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