Merge tag 'wberr-v4.14-1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jlayton...
[sfrench/cifs-2.6.git] / kernel / locking / qspinlock_paravirt.h
1 #ifndef _GEN_PV_LOCK_SLOWPATH
2 #error "do not include this file"
3 #endif
4
5 #include <linux/hash.h>
6 #include <linux/bootmem.h>
7 #include <linux/debug_locks.h>
8
9 /*
10  * Implement paravirt qspinlocks; the general idea is to halt the vcpus instead
11  * of spinning them.
12  *
13  * This relies on the architecture to provide two paravirt hypercalls:
14  *
15  *   pv_wait(u8 *ptr, u8 val) -- suspends the vcpu if *ptr == val
16  *   pv_kick(cpu)             -- wakes a suspended vcpu
17  *
18  * Using these we implement __pv_queued_spin_lock_slowpath() and
19  * __pv_queued_spin_unlock() to replace native_queued_spin_lock_slowpath() and
20  * native_queued_spin_unlock().
21  */
22
23 #define _Q_SLOW_VAL     (3U << _Q_LOCKED_OFFSET)
24
25 /*
26  * Queue Node Adaptive Spinning
27  *
28  * A queue node vCPU will stop spinning if the vCPU in the previous node is
29  * not running. The one lock stealing attempt allowed at slowpath entry
30  * mitigates the slight slowdown for non-overcommitted guest with this
31  * aggressive wait-early mechanism.
32  *
33  * The status of the previous node will be checked at fixed interval
34  * controlled by PV_PREV_CHECK_MASK. This is to ensure that we won't
35  * pound on the cacheline of the previous node too heavily.
36  */
37 #define PV_PREV_CHECK_MASK      0xff
38
39 /*
40  * Queue node uses: vcpu_running & vcpu_halted.
41  * Queue head uses: vcpu_running & vcpu_hashed.
42  */
43 enum vcpu_state {
44         vcpu_running = 0,
45         vcpu_halted,            /* Used only in pv_wait_node */
46         vcpu_hashed,            /* = pv_hash'ed + vcpu_halted */
47 };
48
49 struct pv_node {
50         struct mcs_spinlock     mcs;
51         struct mcs_spinlock     __res[3];
52
53         int                     cpu;
54         u8                      state;
55 };
56
57 /*
58  * Include queued spinlock statistics code
59  */
60 #include "qspinlock_stat.h"
61
62 /*
63  * By replacing the regular queued_spin_trylock() with the function below,
64  * it will be called once when a lock waiter enter the PV slowpath before
65  * being queued. By allowing one lock stealing attempt here when the pending
66  * bit is off, it helps to reduce the performance impact of lock waiter
67  * preemption without the drawback of lock starvation.
68  */
69 #define queued_spin_trylock(l)  pv_queued_spin_steal_lock(l)
70 static inline bool pv_queued_spin_steal_lock(struct qspinlock *lock)
71 {
72         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
73
74         if (!(atomic_read(&lock->val) & _Q_LOCKED_PENDING_MASK) &&
75             (cmpxchg_acquire(&l->locked, 0, _Q_LOCKED_VAL) == 0)) {
76                 qstat_inc(qstat_pv_lock_stealing, true);
77                 return true;
78         }
79
80         return false;
81 }
82
83 /*
84  * The pending bit is used by the queue head vCPU to indicate that it
85  * is actively spinning on the lock and no lock stealing is allowed.
86  */
87 #if _Q_PENDING_BITS == 8
88 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
89 {
90         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
91
92         WRITE_ONCE(l->pending, 1);
93 }
94
95 static __always_inline void clear_pending(struct qspinlock *lock)
96 {
97         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
98
99         WRITE_ONCE(l->pending, 0);
100 }
101
102 /*
103  * The pending bit check in pv_queued_spin_steal_lock() isn't a memory
104  * barrier. Therefore, an atomic cmpxchg_acquire() is used to acquire the
105  * lock just to be sure that it will get it.
