =======================
1391                 { X = 0, Y = 0 }
1392         STORE X=1               r1=LOAD X (reads 1)     LOAD Y (reads 1)
1393                                 <data dependency>       <read barrier>
1394                                 STORE Y=r1              LOAD X (reads 0)
1395
1396 This substitution allows non-multicopy atomicity to run rampant: in
1397 this example, it is perfectly legal for CPU 2's load from X to return 1,
1398 CPU 3's load from Y to return 1, and its load from X to return 0.
1399
1400 The key point is that although CPU 2's data dependency orders its load
1401 and store, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Thus, if this
1402 example runs on a non-multicopy-atomic system where CPUs 1 and 2 share a
1403 store buffer or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's
1404 writes.  General barriers are therefore required to ensure that all CPUs
1405 agree on the combined order of multiple accesses.
1406
1407 General barriers can compensate not only for non-multicopy atomicity,
1408 but can also generate additional ordering that can ensure that -all-
1409 CPUs will perceive the same order of -all- operations.  In contrast, a
1410 chain of release-acquire pairs do not provide this additional ordering,
1411 which means that only those CPUs on the chain are guaranteed to agree
1412 on the combined order of the accesses.  For example, switching to C code
1413 in deference to the ghost of Herman Hollerith:
1414
1415         int u, v, x, y, z;
1416
1417         void cpu0(void)
1418         {
1419                 r0 = smp_load_acquire(&x);
1420                 WRITE_ONCE(u, 1);
1421                 smp_store_release(&y, 1);
1422         }
1423
1424         void cpu1(void)
1425         {
1426                 r1 = smp_load_acquire(&y);
1427                 r4 = READ_ONCE(v);
1428                 r5 = READ_ONCE(u);
1429                 smp_store_release(&z, 1);
1430         }
1431
1432         void cpu2(void)
1433         {
1434                 r2 = smp_load_acquire(&z);
1435                 smp_store_release(&x, 1);
1436         }
1437
1438         void cpu3(void)
1439         {
1440                 WRITE_ONCE(v, 1);
1441                 smp_mb();
1442                 r3 = READ_ONCE(u);
1443         }
1444
1445 Because cpu0(), cpu1(), and cpu2() participate in a chain of
1446 smp_store_release()/smp_load_acquire() pairs, the following outcome
1447 is prohibited:
1448
1449         r0 == 1 && r1 == 1 && r2 == 1
1450
1451 Furthermore, because of the release-acquire relationship between cpu0()
1452 and cpu1(), cpu1() must see cpu0()'s writes, so that the following
1453 outcome is prohibited:
1454
1455         r1 == 1 && r5 == 0
1456
1457 However, the ordering provided by a release-acquire chain is local
1458 to the CPUs participating in that chain and does not apply to cpu3(),
1459 at least aside from stores.  Therefore, the following outcome is possible:
1460
1461         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0
1462
1463 As an aside, the following outcome is also possible:
1464
1465         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 && r5 == 1
1466
1467 Although cpu0(), cpu1(), and cpu2() will see their respective reads and
1468 writes in order, CPUs not involved in the release-acquire chain might
1469 well disagree on the order.  This disagreement stems from the fact that
1470 the weak memory-barrier instructions used to implement smp_load_acquire()
1471 and smp_store_release() are not required to order prior stores against
1472 subsequent loads in all cases.  This means that cpu3() can see cpu0()'s
1473 store to u as happening -after- cpu1()'s load from v, even though
1474 both cpu0() and cpu1() agree that these two operations occurred in the
1475 intended order.
1476
1477 However, please keep in mind that smp_load_acquire() is not magic.
1478 In particular, it simply reads from its argument with ordering.  It does
1479 -not- ensure that any particular value will be read.  Therefore, the
1480 following outcome is possible:
1481
1482         r0 == 0 && r1 == 0 && r2 == 0 && r5 == 0
1483
1484 Note that this outcome can happen even on a mythical sequentially
1485 consistent system where nothing is ever reordered.
1486
1487 To reiterate, if your code requires full ordering of all operations,
1488 use general barriers throughout.
1489
1490
1491 ========================
1492 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1493 ========================
1494
1495 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1496 levels:
1497
1498   (*) Compiler barrier.
1499
1500   (*) CPU memory barriers.
1501
1502   (*) MMIO write barrier.
1503
1504
1505 COMPILER BARRIER
1506 ----------------
1507
1508 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1509 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1510
1511         barrier();
1512
1513 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write
1514 variants of barrier().  However, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() can be
1515 thought of as weak forms of barrier() that affect only the specific
1516 accesses flagged by the READ_ONCE() or WRITE_ONCE().
1517
1518 The barrier() function has the following effects:
1519
1520  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1521      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1522      One example use for this property is to ease communication between
1523      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1524
1525  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1526      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1527
1528 The READ_ONCE() and WRITE_ONCE() functions can prevent any number of
1529 optimizations that, while perfectly safe in single-threaded code, can
1530 be fatal in concurrent code.  Here are some examples of these sorts
1531 of optimizations:
1532
1533  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1534      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1535      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1536      the following code:
1537
1538         a[0] = x;
1539         a[1] = x;
1540
1541      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1542      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1543
1544         a[0] = READ_ONCE(x);
1545         a[1] = READ_ONCE(x);
1546
1547      In short, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() provide cache coherence for
1548      accesses from multiple CPUs to a single variable.
