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1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"
2         "http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd">
3         <html>
4         <head><title>A Tour Through RCU's Requirements [LWN.net]</title>
5         <meta HTTP-EQUIV="Content-Type" CONTENT="text/html; charset=utf-8">
6
7 <h1>A Tour Through RCU's Requirements</h1>
8
9 <p>Copyright IBM Corporation, 2015</p>
10 <p>Author: Paul E.&nbsp;McKenney</p>
11 <p><i>The initial version of this document appeared in the
12 <a href="https://lwn.net/">LWN</a> articles
13 <a href="https://lwn.net/Articles/652156/">here</a>,
14 <a href="https://lwn.net/Articles/652677/">here</a>, and
15 <a href="https://lwn.net/Articles/653326/">here</a>.</i></p>
16
17 <h2>Introduction</h2>
18
19 <p>
20 Read-copy update (RCU) is a synchronization mechanism that is often
21 used as a replacement for reader-writer locking.
22 RCU is unusual in that updaters do not block readers,
23 which means that RCU's read-side primitives can be exceedingly fast
24 and scalable.
25 In addition, updaters can make useful forward progress concurrently
26 with readers.
27 However, all this concurrency between RCU readers and updaters does raise
28 the question of exactly what RCU readers are doing, which in turn
29 raises the question of exactly what RCU's requirements are.
30
31 <p>
32 This document therefore summarizes RCU's requirements, and can be thought
33 of as an informal, high-level specification for RCU.
34 It is important to understand that RCU's specification is primarily
35 empirical in nature;
36 in fact, I learned about many of these requirements the hard way.
37 This situation might cause some consternation, however, not only
38 has this learning process been a lot of fun, but it has also been
39 a great privilege to work with so many people willing to apply
40 technologies in interesting new ways.
41
42 <p>
43 All that aside, here are the categories of currently known RCU requirements:
44 </p>
45
46 <ol>
47 <li>    <a href="#Fundamental Requirements">
48         Fundamental Requirements</a>
49 <li>    <a href="#Fundamental Non-Requirements">Fundamental Non-Requirements</a>
50 <li>    <a href="#Parallelism Facts of Life">
51         Parallelism Facts of Life</a>
52 <li>    <a href="#Quality-of-Implementation Requirements">
53         Quality-of-Implementation Requirements</a>
54 <li>    <a href="#Linux Kernel Complications">
55         Linux Kernel Complications</a>
56 <li>    <a href="#Software-Engineering Requirements">
57         Software-Engineering Requirements</a>
58 <li>    <a href="#Other RCU Flavors">
59         Other RCU Flavors</a>
60 <li>    <a href="#Possible Future Changes">
61         Possible Future Changes</a>
62 </ol>
63
64 <p>
65 This is followed by a <a href="#Summary">summary</a>,
66 however, the answers to each quick quiz immediately follows the quiz.
67 Select the big white space with your mouse to see the answer.
68
69 <h2><a name="Fundamental Requirements">Fundamental Requirements</a></h2>
70
71 <p>
72 RCU's fundamental requirements are the closest thing RCU has to hard
73 mathematical requirements.
74 These are:
75
76 <ol>
77 <li>    <a href="#Grace-Period Guarantee">
78         Grace-Period Guarantee</a>
79 <li>    <a href="#Publish-Subscribe Guarantee">
80         Publish-Subscribe Guarantee</a>
81 <li>    <a href="#Memory-Barrier Guarantees">
82         Memory-Barrier Guarantees</a>
83 <li>    <a href="#RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally">
84         RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally</a>
85 <li>    <a href="#Guaranteed Read-to-Write Upgrade">
86         Guaranteed Read-to-Write Upgrade</a>
87 </ol>
88
89 <h3><a name="Grace-Period Guarantee">Grace-Period Guarantee</a></h3>
90
91 <p>
92 RCU's grace-period guarantee is unusual in being premeditated:
93 Jack Slingwine and I had this guarantee firmly in mind when we started
94 work on RCU (then called &ldquo;rclock&rdquo;) in the early 1990s.
95 That said, the past two decades of experience with RCU have produced
96 a much more detailed understanding of this guarantee.
97
98 <p>
99 RCU's grace-period guarantee allows updaters to wait for the completion
100 of all pre-existing RCU read-side critical sections.
101 An RCU read-side critical section
102 begins with the marker <tt>rcu_read_lock()</tt> and ends with
103 the marker <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
104 These markers may be nested, and RCU treats a nested set as one
105 big RCU read-side critical section.
106 Production-quality implementations of <tt>rcu_read_lock()</tt> and
107 <tt>rcu_read_unlock()</tt> are extremely lightweight, and in
108 fact have exactly zero overhead in Linux kernels built for production
109 use with <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>.
110
111 <p>
112 This guarantee allows ordering to be enforced with extremely low
113 overhead to readers, for example:
114
115 <blockquote>
116 <pre>
117  1 int x, y;
118  2
119  3 void thread0(void)
120  4 {
121  5   rcu_read_lock();
122  6   r1 = READ_ONCE(x);
123  7   r2 = READ_ONCE(y);
124  8   rcu_read_unlock();
125  9 }
126 10
127 11 void thread1(void)
128 12 {
129 13   WRITE_ONCE(x, 1);
130 14   synchronize_rcu();
131 15   WRITE_ONCE(y, 1);
132 16 }
133 </pre>
134 </blockquote>
135
136 <p>
137 Because the <tt>synchronize_rcu()</tt> on line&nbsp;14 waits for
138 all pre-existing readers, any instance of <tt>thread0()</tt> that
139 loads a value of zero from <tt>x</tt> must complete before
140 <tt>thread1()</tt> stores to <tt>y</tt>, so that instance must
141 also load a value of zero from <tt>y</tt>.
142 Similarly, any instance of <tt>thread0()</tt> that loads a value of
143 one from <tt>y</tt> must have started after the
144 <tt>synchronize_rcu()</tt> started, and must therefore also load
145 a value of one from <tt>x</tt>.
146 Therefore, the outcome:
147 <blockquote>
148 <pre>
149 (r1 == 0 &amp;&amp; r2 == 1)
150 </pre>
151 </blockquote>
152 cannot happen.
153
154 <table>
155 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
156 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
157 <tr><td>
158         Wait a minute!
159         You said that updaters can make useful forward progress concurrently
160         with readers, but pre-existing readers will block
161         <tt>synchronize_rcu()</tt>!!!
162         Just who are you trying to fool???
163 </td></tr>
164 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
165 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
166         First, if updaters do not wish to be blocked by readers, they can use
167         <tt>call_rcu()</tt> or <tt>kfree_rcu()</tt>, which will
168         be discussed later.
169         Second, even when using <tt>synchronize_rcu()</tt>, the other
170         update-side code does run concurrently with readers, whether
171         pre-existing or not.
172 </font></td></tr>
173 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
174 </table>
175
176 <p>
177 This scenario resembles one of the first uses of RCU in
178 <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/DYNIX">DYNIX/ptx</a>,
179 which managed a distributed lock manager's transition into
180 a state suitable for handling recovery from node failure,
181 more or less as follows:
182
183 <blockquote>
184 <pre>
185  1 #define STATE_NORMAL        0
186  2 #define STATE_WANT_RECOVERY 1
187  3 #define STATE_RECOVERING    2
188  4 #define STATE_WANT_NORMAL   3
189  5
190  6 int state = STATE_NORMAL;
191  7
192  8 void do_something_dlm(void)
193  9 {
194 10   int state_snap;
195 11
196 12   rcu_read_lock();
197 13   state_snap = READ_ONCE(state);
198 14   if (state_snap == STATE_NORMAL)
199 15     do_something();
200 16   else
201 17     do_something_carefully();
202 18   rcu_read_unlock();
203 19 }
204 20
205 21 void start_recovery(void)
206 22 {
207 23   WRITE_ONCE(state, STATE_WANT_RECOVERY);
208 24   synchronize_rcu();
209 25   WRITE_ONCE(state, STATE_RECOVERING);
210 26   recovery();
211 27   WRITE_ONCE(state, STATE_WANT_NORMAL);
212 28   synchronize_rcu();
213 29   WRITE_ONCE(state, STATE_NORMAL);
214 30 }
215 </pre>
216 </blockquote>
217
218 <p>
219 The RCU read-side critical section in <tt>do_something_dlm()</tt>
220 works with the <tt>synchronize_rcu()</tt> in <tt>start_recovery()</tt>
221 to guarantee that <tt>do_something()</tt> never runs concurrently
222 with <tt>recovery()</tt>, but with little or no synchronization
223 overhead in <tt>do_something_dlm()</tt>.
224
225 <table>
226 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
227 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
228 <tr><td>
229         Why is the <tt>synchronize_rcu()</tt> on line&nbsp;28 needed?
230 </td></tr>
231 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
232 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
233         Without that extra grace period, memory reordering could result in
234         <tt>do_something_dlm()</tt> executing <tt>do_something()</tt>
235         concurrently with the last bits of <tt>recovery()</tt>.
236 </font></td></tr>
237 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
238 </table>
239
240 <p>
241 In order to avoid fatal problems such as deadlocks,
242 an RCU read-side critical section must not contain calls to
243 <tt>synchronize_rcu()</tt>.
244 Similarly, an RCU read-side critical section must not
245 contain anything that waits, directly or indirectly, on completion of
246 an invocation of <tt>synchronize_rcu()</tt>.
247
248 <p>
249 Although RCU's grace-period guarantee is useful in and of itself, with
250 <a href="https://lwn.net/Articles/573497/">quite a few use cases</a>,
251 it would be good to be able to use RCU to coordinate read-side
252 access to linked data structures.
253 For this, the grace-period guarantee is not sufficient, as can
254 be seen in function <tt>add_gp_buggy()</tt> below.
255 We will look at the reader's code later, but in the meantime, just think of
256 the reader as locklessly picking up the <tt>gp</tt> pointer,
257 and, if the value loaded is non-<tt>NULL</tt>, locklessly accessing the
258 <tt>-&gt;a</tt> and <tt>-&gt;b</tt> fields.
259
260 <blockquote>
261 <pre>
262  1 bool add_gp_buggy(int a, int b)
263  2 {
264  3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
265  4   if (!p)
266  5     return -ENOMEM;
267  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
268  7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
269  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
270  9     return false;
271 10   }
272 11   p-&gt;a = a;
273 12   p-&gt;b = a;
274 13   gp = p; /* ORDERING BUG */
275 14   spin_unlock(&amp;gp_lock);
276 15   return true;
277 16 }
278 </pre>
279 </blockquote>
280
281 <p>
282 The problem is that both the compiler and weakly ordered CPUs are within
283 their rights to reorder this code as follows:
284
285 <blockquote>
286 <pre>
287  1 bool add_gp_buggy_optimized(int a, int b)
288  2 {
289  3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
290  4   if (!p)
291  5     return -ENOMEM;
292  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
293  7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
294  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
295  9     return false;
296 10   }
297 <b>11   gp = p; /* ORDERING BUG */
298 12   p-&gt;a = a;
299 13   p-&gt;b = a;</b>
300 14   spin_unlock(&amp;gp_lock);
301 15   return true;
302 16 }
303 </pre>
304 </blockquote>
305
306 <p>
307 If an RCU reader fetches <tt>gp</tt> just after
308 <tt>add_gp_buggy_optimized</tt> executes line&nbsp;11,
309 it will see garbage in the <tt>-&gt;a</tt> and <tt>-&gt;b</tt>
310 fields.
311 And this is but one of many ways in which compiler and hardware optimizations
312 could cause trouble.
313 Therefore, we clearly need some way to prevent the compiler and the CPU from
314 reordering in this manner, which brings us to the publish-subscribe
315 guarantee discussed in the next section.
316
317 <h3><a name="Publish-Subscribe Guarantee">Publish/Subscribe Guarantee</a></h3>
318
319 <p>
320 RCU's publish-subscribe guarantee allows data to be inserted
321 into a linked data structure without disrupting RCU readers.
322 The updater uses <tt>rcu_assign_pointer()</tt> to insert the
323 new data, and readers use <tt>rcu_dereference()</tt> to
324 access data, whether new or old.
325 The following shows an example of insertion:
326
327 <blockquote>
328 <pre>
329  1 bool add_gp(int a, int b)
330  2 {
331  3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
332  4   if (!p)
333  5     return -ENOMEM;
334  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
335  7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
336  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
337  9     return false;
338 10   }
339 11   p-&gt;a = a;
340 12   p-&gt;b = a;
341 13   rcu_assign_pointer(gp, p);
342 14   spin_unlock(&amp;gp_lock);
343 15   return true;
344 16 }
345 </pre>
346 </blockquote>
347
348 <p>
349 The <tt>rcu_assign_pointer()</tt> on line&nbsp;13 is conceptually
350 equivalent to a simple assignment statement, but also guarantees
351 that its assignment will
352 happen after the two assignments in lines&nbsp;11 and&nbsp;12,
353 similar to the C11 <tt>memory_order_release</tt> store operation.
354 It also prevents any number of &ldquo;interesting&rdquo; compiler
355 optimizations, for example, the use of <tt>gp</tt> as a scratch
356 location immediately preceding the assignment.
357
358 <table>
359 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
360 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
361 <tr><td>
362         But <tt>rcu_assign_pointer()</tt> does nothing to prevent the
363         two assignments to <tt>p-&gt;a</tt> and <tt>p-&gt;b</tt>
364         from being reordered.
365         Can't that also cause problems?
366 </td></tr>
367 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
368 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
369         No, it cannot.
370         The readers cannot see either of these two fields until
371         the assignment to <tt>gp</tt>, by which time both fields are
372         fully initialized.
373         So reordering the assignments
374         to <tt>p-&gt;a</tt> and <tt>p-&gt;b</tt> cannot possibly
375         cause any problems.
376 </font></td></tr>
377 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
378 </table>
379
380 <p>
381 It is tempting to assume that the reader need not do anything special
382 to control its accesses to the RCU-protected data,
383 as shown in <tt>do_something_gp_buggy()</tt> below:
384
385 <blockquote>
386 <pre>
387  1 bool do_something_gp_buggy(void)
388  2 {
389  3   rcu_read_lock();
390  4   p = gp;  /* OPTIMIZATIONS GALORE!!! */
391  5   if (p) {
392  6     do_something(p-&gt;a, p-&gt;b);
393  7     rcu_read_unlock();
394  8     return true;
395  9   }
396 10   rcu_read_unlock();
397 11   return false;
398 12 }
399 </pre>
400 </blockquote>
401
402 <p>
403 However, this temptation must be resisted because there are a
404 surprisingly large number of ways that the compiler
405 (to say nothing of
406 <a href="https://h71000.www7.hp.com/wizard/wiz_2637.html">DEC Alpha CPUs</a>)
407 can trip this code up.
408 For but one example, if the compiler were short of registers, it
409 might choose to refetch from <tt>gp</tt> rather than keeping
410 a separate copy in <tt>p</tt> as follows:
411
412 <blockquote>
413 <pre>
414  1 bool do_something_gp_buggy_optimized(void)
415  2 {
416  3   rcu_read_lock();
417  4   if (gp) { /* OPTIMIZATIONS GALORE!!! */
418 <b> 5     do_something(gp-&gt;a, gp-&gt;b);</b>
419  6     rcu_read_unlock();
420  7     return true;
421  8   }
422  9   rcu_read_unlock();
423 10   return false;
424 11 }
425 </pre>
426 </blockquote>
427
428 <p>
429 If this function ran concurrently with a series of updates that
430 replaced the current structure with a new one,
431 the fetches of <tt>gp-&gt;a</tt>
432 and <tt>gp-&gt;b</tt> might well come from two different structures,
433 which could cause serious confusion.
434 To prevent this (and much else besides), <tt>do_something_gp()</tt> uses
435 <tt>rcu_dereference()</tt> to fetch from <tt>gp</tt>:
436
437 <blockquote>
438 <pre>
439  1 bool do_something_gp(void)
440  2 {
441  3   rcu_read_lock();
442  4   p = rcu_dereference(gp);
443  5   if (p) {
444  6     do_something(p-&gt;a, p-&gt;b);
445  7     rcu_read_unlock();
446  8     return true;
447  9   }
448 10   rcu_read_unlock();
449 11   return false;
450 12 }
451 </pre>
452 </blockquote>
453
454 <p>
455 The <tt>rcu_dereference()</tt> uses volatile casts and (for DEC Alpha)
456 memory barriers in the Linux kernel.