106  */
107 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
108 {
109         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
110
111         return !READ_ONCE(l->locked) &&
112                (cmpxchg_acquire(&l->locked_pending, _Q_PENDING_VAL,
113                                 _Q_LOCKED_VAL) == _Q_PENDING_VAL);
114 }
115 #else /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
116 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
117 {
118         atomic_or(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
119 }
120
121 static __always_inline void clear_pending(struct qspinlock *lock)
122 {
123         atomic_andnot(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
124 }
125
126 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
127 {
128         int val = atomic_read(&lock->val);
129
130         for (;;) {
131                 int old, new;
132
133                 if (val  & _Q_LOCKED_MASK)
134                         break;
135
136                 /*
137                  * Try to clear pending bit & set locked bit
138                  */
139                 old = val;
140                 new = (val & ~_Q_PENDING_MASK) | _Q_LOCKED_VAL;
141                 val = atomic_cmpxchg_acquire(&lock->val, old, new);
142
143                 if (val == old)
144                         return 1;
145         }
146         return 0;
147 }
148 #endif /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
149
150 /*
151  * Lock and MCS node addresses hash table for fast lookup
152  *
153  * Hashing is done on a per-cacheline basis to minimize the need to access
154  * more than one cacheline.
155  *
156  * Dynamically allocate a hash table big enough to hold at least 4X the
157  * number of possible cpus in the system. Allocation is done on page
158  * granularity. So the minimum number of hash buckets should be at least
159  * 256 (64-bit) or 512 (32-bit) to fully utilize a 4k page.
160  *
161  * Since we should not be holding locks from NMI context (very rare indeed) the
162  * max load factor is 0.75, which is around the point where open addressing
163  * breaks down.
164  *
165  */
166 struct pv_hash_entry {
167         struct qspinlock *lock;
168         struct pv_node   *node;
169 };
170
171 #define PV_HE_PER_LINE  (SMP_CACHE_BYTES / sizeof(struct pv_hash_entry))
172 #define PV_HE_MIN       (PAGE_SIZE / sizeof(struct pv_hash_entry))
173
174 static struct pv_hash_entry *pv_lock_hash;
175 static unsigned int pv_lock_hash_bits __read_mostly;
176
177 /*
178  * Allocate memory for the PV qspinlock hash buckets
179  *
180  * This function should be called from the paravirt spinlock initialization
181  * routine.
182  */
183 void __init __pv_init_lock_hash(void)
184 {
185         int pv_hash_size = ALIGN(4 * num_possible_cpus(), PV_HE_PER_LINE);
186
187         if (pv_hash_size < PV_HE_MIN)
188                 pv_hash_size = PV_HE_MIN;
189
190         /*
191          * Allocate space from bootmem which should be page-size aligned
192          * and hence cacheline aligned.
193          */
194         pv_lock_hash = alloc_large_system_hash("PV qspinlock",
195                                                sizeof(struct pv_hash_entry),
196                                                pv_hash_size, 0,
197                                                HASH_EARLY | HASH_ZERO,
198                                                &pv_lock_hash_bits, NULL,
199                                                pv_hash_size, pv_hash_size);
200 }
201
202 #define for_each_hash_entry(he, offset, hash)                                           \
203         for (hash &= ~(PV_HE_PER_LINE - 1), he = &pv_lock_hash[hash], offset = 0;       \
204              offset < (1 << pv_lock_hash_bits);                                         \
205              offset++, he = &pv_lock_hash[(hash + offset) & ((1 << pv_lock_hash_bits) - 1)])
206
207 static struct qspinlock **pv_hash(struct qspinlock *lock, struct pv_node *node)
208 {
209         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
210         struct pv_hash_entry *he;
211         int hopcnt = 0;
212
213         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
214                 hopcnt++;
215                 if (!cmpxchg(&he->lock, NULL, lock)) {
216                         WRITE_ONCE(he->node, node);
217                         qstat_hop(hopcnt);
218                         return &he->lock;
219                 }
220         }
221         /*
222          * Hard assume there is a free entry for us.