1549
1550  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1551      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1552      the following code:
1553
1554         while (tmp = a)
1555                 do_something_with(tmp);
1556
1557      into the following code, which, although in some sense legitimate
1558      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1559      intended:
1560
1561         if (tmp = a)
1562                 for (;;)
1563                         do_something_with(tmp);
1564
1565      Use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1566
1567         while (tmp = READ_ONCE(a))
1568                 do_something_with(tmp);
1569
1570  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1571      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1572      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1573      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1574
1575         while (tmp = a)
1576                 do_something_with(tmp);
1577
1578      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1579      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1580
1581         while (a)
1582                 do_something_with(a);
1583
1584      For example, the optimized version of this code could result in
1585      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1586      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1587      the call to do_something_with().
1588
1589      Again, use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1590
1591         while (tmp = READ_ONCE(a))
1592                 do_something_with(tmp);
1593
1594      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1595      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1596      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1597      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1598      where it is not safe.
1599
1600  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1601      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1602      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1603
1604         while (tmp = a)
1605                 do_something_with(tmp);
1606
1607      Into this:
1608
1609         do { } while (0);
1610
1611      This transformation is a win for single-threaded code because it
1612      gets rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler
1613      will carry out its proof assuming that the current CPU is the only
1614      one updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the
1615      compiler's proof will be erroneous.  Use READ_ONCE() to tell the
1616      compiler that it doesn't know as much as it thinks it does:
1617
1618         while (tmp = READ_ONCE(a))
1619                 do_something_with(tmp);
1620
1621      But please note that the compiler is also closely watching what you
1622      do with the value after the READ_ONCE().  For example, suppose you
1623      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1624
1625         while ((tmp = READ_ONCE(a)) % MAX)
1626                 do_something_with(tmp);
1627
1628      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1629      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1630      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1631      variable 'a'.)
1632
1633  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1634      if it knows that the variable already has the value being stored.
1635      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1636      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1637      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1638      the following:
1639
1640         a = 0;
1641         ... Code that does not store to variable a ...
1642         a = 0;
1643
1644      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1645      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1646      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1647      meantime.
1648
1649      Use WRITE_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1650      wrong guess:
1651
1652         WRITE_ONCE(a, 0);
1653         ... Code that does not store to variable a ...
1654         WRITE_ONCE(a, 0);
1655
1656  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1657      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1658      between process-level code and an interrupt handler:
1659
1660         void process_level(void)
1661         {
1662                 msg = get_message();
1663                 flag = true;
1664         }
1665
1666         void interrupt_handler(void)
1667         {
1668                 if (flag)
1669                         process_message(msg);
1670         }
1671
1672      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1673      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1674      win for single-threaded code:
1675
1676         void process_level(void)
1677         {
1678                 flag = true;
1679                 msg = get_message();
1680         }
1681
1682      If the interrupt occurs between these two statement, then
1683      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use WRITE_ONCE()
1684      to prevent this as follows:
1685
1686         void process_level(void)
1687         {
1688                 WRITE_ONCE(msg, get_message());
1689                 WRITE_ONCE(flag, true);
1690         }
1691
1692         void interrupt_handler(void)
1693         {
1694                 if (READ_ONCE(flag))
1695                         process_message(READ_ONCE(msg));
1696         }
1697
1698      Note that the READ_ONCE() and WRITE_ONCE() wrappers in
1699      interrupt_handler() are needed if this interrupt handler can itself
1700      be interrupted by something that also accesses 'flag' and 'msg',
1701      for example, a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, READ_ONCE()
1702      and WRITE_ONCE() are not needed in interrupt_handler() other than
1703      for documentation purposes.  (Note also that nested interrupts
1704      do not typically occur in modern Linux kernels, in fact, if an
1705      interrupt handler returns with interrupts enabled, you will get a
1706      WARN_ONCE() splat.)
1707
1708      You should assume that the compiler can move READ_ONCE() and
1709      WRITE_ONCE() past code not containing READ_ONCE(), WRITE_ONCE(),
1710      barrier(), or similar primitives.
1711
1712      This effect could also be achieved using barrier(), but READ_ONCE()
1713      and WRITE_ONCE() are more selective:  With READ_ONCE() and
1714      WRITE_ONCE(), the compiler need only forget the contents of the
1715      indicated memory locations, while with barrier() the compiler must
1716      discard the value of all memory locations that it has currented
1717      cached in any machine registers.  Of course, the compiler must also
1718      respect the order in which the READ_ONCE()s and WRITE_ONCE()s occur,
1719      though the CPU of course need not do so.