457 Should a
458 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU/consume.2015.07.13a.pdf">high-quality implementation of C11 <tt>memory_order_consume</tt> [PDF]</a>
459 ever appear, then <tt>rcu_dereference()</tt> could be implemented
460 as a <tt>memory_order_consume</tt> load.
461 Regardless of the exact implementation, a pointer fetched by
462 <tt>rcu_dereference()</tt> may not be used outside of the
463 outermost RCU read-side critical section containing that
464 <tt>rcu_dereference()</tt>, unless protection of
465 the corresponding data element has been passed from RCU to some
466 other synchronization mechanism, most commonly locking or
467 <a href="https://www.kernel.org/doc/Documentation/RCU/rcuref.txt">reference counting</a>.
468
469 <p>
470 In short, updaters use <tt>rcu_assign_pointer()</tt> and readers
471 use <tt>rcu_dereference()</tt>, and these two RCU API elements
472 work together to ensure that readers have a consistent view of
473 newly added data elements.
474
475 <p>
476 Of course, it is also necessary to remove elements from RCU-protected
477 data structures, for example, using the following process:
478
479 <ol>
480 <li>    Remove the data element from the enclosing structure.
481 <li>    Wait for all pre-existing RCU read-side critical sections
482         to complete (because only pre-existing readers can possibly have
483         a reference to the newly removed data element).
484 <li>    At this point, only the updater has a reference to the
485         newly removed data element, so it can safely reclaim
486         the data element, for example, by passing it to <tt>kfree()</tt>.
487 </ol>
488
489 This process is implemented by <tt>remove_gp_synchronous()</tt>:
490
491 <blockquote>
492 <pre>
493  1 bool remove_gp_synchronous(void)
494  2 {
495  3   struct foo *p;
496  4
497  5   spin_lock(&amp;gp_lock);
498  6   p = rcu_access_pointer(gp);
499  7   if (!p) {
500  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
501  9     return false;
502 10   }
503 11   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
504 12   spin_unlock(&amp;gp_lock);
505 13   synchronize_rcu();
506 14   kfree(p);
507 15   return true;
508 16 }
509 </pre>
510 </blockquote>
511
512 <p>
513 This function is straightforward, with line&nbsp;13 waiting for a grace
514 period before line&nbsp;14 frees the old data element.
515 This waiting ensures that readers will reach line&nbsp;7 of
516 <tt>do_something_gp()</tt> before the data element referenced by
517 <tt>p</tt> is freed.
518 The <tt>rcu_access_pointer()</tt> on line&nbsp;6 is similar to
519 <tt>rcu_dereference()</tt>, except that:
520
521 <ol>
522 <li>    The value returned by <tt>rcu_access_pointer()</tt>
523         cannot be dereferenced.
524         If you want to access the value pointed to as well as
525         the pointer itself, use <tt>rcu_dereference()</tt>
526         instead of <tt>rcu_access_pointer()</tt>.
527 <li>    The call to <tt>rcu_access_pointer()</tt> need not be
528         protected.
529         In contrast, <tt>rcu_dereference()</tt> must either be
530         within an RCU read-side critical section or in a code
531         segment where the pointer cannot change, for example, in
532         code protected by the corresponding update-side lock.
533 </ol>
534
535 <table>
536 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
537 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
538 <tr><td>
539         Without the <tt>rcu_dereference()</tt> or the
540         <tt>rcu_access_pointer()</tt>, what destructive optimizations
541         might the compiler make use of?
542 </td></tr>
543 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
544 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
545         Let's start with what happens to <tt>do_something_gp()</tt>
546         if it fails to use <tt>rcu_dereference()</tt>.
547         It could reuse a value formerly fetched from this same pointer.
548         It could also fetch the pointer from <tt>gp</tt> in a byte-at-a-time
549         manner, resulting in <i>load tearing</i>, in turn resulting a bytewise
550         mash-up of two distince pointer values.
551         It might even use value-speculation optimizations, where it makes
552         a wrong guess, but by the time it gets around to checking the
553         value, an update has changed the pointer to match the wrong guess.
554         Too bad about any dereferences that returned pre-initialization garbage
555         in the meantime!
556         </font>
557
558         <p><font color="ffffff">
559         For <tt>remove_gp_synchronous()</tt>, as long as all modifications
560         to <tt>gp</tt> are carried out while holding <tt>gp_lock</tt>,
561         the above optimizations are harmless.
562         However,
563         with <tt>CONFIG_SPARSE_RCU_POINTER=y</tt>,
564         <tt>sparse</tt> will complain if you
565         define <tt>gp</tt> with <tt>__rcu</tt> and then
566         access it without using
567         either <tt>rcu_access_pointer()</tt> or <tt>rcu_dereference()</tt>.
568 </font></td></tr>
569 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
570 </table>
571
572 <p>
573 In short, RCU's publish-subscribe guarantee is provided by the combination
574 of <tt>rcu_assign_pointer()</tt> and <tt>rcu_dereference()</tt>.
575 This guarantee allows data elements to be safely added to RCU-protected
576 linked data structures without disrupting RCU readers.
577 This guarantee can be used in combination with the grace-period
578 guarantee to also allow data elements to be removed from RCU-protected
579 linked data structures, again without disrupting RCU readers.
580
581 <p>
582 This guarantee was only partially premeditated.
583 DYNIX/ptx used an explicit memory barrier for publication, but had nothing
584 resembling <tt>rcu_dereference()</tt> for subscription, nor did it
585 have anything resembling the <tt>smp_read_barrier_depends()</tt>
586 that was later subsumed into <tt>rcu_dereference()</tt>.
587 The need for these operations made itself known quite suddenly at a
588 late-1990s meeting with the DEC Alpha architects, back in the days when
589 DEC was still a free-standing company.
590 It took the Alpha architects a good hour to convince me that any sort
591 of barrier would ever be needed, and it then took me a good <i>two</i> hours
592 to convince them that their documentation did not make this point clear.
593 More recent work with the C and C++ standards committees have provided
594 much education on tricks and traps from the compiler.
595 In short, compilers were much less tricky in the early 1990s, but in
596 2015, don't even think about omitting <tt>rcu_dereference()</tt>!
597
598 <h3><a name="Memory-Barrier Guarantees">Memory-Barrier Guarantees</a></h3>
599
600 <p>
601 The previous section's simple linked-data-structure scenario clearly
602 demonstrates the need for RCU's stringent memory-ordering guarantees on
603 systems with more than one CPU:
604
605 <ol>
606 <li>    Each CPU that has an RCU read-side critical section that
607         begins before <tt>synchronize_rcu()</tt> starts is
608         guaranteed to execute a full memory barrier between the time
609         that the RCU read-side critical section ends and the time that
610         <tt>synchronize_rcu()</tt> returns.
611         Without this guarantee, a pre-existing RCU read-side critical section
612         might hold a reference to the newly removed <tt>struct foo</tt>
613         after the <tt>kfree()</tt> on line&nbsp;14 of
614         <tt>remove_gp_synchronous()</tt>.
615 <li>    Each CPU that has an RCU read-side critical section that ends
616         after <tt>synchronize_rcu()</tt> returns is guaranteed
617         to execute a full memory barrier between the time that
618         <tt>synchronize_rcu()</tt> begins and the time that the RCU
619         read-side critical section begins.
620         Without this guarantee, a later RCU read-side critical section
621         running after the <tt>kfree()</tt> on line&nbsp;14 of
622         <tt>remove_gp_synchronous()</tt> might
623         later run <tt>do_something_gp()</tt> and find the
624         newly deleted <tt>struct foo</tt>.
625 <li>    If the task invoking <tt>synchronize_rcu()</tt> remains
626         on a given CPU, then that CPU is guaranteed to execute a full
627         memory barrier sometime during the execution of
628         <tt>synchronize_rcu()</tt>.
629         This guarantee ensures that the <tt>kfree()</tt> on
630         line&nbsp;14 of <tt>remove_gp_synchronous()</tt> really does
631         execute after the removal on line&nbsp;11.
632 <li>    If the task invoking <tt>synchronize_rcu()</tt> migrates
633         among a group of CPUs during that invocation, then each of the
634         CPUs in that group is guaranteed to execute a full memory barrier
635         sometime during the execution of <tt>synchronize_rcu()</tt>.
636         This guarantee also ensures that the <tt>kfree()</tt> on
637         line&nbsp;14 of <tt>remove_gp_synchronous()</tt> really does
638         execute after the removal on
639         line&nbsp;11, but also in the case where the thread executing the
640         <tt>synchronize_rcu()</tt> migrates in the meantime.
641 </ol>
642
643 <table>
644 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
645 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
646 <tr><td>
647         Given that multiple CPUs can start RCU read-side critical sections
648         at any time without any ordering whatsoever, how can RCU possibly
649         tell whether or not a given RCU read-side critical section starts
650         before a given instance of <tt>synchronize_rcu()</tt>?
651 </td></tr>
652 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
653 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
654         If RCU cannot tell whether or not a given
655         RCU read-side critical section starts before a
656         given instance of <tt>synchronize_rcu()</tt>,
657         then it must assume that the RCU read-side critical section
658         started first.
659         In other words, a given instance of <tt>synchronize_rcu()</tt>
660         can avoid waiting on a given RCU read-side critical section only
661         if it can prove that <tt>synchronize_rcu()</tt> started first.
662 </font></td></tr>
663 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
664 </table>
665
666 <table>
667 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
668 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
669 <tr><td>
670         The first and second guarantees require unbelievably strict ordering!
671         Are all these memory barriers <i> really</i> required?
672 </td></tr>
673 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
674 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
675         Yes, they really are required.
676         To see why the first guarantee is required, consider the following
677         sequence of events:
678         </font>
679
680         <ol>
681         <li>    <font color="ffffff">
682                 CPU 1: <tt>rcu_read_lock()</tt>
683                 </font>
684         <li>    <font color="ffffff">
685                 CPU 1: <tt>q = rcu_dereference(gp);
686                 /* Very likely to return p. */</tt>
687                 </font>
688         <li>    <font color="ffffff">
689                 CPU 0: <tt>list_del_rcu(p);</tt>
690                 </font>
691         <li>    <font color="ffffff">
692                 CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> starts.
693                 </font>
694         <li>    <font color="ffffff">
695                 CPU 1: <tt>do_something_with(q-&gt;a);
696                 /* No smp_mb(), so might happen after kfree(). */</tt>
697                 </font>
698         <li>    <font color="ffffff">
699                 CPU 1: <tt>rcu_read_unlock()</tt>
700                 </font>
701         <li>    <font color="ffffff">
702                 CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> returns.
703                 </font>
704         <li>    <font color="ffffff">
705                 CPU 0: <tt>kfree(p);</tt>
706                 </font>
707         </ol>
708
709         <p><font color="ffffff">
710         Therefore, there absolutely must be a full memory barrier between the
711         end of the RCU read-side critical section and the end of the
712         grace period.
713         </font>
714
715         <p><font color="ffffff">
716         The sequence of events demonstrating the necessity of the second rule
717         is roughly similar:
718         </font>
719
720         <ol>
721         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>list_del_rcu(p);</tt>
722                 </font>
723         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> starts.
724                 </font>
725         <li>    <font color="ffffff">CPU 1: <tt>rcu_read_lock()</tt>
726                 </font>
727         <li>    <font color="ffffff">CPU 1: <tt>q = rcu_dereference(gp);
728                 /* Might return p if no memory barrier. */</tt>
729                 </font>
730         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> returns.
731                 </font>
732         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>kfree(p);</tt>
733                 </font>
734         <li>    <font color="ffffff">
735                 CPU 1: <tt>do_something_with(q-&gt;a); /* Boom!!! */</tt>
736                 </font>
737         <li>    <font color="ffffff">CPU 1: <tt>rcu_read_unlock()</tt>
738                 </font>
739         </ol>
740
741         <p><font color="ffffff">
742         And similarly, without a memory barrier between the beginning of the
743         grace period and the beginning of the RCU read-side critical section,
744         CPU&nbsp;1 might end up accessing the freelist.
745         </font>
746
747         <p><font color="ffffff">
748         The &ldquo;as if&rdquo; rule of course applies, so that any
749         implementation that acts as if the appropriate memory barriers
750         were in place is a correct implementation.
751         That said, it is much easier to fool yourself into believing
752         that you have adhered to the as-if rule than it is to actually
753         adhere to it!
754 </font></td></tr>
755 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
756 </table>
757
758 <table>
759 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
760 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
761 <tr><td>
762         You claim that <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>
763         generate absolutely no code in some kernel builds.
764         This means that the compiler might arbitrarily rearrange consecutive
765         RCU read-side critical sections.
766         Given such rearrangement, if a given RCU read-side critical section
767         is done, how can you be sure that all prior RCU read-side critical
768         sections are done?
769         Won't the compiler rearrangements make that impossible to determine?
770 </td></tr>
771 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
772 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
773         In cases where <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>
774         generate absolutely no code, RCU infers quiescent states only at
775         special locations, for example, within the scheduler.
776         Because calls to <tt>schedule()</tt> had better prevent calling-code
777         accesses to shared variables from being rearranged across the call to
778         <tt>schedule()</tt>, if RCU detects the end of a given RCU read-side
779         critical section, it will necessarily detect the end of all prior
780         RCU read-side critical sections, no matter how aggressively the
781         compiler scrambles the code.
782         </font>
783
784         <p><font color="ffffff">
785         Again, this all assumes that the compiler cannot scramble code across
786         calls to the scheduler, out of interrupt handlers, into the idle loop,
787         into user-mode code, and so on.
788         But if your kernel build allows that sort of scrambling, you have broken
789         far more than just RCU!
790 </font></td></tr>
791 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
792 </table>
793
794 <p>
795 Note that these memory-barrier requirements do not replace the fundamental
796 RCU requirement that a grace period wait for all pre-existing readers.
797 On the contrary, the memory barriers called out in this section must operate in
798 such a way as to <i>enforce</i> this fundamental requirement.
799 Of course, different implementations enforce this requirement in different
800 ways, but enforce it they must.
801
802 <h3><a name="RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally">RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally</a></h3>
803
804 <p>
805 The common-case RCU primitives are unconditional.
806 They are invoked, they do their job, and they return, with no possibility
807 of error, and no need to retry.
808 This is a key RCU design philosophy.
809
810 <p>
811 However, this philosophy is pragmatic rather than pigheaded.
812 If someone comes up with a good justification for a particular conditional
813 RCU primitive, it might well be implemented and added.
814 After all, this guarantee was reverse-engineered, not premeditated.
815 The unconditional nature of the RCU primitives was initially an
816 accident of implementation, and later experience with synchronization
817 primitives with conditional primitives caused me to elevate this
818 accident to a guarantee.
819 Therefore, the justification for adding a conditional primitive to
820 RCU would need to be based on detailed and compelling use cases.
821
822 <h3><a name="Guaranteed Read-to-Write Upgrade">Guaranteed Read-to-Write Upgrade</a></h3>
823
824 <p>
825 As far as RCU is concerned, it is always possible to carry out an
826 update within an RCU read-side critical section.
827 For example, that RCU read-side critical section might search for
828 a given data element, and then might acquire the update-side
829 spinlock in order to update that element, all while remaining
830 in that RCU read-side critical section.
831 Of course, it is necessary to exit the RCU read-side critical section
832 before invoking <tt>synchronize_rcu()</tt>, however, this
833 inconvenience can be avoided through use of the
834 <tt>call_rcu()</tt> and <tt>kfree_rcu()</tt> API members
835 described later in this document.
836
837 <table>
838 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
839 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
840 <tr><td>
841         But how does the upgrade-to-write operation exclude other readers?
842 </td></tr>
843 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
844 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
845         It doesn't, just like normal RCU updates, which also do not exclude
846         RCU readers.
847 </font></td></tr>
848 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
849 </table>
850
851 <p>
852 This guarantee allows lookup code to be shared between read-side
853 and update-side code, and was premeditated, appearing in the earliest
854 DYNIX/ptx RCU documentation.
855
856 <h2><a name="Fundamental Non-Requirements">Fundamental Non-Requirements</a></h2>
857
858 <p>
859 RCU provides extremely lightweight readers, and its read-side guarantees,
860 though quite useful, are correspondingly lightweight.
