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