]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-linux.git/blob - Documentation/this_cpu_ops.txt
ath5k: Add missing vmalloc.h include.
[karo-tx-linux.git] / Documentation / this_cpu_ops.txt
1 this_cpu operations
2 -------------------
3
4 this_cpu operations are a way of optimizing access to per cpu
5 variables associated with the *currently* executing processor. This is
6 done through the use of segment registers (or a dedicated register where
7 the cpu permanently stored the beginning of the per cpu area for a
8 specific processor).
9
10 this_cpu operations add a per cpu variable offset to the processor
11 specific per cpu base and encode that operation in the instruction
12 operating on the per cpu variable.
13
14 This means that there are no atomicity issues between the calculation of
15 the offset and the operation on the data. Therefore it is not
16 necessary to disable preemption or interrupts to ensure that the
17 processor is not changed between the calculation of the address and
18 the operation on the data.
19
20 Read-modify-write operations are of particular interest. Frequently
21 processors have special lower latency instructions that can operate
22 without the typical synchronization overhead, but still provide some
23 sort of relaxed atomicity guarantees. The x86, for example, can execute
24 RMW (Read Modify Write) instructions like inc/dec/cmpxchg without the
25 lock prefix and the associated latency penalty.
26
27 Access to the variable without the lock prefix is not synchronized but
28 synchronization is not necessary since we are dealing with per cpu
29 data specific to the currently executing processor. Only the current
30 processor should be accessing that variable and therefore there are no
31 concurrency issues with other processors in the system.
32
33 Please note that accesses by remote processors to a per cpu area are
34 exceptional situations and may impact performance and/or correctness
35 (remote write operations) of local RMW operations via this_cpu_*.
36
37 The main use of the this_cpu operations has been to optimize counter
38 operations.
39
40 The following this_cpu() operations with implied preemption protection
41 are defined. These operations can be used without worrying about
42 preemption and interrupts.
43
44         this_cpu_add()
45         this_cpu_read(pcp)
46         this_cpu_write(pcp, val)
47         this_cpu_add(pcp, val)
48         this_cpu_and(pcp, val)
49         this_cpu_or(pcp, val)
50         this_cpu_add_return(pcp, val)
51         this_cpu_xchg(pcp, nval)
52         this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
53         this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
54         this_cpu_sub(pcp, val)
55         this_cpu_inc(pcp)
56         this_cpu_dec(pcp)
57         this_cpu_sub_return(pcp, val)
58         this_cpu_inc_return(pcp)
59         this_cpu_dec_return(pcp)
60
61
62 Inner working of this_cpu operations
63 ------------------------------------
64
65 On x86 the fs: or the gs: segment registers contain the base of the
66 per cpu area. It is then possible to simply use the segment override
67 to relocate a per cpu relative address to the proper per cpu area for
68 the processor. So the relocation to the per cpu base is encoded in the
69 instruction via a segment register prefix.
70
71 For example:
72
73         DEFINE_PER_CPU(int, x);
74         int z;
75
76         z = this_cpu_read(x);
77
78 results in a single instruction
79
80         mov ax, gs:[x]
81
82 instead of a sequence of calculation of the address and then a fetch
83 from that address which occurs with the per cpu operations. Before
84 this_cpu_ops such sequence also required preempt disable/enable to
85 prevent the kernel from moving the thread to a different processor
86 while the calculation is performed.
87
88 Consider the following this_cpu operation:
89
90         this_cpu_inc(x)
91
92 The above results in the following single instruction (no lock prefix!)
93
94         inc gs:[x]
95
96 instead of the following operations required if there is no segment
97 register:
98
99         int *y;
100         int cpu;
101
102         cpu = get_cpu();
103         y = per_cpu_ptr(&x, cpu);
104         (*y)++;
105         put_cpu();
106
107 Note that these operations can only be used on per cpu data that is
108 reserved for a specific processor. Without disabling preemption in the
109 surrounding code this_cpu_inc() will only guarantee that one of the
110 per cpu counters is correctly incremented. However, there is no
111 guarantee that the OS will not move the process directly before or
112 after the this_cpu instruction is executed. In general this means that
113 the value of the individual counters for each processor are
114 meaningless. The sum of all the per cpu counters is the only value
115 that is of interest.