861 It is therefore all too easy to assume that RCU is guaranteeing more
862 than it really is.
863 Of course, the list of things that RCU does not guarantee is infinitely
864 long, however, the following sections list a few non-guarantees that
865 have caused confusion.
866 Except where otherwise noted, these non-guarantees were premeditated.
867
868 <ol>
869 <li>    <a href="#Readers Impose Minimal Ordering">
870         Readers Impose Minimal Ordering</a>
871 <li>    <a href="#Readers Do Not Exclude Updaters">
872         Readers Do Not Exclude Updaters</a>
873 <li>    <a href="#Updaters Only Wait For Old Readers">
874         Updaters Only Wait For Old Readers</a>
875 <li>    <a href="#Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections">
876         Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections</a>
877 <li>    <a href="#Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods">
878         Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods</a>
879 <li>    <a href="#Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods">
880         Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods</a>
881 </ol>
882
883 <h3><a name="Readers Impose Minimal Ordering">Readers Impose Minimal Ordering</a></h3>
884
885 <p>
886 Reader-side markers such as <tt>rcu_read_lock()</tt> and
887 <tt>rcu_read_unlock()</tt> provide absolutely no ordering guarantees
888 except through their interaction with the grace-period APIs such as
889 <tt>synchronize_rcu()</tt>.
890 To see this, consider the following pair of threads:
891
892 <blockquote>
893 <pre>
894  1 void thread0(void)
895  2 {
896  3   rcu_read_lock();
897  4   WRITE_ONCE(x, 1);
898  5   rcu_read_unlock();
899  6   rcu_read_lock();
900  7   WRITE_ONCE(y, 1);
901  8   rcu_read_unlock();
902  9 }
903 10
904 11 void thread1(void)
905 12 {
906 13   rcu_read_lock();
907 14   r1 = READ_ONCE(y);
908 15   rcu_read_unlock();
909 16   rcu_read_lock();
910 17   r2 = READ_ONCE(x);
911 18   rcu_read_unlock();
912 19 }
913 </pre>
914 </blockquote>
915
916 <p>
917 After <tt>thread0()</tt> and <tt>thread1()</tt> execute
918 concurrently, it is quite possible to have
919
920 <blockquote>
921 <pre>
922 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 0)
923 </pre>
924 </blockquote>
925
926 (that is, <tt>y</tt> appears to have been assigned before <tt>x</tt>),
927 which would not be possible if <tt>rcu_read_lock()</tt> and
928 <tt>rcu_read_unlock()</tt> had much in the way of ordering
929 properties.
930 But they do not, so the CPU is within its rights
931 to do significant reordering.
932 This is by design:  Any significant ordering constraints would slow down
933 these fast-path APIs.
934
935 <table>
936 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
937 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
938 <tr><td>
939         Can't the compiler also reorder this code?
940 </td></tr>
941 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
942 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
943         No, the volatile casts in <tt>READ_ONCE()</tt> and
944         <tt>WRITE_ONCE()</tt> prevent the compiler from reordering in
945         this particular case.
946 </font></td></tr>
947 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
948 </table>
949
950 <h3><a name="Readers Do Not Exclude Updaters">Readers Do Not Exclude Updaters</a></h3>
951
952 <p>
953 Neither <tt>rcu_read_lock()</tt> nor <tt>rcu_read_unlock()</tt>
954 exclude updates.
955 All they do is to prevent grace periods from ending.
956 The following example illustrates this:
957
958 <blockquote>
959 <pre>
960  1 void thread0(void)
961  2 {
962  3   rcu_read_lock();
963  4   r1 = READ_ONCE(y);
964  5   if (r1) {
965  6     do_something_with_nonzero_x();
966  7     r2 = READ_ONCE(x);
967  8     WARN_ON(!r2); /* BUG!!! */
968  9   }
969 10   rcu_read_unlock();
970 11 }
971 12
972 13 void thread1(void)
973 14 {
974 15   spin_lock(&amp;my_lock);
975 16   WRITE_ONCE(x, 1);
976 17   WRITE_ONCE(y, 1);
977 18   spin_unlock(&amp;my_lock);
978 19 }
979 </pre>
980 </blockquote>
981
982 <p>
983 If the <tt>thread0()</tt> function's <tt>rcu_read_lock()</tt>
984 excluded the <tt>thread1()</tt> function's update,
985 the <tt>WARN_ON()</tt> could never fire.
986 But the fact is that <tt>rcu_read_lock()</tt> does not exclude
987 much of anything aside from subsequent grace periods, of which
988 <tt>thread1()</tt> has none, so the
989 <tt>WARN_ON()</tt> can and does fire.
990
991 <h3><a name="Updaters Only Wait For Old Readers">Updaters Only Wait For Old Readers</a></h3>
992
993 <p>
994 It might be tempting to assume that after <tt>synchronize_rcu()</tt>
995 completes, there are no readers executing.
996 This temptation must be avoided because
997 new readers can start immediately after <tt>synchronize_rcu()</tt>
998 starts, and <tt>synchronize_rcu()</tt> is under no
999 obligation to wait for these new readers.
1000
1001 <table>
1002 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1003 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1004 <tr><td>
1005         Suppose that synchronize_rcu() did wait until <i>all</i>
1006         readers had completed instead of waiting only on
1007         pre-existing readers.
1008         For how long would the updater be able to rely on there
1009         being no readers?
1010 </td></tr>
1011 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1012 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1013         For no time at all.
1014         Even if <tt>synchronize_rcu()</tt> were to wait until
1015         all readers had completed, a new reader might start immediately after
1016         <tt>synchronize_rcu()</tt> completed.
1017         Therefore, the code following
1018         <tt>synchronize_rcu()</tt> can <i>never</i> rely on there being
1019         no readers.
1020 </font></td></tr>
1021 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1022 </table>
1023
1024 <h3><a name="Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections">
1025 Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections</a></h3>
1026
1027 <p>
1028 It is tempting to assume that if any part of one RCU read-side critical
1029 section precedes a given grace period, and if any part of another RCU
1030 read-side critical section follows that same grace period, then all of
1031 the first RCU read-side critical section must precede all of the second.
1032 However, this just isn't the case: A single grace period does not
1033 partition the set of RCU read-side critical sections.
1034 An example of this situation can be illustrated as follows, where
1035 <tt>x</tt>, <tt>y</tt>, and <tt>z</tt> are initially all zero:
1036
1037 <blockquote>
1038 <pre>
1039  1 void thread0(void)
1040  2 {
1041  3   rcu_read_lock();
1042  4   WRITE_ONCE(a, 1);
1043  5   WRITE_ONCE(b, 1);
1044  6   rcu_read_unlock();
1045  7 }
1046  8
1047  9 void thread1(void)
1048 10 {
1049 11   r1 = READ_ONCE(a);
1050 12   synchronize_rcu();
1051 13   WRITE_ONCE(c, 1);
1052 14 }
1053 15
1054 16 void thread2(void)
1055 17 {
1056 18   rcu_read_lock();
1057 19   r2 = READ_ONCE(b);
1058 20   r3 = READ_ONCE(c);
1059 21   rcu_read_unlock();
1060 22 }
1061 </pre>
1062 </blockquote>
1063
1064 <p>
1065 It turns out that the outcome:
1066
1067 <blockquote>
1068 <pre>
1069 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 0 &amp;&amp; r3 == 1)
1070 </pre>
1071 </blockquote>
1072
1073 is entirely possible.
1074 The following figure show how this can happen, with each circled
1075 <tt>QS</tt> indicating the point at which RCU recorded a
1076 <i>quiescent state</i> for each thread, that is, a state in which
1077 RCU knows that the thread cannot be in the midst of an RCU read-side
1078 critical section that started before the current grace period:
1079
1080 <p><img src="GPpartitionReaders1.svg" alt="GPpartitionReaders1.svg" width="60%"></p>
1081
1082 <p>
1083 If it is necessary to partition RCU read-side critical sections in this
1084 manner, it is necessary to use two grace periods, where the first
1085 grace period is known to end before the second grace period starts:
1086
1087 <blockquote>
1088 <pre>
1089  1 void thread0(void)
1090  2 {
1091  3   rcu_read_lock();
1092  4   WRITE_ONCE(a, 1);
1093  5   WRITE_ONCE(b, 1);
1094  6   rcu_read_unlock();
1095  7 }
1096  8
1097  9 void thread1(void)
1098 10 {
1099 11   r1 = READ_ONCE(a);
1100 12   synchronize_rcu();
1101 13   WRITE_ONCE(c, 1);
1102 14 }
1103 15
1104 16 void thread2(void)
1105 17 {
1106 18   r2 = READ_ONCE(c);
1107 19   synchronize_rcu();
1108 20   WRITE_ONCE(d, 1);
1109 21 }
1110 22
1111 23 void thread3(void)
1112 24 {
1113 25   rcu_read_lock();
1114 26   r3 = READ_ONCE(b);
1115 27   r4 = READ_ONCE(d);
1116 28   rcu_read_unlock();
1117 29 }
1118 </pre>
1119 </blockquote>
1120
1121 <p>
1122 Here, if <tt>(r1 == 1)</tt>, then
1123 <tt>thread0()</tt>'s write to <tt>b</tt> must happen
1124 before the end of <tt>thread1()</tt>'s grace period.
1125 If in addition <tt>(r4 == 1)</tt>, then
1126 <tt>thread3()</tt>'s read from <tt>b</tt> must happen
1127 after the beginning of <tt>thread2()</tt>'s grace period.
1128 If it is also the case that <tt>(r2 == 1)</tt>, then the
1129 end of <tt>thread1()</tt>'s grace period must precede the
1130 beginning of <tt>thread2()</tt>'s grace period.
1131 This mean that the two RCU read-side critical sections cannot overlap,
1132 guaranteeing that <tt>(r3 == 1)</tt>.
1133 As a result, the outcome:
1134
1135 <blockquote>
1136 <pre>
1137 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 1 &amp;&amp; r3 == 0 &amp;&amp; r4 == 1)
1138 </pre>
1139 </blockquote>
1140
1141 cannot happen.
1142
1143 <p>
1144 This non-requirement was also non-premeditated, but became apparent
1145 when studying RCU's interaction with memory ordering.
1146
1147 <h3><a name="Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods">
1148 Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods</a></h3>
1149
1150 <p>
1151 It is also tempting to assume that if an RCU read-side critical section
1152 happens between a pair of grace periods, then those grace periods cannot
1153 overlap.
1154 However, this temptation leads nowhere good, as can be illustrated by
1155 the following, with all variables initially zero:
1156
1157 <blockquote>
1158 <pre>
1159  1 void thread0(void)
1160  2 {
1161  3   rcu_read_lock();
1162  4   WRITE_ONCE(a, 1);
1163  5   WRITE_ONCE(b, 1);
1164  6   rcu_read_unlock();
1165  7 }
1166  8
1167  9 void thread1(void)
1168 10 {
1169 11   r1 = READ_ONCE(a);
1170 12   synchronize_rcu();
1171 13   WRITE_ONCE(c, 1);
1172 14 }
1173 15
1174 16 void thread2(void)
1175 17 {
1176 18   rcu_read_lock();
1177 19   WRITE_ONCE(d, 1);
1178 20   r2 = READ_ONCE(c);
1179 21   rcu_read_unlock();
1180 22 }
1181 23
1182 24 void thread3(void)
1183 25 {
1184 26   r3 = READ_ONCE(d);
1185 27   synchronize_rcu();
1186 28   WRITE_ONCE(e, 1);
1187 29 }
1188 30
1189 31 void thread4(void)
1190 32 {
1191 33   rcu_read_lock();
1192 34   r4 = READ_ONCE(b);
1193 35   r5 = READ_ONCE(e);
1194 36   rcu_read_unlock();
1195 37 }
1196 </pre>
1197 </blockquote>
1198
1199 <p>
1200 In this case, the outcome:
1201
1202 <blockquote>
1203 <pre>
1204 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 1 &amp;&amp; r3 == 1 &amp;&amp; r4 == 0 &amp&amp; r5 == 1)
1205 </pre>
1206 </blockquote>
1207
1208 is entirely possible, as illustrated below:
1209
1210 <p><img src="ReadersPartitionGP1.svg" alt="ReadersPartitionGP1.svg" width="100%"></p>
1211
1212 <p>
1213 Again, an RCU read-side critical section can overlap almost all of a
1214 given grace period, just so long as it does not overlap the entire
1215 grace period.
1216 As a result, an RCU read-side critical section cannot partition a pair
1217 of RCU grace periods.
1218
1219 <table>
1220 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1221 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1222 <tr><td>
1223         How long a sequence of grace periods, each separated by an RCU
1224         read-side critical section, would be required to partition the RCU
1225         read-side critical sections at the beginning and end of the chain?
1226 </td></tr>
1227 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1228 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1229         In theory, an infinite number.
1230         In practice, an unknown number that is sensitive to both implementation
1231         details and timing considerations.
1232         Therefore, even in practice, RCU users must abide by the
1233         theoretical rather than the practical answer.
1234 </font></td></tr>
1235 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1236 </table>
1237
1238 <h3><a name="Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods">
1239 Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods</a></h3>
1240
1241 <p>
1242 There was a time when disabling preemption on any given CPU would block
1243 subsequent grace periods.
1244 However, this was an accident of implementation and is not a requirement.
1245 And in the current Linux-kernel implementation, disabling preemption
1246 on a given CPU in fact does not block grace periods, as Oleg Nesterov
1247 <a href="https://lkml.kernel.org/g/20150614193825.GA19582@redhat.com">demonstrated</a>.
1248
1249 <p>
1250 If you need a preempt-disable region to block grace periods, you need to add
1251 <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>, for example
1252 as follows:
1253
1254 <blockquote>
1255 <pre>
1256  1 preempt_disable();
1257  2 rcu_read_lock();
1258  3 do_something();
1259  4 rcu_read_unlock();
1260  5 preempt_enable();
1261  6
1262  7 /* Spinlocks implicitly disable preemption. */
1263  8 spin_lock(&amp;mylock);
1264  9 rcu_read_lock();
1265 10 do_something();
1266 11 rcu_read_unlock();
1267 12 spin_unlock(&amp;mylock);
1268 </pre>
1269 </blockquote>
1270
1271 <p>
1272 In theory, you could enter the RCU read-side critical section first,
1273 but it is more efficient to keep the entire RCU read-side critical
1274 section contained in the preempt-disable region as shown above.
1275 Of course, RCU read-side critical sections that extend outside of
1276 preempt-disable regions will work correctly, but such critical sections
1277 can be preempted, which forces <tt>rcu_read_unlock()</tt> to do
1278 more work.
1279 And no, this is <i>not</i> an invitation to enclose all of your RCU
1280 read-side critical sections within preempt-disable regions, because
1281 doing so would degrade real-time response.
1282
1283 <p>
1284 This non-requirement appeared with preemptible RCU.
1285 If you need a grace period that waits on non-preemptible code regions, use
1286 <a href="#Sched Flavor">RCU-sched</a>.
1287
1288 <h2><a name="Parallelism Facts of Life">Parallelism Facts of Life</a></h2>
1289
1290 <p>
1291 These parallelism facts of life are by no means specific to RCU, but
1292 the RCU implementation must abide by them.
1293 They therefore bear repeating:
1294
1295 <ol>
1296 <li>    Any CPU or task may be delayed at any time,
1297         and any attempts to avoid these delays by disabling
1298         preemption, interrupts, or whatever are completely futile.
1299         This is most obvious in preemptible user-level
1300         environments and in virtualized environments (where
1301         a given guest OS's VCPUs can be preempted at any time by
1302         the underlying hypervisor), but can also happen in bare-metal
1303         environments due to ECC errors, NMIs, and other hardware
1304         events.
1305         Although a delay of more than about 20 seconds can result
1306         in splats, the RCU implementation is obligated to use
1307         algorithms that can tolerate extremely long delays, but where
1308         &ldquo;extremely long&rdquo; is not long enough to allow
1309         wrap-around when incrementing a 64-bit counter.
1310 <li>    Both the compiler and the CPU can reorder memory accesses.
1311         Where it matters, RCU must use compiler directives and
1312         memory-barrier instructions to preserve ordering.
1313 <li>    Conflicting writes to memory locations in any given cache line
1314         will result in expensive cache misses.
