Merge tag 'imx-fixes-3.18-2' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/shawngu...
[cascardo/linux.git] / Documentation / memory-barriers.txt
1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
4
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6     Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
7
8 Contents:
9
10  (*) Abstract memory access model.
11
12      - Device operations.
13      - Guarantees.
14
15  (*) What are memory barriers?
16
17      - Varieties of memory barrier.
18      - What may not be assumed about memory barriers?
19      - Data dependency barriers.
20      - Control dependencies.
21      - SMP barrier pairing.
22      - Examples of memory barrier sequences.
23      - Read memory barriers vs load speculation.
24      - Transitivity
25
26  (*) Explicit kernel barriers.
27
28      - Compiler barrier.
29      - CPU memory barriers.
30      - MMIO write barrier.
31
32  (*) Implicit kernel memory barriers.
33
34      - Locking functions.
35      - Interrupt disabling functions.
36      - Sleep and wake-up functions.
37      - Miscellaneous functions.
38
39  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
40
41      - Locks vs memory accesses.
42      - Locks vs I/O accesses.
43
44  (*) Where are memory barriers needed?
45
46      - Interprocessor interaction.
47      - Atomic operations.
48      - Accessing devices.
49      - Interrupts.
50
51  (*) Kernel I/O barrier effects.
52
53  (*) Assumed minimum execution ordering model.
54
55  (*) The effects of the cpu cache.
56
57      - Cache coherency.
58      - Cache coherency vs DMA.
59      - Cache coherency vs MMIO.
60
61  (*) The things CPUs get up to.
62
63      - And then there's the Alpha.
64
65  (*) Example uses.
66
67      - Circular buffers.
68
69  (*) References.
70
71
72 ============================
73 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
74 ============================
75
76 Consider the following abstract model of the system:
77
78                             :                :
79                             :                :
80                             :                :
81                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
82                 |       |   :   |        |   :   |       |
83                 |       |   :   |        |   :   |       |
84                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
85                 |       |   :   |        |   :   |       |
86                 |       |   :   |        |   :   |       |
87                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
88                     ^       :       ^        :       ^
89                     |       :       |        :       |
90                     |       :       |        :       |
91                     |       :       v        :       |
92                     |       :   +--------+   :       |
93                     |       :   |        |   :       |
94                     |       :   |        |   :       |
95                     +---------->| Device |<----------+
96                             :   |        |   :
97                             :   |        |   :
98                             :   +--------+   :
99                             :                :
100
101 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
102 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
103 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
104 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
105 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
106 apparent operation of the program.
107
108 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
109 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
110 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
111
112
113 For example, consider the following sequence of events:
114
115         CPU 1           CPU 2
116         =============== ===============
117         { A == 1; B == 2 }
118         A = 3;          x = B;
119         B = 4;          y = A;
120
121 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
122 in 24 different combinations:
123
124         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
125         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD B->4,    x=LOAD A->3
126         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    STORE B=4,      y=LOAD B->4
127         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->2,    STORE B=4
128         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    STORE B=4,      x=LOAD A->3
129         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    x=LOAD A->3,    STORE B=4
130         STORE B=4,      STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
131         STORE B=4, ...
132         ...
133
134 and can thus result in four different combinations of values:
135
136         x == 1, y == 2
137         x == 1, y == 4
138         x == 3, y == 2
139         x == 3, y == 4
140
141
142 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
143 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
144 committed.
145
146
147 As a further example, consider this sequence of events:
148
149         CPU 1           CPU 2
150         =============== ===============
151         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
152         B = 4;          Q = P;
153         P = &B          D = *Q;
154
155 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
156 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
157 following results are possible:
158
159         (Q == &A) and (D == 1)
160         (Q == &B) and (D == 2)
161         (Q == &B) and (D == 4)
162
163 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
164 into Q before issuing the load of *Q.
