Documentation/memory-barriers.txt: Add needed ACCESS_ONCE() calls to memory-barriers.txt
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1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
4
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6     Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
7
8 Contents:
9
10  (*) Abstract memory access model.
11
12      - Device operations.
13      - Guarantees.
14
15  (*) What are memory barriers?
16
17      - Varieties of memory barrier.
18      - What may not be assumed about memory barriers?
19      - Data dependency barriers.
20      - Control dependencies.
21      - SMP barrier pairing.
22      - Examples of memory barrier sequences.
23      - Read memory barriers vs load speculation.
24      - Transitivity
25
26  (*) Explicit kernel barriers.
27
28      - Compiler barrier.
29      - CPU memory barriers.
30      - MMIO write barrier.
31
32  (*) Implicit kernel memory barriers.
33
34      - Locking functions.
35      - Interrupt disabling functions.
36      - Sleep and wake-up functions.
37      - Miscellaneous functions.
38
39  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
40
41      - Locks vs memory accesses.
42      - Locks vs I/O accesses.
43
44  (*) Where are memory barriers needed?
45
46      - Interprocessor interaction.
47      - Atomic operations.
48      - Accessing devices.
49      - Interrupts.
50
51  (*) Kernel I/O barrier effects.
52
53  (*) Assumed minimum execution ordering model.
54
55  (*) The effects of the cpu cache.
56
57      - Cache coherency.
58      - Cache coherency vs DMA.
59      - Cache coherency vs MMIO.
60
61  (*) The things CPUs get up to.
62
63      - And then there's the Alpha.
64
65  (*) Example uses.
66
67      - Circular buffers.
68
69  (*) References.
70
71
72 ============================
73 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
74 ============================
75
76 Consider the following abstract model of the system:
77
78                             :                :
79                             :                :
80                             :                :
81                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
82                 |       |   :   |        |   :   |       |
83                 |       |   :   |        |   :   |       |
84                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
85                 |       |   :   |        |   :   |       |
86                 |       |   :   |        |   :   |       |
87                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
88                     ^       :       ^        :       ^
89                     |       :       |        :       |
90                     |       :       |        :       |
91                     |       :       v        :       |
92                     |       :   +--------+   :       |
93                     |       :   |        |   :       |
94                     |       :   |        |   :       |
95                     +---------->| Device |<----------+
96                             :   |        |   :
97                             :   |        |   :
98                             :   +--------+   :
99                             :                :
100
101 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
102 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
103 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
104 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
105 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
106 apparent operation of the program.
107
108 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
109 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
110 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
111
112
113 For example, consider the following sequence of events:
114
115         CPU 1           CPU 2
116         =============== ===============
117         { A == 1; B == 2 }
118         A = 3;          x = 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 (p) {
575                 <data dependency barrier>
576                 q = ACCESS_ONCE(b);
577         }
578         x = *q;
579
580 This will not have the desired effect because there is no actual data
581 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
582 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
583 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
584 case what's actually required is:
585
586         q = ACCESS_ONCE(a);
587         if (p) {
588                 <read barrier>
589                 q = ACCESS_ONCE(b);
590         }
591         x = *q;
592
593
594 SMP BARRIER PAIRING
595 -------------------
596
597 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
598 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
599
600 A write barrier should always be paired with a data dependency barrier or read
601 barrier, though a general barrier would also be viable.  Similarly a read
602 barrier or a data dependency barrier should always be paired with at least an
603 write barrier, though, again, a general barrier is viable:
604
605         CPU 1                 CPU 2
606         ===============       ===============
607         ACCESS_ONCE(a) = 1;
608         <write barrier>
609         ACCESS_ONCE(b) = 2;   x = ACCESS_ONCE(b);
610                               <read barrier>
611                               y = ACCESS_ONCE(a);
612
613 Or:
614
615         CPU 1                 CPU 2
616         ===============       ===============================
617         a = 1;
618         <write barrier>
619         ACCESS_ONCE(b) = &a;  x = ACCESS_ONCE(b);
620                               <data dependency barrier>
621                               y = *x;
622
623 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
624 the "weaker" type.
625
626 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
627 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
628 versa:
629
630         CPU 1                               CPU 2
631         ===================                 ===================
632         ACCESS_ONCE(a) = 1;  }----   --->{  v = ACCESS_ONCE(c);
633         ACCESS_ONCE(b) = 2;  }    \ /    {  w = ACCESS_ONCE(d);
634         <write barrier>            \        <read barrier>
635         ACCESS_ONCE(c) = 3;  }    / \    {  x = ACCESS_ONCE(a);
636         ACCESS_ONCE(d) = 4;  }----   --->{  y = ACCESS_ONCE(b);
637
638
639 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
640 ------------------------------------
641
642 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
643 Consider the following sequence of events:
644
645         CPU 1
646         =======================
647         STORE A = 1
648         STORE B = 2
649         STORE C = 3
650         <write barrier>
651         STORE D = 4
652         STORE E = 5
653
654 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
655 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
656 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
657 }:
658
659         +-------+       :      :
660         |       |       +------+
661         |       |------>| C=3  |     }     /\
662         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
663         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
664         |       |  :    +------+     }
665         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
666         |       |       +------+     }
667         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
668         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
669         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
670         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
671         |       |------>| D=4  |     }
672         |       |       +------+
673         +-------+       :      :
674                            |
675                            | Sequence in which stores are committed to the
676                            | memory system by CPU 1
677                            V
678
679
680 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
681 loads.  Consider the following sequence of events:
682
683         CPU 1                   CPU 2
684         ======================= =======================
685                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
686         STORE A = 1
687         STORE B = 2
688         <write barrier>
689         STORE C = &B            LOAD X
690         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
691                                 LOAD *C (reads B)
692
693 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
694 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
695
696         +-------+       :      :                :       :
697         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
698         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
699         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
700         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
701         |       |       +------+       |        +-------+
702         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
703         |       |       +------+       |        :       :
704         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
705         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
706         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
707         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
708         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
709                                        |        :       :       |       |
710                                        |        :       :       | CPU 2 |
711                                        |        +-------+       |       |
712             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
713             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
714                                        |        :       :       |       |
715                                        |        +-------+       |       |
716             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
717             up the maintenance           \      +-------+       |       |
718             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
719                                                 +-------+
720                                                 :       :
721
722
723 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
724 (which would be B) coming after the LOAD of C.