1315         Greater numbers of concurrent writes and more-frequent
1316         concurrent writes will result in more dramatic slowdowns.
1317         RCU is therefore obligated to use algorithms that have
1318         sufficient locality to avoid significant performance and
1319         scalability problems.
1320 <li>    As a rough rule of thumb, only one CPU's worth of processing
1321         may be carried out under the protection of any given exclusive
1322         lock.
1323         RCU must therefore use scalable locking designs.
1324 <li>    Counters are finite, especially on 32-bit systems.
1325         RCU's use of counters must therefore tolerate counter wrap,
1326         or be designed such that counter wrap would take way more
1327         time than a single system is likely to run.
1328         An uptime of ten years is quite possible, a runtime
1329         of a century much less so.
1330         As an example of the latter, RCU's dyntick-idle nesting counter
1331         allows 54 bits for interrupt nesting level (this counter
1332         is 64 bits even on a 32-bit system).
1333         Overflowing this counter requires 2<sup>54</sup>
1334         half-interrupts on a given CPU without that CPU ever going idle.
1335         If a half-interrupt happened every microsecond, it would take
1336         570 years of runtime to overflow this counter, which is currently
1337         believed to be an acceptably long time.
1338 <li>    Linux systems can have thousands of CPUs running a single
1339         Linux kernel in a single shared-memory environment.
1340         RCU must therefore pay close attention to high-end scalability.
1341 </ol>
1342
1343 <p>
1344 This last parallelism fact of life means that RCU must pay special
1345 attention to the preceding facts of life.
1346 The idea that Linux might scale to systems with thousands of CPUs would
1347 have been met with some skepticism in the 1990s, but these requirements
1348 would have otherwise have been unsurprising, even in the early 1990s.
1349
1350 <h2><a name="Quality-of-Implementation Requirements">Quality-of-Implementation Requirements</a></h2>
1351
1352 <p>
1353 These sections list quality-of-implementation requirements.
1354 Although an RCU implementation that ignores these requirements could
1355 still be used, it would likely be subject to limitations that would
1356 make it inappropriate for industrial-strength production use.
1357 Classes of quality-of-implementation requirements are as follows:
1358
1359 <ol>
1360 <li>    <a href="#Specialization">Specialization</a>
1361 <li>    <a href="#Performance and Scalability">Performance and Scalability</a>
1362 <li>    <a href="#Composability">Composability</a>
1363 <li>    <a href="#Corner Cases">Corner Cases</a>
1364 </ol>
1365
1366 <p>
1367 These classes is covered in the following sections.
1368
1369 <h3><a name="Specialization">Specialization</a></h3>
1370
1371 <p>
1372 RCU is and always has been intended primarily for read-mostly situations,
1373 which means that RCU's read-side primitives are optimized, often at the
1374 expense of its update-side primitives.
1375 Experience thus far is captured by the following list of situations:
1376
1377 <ol>
1378 <li>    Read-mostly data, where stale and inconsistent data is not
1379         a problem:   RCU works great!
1380 <li>    Read-mostly data, where data must be consistent:
1381         RCU works well.
1382 <li>    Read-write data, where data must be consistent:
1383         RCU <i>might</i> work OK.
1384         Or not.
1385 <li>    Write-mostly data, where data must be consistent:
1386         RCU is very unlikely to be the right tool for the job,
1387         with the following exceptions, where RCU can provide:
1388         <ol type=a>
1389         <li>    Existence guarantees for update-friendly mechanisms.
1390         <li>    Wait-free read-side primitives for real-time use.
1391         </ol>
1392 </ol>
1393
1394 <p>
1395 This focus on read-mostly situations means that RCU must interoperate
1396 with other synchronization primitives.
1397 For example, the <tt>add_gp()</tt> and <tt>remove_gp_synchronous()</tt>
1398 examples discussed earlier use RCU to protect readers and locking to
1399 coordinate updaters.
1400 However, the need extends much farther, requiring that a variety of
1401 synchronization primitives be legal within RCU read-side critical sections,
1402 including spinlocks, sequence locks, atomic operations, reference
1403 counters, and memory barriers.
1404
1405 <table>
1406 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1407 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1408 <tr><td>
1409         What about sleeping locks?
1410 </td></tr>
1411 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1412 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1413         These are forbidden within Linux-kernel RCU read-side critical
1414         sections because it is not legal to place a quiescent state
1415         (in this case, voluntary context switch) within an RCU read-side
1416         critical section.
1417         However, sleeping locks may be used within userspace RCU read-side
1418         critical sections, and also within Linux-kernel sleepable RCU
1419         <a href="#Sleepable RCU"><font color="ffffff">(SRCU)</font></a>
1420         read-side critical sections.
1421         In addition, the -rt patchset turns spinlocks into a
1422         sleeping locks so that the corresponding critical sections
1423         can be preempted, which also means that these sleeplockified
1424         spinlocks (but not other sleeping locks!)  may be acquire within
1425         -rt-Linux-kernel RCU read-side critical sections.
1426         </font>
1427
1428         <p><font color="ffffff">
1429         Note that it <i>is</i> legal for a normal RCU read-side
1430         critical section to conditionally acquire a sleeping locks
1431         (as in <tt>mutex_trylock()</tt>), but only as long as it does
1432         not loop indefinitely attempting to conditionally acquire that
1433         sleeping locks.
1434         The key point is that things like <tt>mutex_trylock()</tt>
1435         either return with the mutex held, or return an error indication if
1436         the mutex was not immediately available.
1437         Either way, <tt>mutex_trylock()</tt> returns immediately without
1438         sleeping.
1439 </font></td></tr>
1440 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1441 </table>
1442
1443 <p>
1444 It often comes as a surprise that many algorithms do not require a
1445 consistent view of data, but many can function in that mode,
1446 with network routing being the poster child.
1447 Internet routing algorithms take significant time to propagate
1448 updates, so that by the time an update arrives at a given system,
1449 that system has been sending network traffic the wrong way for
1450 a considerable length of time.
1451 Having a few threads continue to send traffic the wrong way for a
1452 few more milliseconds is clearly not a problem:  In the worst case,
1453 TCP retransmissions will eventually get the data where it needs to go.
1454 In general, when tracking the state of the universe outside of the
1455 computer, some level of inconsistency must be tolerated due to
1456 speed-of-light delays if nothing else.
1457
1458 <p>
1459 Furthermore, uncertainty about external state is inherent in many cases.
1460 For example, a pair of veternarians might use heartbeat to determine
1461 whether or not a given cat was alive.
1462 But how long should they wait after the last heartbeat to decide that
1463 the cat is in fact dead?
1464 Waiting less than 400 milliseconds makes no sense because this would
1465 mean that a relaxed cat would be considered to cycle between death
1466 and life more than 100 times per minute.
1467 Moreover, just as with human beings, a cat's heart might stop for
1468 some period of time, so the exact wait period is a judgment call.
1469 One of our pair of veternarians might wait 30 seconds before pronouncing
1470 the cat dead, while the other might insist on waiting a full minute.
1471 The two veternarians would then disagree on the state of the cat during
1472 the final 30 seconds of the minute following the last heartbeat.
1473
1474 <p>
1475 Interestingly enough, this same situation applies to hardware.
1476 When push comes to shove, how do we tell whether or not some
1477 external server has failed?
1478 We send messages to it periodically, and declare it failed if we
1479 don't receive a response within a given period of time.
1480 Policy decisions can usually tolerate short
1481 periods of inconsistency.
1482 The policy was decided some time ago, and is only now being put into
1483 effect, so a few milliseconds of delay is normally inconsequential.
1484
1485 <p>
1486 However, there are algorithms that absolutely must see consistent data.
1487 For example, the translation between a user-level SystemV semaphore
1488 ID to the corresponding in-kernel data structure is protected by RCU,
1489 but it is absolutely forbidden to update a semaphore that has just been
1490 removed.
1491 In the Linux kernel, this need for consistency is accommodated by acquiring
1492 spinlocks located in the in-kernel data structure from within
1493 the RCU read-side critical section, and this is indicated by the
1494 green box in the figure above.
1495 Many other techniques may be used, and are in fact used within the
1496 Linux kernel.
1497
1498 <p>
1499 In short, RCU is not required to maintain consistency, and other
1500 mechanisms may be used in concert with RCU when consistency is required.
1501 RCU's specialization allows it to do its job extremely well, and its
1502 ability to interoperate with other synchronization mechanisms allows
1503 the right mix of synchronization tools to be used for a given job.
1504
1505 <h3><a name="Performance and Scalability">Performance and Scalability</a></h3>
1506
1507 <p>
1508 Energy efficiency is a critical component of performance today,
1509 and Linux-kernel RCU implementations must therefore avoid unnecessarily
1510 awakening idle CPUs.
1511 I cannot claim that this requirement was premeditated.
1512 In fact, I learned of it during a telephone conversation in which I
1513 was given &ldquo;frank and open&rdquo; feedback on the importance
1514 of energy efficiency in battery-powered systems and on specific
1515 energy-efficiency shortcomings of the Linux-kernel RCU implementation.
1516 In my experience, the battery-powered embedded community will consider
1517 any unnecessary wakeups to be extremely unfriendly acts.
1518 So much so that mere Linux-kernel-mailing-list posts are
1519 insufficient to vent their ire.
1520
1521 <p>
1522 Memory consumption is not particularly important for in most
1523 situations, and has become decreasingly
1524 so as memory sizes have expanded and memory
1525 costs have plummeted.
1526 However, as I learned from Matt Mackall's
1527 <a href="http://elinux.org/Linux_Tiny-FAQ">bloatwatch</a>
1528 efforts, memory footprint is critically important on single-CPU systems with
1529 non-preemptible (<tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>) kernels, and thus
1530 <a href="https://lkml.kernel.org/g/20090113221724.GA15307@linux.vnet.ibm.com">tiny RCU</a>
1531 was born.
1532 Josh Triplett has since taken over the small-memory banner with his
1533 <a href="https://tiny.wiki.kernel.org/">Linux kernel tinification</a>
1534 project, which resulted in
1535 <a href="#Sleepable RCU">SRCU</a>
1536 becoming optional for those kernels not needing it.
1537
1538 <p>
1539 The remaining performance requirements are, for the most part,
1540 unsurprising.
1541 For example, in keeping with RCU's read-side specialization,
1542 <tt>rcu_dereference()</tt> should have negligible overhead (for
1543 example, suppression of a few minor compiler optimizations).
1544 Similarly, in non-preemptible environments, <tt>rcu_read_lock()</tt> and
1545 <tt>rcu_read_unlock()</tt> should have exactly zero overhead.
1546
1547 <p>
1548 In preemptible environments, in the case where the RCU read-side
1549 critical section was not preempted (as will be the case for the
1550 highest-priority real-time process), <tt>rcu_read_lock()</tt> and
1551 <tt>rcu_read_unlock()</tt> should have minimal overhead.
1552 In particular, they should not contain atomic read-modify-write
1553 operations, memory-barrier instructions, preemption disabling,
1554 interrupt disabling, or backwards branches.
1555 However, in the case where the RCU read-side critical section was preempted,
1556 <tt>rcu_read_unlock()</tt> may acquire spinlocks and disable interrupts.
1557 This is why it is better to nest an RCU read-side critical section
1558 within a preempt-disable region than vice versa, at least in cases
1559 where that critical section is short enough to avoid unduly degrading
1560 real-time latencies.
1561
1562 <p>
1563 The <tt>synchronize_rcu()</tt> grace-period-wait primitive is
1564 optimized for throughput.
1565 It may therefore incur several milliseconds of latency in addition to
1566 the duration of the longest RCU read-side critical section.
1567 On the other hand, multiple concurrent invocations of
1568 <tt>synchronize_rcu()</tt> are required to use batching optimizations
1569 so that they can be satisfied by a single underlying grace-period-wait
1570 operation.
1571 For example, in the Linux kernel, it is not unusual for a single
1572 grace-period-wait operation to serve more than
1573 <a href="https://www.usenix.org/conference/2004-usenix-annual-technical-conference/making-rcu-safe-deep-sub-millisecond-response">1,000 separate invocations</a>
1574 of <tt>synchronize_rcu()</tt>, thus amortizing the per-invocation
1575 overhead down to nearly zero.
1576 However, the grace-period optimization is also required to avoid
1577 measurable degradation of real-time scheduling and interrupt latencies.
1578
1579 <p>
1580 In some cases, the multi-millisecond <tt>synchronize_rcu()</tt>
1581 latencies are unacceptable.
1582 In these cases, <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> may be used
1583 instead, reducing the grace-period latency down to a few tens of
1584 microseconds on small systems, at least in cases where the RCU read-side
1585 critical sections are short.
1586 There are currently no special latency requirements for
1587 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> on large systems, but,
1588 consistent with the empirical nature of the RCU specification,
1589 that is subject to change.
1590 However, there most definitely are scalability requirements:
1591 A storm of <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> invocations on 4096
1592 CPUs should at least make reasonable forward progress.
1593 In return for its shorter latencies, <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>
1594 is permitted to impose modest degradation of real-time latency
1595 on non-idle online CPUs.
1596 That said, it will likely be necessary to take further steps to reduce this
1597 degradation, hopefully to roughly that of a scheduling-clock interrupt.
1598
1599 <p>
1600 There are a number of situations where even
1601 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>'s reduced grace-period
1602 latency is unacceptable.
1603 In these situations, the asynchronous <tt>call_rcu()</tt> can be
1604 used in place of <tt>synchronize_rcu()</tt> as follows:
1605
1606 <blockquote>
1607 <pre>
1608  1 struct foo {
1609  2   int a;
1610  3   int b;
1611  4   struct rcu_head rh;
1612  5 };
1613  6
1614  7 static void remove_gp_cb(struct rcu_head *rhp)
1615  8 {
1616  9   struct foo *p = container_of(rhp, struct foo, rh);
1617 10
1618 11   kfree(p);
1619 12 }
1620 13
1621 14 bool remove_gp_asynchronous(void)
1622 15 {
1623 16   struct foo *p;
1624 17
1625 18   spin_lock(&amp;gp_lock);
1626 19   p = rcu_dereference(gp);
1627 20   if (!p) {
1628 21     spin_unlock(&amp;gp_lock);
1629 22     return false;
1630 23   }
1631 24   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1632 25   call_rcu(&amp;p-&gt;rh, remove_gp_cb);
1633 26   spin_unlock(&amp;gp_lock);
1634 27   return true;
1635 28 }
1636 </pre>
1637 </blockquote>
1638
1639 <p>
1640 A definition of <tt>struct foo</tt> is finally needed, and appears
1641 on lines&nbsp;1-5.
1642 The function <tt>remove_gp_cb()</tt> is passed to <tt>call_rcu()</tt>
1643 on line&nbsp;25, and will be invoked after the end of a subsequent
1644 grace period.
1645 This gets the same effect as <tt>remove_gp_synchronous()</tt>,
1646 but without forcing the updater to wait for a grace period to elapse.
1647 The <tt>call_rcu()</tt> function may be used in a number of
1648 situations where neither <tt>synchronize_rcu()</tt> nor
1649 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> would be legal,
1650 including within preempt-disable code, <tt>local_bh_disable()</tt> code,
1651 interrupt-disable code, and interrupt handlers.
1652 However, even <tt>call_rcu()</tt> is illegal within NMI handlers
1653 and from idle and offline CPUs.
1654 The callback function (<tt>remove_gp_cb()</tt> in this case) will be
1655 executed within softirq (software interrupt) environment within the
1656 Linux kernel,
1657 either within a real softirq handler or under the protection
1658 of <tt>local_bh_disable()</tt>.
1659 In both the Linux kernel and in userspace, it is bad practice to
1660 write an RCU callback function that takes too long.
1661 Long-running operations should be relegated to separate threads or
1662 (in the Linux kernel) workqueues.
1663
1664 <table>
1665 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1666 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1667 <tr><td>
1668         Why does line&nbsp;19 use <tt>rcu_access_pointer()</tt>?
1669         After all, <tt>call_rcu()</tt> on line&nbsp;25 stores into the
1670         structure, which would interact badly with concurrent insertions.
1671         Doesn't this mean that <tt>rcu_dereference()</tt> is required?
1672 </td></tr>
1673 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1674 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1675         Presumably the <tt>-&gt;gp_lock</tt> acquired on line&nbsp;18 excludes
1676         any changes, including any insertions that <tt>rcu_dereference()</tt>
1677         would protect against.