1720
1721  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1722      as in the following example:
1723
1724         if (a)
1725                 b = a;
1726         else
1727                 b = 42;
1728
1729      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1730
1731         b = 42;
1732         if (a)
1733                 b = a;
1734
1735      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1736      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1737      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1738      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1739      Use WRITE_ONCE() to prevent this as follows:
1740
1741         if (a)
1742                 WRITE_ONCE(b, a);
1743         else
1744                 WRITE_ONCE(b, 42);
1745
1746      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1747      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1748      poor performance and scalability.  Use READ_ONCE() to prevent
1749      invented loads.
1750
1751  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1752      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1753      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1754      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1755      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1756      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1757      implement the following 32-bit store:
1758
1759         p = 0x00010002;
1760
1761      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1762      which is not surprising given that it would likely take more
1763      than two instructions to build the constant and then store it.
1764      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1765      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1766      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1767      use of WRITE_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1768
1769         WRITE_ONCE(p, 0x00010002);
1770
1771      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1772      as in this example:
1773
1774         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1775                 short a;
1776                 int b;
1777                 short c;
1778         };
1779         struct foo foo1, foo2;
1780         ...
1781
1782         foo2.a = foo1.a;
1783         foo2.b = foo1.b;
1784         foo2.c = foo1.c;
1785
1786      Because there are no READ_ONCE() or WRITE_ONCE() wrappers and no
1787      volatile markings, the compiler would be well within its rights to
1788      implement these three assignment statements as a pair of 32-bit
1789      loads followed by a pair of 32-bit stores.  This would result in
1790      load tearing on 'foo1.b' and store tearing on 'foo2.b'.  READ_ONCE()
1791      and WRITE_ONCE() again prevent tearing in this example:
1792
1793         foo2.a = foo1.a;
1794         WRITE_ONCE(foo2.b, READ_ONCE(foo1.b));
1795         foo2.c = foo1.c;
1796
1797 All that aside, it is never necessary to use READ_ONCE() and
1798 WRITE_ONCE() on a variable that has been marked volatile.  For example,
1799 because 'jiffies' is marked volatile, it is never necessary to
1800 say READ_ONCE(jiffies).  The reason for this is that READ_ONCE() and
1801 WRITE_ONCE() are implemented as volatile casts, which has no effect when
1802 its argument is already marked volatile.
1803
1804 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1805 which may then reorder things however it wishes.
1806
1807
1808 CPU MEMORY BARRIERS
1809 -------------------
1810
1811 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1812
1813         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1814         =============== ======================= ===========================
1815         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1816         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1817         READ            rmb()                   smp_rmb()
1818         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1819
1820
1821 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1822 barrier.  Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1823
1824 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected
1825 to issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load
1826 the value of b before loading a[b]), however there is no guarantee in
1827 the C specification that the compiler may not speculate the value of b
1828 (eg. is equal to 1) and load a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1)
1829 tmp = a[b]; ).  There is also the problem of a compiler reloading b after
1830 having loaded a[b], thus having a newer copy of b than a[b].  A consensus
1831 has not yet been reached about these problems, however the READ_ONCE()
1832 macro is a good place to start looking.
1833
1834 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1835 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1836 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1837 However, see the subsection on "Virtual Machine Guests" below.
1838
1839 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1840 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1841 is sufficient.
1842
1843 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1844 barriers impose unnecessary overhead on both SMP and UP systems. They may,
1845 however, be used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O
1846 windows.  These barriers are required even on non-SMP systems as they affect
1847 the order in which memory operations appear to a device by prohibiting both the
1848 compiler and the CPU from reordering them.
1849
1850
1851 There are some more advanced barrier functions:
1852
1853  (*) smp_store_mb(var, value)
1854
1855      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1856      barrier after it.  It isn't guaranteed to insert anything more than a
1857      compiler barrier in a UP compilation.
1858
1859
1860  (*) smp_mb__before_atomic();
1861  (*) smp_mb__after_atomic();
1862
1863      These are for use with atomic (such as add, subtract, increment and
1864      decrement) functions that don't return a value, especially when used for
1865      reference counting.  These functions do not imply memory barriers.
1866
1867      These are also used for atomic bitop functions that do not return a
1868      value (such as set_bit and clear_bit).
1869
1870      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1871      and then decrements the object's reference count:
1872
1873         obj->dead = 1;
1874         smp_mb__before_atomic();
1875         atomic_dec(&obj->ref_count);
1876
1877      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1878      *before* the reference counter is decremented.