725
726 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
727 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
728
729         CPU 1                   CPU 2
730         ======================= =======================
731                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
732         STORE A = 1
733         STORE B = 2
734         <write barrier>
735         STORE C = &B            LOAD X
736         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
737                                 <data dependency barrier>
738                                 LOAD *C (reads B)
739
740 then the following will occur:
741
742         +-------+       :      :                :       :
743         |       |       +------+                +-------+
744         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
745         |       |  :    +------+     \          +-------+
746         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
747         |       |       +------+       |        +-------+
748         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
749         |       |       +------+       |        :       :
750         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
751         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
752         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
753         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
754         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
755                                        |        :       :       |       |
756                                        |        :       :       | CPU 2 |
757                                        |        +-------+       |       |
758                                        |        | X->9  |------>|       |
759                                        |        +-------+       |       |
760           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
761           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
762           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
763           subsequent loads                      +-------+       |       |
764                                                 :       :       +-------+
765
766
767 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
768 following sequence of events:
769
770         CPU 1                   CPU 2
771         ======================= =======================
772                 { A = 0, B = 9 }
773         STORE A=1
774         <write barrier>
775         STORE B=2
776                                 LOAD B
777                                 LOAD A
778
779 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
780 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
781
782         +-------+       :      :                :       :
783         |       |       +------+                +-------+
784         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
785         |       |       +------+      \         +-------+
786         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
787         |       |       +------+        |       +-------+
788         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
789         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
790         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
791                                      ---------->| B->2  |------>|       |
792                                         |       +-------+       | CPU 2 |
793                                         |       | A->0  |------>|       |
794                                         |       +-------+       |       |
795                                         |       :       :       +-------+
796                                          \      :       :
797                                           \     +-------+
798                                            ---->| A->1  |
799                                                 +-------+
800                                                 :       :
801
802
803 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
804 load of A on CPU 2:
805
806         CPU 1                   CPU 2
807         ======================= =======================
808                 { A = 0, B = 9 }
809         STORE A=1
810         <write barrier>
811         STORE B=2
812                                 LOAD B
813                                 <read barrier>
814                                 LOAD A
815
816 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
817 2:
818
819         +-------+       :      :                :       :
820         |       |       +------+                +-------+
821         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
822         |       |       +------+      \         +-------+
823         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
824         |       |       +------+        |       +-------+
825         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
826         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
827         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
828                                      ---------->| B->2  |------>|       |
829                                         |       +-------+       | CPU 2 |
830                                         |       :       :       |       |
831                                         |       :       :       |       |
832           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
833           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
834           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
835           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
836                                                 :       :       +-------+
837
838
839 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
840 contained a load of A either side of the read barrier:
841
842         CPU 1                   CPU 2
843         ======================= =======================
844                 { A = 0, B = 9 }
845         STORE A=1
846         <write barrier>
847         STORE B=2
848                                 LOAD B
849                                 LOAD A [first load of A]
850                                 <read barrier>
851                                 LOAD A [second load of A]
852
853 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
854 come up with different values:
855
856         +-------+       :      :                :       :
857         |       |       +------+                +-------+
858         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
859         |       |       +------+      \         +-------+
860         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
861         |       |       +------+        |       +-------+
862         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
863         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
864         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
865                                      ---------->| B->2  |------>|       |
866                                         |       +-------+       | CPU 2 |
867                                         |       :       :       |       |
868                                         |       :       :       |       |
869                                         |       +-------+       |       |
870                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
871                                         |       +-------+       |       |
872           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
873           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
874           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
875           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
876                                                 :       :       +-------+
877
878
879 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
880 before the read barrier completes anyway:
881
882         +-------+       :      :                :       :
883         |       |       +------+                +-------+
884         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
885         |       |       +------+      \         +-------+
886         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
887         |       |       +------+        |       +-------+
888         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
889         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
890         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
891                                      ---------->| B->2  |------>|       |
892                                         |       +-------+       | CPU 2 |
893                                         |       :       :       |       |
894                                          \      :       :       |       |
895                                           \     +-------+       |       |
896                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
897                                                 +-------+       |       |
898                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
899                                                 +-------+       |       |
900                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
901                                                 +-------+       |       |
902                                                 :       :       +-------+
903
904
905 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
906 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
907 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
908
909
910 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
911 ----------------------------------------
912
913 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
914 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
915 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
916 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
917 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
918 already has the value to hand.
919
920 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
921 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
922 cache it for later use.