116
117 Per cpu variables are used for performance reasons. Bouncing cache
118 lines can be avoided if multiple processors concurrently go through
119 the same code paths.  Since each processor has its own per cpu
120 variables no concurrent cache line updates take place. The price that
121 has to be paid for this optimization is the need to add up the per cpu
122 counters when the value of a counter is needed.
123
124
125 Special operations:
126 -------------------
127
128         y = this_cpu_ptr(&x)
129
130 Takes the offset of a per cpu variable (&x !) and returns the address
131 of the per cpu variable that belongs to the currently executing
132 processor.  this_cpu_ptr avoids multiple steps that the common
133 get_cpu/put_cpu sequence requires. No processor number is
134 available. Instead, the offset of the local per cpu area is simply
135 added to the per cpu offset.
136
137 Note that this operation is usually used in a code segment when
138 preemption has been disabled. The pointer is then used to
139 access local per cpu data in a critical section. When preemption
140 is re-enabled this pointer is usually no longer useful since it may
141 no longer point to per cpu data of the current processor.
142
143
144 Per cpu variables and offsets
145 -----------------------------
146
147 Per cpu variables have *offsets* to the beginning of the per cpu
148 area. They do not have addresses although they look like that in the
149 code. Offsets cannot be directly dereferenced. The offset must be
150 added to a base pointer of a per cpu area of a processor in order to
151 form a valid address.
152
153 Therefore the use of x or &x outside of the context of per cpu
154 operations is invalid and will generally be treated like a NULL
155 pointer dereference.
156
157         DEFINE_PER_CPU(int, x);
158
159 In the context of per cpu operations the above implies that x is a per
160 cpu variable. Most this_cpu operations take a cpu variable.
161
162         int __percpu *p = &x;
163
164 &x and hence p is the *offset* of a per cpu variable. this_cpu_ptr()
165 takes the offset of a per cpu variable which makes this look a bit
166 strange.
167
168
169 Operations on a field of a per cpu structure
170 --------------------------------------------
171
172 Let's say we have a percpu structure
173
174         struct s {
175                 int n,m;
176         };
177
178         DEFINE_PER_CPU(struct s, p);
179
180
181 Operations on these fields are straightforward
182
183         this_cpu_inc(p.m)
184
185         z = this_cpu_cmpxchg(p.m, 0, 1);
186
187
188 If we have an offset to struct s:
189
190         struct s __percpu *ps = &p;
191
192         this_cpu_dec(ps->m);
193
194         z = this_cpu_inc_return(ps->n);
195
196
197 The calculation of the pointer may require the use of this_cpu_ptr()
198 if we do not make use of this_cpu ops later to manipulate fields:
199
200         struct s *pp;
201
202         pp = this_cpu_ptr(&p);
203
204         pp->m--;
205
206         z = pp->n++;
207
208
209 Variants of this_cpu ops
210 -------------------------
211
212 this_cpu ops are interrupt safe. Some architectures do not support
213 these per cpu local operations. In that case the operation must be
214 replaced by code that disables interrupts, then does the operations
215 that are guaranteed to be atomic and then re-enable interrupts. Doing
216 so is expensive. If there are other reasons why the scheduler cannot
217 change the processor we are executing on then there is no reason to
218 disable interrupts. For that purpose the following __this_cpu operations
219 are provided.
220
221 These operations have no guarantee against concurrent interrupts or
222 preemption. If a per cpu variable is not used in an interrupt context
223 and the scheduler cannot preempt, then they are safe. If any interrupts
224 still occur while an operation is in progress and if the interrupt too
225 modifies the variable, then RMW actions can not be guaranteed to be
226 safe.