165
166
167 DEVICE OPERATIONS
168 -----------------
169
170 Some devices present their control interfaces as collections of memory
171 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
172 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
173 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
174 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
175 be used:
176
177         *A = 5;
178         x = *D;
179
180 but this might show up as either of the following two sequences:
181
182         STORE *A = 5, x = LOAD *D
183         x = LOAD *D, STORE *A = 5
184
185 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
186 the address _after_ attempting to read the register.
187
188
189 GUARANTEES
190 ----------
191
192 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
193
194  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
195      respect to itself.  This means that for:
196
197         ACCESS_ONCE(Q) = P; smp_read_barrier_depends(); D = ACCESS_ONCE(*Q);
198
199      the CPU will issue the following memory operations:
200
201         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
202
203      and always in that order.  On most systems, smp_read_barrier_depends()
204      does nothing, but it is required for DEC Alpha.  The ACCESS_ONCE()
205      is required to prevent compiler mischief.  Please note that you
206      should normally use something like rcu_dereference() instead of
207      open-coding smp_read_barrier_depends().
208
209  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
210      ordered within that CPU.  This means that for:
211
212         a = ACCESS_ONCE(*X); ACCESS_ONCE(*X) = b;
213
214      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
215
216         a = LOAD *X, STORE *X = b
217
218      And for:
219
220         ACCESS_ONCE(*X) = c; d = ACCESS_ONCE(*X);
221
222      the CPU will only issue:
223
224         STORE *X = c, d = LOAD *X
225
226      (Loads and stores overlap if they are targeted at overlapping pieces of
227      memory).
228
229 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
230
231  (*) It _must_not_ be assumed that the compiler will do what you want with
232      memory references that are not protected by ACCESS_ONCE().  Without
233      ACCESS_ONCE(), the compiler is within its rights to do all sorts
234      of "creative" transformations, which are covered in the Compiler
235      Barrier section.
236
237  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
238      in the order given.  This means that for:
239
240         X = *A; Y = *B; *D = Z;
241
242      we may get any of the following sequences:
243
244         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
245         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
246         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
247         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
248         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
249         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
250
251  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
252      discarded.  This means that for:
253
254         X = *A; Y = *(A + 4);
255
256      we may get any one of the following sequences:
257
258         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
259         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
260         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
261
262      And for:
263
264         *A = X; *(A + 4) = Y;
265
266      we may get any of:
267
268         STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
269         STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
270         STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
271
272
273 =========================
274 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
275 =========================
276
277 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
278 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
279 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
280 CPU to restrict the order.
281
282 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
283 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
284
285 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
286 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
287 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
288 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
289 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
290 interaction of multiple CPUs and/or devices.
291
292
293 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
294 ---------------------------
295
296 Memory barriers come in four basic varieties:
297
298  (1) Write (or store) memory barriers.
299
300      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
301      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
302      operations specified after the barrier with respect to the other
303      components of the system.
304
305      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
306      to have any effect on loads.
307
308      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
309      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
310      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
311
312      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
313      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
314
315
316  (2) Data dependency barriers.
317
318      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
319      where two loads are performed such that the second depends on the result
320      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
321      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
322      make sure that the target of the second load is updated before the address
323      obtained by the first load is accessed.
324
325      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
326      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
327      or overlapping loads.
328
329      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
330      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
331      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
332      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
333      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
334      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
335      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
336      dependency barrier.
337
338      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
339      showing the ordering constraints.
340
341      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
342      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
343      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
344      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
345      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
346      subsection for more information.
347
348      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
349      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
350
351
352  (3) Read (or load) memory barriers.
353
354      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
355      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
356      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
357      other components of the system.
358
359      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
360      have any effect on stores.
361
362      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
363      for them.
364
365      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
366      see the "SMP barrier pairing" subsection.
367
368
369  (4) General memory barriers.
370
371      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
372      operations specified before the barrier will appear to happen before all
373      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
374      the other components of the system.
375
376      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
377
378      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
379      can substitute for either.
380
381
382 And a couple of implicit varieties:
383
384  (5) ACQUIRE operations.
385
386      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
387      operations after the ACQUIRE operation will appear to happen after the
388      ACQUIRE operation with respect to the other components of the system.
389      ACQUIRE operations include LOCK operations and smp_load_acquire()
390      operations.