923
924 Consider:
925
926         CPU 1                   CPU 2
927         ======================= =======================
928                                 LOAD B
929                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
930                                 DIVIDE          } take a long time to perform
931                                 LOAD A
932
933 Which might appear as this:
934
935                                                 :       :       +-------+
936                                                 +-------+       |       |
937                                             --->| B->2  |------>|       |
938                                                 +-------+       | CPU 2 |
939                                                 :       :DIVIDE |       |
940                                                 +-------+       |       |
941         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
942         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
943         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
944                                                 :       :DIVIDE |       |
945                                                 :       :   ~   |       |
946         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
947         the CPU can then perform the            :       :       |       |
948         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
949
950
951 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
952 load:
953
954         CPU 1                   CPU 2
955         ======================= =======================
956                                 LOAD B
957                                 DIVIDE
958                                 DIVIDE
959                                 <read barrier>
960                                 LOAD A
961
962 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
963 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
964 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
965
966                                                 :       :       +-------+
967                                                 +-------+       |       |
968                                             --->| B->2  |------>|       |
969                                                 +-------+       | CPU 2 |
970                                                 :       :DIVIDE |       |
971                                                 +-------+       |       |
972         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
973         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
974         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
975                                                 :       :DIVIDE |       |
976                                                 :       :   ~   |       |
977                                                 :       :   ~   |       |
978                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
979                                                 :       :   ~   |       |
980                                                 :       :   ~-->|       |
981                                                 :       :       |       |
982                                                 :       :       +-------+
983
984
985 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
986 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
987
988                                                 :       :       +-------+
989                                                 +-------+       |       |
990                                             --->| B->2  |------>|       |
991                                                 +-------+       | CPU 2 |
992                                                 :       :DIVIDE |       |
993                                                 +-------+       |       |
994         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
995         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
996         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
997                                                 :       :DIVIDE |       |
998                                                 :       :   ~   |       |
999                                                 :       :   ~   |       |
1000                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1001                                                 +-------+       |       |
1002         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1003         and an updated value is                 +-------+       |       |
1004         retrieved                               :       :       +-------+
1005
1006
1007 TRANSITIVITY
1008 ------------
1009
1010 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1011 always provided by real computer systems.  The following example
1012 demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
1013
1014         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1015         ======================= ======================= =======================
1016                 { X = 0, Y = 0 }
1017         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1018                                 <general barrier>       <general barrier>
1019                                 LOAD Y                  LOAD X
1020
1021 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1022 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1023 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1024 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1025
1026 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1027 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1028 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1029 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1030 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1031 or must return some later value.
1032
1033 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1034 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1035 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1036 also return 1.
1037
1038 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1039 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1040 is changed to a read barrier as shown below:
1041
1042         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1043         ======================= ======================= =======================
1044                 { X = 0, Y = 0 }
1045         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1046                                 <read barrier>          <general barrier>
1047                                 LOAD Y                  LOAD X
1048
1049 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1050 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1051 and CPU 3's load from X to return 0.
1052
1053 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1054 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1055 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1056 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1057 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1058 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1059
1060 To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
1061 throughout.
1062
1063
1064 ========================
1065 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1066 ========================
1067
1068 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1069 levels:
1070
1071   (*) Compiler barrier.
1072
1073   (*) CPU memory barriers.
1074
1075   (*) MMIO write barrier.
1076
1077
1078 COMPILER BARRIER
1079 ----------------
1080
1081 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1082 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1083
1084         barrier();
1085
1086 This is a general barrier - lesser varieties of compiler barrier do not exist.
1087
1088 The compiler barrier has no direct effect on the CPU, which may then reorder
1089 things however it wishes.
1090
1091
1092 CPU MEMORY BARRIERS
1093 -------------------
1094
1095 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1096
1097         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1098         =============== ======================= ===========================
1099         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1100         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1101         READ            rmb()                   smp_rmb()
1102         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1103
1104
1105 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1106 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1107
1108 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected to
1109 issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load the value
1110 of b before loading a[b]), however there is no guarantee in the C specification
1111 that the compiler may not speculate the value of b (eg. is equal to 1) and load
1112 a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ). There is also the
1113 problem of a compiler reloading b after having loaded a[b], thus having a newer
1114 copy of b than a[b]. A consensus has not yet been reached about these problems,
1115 however the ACCESS_ONCE macro is a good place to start looking.
1116
1117 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1118 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1119 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1120
1121 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1122 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1123 is sufficient.
1124
1125 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1126 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
1127 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
1128 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
1129 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
1130 CPU from reordering them.
1131
1132
1133 There are some more advanced barrier functions:
1134
1135  (*) set_mb(var, value)
1136
1137      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1138      barrier after it, depending on the function.  It isn't guaranteed to
1139      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
1140
1141
1142  (*) smp_mb__before_atomic_dec();
1143  (*) smp_mb__after_atomic_dec();
1144  (*) smp_mb__before_atomic_inc();
1145  (*) smp_mb__after_atomic_inc();
1146
1147      These are for use with atomic add, subtract, increment and decrement
1148      functions that don't return a value, especially when used for reference
1149      counting.  These functions do not imply memory barriers.
1150
1151      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1152      and then decrements the object's reference count:
1153
1154         obj->dead = 1;
1155         smp_mb__before_atomic_dec();
1156         atomic_dec(&obj->ref_count);
1157
1158      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1159      *before* the reference counter is decremented.
1160
1161      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1162      operations" subsection for information on where to use these.