223          *
224          * This is guaranteed by ensuring every blocked lock only ever consumes
225          * a single entry, and since we only have 4 nesting levels per CPU
226          * and allocated 4*nr_possible_cpus(), this must be so.
227          *
228          * The single entry is guaranteed by having the lock owner unhash
229          * before it releases.
230          */
231         BUG();
232 }
233
234 static struct pv_node *pv_unhash(struct qspinlock *lock)
235 {
236         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
237         struct pv_hash_entry *he;
238         struct pv_node *node;
239
240         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
241                 if (READ_ONCE(he->lock) == lock) {
242                         node = READ_ONCE(he->node);
243                         WRITE_ONCE(he->lock, NULL);
244                         return node;
245                 }
246         }
247         /*
248          * Hard assume we'll find an entry.
249          *
250          * This guarantees a limited lookup time and is itself guaranteed by
251          * having the lock owner do the unhash -- IFF the unlock sees the
252          * SLOW flag, there MUST be a hash entry.
253          */
254         BUG();
255 }
256
257 /*
258  * Return true if when it is time to check the previous node which is not
259  * in a running state.
260  */
261 static inline bool
262 pv_wait_early(struct pv_node *prev, int loop)
263 {
264         if ((loop & PV_PREV_CHECK_MASK) != 0)
265                 return false;
266
267         return READ_ONCE(prev->state) != vcpu_running || vcpu_is_preempted(prev->cpu);
268 }
269
270 /*
271  * Initialize the PV part of the mcs_spinlock node.
272  */
273 static void pv_init_node(struct mcs_spinlock *node)
274 {
275         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
276
277         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct pv_node) > 5*sizeof(struct mcs_spinlock));
278
279         pn->cpu = smp_processor_id();
280         pn->state = vcpu_running;
281 }
282
283 /*
284  * Wait for node->locked to become true, halt the vcpu after a short spin.
285  * pv_kick_node() is used to set _Q_SLOW_VAL and fill in hash table on its
286  * behalf.
287  */
288 static void pv_wait_node(struct mcs_spinlock *node, struct mcs_spinlock *prev)
289 {
290         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
291         struct pv_node *pp = (struct pv_node *)prev;
292         int loop;
293         bool wait_early;
294
295         for (;;) {
296                 for (wait_early = false, loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
297                         if (READ_ONCE(node->locked))
298                                 return;
299                         if (pv_wait_early(pp, loop)) {
300                                 wait_early = true;
301                                 break;
302                         }
303                         cpu_relax();
304                 }
305
306                 /*
307                  * Order pn->state vs pn->locked thusly:
308                  *
309                  * [S] pn->state = vcpu_halted    [S] next->locked = 1
310                  *     MB                             MB
311                  * [L] pn->locked               [RmW] pn->state = vcpu_hashed
312                  *
313                  * Matches the cmpxchg() from pv_kick_node().
314                  */
315                 smp_store_mb(pn->state, vcpu_halted);
316
317                 if (!READ_ONCE(node->locked)) {
318                         qstat_inc(qstat_pv_wait_node, true);
319                         qstat_inc(qstat_pv_wait_early, wait_early);
320                         pv_wait(&pn->state, vcpu_halted);
321                 }
322
323                 /*
324                  * If pv_kick_node() changed us to vcpu_hashed, retain that
325                  * value so that pv_wait_head_or_lock() knows to not also try
326                  * to hash this lock.
327                  */
328                 cmpxchg(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_running);
329
330                 /*
331                  * If the locked flag is still not set after wakeup, it is a
332                  * spurious wakeup and the vCPU should wait again. However,
333                  * there is a pretty high overhead for CPU halting and kicking.
334                  * So it is better to spin for a while in the hope that the
335                  * MCS lock will be released soon.