1678         Therefore, any insertions will be delayed until after
1679         <tt>-&gt;gp_lock</tt>
1680         is released on line&nbsp;25, which in turn means that
1681         <tt>rcu_access_pointer()</tt> suffices.
1682 </font></td></tr>
1683 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1684 </table>
1685
1686 <p>
1687 However, all that <tt>remove_gp_cb()</tt> is doing is
1688 invoking <tt>kfree()</tt> on the data element.
1689 This is a common idiom, and is supported by <tt>kfree_rcu()</tt>,
1690 which allows &ldquo;fire and forget&rdquo; operation as shown below:
1691
1692 <blockquote>
1693 <pre>
1694  1 struct foo {
1695  2   int a;
1696  3   int b;
1697  4   struct rcu_head rh;
1698  5 };
1699  6
1700  7 bool remove_gp_faf(void)
1701  8 {
1702  9   struct foo *p;
1703 10
1704 11   spin_lock(&amp;gp_lock);
1705 12   p = rcu_dereference(gp);
1706 13   if (!p) {
1707 14     spin_unlock(&amp;gp_lock);
1708 15     return false;
1709 16   }
1710 17   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1711 18   kfree_rcu(p, rh);
1712 19   spin_unlock(&amp;gp_lock);
1713 20   return true;
1714 21 }
1715 </pre>
1716 </blockquote>
1717
1718 <p>
1719 Note that <tt>remove_gp_faf()</tt> simply invokes
1720 <tt>kfree_rcu()</tt> and proceeds, without any need to pay any
1721 further attention to the subsequent grace period and <tt>kfree()</tt>.
1722 It is permissible to invoke <tt>kfree_rcu()</tt> from the same
1723 environments as for <tt>call_rcu()</tt>.
1724 Interestingly enough, DYNIX/ptx had the equivalents of
1725 <tt>call_rcu()</tt> and <tt>kfree_rcu()</tt>, but not
1726 <tt>synchronize_rcu()</tt>.
1727 This was due to the fact that RCU was not heavily used within DYNIX/ptx,
1728 so the very few places that needed something like
1729 <tt>synchronize_rcu()</tt> simply open-coded it.
1730
1731 <table>
1732 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1733 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1734 <tr><td>
1735         Earlier it was claimed that <tt>call_rcu()</tt> and
1736         <tt>kfree_rcu()</tt> allowed updaters to avoid being blocked
1737         by readers.
1738         But how can that be correct, given that the invocation of the callback
1739         and the freeing of the memory (respectively) must still wait for
1740         a grace period to elapse?
1741 </td></tr>
1742 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1743 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1744         We could define things this way, but keep in mind that this sort of
1745         definition would say that updates in garbage-collected languages
1746         cannot complete until the next time the garbage collector runs,
1747         which does not seem at all reasonable.
1748         The key point is that in most cases, an updater using either
1749         <tt>call_rcu()</tt> or <tt>kfree_rcu()</tt> can proceed to the
1750         next update as soon as it has invoked <tt>call_rcu()</tt> or
1751         <tt>kfree_rcu()</tt>, without having to wait for a subsequent
1752         grace period.
1753 </font></td></tr>
1754 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1755 </table>
1756
1757 <p>
1758 But what if the updater must wait for the completion of code to be
1759 executed after the end of the grace period, but has other tasks
1760 that can be carried out in the meantime?
1761 The polling-style <tt>get_state_synchronize_rcu()</tt> and
1762 <tt>cond_synchronize_rcu()</tt> functions may be used for this
1763 purpose, as shown below:
1764
1765 <blockquote>
1766 <pre>
1767  1 bool remove_gp_poll(void)
1768  2 {
1769  3   struct foo *p;
1770  4   unsigned long s;
1771  5
1772  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
1773  7   p = rcu_access_pointer(gp);
1774  8   if (!p) {
1775  9     spin_unlock(&amp;gp_lock);
1776 10     return false;
1777 11   }
1778 12   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1779 13   spin_unlock(&amp;gp_lock);
1780 14   s = get_state_synchronize_rcu();
1781 15   do_something_while_waiting();
1782 16   cond_synchronize_rcu(s);
1783 17   kfree(p);
1784 18   return true;
1785 19 }
1786 </pre>
1787 </blockquote>
1788
1789 <p>
1790 On line&nbsp;14, <tt>get_state_synchronize_rcu()</tt> obtains a
1791 &ldquo;cookie&rdquo; from RCU,
1792 then line&nbsp;15 carries out other tasks,
1793 and finally, line&nbsp;16 returns immediately if a grace period has
1794 elapsed in the meantime, but otherwise waits as required.
1795 The need for <tt>get_state_synchronize_rcu</tt> and
1796 <tt>cond_synchronize_rcu()</tt> has appeared quite recently,
1797 so it is too early to tell whether they will stand the test of time.
1798
1799 <p>
1800 RCU thus provides a range of tools to allow updaters to strike the
1801 required tradeoff between latency, flexibility and CPU overhead.
1802
1803 <h3><a name="Composability">Composability</a></h3>
1804
1805 <p>
1806 Composability has received much attention in recent years, perhaps in part
1807 due to the collision of multicore hardware with object-oriented techniques
1808 designed in single-threaded environments for single-threaded use.
1809 And in theory, RCU read-side critical sections may be composed, and in
1810 fact may be nested arbitrarily deeply.
1811 In practice, as with all real-world implementations of composable
1812 constructs, there are limitations.
1813
1814 <p>
1815 Implementations of RCU for which <tt>rcu_read_lock()</tt>
1816 and <tt>rcu_read_unlock()</tt> generate no code, such as
1817 Linux-kernel RCU when <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>, can be
1818 nested arbitrarily deeply.
1819 After all, there is no overhead.
1820 Except that if all these instances of <tt>rcu_read_lock()</tt>
1821 and <tt>rcu_read_unlock()</tt> are visible to the compiler,
1822 compilation will eventually fail due to exhausting memory,
1823 mass storage, or user patience, whichever comes first.
1824 If the nesting is not visible to the compiler, as is the case with
1825 mutually recursive functions each in its own translation unit,
1826 stack overflow will result.
1827 If the nesting takes the form of loops, either the control variable
1828 will overflow or (in the Linux kernel) you will get an RCU CPU stall warning.
1829 Nevertheless, this class of RCU implementations is one
1830 of the most composable constructs in existence.
1831
1832 <p>
1833 RCU implementations that explicitly track nesting depth
1834 are limited by the nesting-depth counter.
1835 For example, the Linux kernel's preemptible RCU limits nesting to
1836 <tt>INT_MAX</tt>.
1837 This should suffice for almost all practical purposes.
1838 That said, a consecutive pair of RCU read-side critical sections
1839 between which there is an operation that waits for a grace period
1840 cannot be enclosed in another RCU read-side critical section.
1841 This is because it is not legal to wait for a grace period within
1842 an RCU read-side critical section:  To do so would result either
1843 in deadlock or
1844 in RCU implicitly splitting the enclosing RCU read-side critical
1845 section, neither of which is conducive to a long-lived and prosperous
1846 kernel.
1847
1848 <p>
1849 It is worth noting that RCU is not alone in limiting composability.
1850 For example, many transactional-memory implementations prohibit
1851 composing a pair of transactions separated by an irrevocable
1852 operation (for example, a network receive operation).
1853 For another example, lock-based critical sections can be composed
1854 surprisingly freely, but only if deadlock is avoided.
1855
1856 <p>
1857 In short, although RCU read-side critical sections are highly composable,
1858 care is required in some situations, just as is the case for any other
1859 composable synchronization mechanism.
1860
1861 <h3><a name="Corner Cases">Corner Cases</a></h3>
1862
1863 <p>
1864 A given RCU workload might have an endless and intense stream of
1865 RCU read-side critical sections, perhaps even so intense that there
1866 was never a point in time during which there was not at least one
1867 RCU read-side critical section in flight.
1868 RCU cannot allow this situation to block grace periods:  As long as
1869 all the RCU read-side critical sections are finite, grace periods
1870 must also be finite.
1871
1872 <p>
1873 That said, preemptible RCU implementations could potentially result
1874 in RCU read-side critical sections being preempted for long durations,
1875 which has the effect of creating a long-duration RCU read-side
1876 critical section.
1877 This situation can arise only in heavily loaded systems, but systems using
1878 real-time priorities are of course more vulnerable.
1879 Therefore, RCU priority boosting is provided to help deal with this
1880 case.
1881 That said, the exact requirements on RCU priority boosting will likely
1882 evolve as more experience accumulates.
1883
1884 <p>
1885 Other workloads might have very high update rates.
1886 Although one can argue that such workloads should instead use
1887 something other than RCU, the fact remains that RCU must
1888 handle such workloads gracefully.
1889 This requirement is another factor driving batching of grace periods,
1890 but it is also the driving force behind the checks for large numbers
1891 of queued RCU callbacks in the <tt>call_rcu()</tt> code path.
1892 Finally, high update rates should not delay RCU read-side critical
1893 sections, although some read-side delays can occur when using
1894 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>, courtesy of this function's use
1895 of <tt>try_stop_cpus()</tt>.
1896 (In the future, <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> will be
1897 converted to use lighter-weight inter-processor interrupts (IPIs),
1898 but this will still disturb readers, though to a much smaller degree.)
1899
1900 <p>
1901 Although all three of these corner cases were understood in the early
1902 1990s, a simple user-level test consisting of <tt>close(open(path))</tt>
1903 in a tight loop
1904 in the early 2000s suddenly provided a much deeper appreciation of the
1905 high-update-rate corner case.
1906 This test also motivated addition of some RCU code to react to high update
1907 rates, for example, if a given CPU finds itself with more than 10,000
1908 RCU callbacks queued, it will cause RCU to take evasive action by
1909 more aggressively starting grace periods and more aggressively forcing
1910 completion of grace-period processing.
1911 This evasive action causes the grace period to complete more quickly,
1912 but at the cost of restricting RCU's batching optimizations, thus
1913 increasing the CPU overhead incurred by that grace period.
1914
1915 <h2><a name="Software-Engineering Requirements">
1916 Software-Engineering Requirements</a></h2>
1917
1918 <p>
1919 Between Murphy's Law and &ldquo;To err is human&rdquo;, it is necessary to
1920 guard against mishaps and misuse:
1921
1922 <ol>
1923 <li>    It is all too easy to forget to use <tt>rcu_read_lock()</tt>
1924         everywhere that it is needed, so kernels built with
1925         <tt>CONFIG_PROVE_RCU=y</tt> will spat if
1926         <tt>rcu_dereference()</tt> is used outside of an
1927         RCU read-side critical section.
1928         Update-side code can use <tt>rcu_dereference_protected()</tt>,
1929         which takes a
1930         <a href="https://lwn.net/Articles/371986/">lockdep expression</a>
1931         to indicate what is providing the protection.
1932         If the indicated protection is not provided, a lockdep splat
1933         is emitted.
1934
1935         <p>
1936         Code shared between readers and updaters can use
1937         <tt>rcu_dereference_check()</tt>, which also takes a
1938         lockdep expression, and emits a lockdep splat if neither
1939         <tt>rcu_read_lock()</tt> nor the indicated protection
1940         is in place.
1941         In addition, <tt>rcu_dereference_raw()</tt> is used in those
1942         (hopefully rare) cases where the required protection cannot
1943         be easily described.
1944         Finally, <tt>rcu_read_lock_held()</tt> is provided to
1945         allow a function to verify that it has been invoked within
1946         an RCU read-side critical section.
1947         I was made aware of this set of requirements shortly after Thomas
1948         Gleixner audited a number of RCU uses.
1949 <li>    A given function might wish to check for RCU-related preconditions
1950         upon entry, before using any other RCU API.
1951         The <tt>rcu_lockdep_assert()</tt> does this job,
1952         asserting the expression in kernels having lockdep enabled
1953         and doing nothing otherwise.
1954 <li>    It is also easy to forget to use <tt>rcu_assign_pointer()</tt>
1955         and <tt>rcu_dereference()</tt>, perhaps (incorrectly)
1956         substituting a simple assignment.
1957         To catch this sort of error, a given RCU-protected pointer may be
1958         tagged with <tt>__rcu</tt>, after which running sparse
1959         with <tt>CONFIG_SPARSE_RCU_POINTER=y</tt> will complain
1960         about simple-assignment accesses to that pointer.
1961         Arnd Bergmann made me aware of this requirement, and also
1962         supplied the needed
1963         <a href="https://lwn.net/Articles/376011/">patch series</a>.
1964 <li>    Kernels built with <tt>CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD=y</tt>
1965         will splat if a data element is passed to <tt>call_rcu()</tt>
1966         twice in a row, without a grace period in between.
1967         (This error is similar to a double free.)
1968         The corresponding <tt>rcu_head</tt> structures that are
1969         dynamically allocated are automatically tracked, but
1970         <tt>rcu_head</tt> structures allocated on the stack
1971         must be initialized with <tt>init_rcu_head_on_stack()</tt>
1972         and cleaned up with <tt>destroy_rcu_head_on_stack()</tt>.
1973         Similarly, statically allocated non-stack <tt>rcu_head</tt>
1974         structures must be initialized with <tt>init_rcu_head()</tt>
1975         and cleaned up with <tt>destroy_rcu_head()</tt>.
1976         Mathieu Desnoyers made me aware of this requirement, and also
1977         supplied the needed
1978         <a href="https://lkml.kernel.org/g/20100319013024.GA28456@Krystal">patch</a>.
1979 <li>    An infinite loop in an RCU read-side critical section will
1980         eventually trigger an RCU CPU stall warning splat, with
1981         the duration of &ldquo;eventually&rdquo; being controlled by the
1982         <tt>RCU_CPU_STALL_TIMEOUT</tt> <tt>Kconfig</tt> option, or,
1983         alternatively, by the
1984         <tt>rcupdate.rcu_cpu_stall_timeout</tt> boot/sysfs
1985         parameter.
1986         However, RCU is not obligated to produce this splat
1987         unless there is a grace period waiting on that particular
1988         RCU read-side critical section.
1989         <p>
1990         Some extreme workloads might intentionally delay
1991         RCU grace periods, and systems running those workloads can
1992         be booted with <tt>rcupdate.rcu_cpu_stall_suppress</tt>
1993         to suppress the splats.
1994         This kernel parameter may also be set via <tt>sysfs</tt>.
1995         Furthermore, RCU CPU stall warnings are counter-productive
1996         during sysrq dumps and during panics.
1997         RCU therefore supplies the <tt>rcu_sysrq_start()</tt> and
1998         <tt>rcu_sysrq_end()</tt> API members to be called before
1999         and after long sysrq dumps.
2000         RCU also supplies the <tt>rcu_panic()</tt> notifier that is
2001         automatically invoked at the beginning of a panic to suppress
2002         further RCU CPU stall warnings.
2003
2004         <p>
2005         This requirement made itself known in the early 1990s, pretty
2006         much the first time that it was necessary to debug a CPU stall.
2007         That said, the initial implementation in DYNIX/ptx was quite
2008         generic in comparison with that of Linux.
2009 <li>    Although it would be very good to detect pointers leaking out
2010         of RCU read-side critical sections, there is currently no
2011         good way of doing this.
2012         One complication is the need to distinguish between pointers
2013         leaking and pointers that have been handed off from RCU to
2014         some other synchronization mechanism, for example, reference
2015         counting.
2016 <li>    In kernels built with <tt>CONFIG_RCU_TRACE=y</tt>, RCU-related
2017         information is provided via both debugfs and event tracing.
2018 <li>    Open-coded use of <tt>rcu_assign_pointer()</tt> and
2019         <tt>rcu_dereference()</tt> to create typical linked
2020         data structures can be surprisingly error-prone.
2021         Therefore, RCU-protected
2022         <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU List APIs">linked lists</a>
2023         and, more recently, RCU-protected
2024         <a href="https://lwn.net/Articles/612100/">hash tables</a>
2025         are available.
2026         Many other special-purpose RCU-protected data structures are
2027         available in the Linux kernel and the userspace RCU library.
2028 <li>    Some linked structures are created at compile time, but still
2029         require <tt>__rcu</tt> checking.
2030         The <tt>RCU_POINTER_INITIALIZER()</tt> macro serves this
2031         purpose.