1163
1164
1165  (*) smp_mb__before_clear_bit(void);
1166  (*) smp_mb__after_clear_bit(void);
1167
1168      These are for use similar to the atomic inc/dec barriers.  These are
1169      typically used for bitwise unlocking operations, so care must be taken as
1170      there are no implicit memory barriers here either.
1171
1172      Consider implementing an unlock operation of some nature by clearing a
1173      locking bit.  The clear_bit() would then need to be barriered like this:
1174
1175         smp_mb__before_clear_bit();
1176         clear_bit( ... );
1177
1178      This prevents memory operations before the clear leaking to after it.  See
1179      the subsection on "Locking Functions" with reference to UNLOCK operation
1180      implications.
1181
1182      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1183      operations" subsection for information on where to use these.
1184
1185
1186 MMIO WRITE BARRIER
1187 ------------------
1188
1189 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1190 writes:
1191
1192         mmiowb();
1193
1194 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1195 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1196 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1197
1198 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1199
1200
1201 ===============================
1202 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1203 ===============================
1204
1205 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1206 which are locking and scheduling functions.
1207
1208 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1209 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1210 of arch specific code.
1211
1212
1213 LOCKING FUNCTIONS
1214 -----------------
1215
1216 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1217
1218  (*) spin locks
1219  (*) R/W spin locks
1220  (*) mutexes
1221  (*) semaphores
1222  (*) R/W semaphores
1223  (*) RCU
1224
1225 In all cases there are variants on "LOCK" operations and "UNLOCK" operations
1226 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1227
1228  (1) LOCK operation implication:
1229
1230      Memory operations issued after the LOCK will be completed after the LOCK
1231      operation has completed.
1232
1233      Memory operations issued before the LOCK may be completed after the LOCK
1234      operation has completed.
1235
1236  (2) UNLOCK operation implication:
1237
1238      Memory operations issued before the UNLOCK will be completed before the
1239      UNLOCK operation has completed.
1240
1241      Memory operations issued after the UNLOCK may be completed before the
1242      UNLOCK operation has completed.
1243
1244  (3) LOCK vs LOCK implication:
1245
1246      All LOCK operations issued before another LOCK operation will be completed
1247      before that LOCK operation.
1248
1249  (4) LOCK vs UNLOCK implication:
1250
1251      All LOCK operations issued before an UNLOCK operation will be completed
1252      before the UNLOCK operation.
1253
1254      All UNLOCK operations issued before a LOCK operation will be completed
1255      before the LOCK operation.
1256
1257  (5) Failed conditional LOCK implication:
1258
1259      Certain variants of the LOCK operation may fail, either due to being
1260      unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1261      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1262      locks do not imply any sort of barrier.
1263
1264 Therefore, from (1), (2) and (4) an UNLOCK followed by an unconditional LOCK is
1265 equivalent to a full barrier, but a LOCK followed by an UNLOCK is not.
1266
1267 [!] Note: one of the consequences of LOCKs and UNLOCKs being only one-way
1268     barriers is that the effects of instructions outside of a critical section
1269     may seep into the inside of the critical section.
1270
1271 A LOCK followed by an UNLOCK may not be assumed to be full memory barrier
1272 because it is possible for an access preceding the LOCK to happen after the
1273 LOCK, and an access following the UNLOCK to happen before the UNLOCK, and the
1274 two accesses can themselves then cross:
1275
1276         *A = a;
1277         LOCK
1278         UNLOCK
1279         *B = b;
1280
1281 may occur as:
1282
1283         LOCK, STORE *B, STORE *A, UNLOCK
1284
1285 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1286 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1287 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1288 with interrupt disabling operations.
1289
1290 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1291
1292
1293 As an example, consider the following:
1294
1295         *A = a;
1296         *B = b;
1297         LOCK
1298         *C = c;
1299         *D = d;
1300         UNLOCK
1301         *E = e;
1302         *F = f;
1303
1304 The following sequence of events is acceptable:
1305
1306         LOCK, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, UNLOCK
1307
1308         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
1309
1310 But none of the following are:
1311
1312         {*F,*A}, *B,    LOCK, *C, *D,   UNLOCK, *E
1313         *A, *B, *C,     LOCK, *D,       UNLOCK, *E, *F
1314         *A, *B,         LOCK, *C,       UNLOCK, *D, *E, *F
1315         *B,             LOCK, *C, *D,   UNLOCK, {*F,*A}, *E
1316
1317
1318
1319 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1320 -----------------------------
1321
1322 Functions that disable interrupts (LOCK equivalent) and enable interrupts
1323 (UNLOCK equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1324 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1325 other means.
1326
1327
1328 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
1329 ---------------------------
1330
1331 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
1332 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
1333 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
1334 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
1335 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
1336 barriers.