391
392      Memory operations that occur before an ACQUIRE operation may appear to
393      happen after it completes.
394
395      An ACQUIRE operation should almost always be paired with a RELEASE
396      operation.
397
398
399  (6) RELEASE operations.
400
401      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
402      memory operations before the RELEASE operation will appear to happen
403      before the RELEASE operation with respect to the other components of the
404      system. RELEASE operations include UNLOCK operations and
405      smp_store_release() operations.
406
407      Memory operations that occur after a RELEASE operation may appear to
408      happen before it completes.
409
410      The use of ACQUIRE and RELEASE operations generally precludes the need
411      for other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in
412      the subsection "MMIO write barrier").  In addition, a RELEASE+ACQUIRE
413      pair is -not- guaranteed to act as a full memory barrier.  However, after
414      an ACQUIRE on a given variable, all memory accesses preceding any prior
415      RELEASE on that same variable are guaranteed to be visible.  In other
416      words, within a given variable's critical section, all accesses of all
417      previous critical sections for that variable are guaranteed to have
418      completed.
419
420      This means that ACQUIRE acts as a minimal "acquire" operation and
421      RELEASE acts as a minimal "release" operation.
422
423
424 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
425 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
426 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
427 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
428
429
430 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
431 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
432 specific code.
433
434
435 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
436 ----------------------------------------------
437
438 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
439
440  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
441      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
442      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
443      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
444
445  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
446      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
447      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
448      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
449
450  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
451      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
452      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
453      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
454
455  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
456      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
457      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
458      between CPUs, but might not do so in order.
459
460         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
461
462             Documentation/PCI/pci.txt
463             Documentation/DMA-API-HOWTO.txt
464             Documentation/DMA-API.txt
465
466
467 DATA DEPENDENCY BARRIERS
468 ------------------------
469
470 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
471 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
472 following sequence of events:
473
474         CPU 1                 CPU 2
475         ===============       ===============
476         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
477         B = 4;
478         <write barrier>
479         ACCESS_ONCE(P) = &B
480                               Q = ACCESS_ONCE(P);
481                               D = *Q;
482
483 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
484 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
485
486         (Q == &A) implies (D == 1)
487         (Q == &B) implies (D == 4)
488
489 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
490 leading to the following situation:
491
492         (Q == &B) and (D == 2) ????
493
494 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
495 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
496 Alpha).
497
498 To deal with this, a data dependency barrier or better must be inserted
499 between the address load and the data load:
500
501         CPU 1                 CPU 2
502         ===============       ===============
503         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
504         B = 4;
505         <write barrier>
506         ACCESS_ONCE(P) = &B
507                               Q = ACCESS_ONCE(P);
508                               <data dependency barrier>
509                               D = *Q;
510
511 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
512 third possibility from arising.
513
514 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
515 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
516 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
517 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
518 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
519 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
520 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
521 but the old value of the variable B (2).
522
523
524 Another example of where data dependency barriers might be required is where a
525 number is read from memory and then used to calculate the index for an array
526 access:
527
528         CPU 1                 CPU 2
529         ===============       ===============
530         { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
531         M[1] = 4;
532         <write barrier>
533         ACCESS_ONCE(P) = 1
534                               Q = ACCESS_ONCE(P);
535                               <data dependency barrier>
536                               D = M[Q];
537
538
539 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
540 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
541 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
542 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
543 target appearing to be incompletely initialised.