2032 <li>    It is not necessary to use <tt>rcu_assign_pointer()</tt>
2033         when creating linked structures that are to be published via
2034         a single external pointer.
2035         The <tt>RCU_INIT_POINTER()</tt> macro is provided for
2036         this task and also for assigning <tt>NULL</tt> pointers
2037         at runtime.
2038 </ol>
2039
2040 <p>
2041 This not a hard-and-fast list:  RCU's diagnostic capabilities will
2042 continue to be guided by the number and type of usage bugs found
2043 in real-world RCU usage.
2044
2045 <h2><a name="Linux Kernel Complications">Linux Kernel Complications</a></h2>
2046
2047 <p>
2048 The Linux kernel provides an interesting environment for all kinds of
2049 software, including RCU.
2050 Some of the relevant points of interest are as follows:
2051
2052 <ol>
2053 <li>    <a href="#Configuration">Configuration</a>.
2054 <li>    <a href="#Firmware Interface">Firmware Interface</a>.
2055 <li>    <a href="#Early Boot">Early Boot</a>.
2056 <li>    <a href="#Interrupts and NMIs">
2057         Interrupts and non-maskable interrupts (NMIs)</a>.
2058 <li>    <a href="#Loadable Modules">Loadable Modules</a>.
2059 <li>    <a href="#Hotplug CPU">Hotplug CPU</a>.
2060 <li>    <a href="#Scheduler and RCU">Scheduler and RCU</a>.
2061 <li>    <a href="#Tracing and RCU">Tracing and RCU</a>.
2062 <li>    <a href="#Energy Efficiency">Energy Efficiency</a>.
2063 <li>    <a href="#Memory Efficiency">Memory Efficiency</a>.
2064 <li>    <a href="#Performance, Scalability, Response Time, and Reliability">
2065         Performance, Scalability, Response Time, and Reliability</a>.
2066 </ol>
2067
2068 <p>
2069 This list is probably incomplete, but it does give a feel for the
2070 most notable Linux-kernel complications.
2071 Each of the following sections covers one of the above topics.
2072
2073 <h3><a name="Configuration">Configuration</a></h3>
2074
2075 <p>
2076 RCU's goal is automatic configuration, so that almost nobody
2077 needs to worry about RCU's <tt>Kconfig</tt> options.
2078 And for almost all users, RCU does in fact work well
2079 &ldquo;out of the box.&rdquo;
2080
2081 <p>
2082 However, there are specialized use cases that are handled by
2083 kernel boot parameters and <tt>Kconfig</tt> options.
2084 Unfortunately, the <tt>Kconfig</tt> system will explicitly ask users
2085 about new <tt>Kconfig</tt> options, which requires almost all of them
2086 be hidden behind a <tt>CONFIG_RCU_EXPERT</tt> <tt>Kconfig</tt> option.
2087
2088 <p>
2089 This all should be quite obvious, but the fact remains that
2090 Linus Torvalds recently had to
2091 <a href="https://lkml.kernel.org/g/CA+55aFy4wcCwaL4okTs8wXhGZ5h-ibecy_Meg9C4MNQrUnwMcg@mail.gmail.com">remind</a>
2092 me of this requirement.
2093
2094 <h3><a name="Firmware Interface">Firmware Interface</a></h3>
2095
2096 <p>
2097 In many cases, kernel obtains information about the system from the
2098 firmware, and sometimes things are lost in translation.
2099 Or the translation is accurate, but the original message is bogus.
2100
2101 <p>
2102 For example, some systems' firmware overreports the number of CPUs,
2103 sometimes by a large factor.
2104 If RCU naively believed the firmware, as it used to do,
2105 it would create too many per-CPU kthreads.
2106 Although the resulting system will still run correctly, the extra
2107 kthreads needlessly consume memory and can cause confusion
2108 when they show up in <tt>ps</tt> listings.
2109
2110 <p>
2111 RCU must therefore wait for a given CPU to actually come online before
2112 it can allow itself to believe that the CPU actually exists.
2113 The resulting &ldquo;ghost CPUs&rdquo; (which are never going to
2114 come online) cause a number of
2115 <a href="https://paulmck.livejournal.com/37494.html">interesting complications</a>.
2116
2117 <h3><a name="Early Boot">Early Boot</a></h3>
2118
2119 <p>
2120 The Linux kernel's boot sequence is an interesting process,
2121 and RCU is used early, even before <tt>rcu_init()</tt>
2122 is invoked.
2123 In fact, a number of RCU's primitives can be used as soon as the
2124 initial task's <tt>task_struct</tt> is available and the
2125 boot CPU's per-CPU variables are set up.
2126 The read-side primitives (<tt>rcu_read_lock()</tt>,
2127 <tt>rcu_read_unlock()</tt>, <tt>rcu_dereference()</tt>,
2128 and <tt>rcu_access_pointer()</tt>) will operate normally very early on,
2129 as will <tt>rcu_assign_pointer()</tt>.
2130
2131 <p>
2132 Although <tt>call_rcu()</tt> may be invoked at any
2133 time during boot, callbacks are not guaranteed to be invoked until after
2134 the scheduler is fully up and running.
2135 This delay in callback invocation is due to the fact that RCU does not
2136 invoke callbacks until it is fully initialized, and this full initialization
2137 cannot occur until after the scheduler has initialized itself to the
2138 point where RCU can spawn and run its kthreads.
2139 In theory, it would be possible to invoke callbacks earlier,
2140 however, this is not a panacea because there would be severe restrictions
2141 on what operations those callbacks could invoke.
2142
2143 <p>
2144 Perhaps surprisingly, <tt>synchronize_rcu()</tt>,
2145 <a href="#Bottom-Half Flavor"><tt>synchronize_rcu_bh()</tt></a>
2146 (<a href="#Bottom-Half Flavor">discussed below</a>),
2147 and
2148 <a href="#Sched Flavor"><tt>synchronize_sched()</tt></a>
2149 will all operate normally
2150 during very early boot, the reason being that there is only one CPU
2151 and preemption is disabled.
2152 This means that the call <tt>synchronize_rcu()</tt> (or friends)
2153 itself is a quiescent
2154 state and thus a grace period, so the early-boot implementation can
2155 be a no-op.
2156
2157 <p>
2158 Both <tt>synchronize_rcu_bh()</tt> and <tt>synchronize_sched()</tt>
2159 continue to operate normally through the remainder of boot, courtesy
2160 of the fact that preemption is disabled across their RCU read-side
2161 critical sections and also courtesy of the fact that there is still
2162 only one CPU.
2163 However, once the scheduler starts initializing, preemption is enabled.
2164 There is still only a single CPU, but the fact that preemption is enabled
2165 means that the no-op implementation of <tt>synchronize_rcu()</tt> no
2166 longer works in <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> kernels.
2167 Therefore, as soon as the scheduler starts initializing, the early-boot
2168 fastpath is disabled.
2169 This means that <tt>synchronize_rcu()</tt> switches to its runtime
2170 mode of operation where it posts callbacks, which in turn means that
2171 any call to <tt>synchronize_rcu()</tt> will block until the corresponding
2172 callback is invoked.
2173 Unfortunately, the callback cannot be invoked until RCU's runtime
2174 grace-period machinery is up and running, which cannot happen until
2175 the scheduler has initialized itself sufficiently to allow RCU's
2176 kthreads to be spawned.
2177 Therefore, invoking <tt>synchronize_rcu()</tt> during scheduler
2178 initialization can result in deadlock.
2179
2180 <table>
2181 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
2182 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
2183 <tr><td>
2184         So what happens with <tt>synchronize_rcu()</tt> during
2185         scheduler initialization for <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>
2186         kernels?
2187 </td></tr>
2188 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
2189 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
2190         In <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt> kernel, <tt>synchronize_rcu()</tt>
2191         maps directly to <tt>synchronize_sched()</tt>.
2192         Therefore, <tt>synchronize_rcu()</tt> works normally throughout
2193         boot in <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt> kernels.
2194         However, your code must also work in <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> kernels,
2195         so it is still necessary to avoid invoking <tt>synchronize_rcu()</tt>
2196         during scheduler initialization.
2197 </font></td></tr>
2198 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
2199 </table>
2200
2201 <p>
2202 I learned of these boot-time requirements as a result of a series of
2203 system hangs.
2204
2205 <h3><a name="Interrupts and NMIs">Interrupts and NMIs</a></h3>
2206
2207 <p>
2208 The Linux kernel has interrupts, and RCU read-side critical sections are
2209 legal within interrupt handlers and within interrupt-disabled regions
2210 of code, as are invocations of <tt>call_rcu()</tt>.
2211
2212 <p>
2213 Some Linux-kernel architectures can enter an interrupt handler from
2214 non-idle process context, and then just never leave it, instead stealthily
2215 transitioning back to process context.
2216 This trick is sometimes used to invoke system calls from inside the kernel.
2217 These &ldquo;half-interrupts&rdquo; mean that RCU has to be very careful
2218 about how it counts interrupt nesting levels.
2219 I learned of this requirement the hard way during a rewrite
2220 of RCU's dyntick-idle code.
2221
2222 <p>
2223 The Linux kernel has non-maskable interrupts (NMIs), and
2224 RCU read-side critical sections are legal within NMI handlers.
2225 Thankfully, RCU update-side primitives, including
2226 <tt>call_rcu()</tt>, are prohibited within NMI handlers.
2227
2228 <p>
2229 The name notwithstanding, some Linux-kernel architectures
2230 can have nested NMIs, which RCU must handle correctly.
2231 Andy Lutomirski
2232 <a href="https://lkml.kernel.org/g/CALCETrXLq1y7e_dKFPgou-FKHB6Pu-r8+t-6Ds+8=va7anBWDA@mail.gmail.com">surprised me</a>
2233 with this requirement;
2234 he also kindly surprised me with
2235 <a href="https://lkml.kernel.org/g/CALCETrXSY9JpW3uE6H8WYk81sg56qasA2aqmjMPsq5dOtzso=g@mail.gmail.com">an algorithm</a>
2236 that meets this requirement.
2237
2238 <h3><a name="Loadable Modules">Loadable Modules</a></h3>
2239
2240 <p>
2241 The Linux kernel has loadable modules, and these modules can
2242 also be unloaded.
2243 After a given module has been unloaded, any attempt to call
2244 one of its functions results in a segmentation fault.
2245 The module-unload functions must therefore cancel any
2246 delayed calls to loadable-module functions, for example,
2247 any outstanding <tt>mod_timer()</tt> must be dealt with
2248 via <tt>del_timer_sync()</tt> or similar.
2249
2250 <p>
2251 Unfortunately, there is no way to cancel an RCU callback;
2252 once you invoke <tt>call_rcu()</tt>, the callback function is
2253 going to eventually be invoked, unless the system goes down first.
2254 Because it is normally considered socially irresponsible to crash the system
2255 in response to a module unload request, we need some other way
2256 to deal with in-flight RCU callbacks.
2257
2258 <p>
2259 RCU therefore provides
2260 <tt><a href="https://lwn.net/Articles/217484/">rcu_barrier()</a></tt>,
2261 which waits until all in-flight RCU callbacks have been invoked.
2262 If a module uses <tt>call_rcu()</tt>, its exit function should therefore
2263 prevent any future invocation of <tt>call_rcu()</tt>, then invoke
2264 <tt>rcu_barrier()</tt>.
2265 In theory, the underlying module-unload code could invoke
2266 <tt>rcu_barrier()</tt> unconditionally, but in practice this would
2267 incur unacceptable latencies.
2268
2269 <p>
2270 Nikita Danilov noted this requirement for an analogous filesystem-unmount
2271 situation, and Dipankar Sarma incorporated <tt>rcu_barrier()</tt> into RCU.
2272 The need for <tt>rcu_barrier()</tt> for module unloading became
2273 apparent later.
2274
2275 <h3><a name="Hotplug CPU">Hotplug CPU</a></h3>
2276
2277 <p>
2278 The Linux kernel supports CPU hotplug, which means that CPUs
2279 can come and go.
2280 It is of course illegal to use any RCU API member from an offline CPU.
2281 This requirement was present from day one in DYNIX/ptx, but
2282 on the other hand, the Linux kernel's CPU-hotplug implementation
2283 is &ldquo;interesting.&rdquo;
2284
2285 <p>
2286 The Linux-kernel CPU-hotplug implementation has notifiers that
2287 are used to allow the various kernel subsystems (including RCU)
2288 to respond appropriately to a given CPU-hotplug operation.
2289 Most RCU operations may be invoked from CPU-hotplug notifiers,
2290 including even normal synchronous grace-period operations
2291 such as <tt>synchronize_rcu()</tt>.
2292 However, expedited grace-period operations such as
2293 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> are not supported,
2294 due to the fact that current implementations block CPU-hotplug
2295 operations, which could result in deadlock.
2296
2297 <p>
2298 In addition, all-callback-wait operations such as
2299 <tt>rcu_barrier()</tt> are also not supported, due to the
2300 fact that there are phases of CPU-hotplug operations where
2301 the outgoing CPU's callbacks will not be invoked until after
2302 the CPU-hotplug operation ends, which could also result in deadlock.
2303
2304 <h3><a name="Scheduler and RCU">Scheduler and RCU</a></h3>
2305
2306 <p>
2307 RCU depends on the scheduler, and the scheduler uses RCU to
2308 protect some of its data structures.
2309 This means the scheduler is forbidden from acquiring
2310 the runqueue locks and the priority-inheritance locks
2311 in the middle of an outermost RCU read-side critical section unless either
2312 (1)&nbsp;it releases them before exiting that same
2313 RCU read-side critical section, or
2314 (2)&nbsp;interrupts are disabled across
2315 that entire RCU read-side critical section.
2316 This same prohibition also applies (recursively!) to any lock that is acquired
2317 while holding any lock to which this prohibition applies.
2318 Adhering to this rule prevents preemptible RCU from invoking
2319 <tt>rcu_read_unlock_special()</tt> while either runqueue or
2320 priority-inheritance locks are held, thus avoiding deadlock.
2321
2322 <p>
2323 Prior to v4.4, it was only necessary to disable preemption across
2324 RCU read-side critical sections that acquired scheduler locks.
2325 In v4.4, expedited grace periods started using IPIs, and these
2326 IPIs could force a <tt>rcu_read_unlock()</tt> to take the slowpath.
2327 Therefore, this expedited-grace-period change required disabling of
2328 interrupts, not just preemption.
2329
2330 <p>
2331 For RCU's part, the preemptible-RCU <tt>rcu_read_unlock()</tt>
2332 implementation must be written carefully to avoid similar deadlocks.
2333 In particular, <tt>rcu_read_unlock()</tt> must tolerate an
2334 interrupt where the interrupt handler invokes both
2335 <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
2336 This possibility requires <tt>rcu_read_unlock()</tt> to use
2337 negative nesting levels to avoid destructive recursion via
2338 interrupt handler's use of RCU.
2339
2340 <p>
2341 This pair of mutual scheduler-RCU requirements came as a
2342 <a href="https://lwn.net/Articles/453002/">complete surprise</a>.
2343
2344 <p>
2345 As noted above, RCU makes use of kthreads, and it is necessary to
2346 avoid excessive CPU-time accumulation by these kthreads.
2347 This requirement was no surprise, but RCU's violation of it
2348 when running context-switch-heavy workloads when built with
2349 <tt>CONFIG_NO_HZ_FULL=y</tt>
2350 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/scalability/paper/BareMetal.2015.01.15b.pdf">did come as a surprise [PDF]</a>.
2351 RCU has made good progress towards meeting this requirement, even
2352 for context-switch-have <tt>CONFIG_NO_HZ_FULL=y</tt> workloads,
2353 but there is room for further improvement.
2354
2355 <h3><a name="Tracing and RCU">Tracing and RCU</a></h3>
2356
2357 <p>
2358 It is possible to use tracing on RCU code, but tracing itself
2359 uses RCU.
2360 For this reason, <tt>rcu_dereference_raw_notrace()</tt>
2361 is provided for use by tracing, which avoids the destructive
2362 recursion that could otherwise ensue.
2363 This API is also used by virtualization in some architectures,
2364 where RCU readers execute in environments in which tracing
2365 cannot be used.
2366 The tracing folks both located the requirement and provided the
2367 needed fix, so this surprise requirement was relatively painless.
2368
2369 <h3><a name="Energy Efficiency">Energy Efficiency</a></h3>
2370
2371 <p>
2372 Interrupting idle CPUs is considered socially unacceptable,
2373 especially by people with battery-powered embedded systems.