1337
1338 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
1339
1340         for (;;) {
1341                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1342                 if (event_indicated)
1343                         break;
1344                 schedule();
1345         }
1346
1347 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
1348 after it has altered the task state:
1349
1350         CPU 1
1351         ===============================
1352         set_current_state();
1353           set_mb();
1354             STORE current->state
1355             <general barrier>
1356         LOAD event_indicated
1357
1358 set_current_state() may be wrapped by:
1359
1360         prepare_to_wait();
1361         prepare_to_wait_exclusive();
1362
1363 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
1364 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
1365 interpolate the memory barrier in the right place:
1366
1367         wait_event();
1368         wait_event_interruptible();
1369         wait_event_interruptible_exclusive();
1370         wait_event_interruptible_timeout();
1371         wait_event_killable();
1372         wait_event_timeout();
1373         wait_on_bit();
1374         wait_on_bit_lock();
1375
1376
1377 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
1378
1379         event_indicated = 1;
1380         wake_up(&event_wait_queue);
1381
1382 or:
1383
1384         event_indicated = 1;
1385         wake_up_process(event_daemon);
1386
1387 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
1388 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
1389 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
1390
1391         CPU 1                           CPU 2
1392         =============================== ===============================
1393         set_current_state();            STORE event_indicated
1394           set_mb();                     wake_up();
1395             STORE current->state          <write barrier>
1396             <general barrier>             STORE current->state
1397         LOAD event_indicated
1398
1399 The available waker functions include:
1400
1401         complete();
1402         wake_up();
1403         wake_up_all();
1404         wake_up_bit();
1405         wake_up_interruptible();
1406         wake_up_interruptible_all();
1407         wake_up_interruptible_nr();
1408         wake_up_interruptible_poll();
1409         wake_up_interruptible_sync();
1410         wake_up_interruptible_sync_poll();
1411         wake_up_locked();
1412         wake_up_locked_poll();
1413         wake_up_nr();
1414         wake_up_poll();
1415         wake_up_process();
1416
1417
1418 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
1419 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
1420 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
1421 sleeper does:
1422
1423         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1424         if (event_indicated)
1425                 break;
1426         __set_current_state(TASK_RUNNING);
1427         do_something(my_data);
1428
1429 and the waker does:
1430
1431         my_data = value;
1432         event_indicated = 1;
1433         wake_up(&event_wait_queue);
1434
1435 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
1436 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
1437 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
1438 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
1439
1440         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1441         if (event_indicated) {
1442                 smp_rmb();
1443                 do_something(my_data);
1444         }
1445
1446 and the waker should do:
1447
1448         my_data = value;
1449         smp_wmb();
1450         event_indicated = 1;
1451         wake_up(&event_wait_queue);
1452
1453
1454 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
1455 -----------------------
1456
1457 Other functions that imply barriers:
1458
1459  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1460
1461
1462 =================================
1463 INTER-CPU LOCKING BARRIER EFFECTS
1464 =================================
1465
1466 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
1467 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
1468 conflict on any particular lock.
1469
1470
1471 LOCKS VS MEMORY ACCESSES
1472 ------------------------
1473
1474 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
1475 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
1476
1477         CPU 1                           CPU 2
1478         =============================== ===============================
1479         ACCESS_ONCE(*A) = a;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
1480         LOCK M                          LOCK Q
1481         ACCESS_ONCE(*B) = b;            ACCESS_ONCE(*F) = f;
1482         ACCESS_ONCE(*C) = c;            ACCESS_ONCE(*G) = g;
1483         UNLOCK M                        UNLOCK Q
1484         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*H) = h;
1485
1486 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
1487 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
1488 on the separate CPUs. It might, for example, see:
1489
1490         *E, LOCK M, LOCK Q, *G, *C, *F, *A, *B, UNLOCK Q, *D, *H, UNLOCK M
1491
1492 But it won't see any of:
1493
1494         *B, *C or *D preceding LOCK M
1495         *A, *B or *C following UNLOCK M
1496         *F, *G or *H preceding LOCK Q
1497         *E, *F or *G following UNLOCK Q
1498
1499
1500 However, if the following occurs:
1501
1502         CPU 1                           CPU 2
1503         =============================== ===============================
1504         ACCESS_ONCE(*A) = a;
1505         LOCK M               [1]
1506         ACCESS_ONCE(*B) = b;
1507         ACCESS_ONCE(*C) = c;
1508         UNLOCK M             [1]
1509         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
1510                                         LOCK M               [2]
1511                                         ACCESS_ONCE(*F) = f;
1512                                         ACCESS_ONCE(*G) = g;
1513                                         UNLOCK M             [2]
1514                                         ACCESS_ONCE(*H) = h;
1515
1516 CPU 3 might see:
1517
1518         *E, LOCK M [1], *C, *B, *A, UNLOCK M [1],
1519                 LOCK M [2], *H, *F, *G, UNLOCK M [2], *D
1520
1521 But assuming CPU 1 gets the lock first, CPU 3 won't see any of:
1522
1523         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding LOCK M [1]
1524         *A, *B or *C following UNLOCK M [1]
1525         *F, *G or *H preceding LOCK M [2]
1526         *A, *B, *C, *E, *F or *G following UNLOCK M [2]
1527
1528
1529 LOCKS VS I/O ACCESSES
1530 ---------------------
1531
1532 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
1533 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
1534 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
1535 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
1536 read memory barriers.
1537
1538 For example:
1539
1540         CPU 1                           CPU 2
1541         =============================== ===============================
1542         spin_lock(Q)
1543         writel(0, ADDR)
1544         writel(1, DATA);
1545         spin_unlock(Q);
1546                                         spin_lock(Q);
1547                                         writel(4, ADDR);
1548                                         writel(5, DATA);
1549                                         spin_unlock(Q);
1550
1551 may be seen by the PCI bridge as follows:
1552
1553         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
1554
1555 which would probably cause the hardware to malfunction.
1556
1557
1558 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
1559 spinlock, for example:
1560
1561         CPU 1                           CPU 2
1562         =============================== ===============================
1563         spin_lock(Q)
1564         writel(0, ADDR)
1565         writel(1, DATA);
1566         mmiowb();
1567         spin_unlock(Q);
1568                                         spin_lock(Q);
1569                                         writel(4, ADDR);
1570                                         writel(5, DATA);
1571                                         mmiowb();
1572                                         spin_unlock(Q);
1573
1574 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
1575 before either of the stores issued on CPU 2.