544
545 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
546
547
548 CONTROL DEPENDENCIES
549 --------------------
550
551 A control dependency requires a full read memory barrier, not simply a data
552 dependency barrier to make it work correctly.  Consider the following bit of
553 code:
554
555         q = ACCESS_ONCE(a);
556         if (q) {
557                 <data dependency barrier>  /* BUG: No data dependency!!! */
558                 p = ACCESS_ONCE(b);
559         }
560
561 This will not have the desired effect because there is no actual data
562 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
563 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
564 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
565 case what's actually required is:
566
567         q = ACCESS_ONCE(a);
568         if (q) {
569                 <read barrier>
570                 p = ACCESS_ONCE(b);
571         }
572
573 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
574 in the following example:
575
576         q = ACCESS_ONCE(a);
577         if (q) {
578                 ACCESS_ONCE(b) = p;
579         }
580
581 Please note that ACCESS_ONCE() is not optional!  Without the
582 ACCESS_ONCE(), might combine the load from 'a' with other loads from
583 'a', and the store to 'b' with other stores to 'b', with possible highly
584 counterintuitive effects on ordering.
585
586 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
587 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
588 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
589 as follows:
590
591         q = a;
592         b = p;  /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */
593
594 So don't leave out the ACCESS_ONCE().
595
596 It is tempting to try to enforce ordering on identical stores on both
597 branches of the "if" statement as follows:
598
599         q = ACCESS_ONCE(a);
600         if (q) {
601                 barrier();
602                 ACCESS_ONCE(b) = p;
603                 do_something();
604         } else {
605                 barrier();
606                 ACCESS_ONCE(b) = p;
607                 do_something_else();
608         }
609
610 Unfortunately, current compilers will transform this as follows at high
611 optimization levels:
612
613         q = ACCESS_ONCE(a);
614         barrier();
615         ACCESS_ONCE(b) = p;  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
616         if (q) {
617                 /* ACCESS_ONCE(b) = p; -- moved up, BUG!!! */
618                 do_something();
619         } else {
620                 /* ACCESS_ONCE(b) = p; -- moved up, BUG!!! */
621                 do_something_else();
622         }
623
624 Now there is no conditional between the load from 'a' and the store to
625 'b', which means that the CPU is within its rights to reorder them:
626 The conditional is absolutely required, and must be present in the
627 assembly code even after all compiler optimizations have been applied.
628 Therefore, if you need ordering in this example, you need explicit
629 memory barriers, for example, smp_store_release():
630
631         q = ACCESS_ONCE(a);
632         if (q) {
633                 smp_store_release(&b, p);
634                 do_something();
635         } else {
636                 smp_store_release(&b, p);
637                 do_something_else();
638         }
639
640 In contrast, without explicit memory barriers, two-legged-if control
641 ordering is guaranteed only when the stores differ, for example:
642
643         q = ACCESS_ONCE(a);
644         if (q) {
645                 ACCESS_ONCE(b) = p;
646                 do_something();
647         } else {
648                 ACCESS_ONCE(b) = r;
649                 do_something_else();
650         }
651
652 The initial ACCESS_ONCE() is still required to prevent the compiler from
653 proving the value of 'a'.
654
655 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
656 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
657 the needed conditional.  For example:
658
659         q = ACCESS_ONCE(a);
660         if (q % MAX) {
661                 ACCESS_ONCE(b) = p;
662                 do_something();
663         } else {
664                 ACCESS_ONCE(b) = r;
665                 do_something_else();
666         }
667
668 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
669 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
670 transform the above code into the following:
671
672         q = ACCESS_ONCE(a);
673         ACCESS_ONCE(b) = p;
674         do_something_else();
675
676 Given this transformation, the CPU is not required to respect the ordering
677 between the load from variable 'a' and the store to variable 'b'.  It is
678 tempting to add a barrier(), but this does not help.  The conditional
679 is gone, and the barrier won't bring it back.  Therefore, if you are
680 relying on this ordering, you should make sure that MAX is greater than
681 one, perhaps as follows:
682
683         q = ACCESS_ONCE(a);
684         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
685         if (q % MAX) {
686                 ACCESS_ONCE(b) = p;
687                 do_something();
688         } else {
689                 ACCESS_ONCE(b) = r;
690                 do_something_else();
691         }
692
693 Please note once again that the stores to 'b' differ.  If they were
694 identical, as noted earlier, the compiler could pull this store outside
695 of the 'if' statement.