2374 RCU therefore conserves energy by detecting which CPUs are
2375 idle, including tracking CPUs that have been interrupted from idle.
2376 This is a large part of the energy-efficiency requirement,
2377 so I learned of this via an irate phone call.
2378
2379 <p>
2380 Because RCU avoids interrupting idle CPUs, it is illegal to
2381 execute an RCU read-side critical section on an idle CPU.
2382 (Kernels built with <tt>CONFIG_PROVE_RCU=y</tt> will splat
2383 if you try it.)
2384 The <tt>RCU_NONIDLE()</tt> macro and <tt>_rcuidle</tt>
2385 event tracing is provided to work around this restriction.
2386 In addition, <tt>rcu_is_watching()</tt> may be used to
2387 test whether or not it is currently legal to run RCU read-side
2388 critical sections on this CPU.
2389 I learned of the need for diagnostics on the one hand
2390 and <tt>RCU_NONIDLE()</tt> on the other while inspecting
2391 idle-loop code.
2392 Steven Rostedt supplied <tt>_rcuidle</tt> event tracing,
2393 which is used quite heavily in the idle loop.
2394 However, there are some restrictions on the code placed within
2395 <tt>RCU_NONIDLE()</tt>:
2396
2397 <ol>
2398 <li>    Blocking is prohibited.
2399         In practice, this is not a serious restriction given that idle
2400         tasks are prohibited from blocking to begin with.
2401 <li>    Although nesting <tt>RCU_NONIDLE()</tt> is permited, they cannot
2402         nest indefinitely deeply.
2403         However, given that they can be nested on the order of a million
2404         deep, even on 32-bit systems, this should not be a serious
2405         restriction.
2406         This nesting limit would probably be reached long after the
2407         compiler OOMed or the stack overflowed.
2408 <li>    Any code path that enters <tt>RCU_NONIDLE()</tt> must sequence
2409         out of that same <tt>RCU_NONIDLE()</tt>.
2410         For example, the following is grossly illegal:
2411
2412         <blockquote>
2413         <pre>
2414  1     RCU_NONIDLE({
2415  2       do_something();
2416  3       goto bad_idea;  /* BUG!!! */
2417  4       do_something_else();});
2418  5   bad_idea:
2419         </pre>
2420         </blockquote>
2421
2422         <p>
2423         It is just as illegal to transfer control into the middle of
2424         <tt>RCU_NONIDLE()</tt>'s argument.
2425         Yes, in theory, you could transfer in as long as you also
2426         transferred out, but in practice you could also expect to get sharply
2427         worded review comments.
2428 </ol>
2429
2430 <p>
2431 It is similarly socially unacceptable to interrupt an
2432 <tt>nohz_full</tt> CPU running in userspace.
2433 RCU must therefore track <tt>nohz_full</tt> userspace
2434 execution.
2435 And in
2436 <a href="https://lwn.net/Articles/558284/"><tt>CONFIG_NO_HZ_FULL_SYSIDLE=y</tt></a>
2437 kernels, RCU must separately track idle CPUs on the one hand and
2438 CPUs that are either idle or executing in userspace on the other.
2439 In both cases, RCU must be able to sample state at two points in
2440 time, and be able to determine whether or not some other CPU spent
2441 any time idle and/or executing in userspace.
2442
2443 <p>
2444 These energy-efficiency requirements have proven quite difficult to
2445 understand and to meet, for example, there have been more than five
2446 clean-sheet rewrites of RCU's energy-efficiency code, the last of
2447 which was finally able to demonstrate
2448 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/realtime/paper/AMPenergy.2013.04.19a.pdf">real energy savings running on real hardware [PDF]</a>.
2449 As noted earlier,
2450 I learned of many of these requirements via angry phone calls:
2451 Flaming me on the Linux-kernel mailing list was apparently not
2452 sufficient to fully vent their ire at RCU's energy-efficiency bugs!
2453
2454 <h3><a name="Memory Efficiency">Memory Efficiency</a></h3>
2455
2456 <p>
2457 Although small-memory non-realtime systems can simply use Tiny RCU,
2458 code size is only one aspect of memory efficiency.
2459 Another aspect is the size of the <tt>rcu_head</tt> structure
2460 used by <tt>call_rcu()</tt> and <tt>kfree_rcu()</tt>.
2461 Although this structure contains nothing more than a pair of pointers,
2462 it does appear in many RCU-protected data structures, including
2463 some that are size critical.
2464 The <tt>page</tt> structure is a case in point, as evidenced by
2465 the many occurrences of the <tt>union</tt> keyword within that structure.
2466
2467 <p>
2468 This need for memory efficiency is one reason that RCU uses hand-crafted
2469 singly linked lists to track the <tt>rcu_head</tt> structures that
2470 are waiting for a grace period to elapse.
2471 It is also the reason why <tt>rcu_head</tt> structures do not contain
2472 debug information, such as fields tracking the file and line of the
2473 <tt>call_rcu()</tt> or <tt>kfree_rcu()</tt> that posted them.
2474 Although this information might appear in debug-only kernel builds at some
2475 point, in the meantime, the <tt>-&gt;func</tt> field will often provide
2476 the needed debug information.
2477
2478 <p>
2479 However, in some cases, the need for memory efficiency leads to even
2480 more extreme measures.
2481 Returning to the <tt>page</tt> structure, the <tt>rcu_head</tt> field
2482 shares storage with a great many other structures that are used at
2483 various points in the corresponding page's lifetime.
2484 In order to correctly resolve certain
2485 <a href="https://lkml.kernel.org/g/1439976106-137226-1-git-send-email-kirill.shutemov@linux.intel.com">race conditions</a>,
2486 the Linux kernel's memory-management subsystem needs a particular bit
2487 to remain zero during all phases of grace-period processing,
2488 and that bit happens to map to the bottom bit of the
2489 <tt>rcu_head</tt> structure's <tt>-&gt;next</tt> field.
2490 RCU makes this guarantee as long as <tt>call_rcu()</tt>
2491 is used to post the callback, as opposed to <tt>kfree_rcu()</tt>
2492 or some future &ldquo;lazy&rdquo;
2493 variant of <tt>call_rcu()</tt> that might one day be created for
2494 energy-efficiency purposes.
2495
2496 <p>
2497 That said, there are limits.
2498 RCU requires that the <tt>rcu_head</tt> structure be aligned to a
2499 two-byte boundary, and passing a misaligned <tt>rcu_head</tt>
2500 structure to one of the <tt>call_rcu()</tt> family of functions
2501 will result in a splat.
2502 It is therefore necessary to exercise caution when packing
2503 structures containing fields of type <tt>rcu_head</tt>.
2504 Why not a four-byte or even eight-byte alignment requirement?
2505 Because the m68k architecture provides only two-byte alignment,
2506 and thus acts as alignment's least common denominator.
2507
2508 <p>
2509 The reason for reserving the bottom bit of pointers to
2510 <tt>rcu_head</tt> structures is to leave the door open to
2511 &ldquo;lazy&rdquo; callbacks whose invocations can safely be deferred.
2512 Deferring invocation could potentially have energy-efficiency
2513 benefits, but only if the rate of non-lazy callbacks decreases
2514 significantly for some important workload.
2515 In the meantime, reserving the bottom bit keeps this option open
2516 in case it one day becomes useful.
2517
2518 <h3><a name="Performance, Scalability, Response Time, and Reliability">
2519 Performance, Scalability, Response Time, and Reliability</a></h3>
2520
2521 <p>
2522 Expanding on the
2523 <a href="#Performance and Scalability">earlier discussion</a>,
2524 RCU is used heavily by hot code paths in performance-critical
2525 portions of the Linux kernel's networking, security, virtualization,
2526 and scheduling code paths.
2527 RCU must therefore use efficient implementations, especially in its
2528 read-side primitives.
2529 To that end, it would be good if preemptible RCU's implementation
2530 of <tt>rcu_read_lock()</tt> could be inlined, however, doing
2531 this requires resolving <tt>#include</tt> issues with the
2532 <tt>task_struct</tt> structure.
2533
2534 <p>
2535 The Linux kernel supports hardware configurations with up to
2536 4096 CPUs, which means that RCU must be extremely scalable.
2537 Algorithms that involve frequent acquisitions of global locks or
2538 frequent atomic operations on global variables simply cannot be
2539 tolerated within the RCU implementation.
2540 RCU therefore makes heavy use of a combining tree based on the
2541 <tt>rcu_node</tt> structure.
2542 RCU is required to tolerate all CPUs continuously invoking any
2543 combination of RCU's runtime primitives with minimal per-operation
2544 overhead.
2545 In fact, in many cases, increasing load must <i>decrease</i> the
2546 per-operation overhead, witness the batching optimizations for
2547 <tt>synchronize_rcu()</tt>, <tt>call_rcu()</tt>,
2548 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>, and <tt>rcu_barrier()</tt>.
2549 As a general rule, RCU must cheerfully accept whatever the
2550 rest of the Linux kernel decides to throw at it.
2551
2552 <p>
2553 The Linux kernel is used for real-time workloads, especially
2554 in conjunction with the
2555 <a href="https://rt.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page">-rt patchset</a>.
2556 The real-time-latency response requirements are such that the
2557 traditional approach of disabling preemption across RCU
2558 read-side critical sections is inappropriate.
2559 Kernels built with <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> therefore
2560 use an RCU implementation that allows RCU read-side critical
2561 sections to be preempted.
2562 This requirement made its presence known after users made it
2563 clear that an earlier
2564 <a href="https://lwn.net/Articles/107930/">real-time patch</a>
2565 did not meet their needs, in conjunction with some
2566 <a href="https://lkml.kernel.org/g/20050318002026.GA2693@us.ibm.com">RCU issues</a>
2567 encountered by a very early version of the -rt patchset.
2568
2569 <p>
2570 In addition, RCU must make do with a sub-100-microsecond real-time latency
2571 budget.
2572 In fact, on smaller systems with the -rt patchset, the Linux kernel
2573 provides sub-20-microsecond real-time latencies for the whole kernel,
2574 including RCU.
2575 RCU's scalability and latency must therefore be sufficient for
2576 these sorts of configurations.
2577 To my surprise, the sub-100-microsecond real-time latency budget
2578 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/realtime/paper/bigrt.2013.01.31a.LCA.pdf">
2579 applies to even the largest systems [PDF]</a>,
2580 up to and including systems with 4096 CPUs.
2581 This real-time requirement motivated the grace-period kthread, which
2582 also simplified handling of a number of race conditions.
2583
2584 <p>
2585 RCU must avoid degrading real-time response for CPU-bound threads, whether
2586 executing in usermode (which is one use case for
2587 <tt>CONFIG_NO_HZ_FULL=y</tt>) or in the kernel.
2588 That said, CPU-bound loops in the kernel must execute
2589 <tt>cond_resched_rcu_qs()</tt> at least once per few tens of milliseconds
2590 in order to avoid receiving an IPI from RCU.
2591
2592 <p>
2593 Finally, RCU's status as a synchronization primitive means that
2594 any RCU failure can result in arbitrary memory corruption that can be
2595 extremely difficult to debug.
2596 This means that RCU must be extremely reliable, which in
2597 practice also means that RCU must have an aggressive stress-test
2598 suite.
2599 This stress-test suite is called <tt>rcutorture</tt>.
2600
2601 <p>
2602 Although the need for <tt>rcutorture</tt> was no surprise,
2603 the current immense popularity of the Linux kernel is posing
2604 interesting&mdash;and perhaps unprecedented&mdash;validation
2605 challenges.
2606 To see this, keep in mind that there are well over one billion
2607 instances of the Linux kernel running today, given Android
2608 smartphones, Linux-powered televisions, and servers.
2609 This number can be expected to increase sharply with the advent of
2610 the celebrated Internet of Things.
2611
2612 <p>
2613 Suppose that RCU contains a race condition that manifests on average
2614 once per million years of runtime.
2615 This bug will be occurring about three times per <i>day</i> across
2616 the installed base.
2617 RCU could simply hide behind hardware error rates, given that no one
2618 should really expect their smartphone to last for a million years.
2619 However, anyone taking too much comfort from this thought should
2620 consider the fact that in most jurisdictions, a successful multi-year
2621 test of a given mechanism, which might include a Linux kernel,
2622 suffices for a number of types of safety-critical certifications.
2623 In fact, rumor has it that the Linux kernel is already being used
2624 in production for safety-critical applications.
2625 I don't know about you, but I would feel quite bad if a bug in RCU
2626 killed someone.
2627 Which might explain my recent focus on validation and verification.
2628
2629 <h2><a name="Other RCU Flavors">Other RCU Flavors</a></h2>
2630
2631 <p>
2632 One of the more surprising things about RCU is that there are now
2633 no fewer than five <i>flavors</i>, or API families.
2634 In addition, the primary flavor that has been the sole focus up to
2635 this point has two different implementations, non-preemptible and
2636 preemptible.
2637 The other four flavors are listed below, with requirements for each
2638 described in a separate section.
2639
2640 <ol>
2641 <li>    <a href="#Bottom-Half Flavor">Bottom-Half Flavor</a>
2642 <li>    <a href="#Sched Flavor">Sched Flavor</a>
2643 <li>    <a href="#Sleepable RCU">Sleepable RCU</a>
2644 <li>    <a href="#Tasks RCU">Tasks RCU</a>
2645 <li>    <a href="#Waiting for Multiple Grace Periods">
2646         Waiting for Multiple Grace Periods</a>
2647 </ol>
2648
2649 <h3><a name="Bottom-Half Flavor">Bottom-Half Flavor</a></h3>
2650
2651 <p>
2652 The softirq-disable (AKA &ldquo;bottom-half&rdquo;,
2653 hence the &ldquo;_bh&rdquo; abbreviations)
2654 flavor of RCU, or <i>RCU-bh</i>, was developed by
2655 Dipankar Sarma to provide a flavor of RCU that could withstand the
2656 network-based denial-of-service attacks researched by Robert
2657 Olsson.
2658 These attacks placed so much networking load on the system
2659 that some of the CPUs never exited softirq execution,
2660 which in turn prevented those CPUs from ever executing a context switch,
2661 which, in the RCU implementation of that time, prevented grace periods
2662 from ever ending.
2663 The result was an out-of-memory condition and a system hang.
2664
2665 <p>
2666 The solution was the creation of RCU-bh, which does
2667 <tt>local_bh_disable()</tt>
2668 across its read-side critical sections, and which uses the transition
2669 from one type of softirq processing to another as a quiescent state
2670 in addition to context switch, idle, user mode, and offline.
2671 This means that RCU-bh grace periods can complete even when some of
2672 the CPUs execute in softirq indefinitely, thus allowing algorithms
2673 based on RCU-bh to withstand network-based denial-of-service attacks.
2674
2675 <p>
2676 Because
2677 <tt>rcu_read_lock_bh()</tt> and <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>
2678 disable and re-enable softirq handlers, any attempt to start a softirq
2679 handlers during the
2680 RCU-bh read-side critical section will be deferred.
2681 In this case, <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>
2682 will invoke softirq processing, which can take considerable time.
2683 One can of course argue that this softirq overhead should be associated
2684 with the code following the RCU-bh read-side critical section rather
2685 than <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>, but the fact
2686 is that most profiling tools cannot be expected to make this sort
2687 of fine distinction.
2688 For example, suppose that a three-millisecond-long RCU-bh read-side
2689 critical section executes during a time of heavy networking load.
2690 There will very likely be an attempt to invoke at least one softirq
2691 handler during that three milliseconds, but any such invocation will
2692 be delayed until the time of the <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>.
2693 This can of course make it appear at first glance as if
2694 <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt> was executing very slowly.
2695
2696 <p>
2697 The
2698 <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU Per-Flavor API Table">RCU-bh API</a>
2699 includes
2700 <tt>rcu_read_lock_bh()</tt>,
2701 <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>,
2702 <tt>rcu_dereference_bh()</tt>,
2703 <tt>rcu_dereference_bh_check()</tt>,
2704 <tt>synchronize_rcu_bh()</tt>,
2705 <tt>synchronize_rcu_bh_expedited()</tt>,
2706 <tt>call_rcu_bh()</tt>,
2707 <tt>rcu_barrier_bh()</tt>, and
2708 <tt>rcu_read_lock_bh_held()</tt>.