1576
1577
1578 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
1579 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
1580 is performed:
1581
1582         CPU 1                           CPU 2
1583         =============================== ===============================
1584         spin_lock(Q)
1585         writel(0, ADDR)
1586         a = readl(DATA);
1587         spin_unlock(Q);
1588                                         spin_lock(Q);
1589                                         writel(4, ADDR);
1590                                         b = readl(DATA);
1591                                         spin_unlock(Q);
1592
1593
1594 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1595
1596
1597 =================================
1598 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
1599 =================================
1600
1601 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
1602 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
1603 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
1604 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
1605
1606  (*) Interprocessor interaction.
1607
1608  (*) Atomic operations.
1609
1610  (*) Accessing devices.
1611
1612  (*) Interrupts.
1613
1614
1615 INTERPROCESSOR INTERACTION
1616 --------------------------
1617
1618 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
1619 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
1620 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
1621 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
1622 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
1623 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
1624 a malfunction.
1625
1626 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
1627 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
1628 the semaphore's list of waiting processes:
1629
1630         struct rw_semaphore {
1631                 ...
1632                 spinlock_t lock;
1633                 struct list_head waiters;
1634         };
1635
1636         struct rwsem_waiter {
1637                 struct list_head list;
1638                 struct task_struct *task;
1639         };
1640
1641 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
1642
1643  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
1644      next waiter record is;
1645
1646  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
1647
1648  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
1649
1650  (4) call wake_up_process() on the task; and
1651
1652  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
1653
1654 In other words, it has to perform this sequence of events:
1655
1656         LOAD waiter->list.next;
1657         LOAD waiter->task;
1658         STORE waiter->task;
1659         CALL wakeup
1660         RELEASE task
1661
1662 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
1663 malfunction.
1664
1665 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
1666 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
1667 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
1668 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
1669 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
1670 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
1671
1672 Consider then what might happen to the above sequence of events:
1673
1674         CPU 1                           CPU 2
1675         =============================== ===============================
1676                                         down_xxx()
1677                                         Queue waiter
1678                                         Sleep
1679         up_yyy()
1680         LOAD waiter->task;
1681         STORE waiter->task;
1682                                         Woken up by other event
1683         <preempt>
1684                                         Resume processing
1685                                         down_xxx() returns
1686                                         call foo()
1687                                         foo() clobbers *waiter
1688         </preempt>
1689         LOAD waiter->list.next;
1690         --- OOPS ---
1691
1692 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
1693 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
1694
1695 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
1696
1697         LOAD waiter->list.next;
1698         LOAD waiter->task;
1699         smp_mb();
1700         STORE waiter->task;
1701         CALL wakeup
1702         RELEASE task
1703
1704 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
1705 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
1706 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
1707 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
1708 instruction itself is complete.
1709
1710 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
1711 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
1712 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
1713 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
1714
1715
1716 ATOMIC OPERATIONS
1717 -----------------
1718
1719 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
1720 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
1721 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
1722 kernel.
1723
1724 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
1725 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
1726 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
1727 explicit lock operations, described later).  These include:
1728
1729         xchg();
1730         cmpxchg();
1731         atomic_xchg();
1732         atomic_cmpxchg();
1733         atomic_inc_return();
1734         atomic_dec_return();
1735         atomic_add_return();
1736         atomic_sub_return();
1737         atomic_inc_and_test();
1738         atomic_dec_and_test();
1739         atomic_sub_and_test();
1740         atomic_add_negative();
1741         atomic_add_unless();    /* when succeeds (returns 1) */
1742         test_and_set_bit();
1743         test_and_clear_bit();
1744         test_and_change_bit();
1745
1746 These are used for such things as implementing LOCK-class and UNLOCK-class
1747 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
1748 such the implicit memory barrier effects are necessary.
1749
1750
1751 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
1752 barriers, but might be used for implementing such things as UNLOCK-class
1753 operations:
1754
1755         atomic_set();
1756         set_bit();
1757         clear_bit();
1758         change_bit();
1759
1760 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
1761 (smp_mb__before_clear_bit() for instance).
1762
1763
1764 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
1765 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic_dec() for
1766 instance):
1767
1768         atomic_add();
1769         atomic_sub();
1770         atomic_inc();
1771         atomic_dec();
1772
1773 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
1774 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
1775
1776 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
1777 they probably don't need memory barriers because either the reference count
1778 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
1779 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
1780
1781 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
1782 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
1783 specific order.
1784
1785 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
1786 barriers are needed or not.
1787
1788 The following operations are special locking primitives:
1789
1790         test_and_set_bit_lock();
1791         clear_bit_unlock();
1792         __clear_bit_unlock();
1793
1794 These implement LOCK-class and UNLOCK-class operations. These should be used in
1795 preference to other operations when implementing locking primitives, because
1796 their implementations can be optimised on many architectures.
1797
1798 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
1799 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
1800 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
1801 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
1802
1803 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
1804
1805
1806 ACCESSING DEVICES
1807 -----------------
1808
1809 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
1810 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
1811 make the right memory accesses in exactly the right order.
1812
1813 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
1814 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
1815 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
1816 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
1817 the device to malfunction.
1818
1819 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
1820 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
1821 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
1822 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
1823 might be needed:
1824
1825  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
1826      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
1827      issued prior to unlocking the critical section.