1879
1880      See Documentation/atomic_{t,bitops}.txt for more information.
1881
1882
1883  (*) dma_wmb();
1884  (*) dma_rmb();
1885
1886      These are for use with consistent memory to guarantee the ordering
1887      of writes or reads of shared memory accessible to both the CPU and a
1888      DMA capable device.
1889
1890      For example, consider a device driver that shares memory with a device
1891      and uses a descriptor status value to indicate if the descriptor belongs
1892      to the device or the CPU, and a doorbell to notify it when new
1893      descriptors are available:
1894
1895         if (desc->status != DEVICE_OWN) {
1896                 /* do not read data until we own descriptor */
1897                 dma_rmb();
1898
1899                 /* read/modify data */
1900                 read_data = desc->data;
1901                 desc->data = write_data;
1902
1903                 /* flush modifications before status update */
1904                 dma_wmb();
1905
1906                 /* assign ownership */
1907                 desc->status = DEVICE_OWN;
1908
1909                 /* force memory to sync before notifying device via MMIO */
1910                 wmb();
1911
1912                 /* notify device of new descriptors */
1913                 writel(DESC_NOTIFY, doorbell);
1914         }
1915
1916      The dma_rmb() allows us guarantee the device has released ownership
1917      before we read the data from the descriptor, and the dma_wmb() allows
1918      us to guarantee the data is written to the descriptor before the device
1919      can see it now has ownership.  The wmb() is needed to guarantee that the
1920      cache coherent memory writes have completed before attempting a write to
1921      the cache incoherent MMIO region.
1922
1923      See Documentation/DMA-API.txt for more information on consistent memory.
1924
1925
1926 MMIO WRITE BARRIER
1927 ------------------
1928
1929 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1930 writes:
1931
1932         mmiowb();
1933
1934 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1935 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1936 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1937
1938 See the subsection "Acquires vs I/O accesses" for more information.
1939
1940
1941 ===============================
1942 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1943 ===============================
1944
1945 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1946 which are locking and scheduling functions.
1947
1948 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1949 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1950 of arch specific code.
1951
1952
1953 LOCK ACQUISITION FUNCTIONS
1954 --------------------------
1955
1956 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1957
1958  (*) spin locks
1959  (*) R/W spin locks
1960  (*) mutexes
1961  (*) semaphores
1962  (*) R/W semaphores
1963
1964 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1965 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1966
1967  (1) ACQUIRE operation implication:
1968
1969      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
1970      ACQUIRE operation has completed.
1971
1972      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
1973      the ACQUIRE operation has completed.
1974
1975  (2) RELEASE operation implication:
1976
1977      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
1978      RELEASE operation has completed.
1979
1980      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
1981      RELEASE operation has completed.
1982
1983  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
1984
1985      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
1986      completed before that ACQUIRE operation.
1987
1988  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
1989
1990      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
1991      completed before the RELEASE operation.
1992
1993  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
1994
1995      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
1996      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1997      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1998      locks do not imply any sort of barrier.
1999
2000 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
2001 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
2002 section may seep into the inside of the critical section.
2003
2004 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
2005 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
2006 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
2007 the two accesses can themselves then cross:
2008
2009         *A = a;
2010         ACQUIRE M
2011         RELEASE M
2012         *B = b;
2013
2014 may occur as:
2015
2016         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
2017
2018 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
2019 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
2020 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
2021 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
2022 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
2023
2024 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does
2025 not imply a full memory barrier.  Therefore, the CPU's execution of the
2026 critical sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross,
2027 so that:
2028
2029         *A = a;
2030         RELEASE M
2031         ACQUIRE N
2032         *B = b;
2033
2034 could occur as:
2035
2036         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
2037
2038 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
2039 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
2040 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
2041
2042         Why does this work?
2043
2044         One key point is that we are only talking about the CPU doing
2045         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
2046         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
2047         -could- occur.
2048
2049         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
2050         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
2051         simply elected to try executing the later lock operation first.
2052         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
2053         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
2054         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
2055         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
2056         allowing the lock operation to succeed.
2057
2058         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
2059         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
2060         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
2061         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
2062         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
2063         such races properly in any case.
2064
2065 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
2066 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
2067 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
2068 with interrupt disabling operations.
2069
2070 See also the section on "Inter-CPU acquiring barrier effects".
2071
2072
2073 As an example, consider the following:
2074
2075         *A = a;
2076         *B = b;
2077         ACQUIRE
2078         *C = c;
2079         *D = d;
2080         RELEASE
2081         *E = e;
2082         *F = f;
2083
2084 The following sequence of events is acceptable:
2085
2086         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
2087
2088         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
2089
2090 But none of the following are:
2091
2092         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
2093         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
2094         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
2095         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
2096
2097
2098
2099 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
2100 -----------------------------
2101
2102 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
2103 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
2104 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
2105 other means.
2106
2107
2108 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
2109 ---------------------------
2110
2111 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
2112 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
2113 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
2114 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
2115 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
2116 barriers.