336                  */
337                 qstat_inc(qstat_pv_spurious_wakeup, !READ_ONCE(node->locked));
338         }
339
340         /*
341          * By now our node->locked should be 1 and our caller will not actually
342          * spin-wait for it. We do however rely on our caller to do a
343          * load-acquire for us.
344          */
345 }
346
347 /*
348  * Called after setting next->locked = 1 when we're the lock owner.
349  *
350  * Instead of waking the waiters stuck in pv_wait_node() advance their state
351  * such that they're waiting in pv_wait_head_or_lock(), this avoids a
352  * wake/sleep cycle.
353  */
354 static void pv_kick_node(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
355 {
356         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
357         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
358
359         /*
360          * If the vCPU is indeed halted, advance its state to match that of
361          * pv_wait_node(). If OTOH this fails, the vCPU was running and will
362          * observe its next->locked value and advance itself.
363          *
364          * Matches with smp_store_mb() and cmpxchg() in pv_wait_node()
365          *
366          * The write to next->locked in arch_mcs_spin_unlock_contended()
367          * must be ordered before the read of pn->state in the cmpxchg()
368          * below for the code to work correctly. To guarantee full ordering
369          * irrespective of the success or failure of the cmpxchg(),
370          * a relaxed version with explicit barrier is used. The control
371          * dependency will order the reading of pn->state before any
372          * subsequent writes.
373          */
374         smp_mb__before_atomic();
375         if (cmpxchg_relaxed(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_hashed)
376             != vcpu_halted)
377                 return;
378
379         /*
380          * Put the lock into the hash table and set the _Q_SLOW_VAL.
381          *
382          * As this is the same vCPU that will check the _Q_SLOW_VAL value and
383          * the hash table later on at unlock time, no atomic instruction is
384          * needed.
385          */
386         WRITE_ONCE(l->locked, _Q_SLOW_VAL);
387         (void)pv_hash(lock, pn);
388 }
389
390 /*
391  * Wait for l->locked to become clear and acquire the lock;
392  * halt the vcpu after a short spin.
393  * __pv_queued_spin_unlock() will wake us.
394  *
395  * The current value of the lock will be returned for additional processing.
396  */
397 static u32
398 pv_wait_head_or_lock(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
399 {
400         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
401         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
402         struct qspinlock **lp = NULL;
403         int waitcnt = 0;
404         int loop;
405
406         /*
407          * If pv_kick_node() already advanced our state, we don't need to
408          * insert ourselves into the hash table anymore.
409          */
410         if (READ_ONCE(pn->state) == vcpu_hashed)
411                 lp = (struct qspinlock **)1;
412
413         /*
414          * Tracking # of slowpath locking operations
415          */
416         qstat_inc(qstat_pv_lock_slowpath, true);
417
418         for (;; waitcnt++) {
419                 /*
420                  * Set correct vCPU state to be used by queue node wait-early
421                  * mechanism.
422                  */
423                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_running);
424
425                 /*
426                  * Set the pending bit in the active lock spinning loop to
427                  * disable lock stealing before attempting to acquire the lock.
428                  */
429                 set_pending(lock);
430                 for (loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
431                         if (trylock_clear_pending(lock))
432                                 goto gotlock;
433                         cpu_relax();
434                 }
435                 clear_pending(lock);
436
437
438                 if (!lp) { /* ONCE */
439                         lp = pv_hash(lock, pn);
440
441                         /*
442                          * We must hash before setting _Q_SLOW_VAL, such that
443                          * when we observe _Q_SLOW_VAL in __pv_queued_spin_unlock()
444                          * we'll be sure to be able to observe our hash entry.
445                          *
446                          *   [S] <hash>                 [Rmw] l->locked == _Q_SLOW_VAL
447                          *       MB                           RMB
448                          * [RmW] l->locked = _Q_SLOW_VAL  [L] <unhash>
449                          *
450                          * Matches the smp_rmb() in __pv_queued_spin_unlock().
451                          */
452                         if (xchg(&l->locked, _Q_SLOW_VAL) == 0) {
453                                 /*
454                                  * The lock was free and now we own the lock.