1828
1829  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
1830      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
1831      required to enforce ordering.
1832
1833 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1834
1835
1836 INTERRUPTS
1837 ----------
1838
1839 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
1840 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
1841 access the device.
1842
1843 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
1844 form of locking), such that the critical operations are all contained within
1845 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
1846 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
1847 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
1848 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
1849
1850 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
1851 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
1852 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
1853
1854         LOCAL IRQ DISABLE
1855         writew(ADDR, 3);
1856         writew(DATA, y);
1857         LOCAL IRQ ENABLE
1858         <interrupt>
1859         writew(ADDR, 4);
1860         q = readw(DATA);
1861         </interrupt>
1862
1863 The store to the data register might happen after the second store to the
1864 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
1865
1866         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
1867
1868
1869 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
1870 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
1871 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
1872 explicit barriers are used.
1873
1874 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
1875 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
1876 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
1877 mmiowb() may need to be used explicitly.
1878
1879
1880 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
1881 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
1882 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
1883
1884
1885 ==========================
1886 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
1887 ==========================
1888
1889 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
1890 functions:
1891
1892  (*) inX(), outX():
1893
1894      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
1895      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
1896      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
1897      CPUs don't have such a concept.
1898
1899      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
1900      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
1901      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
1902      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
1903      spaces.
1904
1905      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
1906      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
1907      that.
1908
1909      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
1910
1911      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
1912      memory and I/O operation.
1913
1914  (*) readX(), writeX():
1915
1916      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
1917      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
1918      defined for the memory window through which they're accessing. On later
1919      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
1920      MTRR registers.
1921
1922      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
1923      provided they're not accessing a prefetchable device.
1924
1925      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
1926      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
1927      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
1928      space should suffice for PCI.
1929
1930      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
1931          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
1932          example.
1933
1934      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
1935      force stores to be ordered.
1936
1937      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
1938      between PCI transactions.
1939
1940  (*) readX_relaxed()
1941
1942      These are similar to readX(), but are not guaranteed to be ordered in any
1943      way. Be aware that there is no I/O read barrier available.
1944
1945  (*) ioreadX(), iowriteX()
1946
1947      These will perform appropriately for the type of access they're actually
1948      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
1949
1950
1951 ========================================
1952 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
1953 ========================================
1954
1955 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
1956 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
1957 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
1958 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
1959 of arch-specific code.
1960
1961 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
1962 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
1963 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
1964 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
1965 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
1966 causality is maintained.
1967
1968  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
1969      condition codes, changing registers or changing memory - and different
1970      instructions may depend on different effects.
1971
1972 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
1973 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
1974 immediate value into the same register, the first may be discarded.
1975
1976
1977 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
1978 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
1979 maintained.
1980
1981
1982 ============================
1983 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
1984 ============================
1985
1986 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
1987 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
1988 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
1989
1990 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
1991 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
1992 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
1993 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
1994
1995             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
1996                                   :
1997         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1998         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1999         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2000         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2001         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2002         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2003         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2004                                   :                 | Cache     |    +--------+
2005                                   :                 | Coherency |
2006                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2007         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2008         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2009         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2010         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2011         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2012         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2013         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2014                                   :
2015                                   :
2016
2017 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2018 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2019 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2020 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2021 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2022
2023 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2024 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2025 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2026 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2027 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2028 to complete.
2029
2030 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2031 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2032 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2033 in the system.
2034
2035 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2036 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2037
2038 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2039 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2040 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2041
2042
2043 CACHE COHERENCY
2044 ---------------
2045
2046 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2047 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2048 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2049 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2050 become apparent in the same order on those other CPUs.
2051
2052
2053 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2054 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2055
2056                     :
2057                     :                          +--------+
2058                     :      +---------+         |        |
2059         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2060         |        |  : |    +---------+         |        |
2061         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2062         |        |  : |    +---------+         |        |
2063         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2064                     :      +---------+         |        |
2065                     :                          | Memory |
2066                     :      +---------+         | System |
2067         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2068         |        |  : |    +---------+         |        |
2069         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2070         |        |  : |    +---------+         |        |
2071         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2072                     :      +---------+         |        |
2073                     :                          +--------+
2074                     :
2075
2076 Imagine the system has the following properties:
2077
2078  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2079      resident in memory;
2080
2081  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2082      resident in memory;
2083
2084  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2085      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2086      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2087
2088  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2089      to maintain coherency with the rest of the system;
2090
2091  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2092      present in the cache, even though the contents of the queue may
2093      potentially affect those loads.
2094
2095 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2096 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2097 the requisite order:
2098
2099         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2100         =============== =============== =======================================
2101                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2102         v = 2;
2103         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2104                                          change to p
2105         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2106         p = &v;
2107         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2108
2109 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2110 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2111 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2112
2113         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2114         =============== =============== =======================================
2115         ...
2116                         q = p;
2117                         x = *q;
2118
2119 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2120 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2121 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2122 CPU's caches by some other cache event:
2123
2124         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2125         =============== =============== =======================================
2126                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2127         v = 2;
2128         smp_wmb();
2129         <A:modify v=2>  <C:busy>
2130                         <C:queue v=2>
2131         p = &v;         q = p;
2132                         <D:request p>
2133         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2134                         <D:read p>
2135                         x = *q;
2136                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2137                         <C:unbusy>
2138                         <C:commit v=2>
2139
2140 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2141 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2142 as that committed on CPU 1.