2117
2118 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
2119
2120         for (;;) {
2121                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
2122                 if (event_indicated)
2123                         break;
2124                 schedule();
2125         }
2126
2127 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
2128 after it has altered the task state:
2129
2130         CPU 1
2131         ===============================
2132         set_current_state();
2133           smp_store_mb();
2134             STORE current->state
2135             <general barrier>
2136         LOAD event_indicated
2137
2138 set_current_state() may be wrapped by:
2139
2140         prepare_to_wait();
2141         prepare_to_wait_exclusive();
2142
2143 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
2144 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
2145 interpolate the memory barrier in the right place:
2146
2147         wait_event();
2148         wait_event_interruptible();
2149         wait_event_interruptible_exclusive();
2150         wait_event_interruptible_timeout();
2151         wait_event_killable();
2152         wait_event_timeout();
2153         wait_on_bit();
2154         wait_on_bit_lock();
2155
2156
2157 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
2158
2159         event_indicated = 1;
2160         wake_up(&event_wait_queue);
2161
2162 or:
2163
2164         event_indicated = 1;
2165         wake_up_process(event_daemon);
2166
2167 A write memory barrier is implied by wake_up() and co.  if and only if they
2168 wake something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so
2169 sits between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
2170
2171         CPU 1                           CPU 2
2172         =============================== ===============================
2173         set_current_state();            STORE event_indicated
2174           smp_store_mb();               wake_up();
2175             STORE current->state          <write barrier>
2176             <general barrier>             STORE current->state
2177         LOAD event_indicated
2178
2179 To repeat, this write memory barrier is present if and only if something
2180 is actually awakened.  To see this, consider the following sequence of
2181 events, where X and Y are both initially zero:
2182
2183         CPU 1                           CPU 2
2184         =============================== ===============================
2185         X = 1;                          STORE event_indicated
2186         smp_mb();                       wake_up();
2187         Y = 1;                          wait_event(wq, Y == 1);
2188         wake_up();                        load from Y sees 1, no memory barrier
2189                                         load from X might see 0
2190
2191 In contrast, if a wakeup does occur, CPU 2's load from X would be guaranteed
2192 to see 1.
2193
2194 The available waker functions include:
2195
2196         complete();
2197         wake_up();
2198         wake_up_all();
2199         wake_up_bit();
2200         wake_up_interruptible();
2201         wake_up_interruptible_all();
2202         wake_up_interruptible_nr();
2203         wake_up_interruptible_poll();
2204         wake_up_interruptible_sync();
2205         wake_up_interruptible_sync_poll();
2206         wake_up_locked();
2207         wake_up_locked_poll();
2208         wake_up_nr();
2209         wake_up_poll();
2210         wake_up_process();
2211
2212
2213 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
2214 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
2215 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
2216 sleeper does:
2217
2218         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2219         if (event_indicated)
2220                 break;
2221         __set_current_state(TASK_RUNNING);
2222         do_something(my_data);
2223
2224 and the waker does:
2225
2226         my_data = value;
2227         event_indicated = 1;
2228         wake_up(&event_wait_queue);
2229
2230 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
2231 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
2232 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
2233 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
2234
2235         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2236         if (event_indicated) {
2237                 smp_rmb();
2238                 do_something(my_data);
2239         }
2240
2241 and the waker should do:
2242
2243         my_data = value;
2244         smp_wmb();
2245         event_indicated = 1;
2246         wake_up(&event_wait_queue);
2247
2248
2249 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
2250 -----------------------
2251
2252 Other functions that imply barriers:
2253
2254  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
2255
2256
2257 ===================================
2258 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
2259 ===================================
2260
2261 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
2262 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
2263 conflict on any particular lock.
2264
2265
2266 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
2267 ---------------------------
2268
2269 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
2270 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
2271
2272         CPU 1                           CPU 2
2273         =============================== ===============================
2274         WRITE_ONCE(*A, a);              WRITE_ONCE(*E, e);
2275         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2276         WRITE_ONCE(*B, b);              WRITE_ONCE(*F, f);
2277         WRITE_ONCE(*C, c);              WRITE_ONCE(*G, g);
2278         RELEASE M                       RELEASE Q
2279         WRITE_ONCE(*D, d);              WRITE_ONCE(*H, h);
2280
2281 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2282 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2283 on the separate CPUs.  It might, for example, see:
2284
2285         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2286
2287 But it won't see any of:
2288
2289         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2290         *A, *B or *C following RELEASE M
2291         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2292         *E, *F or *G following RELEASE Q
2293
2294
2295
2296 ACQUIRES VS I/O ACCESSES
2297 ------------------------
2298
2299 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
2300 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
2301 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
2302 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
2303 read memory barriers.
2304
2305 For example:
2306
2307         CPU 1                           CPU 2
2308         =============================== ===============================
2309         spin_lock(Q)
2310         writel(0, ADDR)
2311         writel(1, DATA);
2312         spin_unlock(Q);
2313                                         spin_lock(Q);
2314                                         writel(4, ADDR);
2315                                         writel(5, DATA);
2316                                         spin_unlock(Q);
2317
2318 may be seen by the PCI bridge as follows:
2319
2320         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
2321
2322 which would probably cause the hardware to malfunction.
2323
2324
2325 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
2326 spinlock, for example:
2327
2328         CPU 1                           CPU 2
2329         =============================== ===============================
2330         spin_lock(Q)
2331         writel(0, ADDR)
2332         writel(1, DATA);
2333         mmiowb();
2334         spin_unlock(Q);
2335                                         spin_lock(Q);
2336                                         writel(4, ADDR);
2337                                         writel(5, DATA);
2338                                         mmiowb();
2339                                         spin_unlock(Q);
2340
2341 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
2342 before either of the stores issued on CPU 2.