455                                  * Change the lock value back to _Q_LOCKED_VAL
456                                  * and unhash the table.
457                                  */
458                                 WRITE_ONCE(l->locked, _Q_LOCKED_VAL);
459                                 WRITE_ONCE(*lp, NULL);
460                                 goto gotlock;
461                         }
462                 }
463                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_hashed);
464                 qstat_inc(qstat_pv_wait_head, true);
465                 qstat_inc(qstat_pv_wait_again, waitcnt);
466                 pv_wait(&l->locked, _Q_SLOW_VAL);
467
468                 /*
469                  * Because of lock stealing, the queue head vCPU may not be
470                  * able to acquire the lock before it has to wait again.
471                  */
472         }
473
474         /*
475          * The cmpxchg() or xchg() call before coming here provides the
476          * acquire semantics for locking. The dummy ORing of _Q_LOCKED_VAL
477          * here is to indicate to the compiler that the value will always
478          * be nozero to enable better code optimization.
479          */
480 gotlock:
481         return (u32)(atomic_read(&lock->val) | _Q_LOCKED_VAL);
482 }
483
484 /*
485  * PV versions of the unlock fastpath and slowpath functions to be used
486  * instead of queued_spin_unlock().
487  */
488 __visible void
489 __pv_queued_spin_unlock_slowpath(struct qspinlock *lock, u8 locked)
490 {
491         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
492         struct pv_node *node;
493
494         if (unlikely(locked != _Q_SLOW_VAL)) {
495                 WARN(!debug_locks_silent,
496                      "pvqspinlock: lock 0x%lx has corrupted value 0x%x!\n",
497                      (unsigned long)lock, atomic_read(&lock->val));
498                 return;
499         }
500
501         /*
502          * A failed cmpxchg doesn't provide any memory-ordering guarantees,
503          * so we need a barrier to order the read of the node data in
504          * pv_unhash *after* we've read the lock being _Q_SLOW_VAL.
505          *
506          * Matches the cmpxchg() in pv_wait_head_or_lock() setting _Q_SLOW_VAL.
507          */
508         smp_rmb();
509
510         /*
511          * Since the above failed to release, this must be the SLOW path.
512          * Therefore start by looking up the blocked node and unhashing it.
513          */
514         node = pv_unhash(lock);
515
516         /*
517          * Now that we have a reference to the (likely) blocked pv_node,
518          * release the lock.
519          */
520         smp_store_release(&l->locked, 0);
521
522         /*
523          * At this point the memory pointed at by lock can be freed/reused,
524          * however we can still use the pv_node to kick the CPU.
525          * The other vCPU may not really be halted, but kicking an active
526          * vCPU is harmless other than the additional latency in completing
527          * the unlock.
528          */
529         qstat_inc(qstat_pv_kick_unlock, true);
530         pv_kick(node->cpu);
531 }
532
533 /*
534  * Include the architecture specific callee-save thunk of the
535  * __pv_queued_spin_unlock(). This thunk is put together with
536  * __pv_queued_spin_unlock() to make the callee-save thunk and the real unlock
537  * function close to each other sharing consecutive instruction cachelines.
538  * Alternatively, architecture specific version of __pv_queued_spin_unlock()
539  * can be defined.
540  */
541 #include <asm/qspinlock_paravirt.h>
542
543 #ifndef __pv_queued_spin_unlock
544 __visible void __pv_queued_spin_unlock(struct qspinlock *lock)
545 {
546         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
547         u8 locked;
548
549         /*
550          * We must not unlock if SLOW, because in that case we must first
551          * unhash. Otherwise it would be possible to have multiple @lock
552          * entries, which would be BAD.
553          */
554         locked = cmpxchg_release(&l->locked, _Q_LOCKED_VAL, 0);
555         if (likely(locked == _Q_LOCKED_VAL))
556                 return;
557
558         __pv_queued_spin_unlock_slowpath(lock, locked);
559 }
560 #endif /* __pv_queued_spin_unlock */