2709
2710 <h3><a name="Sched Flavor">Sched Flavor</a></h3>
2711
2712 <p>
2713 Before preemptible RCU, waiting for an RCU grace period had the
2714 side effect of also waiting for all pre-existing interrupt
2715 and NMI handlers.
2716 However, there are legitimate preemptible-RCU implementations that
2717 do not have this property, given that any point in the code outside
2718 of an RCU read-side critical section can be a quiescent state.
2719 Therefore, <i>RCU-sched</i> was created, which follows &ldquo;classic&rdquo;
2720 RCU in that an RCU-sched grace period waits for for pre-existing
2721 interrupt and NMI handlers.
2722 In kernels built with <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>, the RCU and RCU-sched
2723 APIs have identical implementations, while kernels built with
2724 <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> provide a separate implementation for each.
2725
2726 <p>
2727 Note well that in <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> kernels,
2728 <tt>rcu_read_lock_sched()</tt> and <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt>
2729 disable and re-enable preemption, respectively.
2730 This means that if there was a preemption attempt during the
2731 RCU-sched read-side critical section, <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt>
2732 will enter the scheduler, with all the latency and overhead entailed.
2733 Just as with <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>, this can make it look
2734 as if <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt> was executing very slowly.
2735 However, the highest-priority task won't be preempted, so that task
2736 will enjoy low-overhead <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt> invocations.
2737
2738 <p>
2739 The
2740 <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU Per-Flavor API Table">RCU-sched API</a>
2741 includes
2742 <tt>rcu_read_lock_sched()</tt>,
2743 <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt>,
2744 <tt>rcu_read_lock_sched_notrace()</tt>,
2745 <tt>rcu_read_unlock_sched_notrace()</tt>,
2746 <tt>rcu_dereference_sched()</tt>,
2747 <tt>rcu_dereference_sched_check()</tt>,
2748 <tt>synchronize_sched()</tt>,
2749 <tt>synchronize_rcu_sched_expedited()</tt>,
2750 <tt>call_rcu_sched()</tt>,
2751 <tt>rcu_barrier_sched()</tt>, and
2752 <tt>rcu_read_lock_sched_held()</tt>.
2753 However, anything that disables preemption also marks an RCU-sched
2754 read-side critical section, including
2755 <tt>preempt_disable()</tt> and <tt>preempt_enable()</tt>,
2756 <tt>local_irq_save()</tt> and <tt>local_irq_restore()</tt>,
2757 and so on.
2758
2759 <h3><a name="Sleepable RCU">Sleepable RCU</a></h3>
2760
2761 <p>
2762 For well over a decade, someone saying &ldquo;I need to block within
2763 an RCU read-side critical section&rdquo; was a reliable indication
2764 that this someone did not understand RCU.
2765 After all, if you are always blocking in an RCU read-side critical
2766 section, you can probably afford to use a higher-overhead synchronization
2767 mechanism.
2768 However, that changed with the advent of the Linux kernel's notifiers,
2769 whose RCU read-side critical
2770 sections almost never sleep, but sometimes need to.
2771 This resulted in the introduction of
2772 <a href="https://lwn.net/Articles/202847/">sleepable RCU</a>,
2773 or <i>SRCU</i>.
2774
2775 <p>
2776 SRCU allows different domains to be defined, with each such domain
2777 defined by an instance of an <tt>srcu_struct</tt> structure.
2778 A pointer to this structure must be passed in to each SRCU function,
2779 for example, <tt>synchronize_srcu(&amp;ss)</tt>, where
2780 <tt>ss</tt> is the <tt>srcu_struct</tt> structure.
2781 The key benefit of these domains is that a slow SRCU reader in one
2782 domain does not delay an SRCU grace period in some other domain.
2783 That said, one consequence of these domains is that read-side code
2784 must pass a &ldquo;cookie&rdquo; from <tt>srcu_read_lock()</tt>
2785 to <tt>srcu_read_unlock()</tt>, for example, as follows:
2786
2787 <blockquote>
2788 <pre>
2789  1 int idx;
2790  2
2791  3 idx = srcu_read_lock(&amp;ss);
2792  4 do_something();
2793  5 srcu_read_unlock(&amp;ss, idx);
2794 </pre>
2795 </blockquote>
2796
2797 <p>
2798 As noted above, it is legal to block within SRCU read-side critical sections,
2799 however, with great power comes great responsibility.
2800 If you block forever in one of a given domain's SRCU read-side critical
2801 sections, then that domain's grace periods will also be blocked forever.
2802 Of course, one good way to block forever is to deadlock, which can
2803 happen if any operation in a given domain's SRCU read-side critical
2804 section can block waiting, either directly or indirectly, for that domain's
2805 grace period to elapse.
2806 For example, this results in a self-deadlock:
2807
2808 <blockquote>
2809 <pre>
2810  1 int idx;
2811  2
2812  3 idx = srcu_read_lock(&amp;ss);
2813  4 do_something();
2814  5 synchronize_srcu(&amp;ss);
2815  6 srcu_read_unlock(&amp;ss, idx);
2816 </pre>
2817 </blockquote>
2818
2819 <p>
2820 However, if line&nbsp;5 acquired a mutex that was held across
2821 a <tt>synchronize_srcu()</tt> for domain <tt>ss</tt>,
2822 deadlock would still be possible.
2823 Furthermore, if line&nbsp;5 acquired a mutex that was held across
2824 a <tt>synchronize_srcu()</tt> for some other domain <tt>ss1</tt>,
2825 and if an <tt>ss1</tt>-domain SRCU read-side critical section
2826 acquired another mutex that was held across as <tt>ss</tt>-domain
2827 <tt>synchronize_srcu()</tt>,
2828 deadlock would again be possible.
2829 Such a deadlock cycle could extend across an arbitrarily large number
2830 of different SRCU domains.
2831 Again, with great power comes great responsibility.
2832
2833 <p>
2834 Unlike the other RCU flavors, SRCU read-side critical sections can
2835 run on idle and even offline CPUs.
2836 This ability requires that <tt>srcu_read_lock()</tt> and
2837 <tt>srcu_read_unlock()</tt> contain memory barriers, which means
2838 that SRCU readers will run a bit slower than would RCU readers.
2839 It also motivates the <tt>smp_mb__after_srcu_read_unlock()</tt>
2840 API, which, in combination with <tt>srcu_read_unlock()</tt>,
2841 guarantees a full memory barrier.
2842
2843 <p>
2844 The
2845 <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU Per-Flavor API Table">SRCU API</a>
2846 includes
2847 <tt>srcu_read_lock()</tt>,
2848 <tt>srcu_read_unlock()</tt>,
2849 <tt>srcu_dereference()</tt>,
2850 <tt>srcu_dereference_check()</tt>,
2851 <tt>synchronize_srcu()</tt>,
2852 <tt>synchronize_srcu_expedited()</tt>,
2853 <tt>call_srcu()</tt>,
2854 <tt>srcu_barrier()</tt>, and
2855 <tt>srcu_read_lock_held()</tt>.
2856 It also includes
2857 <tt>DEFINE_SRCU()</tt>,
2858 <tt>DEFINE_STATIC_SRCU()</tt>, and
2859 <tt>init_srcu_struct()</tt>
2860 APIs for defining and initializing <tt>srcu_struct</tt> structures.
2861
2862 <h3><a name="Tasks RCU">Tasks RCU</a></h3>
2863
2864 <p>
2865 Some forms of tracing use &ldquo;tramopolines&rdquo; to handle the
2866 binary rewriting required to install different types of probes.
2867 It would be good to be able to free old trampolines, which sounds
2868 like a job for some form of RCU.
2869 However, because it is necessary to be able to install a trace
2870 anywhere in the code, it is not possible to use read-side markers
2871 such as <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
2872 In addition, it does not work to have these markers in the trampoline
2873 itself, because there would need to be instructions following
2874 <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
2875 Although <tt>synchronize_rcu()</tt> would guarantee that execution
2876 reached the <tt>rcu_read_unlock()</tt>, it would not be able to
2877 guarantee that execution had completely left the trampoline.
2878
2879 <p>
2880 The solution, in the form of
2881 <a href="https://lwn.net/Articles/607117/"><i>Tasks RCU</i></a>,
2882 is to have implicit
2883 read-side critical sections that are delimited by voluntary context
2884 switches, that is, calls to <tt>schedule()</tt>,
2885 <tt>cond_resched_rcu_qs()</tt>, and
2886 <tt>synchronize_rcu_tasks()</tt>.
2887 In addition, transitions to and from userspace execution also delimit
2888 tasks-RCU read-side critical sections.
2889
2890 <p>
2891 The tasks-RCU API is quite compact, consisting only of
2892 <tt>call_rcu_tasks()</tt>,
2893 <tt>synchronize_rcu_tasks()</tt>, and
2894 <tt>rcu_barrier_tasks()</tt>.
2895
2896 <h3><a name="Waiting for Multiple Grace Periods">
2897 Waiting for Multiple Grace Periods</a></h3>
2898
2899 <p>
2900 Perhaps you have an RCU protected data structure that is accessed from
2901 RCU read-side critical sections, from softirq handlers, and from
2902 hardware interrupt handlers.
2903 That is three flavors of RCU, the normal flavor, the bottom-half flavor,
2904 and the sched flavor.
2905 How to wait for a compound grace period?
2906
2907 <p>
2908 The best approach is usually to &ldquo;just say no!&rdquo; and
2909 insert <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>
2910 around each RCU read-side critical section, regardless of what
2911 environment it happens to be in.
2912 But suppose that some of the RCU read-side critical sections are
2913 on extremely hot code paths, and that use of <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>
2914 is not a viable option, so that <tt>rcu_read_lock()</tt> and
2915 <tt>rcu_read_unlock()</tt> are not free.
2916 What then?
2917
2918 <p>
2919 You <i>could</i> wait on all three grace periods in succession, as follows:
2920
2921 <blockquote>
2922 <pre>
2923  1 synchronize_rcu();
2924  2 synchronize_rcu_bh();
2925  3 synchronize_sched();
2926 </pre>
2927 </blockquote>
2928
2929 <p>
2930 This works, but triples the update-side latency penalty.
2931 In cases where this is not acceptable, <tt>synchronize_rcu_mult()</tt>
2932 may be used to wait on all three flavors of grace period concurrently:
2933
2934 <blockquote>
2935 <pre>
2936  1 synchronize_rcu_mult(call_rcu, call_rcu_bh, call_rcu_sched);
2937 </pre>
2938 </blockquote>
2939
2940 <p>
2941 But what if it is necessary to also wait on SRCU?
2942 This can be done as follows:
2943
2944 <blockquote>
2945 <pre>
2946  1 static void call_my_srcu(struct rcu_head *head,
2947  2        void (*func)(struct rcu_head *head))
2948  3 {
2949  4   call_srcu(&amp;my_srcu, head, func);
2950  5 }
2951  6
2952  7 synchronize_rcu_mult(call_rcu, call_rcu_bh, call_rcu_sched, call_my_srcu);
2953 </pre>
2954 </blockquote>
2955
2956 <p>
2957 If you needed to wait on multiple different flavors of SRCU
2958 (but why???), you would need to create a wrapper function resembling
2959 <tt>call_my_srcu()</tt> for each SRCU flavor.
2960
2961 <table>
2962 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
2963 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
2964 <tr><td>
2965         But what if I need to wait for multiple RCU flavors, but I also need
2966         the grace periods to be expedited?
2967 </td></tr>
2968 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
2969 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
2970         If you are using expedited grace periods, there should be less penalty
2971         for waiting on them in succession.
2972         But if that is nevertheless a problem, you can use workqueues
2973         or multiple kthreads to wait on the various expedited grace
2974         periods concurrently.
2975 </font></td></tr>
2976 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
2977 </table>
2978
2979 <p>
2980 Again, it is usually better to adjust the RCU read-side critical sections
2981 to use a single flavor of RCU, but when this is not feasible, you can use
2982 <tt>synchronize_rcu_mult()</tt>.
2983
2984 <h2><a name="Possible Future Changes">Possible Future Changes</a></h2>
2985
2986 <p>
2987 One of the tricks that RCU uses to attain update-side scalability is
2988 to increase grace-period latency with increasing numbers of CPUs.
2989 If this becomes a serious problem, it will be necessary to rework the
2990 grace-period state machine so as to avoid the need for the additional
2991 latency.
2992
2993 <p>
2994 Expedited grace periods scan the CPUs, so their latency and overhead
2995 increases with increasing numbers of CPUs.
2996 If this becomes a serious problem on large systems, it will be necessary
2997 to do some redesign to avoid this scalability problem.
2998
2999 <p>
3000 RCU disables CPU hotplug in a few places, perhaps most notably in the
3001 expedited grace-period and <tt>rcu_barrier()</tt> operations.
3002 If there is a strong reason to use expedited grace periods in CPU-hotplug
3003 notifiers, it will be necessary to avoid disabling CPU hotplug.
3004 This would introduce some complexity, so there had better be a <i>very</i>
3005 good reason.
3006
3007 <p>
3008 The tradeoff between grace-period latency on the one hand and interruptions
3009 of other CPUs on the other hand may need to be re-examined.
3010 The desire is of course for zero grace-period latency as well as zero
3011 interprocessor interrupts undertaken during an expedited grace period
3012 operation.
3013 While this ideal is unlikely to be achievable, it is quite possible that
3014 further improvements can be made.
3015
3016 <p>
3017 The multiprocessor implementations of RCU use a combining tree that
3018 groups CPUs so as to reduce lock contention and increase cache locality.
3019 However, this combining tree does not spread its memory across NUMA
3020 nodes nor does it align the CPU groups with hardware features such
3021 as sockets or cores.
3022 Such spreading and alignment is currently believed to be unnecessary
3023 because the hotpath read-side primitives do not access the combining
3024 tree, nor does <tt>call_rcu()</tt> in the common case.
3025 If you believe that your architecture needs such spreading and alignment,
3026 then your architecture should also benefit from the
3027 <tt>rcutree.rcu_fanout_leaf</tt> boot parameter, which can be set
3028 to the number of CPUs in a socket, NUMA node, or whatever.
3029 If the number of CPUs is too large, use a fraction of the number of
3030 CPUs.
3031 If the number of CPUs is a large prime number, well, that certainly
3032 is an &ldquo;interesting&rdquo; architectural choice!
3033 More flexible arrangements might be considered, but only if
3034 <tt>rcutree.rcu_fanout_leaf</tt> has proven inadequate, and only
3035 if the inadequacy has been demonstrated by a carefully run and
3036 realistic system-level workload.
3037
3038 <p>
3039 Please note that arrangements that require RCU to remap CPU numbers will
3040 require extremely good demonstration of need and full exploration of
3041 alternatives.
3042
3043 <p>
3044 There is an embarrassingly large number of flavors of RCU, and this
3045 number has been increasing over time.
3046 Perhaps it will be possible to combine some at some future date.
3047
3048 <p>
3049 RCU's various kthreads are reasonably recent additions.
3050 It is quite likely that adjustments will be required to more gracefully
3051 handle extreme loads.
3052 It might also be necessary to be able to relate CPU utilization by
3053 RCU's kthreads and softirq handlers to the code that instigated this
3054 CPU utilization.
3055 For example, RCU callback overhead might be charged back to the
3056 originating <tt>call_rcu()</tt> instance, though probably not
3057 in production kernels.
3058
3059 <h2><a name="Summary">Summary</a></h2>
3060
3061 <p>
3062 This document has presented more than two decade's worth of RCU
3063 requirements.
3064 Given that the requirements keep changing, this will not be the last
3065 word on this subject, but at least it serves to get an important
3066 subset of the requirements set forth.
3067
3068 <h2><a name="Acknowledgments">Acknowledgments</a></h2>
3069
3070 I am grateful to Steven Rostedt, Lai Jiangshan, Ingo Molnar,
3071 Oleg Nesterov, Borislav Petkov, Peter Zijlstra, Boqun Feng, and
3072 Andy Lutomirski for their help in rendering
3073 this article human readable, and to Michelle Rankin for her support
3074 of this effort.
3075 Other contributions are acknowledged in the Linux kernel's git archive.
3076 The cartoon is copyright (c) 2013 by Melissa Broussard,
3077 and is provided
3078 under the terms of the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0
3079 United States license.
3080
3081 </body></html>