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