2343
2344
2345 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
2346 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
2347 is performed:
2348
2349         CPU 1                           CPU 2
2350         =============================== ===============================
2351         spin_lock(Q)
2352         writel(0, ADDR)
2353         a = readl(DATA);
2354         spin_unlock(Q);
2355                                         spin_lock(Q);
2356                                         writel(4, ADDR);
2357                                         b = readl(DATA);
2358                                         spin_unlock(Q);
2359
2360
2361 See Documentation/driver-api/device-io.rst for more information.
2362
2363
2364 =================================
2365 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2366 =================================
2367
2368 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2369 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2370 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2371 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2372
2373  (*) Interprocessor interaction.
2374
2375  (*) Atomic operations.
2376
2377  (*) Accessing devices.
2378
2379  (*) Interrupts.
2380
2381
2382 INTERPROCESSOR INTERACTION
2383 --------------------------
2384
2385 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2386 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2387 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2388 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2389 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2390 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2391 a malfunction.
2392
2393 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2394 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2395 the semaphore's list of waiting processes:
2396
2397         struct rw_semaphore {
2398                 ...
2399                 spinlock_t lock;
2400                 struct list_head waiters;
2401         };
2402
2403         struct rwsem_waiter {
2404                 struct list_head list;
2405                 struct task_struct *task;
2406         };
2407
2408 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2409
2410  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2411      next waiter record is;
2412
2413  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2414
2415  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2416
2417  (4) call wake_up_process() on the task; and
2418
2419  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2420
2421 In other words, it has to perform this sequence of events:
2422
2423         LOAD waiter->list.next;
2424         LOAD waiter->task;
2425         STORE waiter->task;
2426         CALL wakeup
2427         RELEASE task
2428
2429 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2430 malfunction.
2431
2432 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2433 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2434 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2435 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2436 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2437 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2438
2439 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2440
2441         CPU 1                           CPU 2
2442         =============================== ===============================
2443                                         down_xxx()
2444                                         Queue waiter
2445                                         Sleep
2446         up_yyy()
2447         LOAD waiter->task;
2448         STORE waiter->task;
2449                                         Woken up by other event
2450         <preempt>
2451                                         Resume processing
2452                                         down_xxx() returns
2453                                         call foo()
2454                                         foo() clobbers *waiter
2455         </preempt>
2456         LOAD waiter->list.next;
2457         --- OOPS ---
2458
2459 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2460 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2461
2462 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2463
2464         LOAD waiter->list.next;
2465         LOAD waiter->task;
2466         smp_mb();
2467         STORE waiter->task;
2468         CALL wakeup
2469         RELEASE task
2470
2471 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2472 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2473 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2474 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2475 instruction itself is complete.
2476
2477 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2478 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2479 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2480 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2481
2482
2483 ATOMIC OPERATIONS
2484 -----------------
2485
2486 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2487 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2488 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2489 kernel.
2490
2491 See Documentation/atomic_t.txt for more information.
2492
2493
2494 ACCESSING DEVICES
2495 -----------------
2496
2497 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2498 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2499 make the right memory accesses in exactly the right order.
2500
2501 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2502 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2503 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2504 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2505 the device to malfunction.
2506
2507 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2508 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2509 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2510 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2511 might be needed:
2512
2513  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2514      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2515      issued prior to unlocking the critical section.
2516
2517  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2518      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2519      required to enforce ordering.
2520
2521 See Documentation/driver-api/device-io.rst for more information.
2522
2523
2524 INTERRUPTS
2525 ----------
2526
2527 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2528 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2529 access the device.
2530
2531 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2532 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2533 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2534 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2535 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2536 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2537
2538 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2539 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2540 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2541
2542         LOCAL IRQ DISABLE
2543         writew(ADDR, 3);
2544         writew(DATA, y);
2545         LOCAL IRQ ENABLE
2546         <interrupt>
2547         writew(ADDR, 4);
2548         q = readw(DATA);
2549         </interrupt>
2550
2551 The store to the data register might happen after the second store to the
2552 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2553
2554         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2555
2556
2557 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2558 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2559 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2560 explicit barriers are used.
2561
2562 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2563 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2564 registers that form implicit I/O barriers.  If this isn't sufficient then an
2565 mmiowb() may need to be used explicitly.
2566
2567
2568 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2569 running on separate CPUs that communicate with each other.  If such a case is
2570 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2571
2572
2573 ==========================
2574 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2575 ==========================
2576
2577 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2578 functions:
2579
2580  (*) inX(), outX():
2581
2582      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2583      that's primarily a CPU-specific concept.  The i386 and x86_64 processors
2584      do indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2585      CPUs don't have such a concept.
2586
2587      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2588      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2589      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2590      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2591      spaces.
2592
2593      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2594      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2595      that.
2596
2597      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2598
2599      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2600      memory and I/O operation.
2601
2602  (*) readX(), writeX():
2603
2604      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2605      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2606      defined for the memory window through which they're accessing.  On later
2607      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2608      MTRR registers.