227
228         __this_cpu_add()
229         __this_cpu_read(pcp)
230         __this_cpu_write(pcp, val)
231         __this_cpu_add(pcp, val)
232         __this_cpu_and(pcp, val)
233         __this_cpu_or(pcp, val)
234         __this_cpu_add_return(pcp, val)
235         __this_cpu_xchg(pcp, nval)
236         __this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
237         __this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
238         __this_cpu_sub(pcp, val)
239         __this_cpu_inc(pcp)
240         __this_cpu_dec(pcp)
241         __this_cpu_sub_return(pcp, val)
242         __this_cpu_inc_return(pcp)
243         __this_cpu_dec_return(pcp)
244
245
246 Will increment x and will not fall-back to code that disables
247 interrupts on platforms that cannot accomplish atomicity through
248 address relocation and a Read-Modify-Write operation in the same
249 instruction.
250
251
252 &this_cpu_ptr(pp)->n vs this_cpu_ptr(&pp->n)
253 --------------------------------------------
254
255 The first operation takes the offset and forms an address and then
256 adds the offset of the n field. This may result in two add
257 instructions emitted by the compiler.
258
259 The second one first adds the two offsets and then does the
260 relocation.  IMHO the second form looks cleaner and has an easier time
261 with (). The second form also is consistent with the way
262 this_cpu_read() and friends are used.
263
264
265 Remote access to per cpu data
266 ------------------------------
267
268 Per cpu data structures are designed to be used by one cpu exclusively.
269 If you use the variables as intended, this_cpu_ops() are guaranteed to
270 be "atomic" as no other CPU has access to these data structures.
271
272 There are special cases where you might need to access per cpu data
273 structures remotely. It is usually safe to do a remote read access
274 and that is frequently done to summarize counters. Remote write access
275 something which could be problematic because this_cpu ops do not
276 have lock semantics. A remote write may interfere with a this_cpu
277 RMW operation.
278
279 Remote write accesses to percpu data structures are highly discouraged
280 unless absolutely necessary. Please consider using an IPI to wake up
281 the remote CPU and perform the update to its per cpu area.
282
283 To access per-cpu data structure remotely, typically the per_cpu_ptr()
284 function is used:
285
286
287         DEFINE_PER_CPU(struct data, datap);
288
289         struct data *p = per_cpu_ptr(&datap, cpu);
290
291 This makes it explicit that we are getting ready to access a percpu
292 area remotely.
293
294 You can also do the following to convert the datap offset to an address
295
296         struct data *p = this_cpu_ptr(&datap);
297
298 but, passing of pointers calculated via this_cpu_ptr to other cpus is
299 unusual and should be avoided.
300
301 Remote access are typically only for reading the status of another cpus
302 per cpu data. Write accesses can cause unique problems due to the
303 relaxed synchronization requirements for this_cpu operations.
304
305 One example that illustrates some concerns with write operations is
306 the following scenario that occurs because two per cpu variables
307 share a cache-line but the relaxed synchronization is applied to
308 only one process updating the cache-line.
309
310 Consider the following example
311
312
313         struct test {
314                 atomic_t a;
315                 int b;
316         };
317
318         DEFINE_PER_CPU(struct test, onecacheline);
319
320 There is some concern about what would happen if the field 'a' is updated
321 remotely from one processor and the local processor would use this_cpu ops
322 to update field b. Care should be taken that such simultaneous accesses to
323 data within the same cache line are avoided. Also costly synchronization
324 may be necessary. IPIs are generally recommended in such scenarios instead
325 of a remote write to the per cpu area of another processor.
326
327 Even in cases where the remote writes are rare, please bear in
328 mind that a remote write will evict the cache line from the processor
329 that most likely will access it. If the processor wakes up and finds a
330 missing local cache line of a per cpu area, its performance and hence
331 the wake up times will be affected.
332
333 Christoph Lameter, August 4th, 2014
334 Pranith Kumar, Aug 2nd, 2014