2143
2144
2145 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2146 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2147 queue before processing any further requests:
2148
2149         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2150         =============== =============== =======================================
2151                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2152         v = 2;
2153         smp_wmb();
2154         <A:modify v=2>  <C:busy>
2155                         <C:queue v=2>
2156         p = &v;         q = p;
2157                         <D:request p>
2158         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2159                         <D:read p>
2160                         smp_read_barrier_depends()
2161                         <C:unbusy>
2162                         <C:commit v=2>
2163                         x = *q;
2164                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2165
2166
2167 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2168 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2169 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2170 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2171
2172 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2173 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2174 need for coordination in the absence of memory barriers.
2175
2176
2177 CACHE COHERENCY VS DMA
2178 ----------------------
2179
2180 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2181 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2182 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2183 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2184 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2185 invalidate them as well).
2186
2187 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2188 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2189 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2190 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2191 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2192 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2193 cache on each CPU.
2194
2195 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2196
2197
2198 CACHE COHERENCY VS MMIO
2199 -----------------------
2200
2201 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2202 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2203 the usual RAM directed window.
2204
2205 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2206 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2207 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2208 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2209 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2210 any way dependent.
2211
2212
2213 =========================
2214 THE THINGS CPUS GET UP TO
2215 =========================
2216
2217 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2218 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2219 given the following piece of code to execute:
2220
2221         a = ACCESS_ONCE(*A);
2222         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2223         c = ACCESS_ONCE(*C);
2224         d = ACCESS_ONCE(*D);
2225         ACCESS_ONCE(*E) = e;
2226
2227 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2228 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2229 operations as seen by external observers in the system:
2230
2231         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2232
2233
2234 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2235 assumption doesn't hold because:
2236
2237  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2238      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2239      problem;
2240
2241  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2242      to have been unnecessary;
2243
2244  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2245      at the wrong time in the expected sequence of events;
2246
2247  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2248      of the CPU buses and caches;
2249
2250  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2251      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2252      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2253      both be able to do this); and
2254
2255  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2256      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2257      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2258      order to other CPUs.
2259
2260 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2261 is:
2262
2263         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2264
2265         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2266
2267
2268 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2269 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2270 barrier.  For instance with the following code:
2271
2272         U = ACCESS_ONCE(*A);
2273         ACCESS_ONCE(*A) = V;
2274         ACCESS_ONCE(*A) = W;
2275         X = ACCESS_ONCE(*A);
2276         ACCESS_ONCE(*A) = Y;
2277         Z = ACCESS_ONCE(*A);
2278
2279 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2280 the final result will appear to be:
2281
2282         U == the original value of *A
2283         X == W
2284         Z == Y
2285         *A == Y
2286
2287 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2288 accesses:
2289
2290         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2291
2292 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2293 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
2294 the world remains consistent.  Note that ACCESS_ONCE() is -not- optional
2295 in the above example, as there are architectures where a given CPU might
2296 interchange successive loads to the same location.  On such architectures,
2297 ACCESS_ONCE() does whatever is necessary to prevent this, for example, on
2298 Itanium the volatile casts used by ACCESS_ONCE() cause GCC to emit the
2299 special ld.acq and st.rel instructions that prevent such reordering.
2300
2301 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2302 the CPU even sees them.
2303
2304 For instance:
2305
2306         *A = V;
2307         *A = W;
2308
2309 may be reduced to:
2310
2311         *A = W;
2312
2313 since, without either a write barrier or an ACCESS_ONCE(), it can be
2314 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
2315
2316         *A = Y;
2317         Z = *A;
2318
2319 may, without a memory barrier or an ACCESS_ONCE(), be reduced to:
2320
2321         *A = Y;
2322         Z = Y;
2323
2324 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2325
2326
2327 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2328 --------------------------
2329
2330 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2331 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2332 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2333 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
2334 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2335 changes vs new data occur in the right order.
2336
2337 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
2338
2339 See the subsection on "Cache Coherency" above.
2340
2341
2342 ============
2343 EXAMPLE USES
2344 ============
2345
2346 CIRCULAR BUFFERS
2347 ----------------
2348
2349 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2350 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2351
2352         Documentation/circular-buffers.txt
2353
2354 for details.
2355
2356
2357 ==========
2358 REFERENCES
2359 ==========
2360
2361 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2362 Digital Press)
2363         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
2364         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
2365         Chapter 5.5: Data Sharing
2366         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
2367
2368 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
2369         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
2370         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
2371
2372 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
2373 System Programming Guide
2374         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
2375         Chapter 7.2: Memory Ordering
2376         Chapter 7.4: Serializing Instructions
2377
2378 The SPARC Architecture Manual, Version 9
2379         Chapter 8: Memory Models
2380         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
2381         Appendix J: Programming with the Memory Models
2382
2383 UltraSPARC Programmer Reference Manual
2384         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
2385         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
2386
2387 UltraSPARC III Cu User's Manual
2388         Chapter 9: Memory Models
2389
2390 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
2391         Chapter 8: Memory Models
2392
2393 UltraSPARC Architecture 2005
2394         Chapter 9: Memory
2395         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
2396
2397 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
2398         Chapter 8: Memory Models
2399         Appendix F: Caches and Cache Coherency
2400
2401 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
2402         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
2403                         Synchronization
2404
2405 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
2406 for Kernel Programmers:
2407         Chapter 13: Other Memory Models
2408
2409 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
2410         Section 2.6: Speculation
2411         Section 4.4: Memory Access