2609
2610      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2611      provided they're not accessing a prefetchable device.
2612
2613      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2614      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2615      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2616      space should suffice for PCI.
2617
2618      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2619          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2620          example.
2621
2622      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2623      force stores to be ordered.
2624
2625      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2626      between PCI transactions.
2627
2628  (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed()
2629
2630      These are similar to readX() and writeX(), but provide weaker memory
2631      ordering guarantees.  Specifically, they do not guarantee ordering with
2632      respect to normal memory accesses (e.g. DMA buffers) nor do they guarantee
2633      ordering with respect to LOCK or UNLOCK operations.  If the latter is
2634      required, an mmiowb() barrier can be used.  Note that relaxed accesses to
2635      the same peripheral are guaranteed to be ordered with respect to each
2636      other.
2637
2638  (*) ioreadX(), iowriteX()
2639
2640      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2641      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2642
2643
2644 ========================================
2645 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2646 ========================================
2647
2648 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2649 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2650 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2651 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2652 of arch-specific code.
2653
2654 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2655 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2656 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2657 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2658 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2659 causality is maintained.
2660
2661  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2662      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2663      instructions may depend on different effects.
2664
2665 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2666 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2667 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2668
2669
2670 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2671 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2672 maintained.
2673
2674
2675 ============================
2676 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2677 ============================
2678
2679 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2680 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2681 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2682
2683 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2684 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2685 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2686 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2687
2688             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2689                                   :
2690         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2691         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2692         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2693         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2694         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2695         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2696         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2697                                   :                 | Cache     |    +--------+
2698                                   :                 | Coherency |
2699                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2700         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2701         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2702         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2703         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2704         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2705         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2706         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2707                                   :
2708                                   :
2709
2710 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2711 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2712 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2713 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2714 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2715
2716 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2717 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2718 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2719 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2720 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2721 to complete.
2722
2723 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2724 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2725 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2726 in the system.
2727
2728 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2729 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2730
2731 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2732 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2733 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2734
2735
2736 CACHE COHERENCY
2737 ---------------
2738
2739 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2740 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2741 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2742 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2743 become apparent in the same order on those other CPUs.
2744
2745
2746 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2747 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2748
2749                     :
2750                     :                          +--------+
2751                     :      +---------+         |        |
2752         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2753         |        |  : |    +---------+         |        |
2754         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2755         |        |  : |    +---------+         |        |
2756         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2757                     :      +---------+         |        |
2758                     :                          | Memory |
2759                     :      +---------+         | System |
2760         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2761         |        |  : |    +---------+         |        |
2762         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2763         |        |  : |    +---------+         |        |
2764         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2765                     :      +---------+         |        |
2766                     :                          +--------+
2767                     :
2768
2769 Imagine the system has the following properties:
2770
2771  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2772      resident in memory;
2773
2774  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2775      resident in memory;
2776
2777  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2778      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2779      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2780
2781  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2782      to maintain coherency with the rest of the system;
2783
2784  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2785      present in the cache, even though the contents of the queue may
2786      potentially affect those loads.
2787
2788 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2789 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2790 the requisite order:
2791
2792         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2793         =============== =============== =======================================
2794                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2795         v = 2;
2796         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2797                                          change to p
2798         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2799         p = &v;
2800         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2801
2802 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2803 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2804 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2805
2806         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2807         =============== =============== =======================================
2808         ...
2809                         q = p;
2810                         x = *q;
2811
2812 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2813 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2814 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2815 CPU's caches by some other cache event:
2816
2817         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2818         =============== =============== =======================================
2819                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2820         v = 2;
2821         smp_wmb();
2822         <A:modify v=2>  <C:busy>
2823                         <C:queue v=2>
2824         p = &v;         q = p;
2825                         <D:request p>
2826         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2827                         <D:read p>
2828                         x = *q;
2829                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2830                         <C:unbusy>
2831                         <C:commit v=2>
2832
2833 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2834 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2835 as that committed on CPU 1.
2836
2837
2838 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2839 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2840 queue before processing any further requests:
2841
2842         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2843         =============== =============== =======================================
2844                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2845         v = 2;
2846         smp_wmb();
2847         <A:modify v=2>  <C:busy>
2848                         <C:queue v=2>
2849         p = &v;         q = p;
2850                         <D:request p>
2851         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2852                         <D:read p>
2853                         smp_read_barrier_depends()
2854                         <C:unbusy>
2855                         <C:commit v=2>
2856                         x = *q;
2857                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2858
2859
2860 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2861 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2862 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2863 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2864
2865 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2866 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2867 need for coordination in the absence of memory barriers.
2868
2869
2870 CACHE COHERENCY VS DMA
2871 ----------------------
2872
2873 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2874 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2875 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2876 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2877 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2878 invalidate them as well).
2879
2880 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2881 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2882 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2883 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2884 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2885 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2886 cache on each CPU.
2887
2888 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2889
2890
2891 CACHE COHERENCY VS MMIO
2892 -----------------------
2893
2894 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2895 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2896 the usual RAM directed window.
2897
2898 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2899 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2900 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2901 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2902 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2903 any way dependent.
2904
2905
2906 =========================
2907 THE THINGS CPUS GET UP TO
2908 =========================
2909
2910 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2911 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2912 given the following piece of code to execute:
2913
2914         a = READ_ONCE(*A);
2915         WRITE_ONCE(*B, b);
2916         c = READ_ONCE(*C);
2917         d = READ_ONCE(*D);
2918         WRITE_ONCE(*E, e);
2919
2920 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2921 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2922 operations as seen by external observers in the system:
2923
2924         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2925
2926
2927 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2928 assumption doesn't hold because:
2929
2930  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2931      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2932      problem;
2933
2934  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2935      to have been unnecessary;
2936
2937  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2938      at the wrong time in the expected sequence of events;
2939
2940  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2941      of the CPU buses and caches;
2942
2943  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2944      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2945      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2946      both be able to do this); and
2947
2948  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2949      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2950      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2951      order to other CPUs.
2952
2953 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2954 is:
2955
2956         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2957
2958         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2959
2960
2961 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2962 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2963 barrier.  For instance with the following code:
2964
2965         U = READ_ONCE(*A);
2966         WRITE_ONCE(*A, V);
2967         WRITE_ONCE(*A, W);
2968         X = READ_ONCE(*A);
2969         WRITE_ONCE(*A, Y);
2970         Z = READ_ONCE(*A);
2971
2972 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2973 the final result will appear to be:
2974
2975         U == the original value of *A
2976         X == W
2977         Z == Y
2978         *A == Y
2979
2980 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2981 accesses:
2982
2983         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2984
2985 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2986 combination of elements combined or discarded, provided the program's view
2987 of the world remains consistent.  Note that READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
2988 are -not- optional in the above example, as there are architectures
2989 where a given CPU might reorder successive loads to the same location.
2990 On such architectures, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() do whatever is
2991 necessary to prevent this, for example, on Itanium the volatile casts
2992 used by READ_ONCE() and WRITE_ONCE() cause GCC to emit the special ld.acq
2993 and st.rel instructions (respectively) that prevent such reordering.
2994
2995 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2996 the CPU even sees them.
2997
2998 For instance:
2999
3000         *A = V;
3001         *A = W;
3002
3003 may be reduced to:
3004
3005         *A = W;
3006
3007 since, without either a write barrier or an WRITE_ONCE(), it can be
3008 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
3009
3010         *A = Y;
3011         Z = *A;
3012
3013 may, without a memory barrier or an READ_ONCE() and WRITE_ONCE(), be
3014 reduced to:
3015
3016         *A = Y;
3017         Z = Y;
3018
3019 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
3020
3021
3022 AND THEN THERE'S THE ALPHA
3023 --------------------------
3024
3025 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
3026 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
3027 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
3028 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
3029 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
3030 changes vs new data occur in the right order.
3031
3032 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
3033
3034 See the subsection on "Cache Coherency" above.
3035
3036
3037 VIRTUAL MACHINE GUESTS
3038 ----------------------
3039
3040 Guests running within virtual machines might be affected by SMP effects even if
3041 the guest itself is compiled without SMP support.  This is an artifact of
3042 interfacing with an SMP host while running an UP kernel.  Using mandatory
3043 barriers for this use-case would be possible but is often suboptimal.
3044
3045 To handle this case optimally, low-level virt_mb() etc macros are available.
3046 These have the same effect as smp_mb() etc when SMP is enabled, but generate
3047 identical code for SMP and non-SMP systems.  For example, virtual machine guests
3048 should use virt_mb() rather than smp_mb() when synchronizing against a
3049 (possibly SMP) host.
3050
3051 These are equivalent to smp_mb() etc counterparts in all other respects,
3052 in particular, they do not control MMIO effects: to control
3053 MMIO effects, use mandatory barriers.
3054
3055
3056 ============
3057 EXAMPLE USES
3058 ============
3059
3060 CIRCULAR BUFFERS
3061 ----------------
3062
3063 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
3064 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
3065
3066         Documentation/circular-buffers.txt
3067
3068 for details.
3069
3070
3071 ==========
3072 REFERENCES
3073 ==========
3074
3075 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
3076 Digital Press)
3077         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
3078         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
3079         Chapter 5.5: Data Sharing
3080         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
3081
3082 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
3083         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
3084         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
3085
3086 ARM Architecture Reference Manual (ARMv8, for ARMv8-A architecture profile)
3087         Chapter B2: The AArch64 Application Level Memory Model
3088
3089 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
3090 System Programming Guide
3091         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
3092         Chapter 7.2: Memory Ordering
3093         Chapter 7.4: Serializing Instructions
3094
3095 The SPARC Architecture Manual, Version 9
3096         Chapter 8: Memory Models
3097         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
3098         Appendix J: Programming with the Memory Models
3099
3100 Storage in the PowerPC (Stone and Fitzgerald)
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