696
697 Finally, control dependencies do -not- provide transitivity.  This is
698 demonstrated by two related examples, with the initial values of
699 x and y both being zero:
700
701         CPU 0                     CPU 1
702         =====================     =====================
703         r1 = ACCESS_ONCE(x);      r2 = ACCESS_ONCE(y);
704         if (r1 > 0)               if (r2 > 0)
705           ACCESS_ONCE(y) = 1;       ACCESS_ONCE(x) = 1;
706
707         assert(!(r1 == 1 && r2 == 1));
708
709 The above two-CPU example will never trigger the assert().  However,
710 if control dependencies guaranteed transitivity (which they do not),
711 then adding the following CPU would guarantee a related assertion:
712
713         CPU 2
714         =====================
715         ACCESS_ONCE(x) = 2;
716
717         assert(!(r1 == 2 && r2 == 1 && x == 2)); /* FAILS!!! */
718
719 But because control dependencies do -not- provide transitivity, the above
720 assertion can fail after the combined three-CPU example completes.  If you
721 need the three-CPU example to provide ordering, you will need smp_mb()
722 between the loads and stores in the CPU 0 and CPU 1 code fragments,
723 that is, just before or just after the "if" statements.
724
725 These two examples are the LB and WWC litmus tests from this paper:
726 http://www.cl.cam.ac.uk/users/pes20/ppc-supplemental/test6.pdf and this
727 site: https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/ppcmem/index.html.
728
729 In summary:
730
731   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
732       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
733       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
734       later anything.  If you need these other forms of ordering,
735       use smb_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
736       later loads, smp_mb().
737
738   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores
739       to the same variable, a barrier() statement is required at the
740       beginning of each leg of the "if" statement.
741
742   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
743       between the prior load and the subsequent store, and this
744       conditional must involve the prior load.  If the compiler
745       is able to optimize the conditional away, it will have also
746       optimized away the ordering.  Careful use of ACCESS_ONCE() can
747       help to preserve the needed conditional.
748
749   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
750       dependency into nonexistence.  Careful use of ACCESS_ONCE() or
751       barrier() can help to preserve your control dependency.  Please
752       see the Compiler Barrier section for more information.
753
754   (*) Control dependencies do -not- provide transitivity.  If you
755       need transitivity, use smp_mb().
756
757
758 SMP BARRIER PAIRING
759 -------------------
760
761 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
762 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
763
764 General barriers pair with each other, though they also pair with
765 most other types of barriers, albeit without transitivity.  An acquire
766 barrier pairs with a release barrier, but both may also pair with other
767 barriers, including of course general barriers.  A write barrier pairs
768 with a data dependency barrier, an acquire barrier, a release barrier,
769 a read barrier, or a general barrier.  Similarly a read barrier or a
770 data dependency barrier pairs with a write barrier, an acquire barrier,
771 a release barrier, or a general barrier:
772
773         CPU 1                 CPU 2
774         ===============       ===============
775         ACCESS_ONCE(a) = 1;
776         <write barrier>
777         ACCESS_ONCE(b) = 2;   x = ACCESS_ONCE(b);
778                               <read barrier>
779                               y = ACCESS_ONCE(a);
780
781 Or:
782
783         CPU 1                 CPU 2
784         ===============       ===============================
785         a = 1;
786         <write barrier>
787         ACCESS_ONCE(b) = &a;  x = ACCESS_ONCE(b);
788                               <data dependency barrier>
789                               y = *x;
790
791 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
792 the "weaker" type.
793
794 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
795 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
796 versa:
797
798         CPU 1                               CPU 2
799         ===================                 ===================
800         ACCESS_ONCE(a) = 1;  }----   --->{  v = ACCESS_ONCE(c);
801         ACCESS_ONCE(b) = 2;  }    \ /    {  w = ACCESS_ONCE(d);
802         <write barrier>            \        <read barrier>
803         ACCESS_ONCE(c) = 3;  }    / \    {  x = ACCESS_ONCE(a);
804         ACCESS_ONCE(d) = 4;  }----   --->{  y = ACCESS_ONCE(b);
805
806
807 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
808 ------------------------------------
809
810 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
811 Consider the following sequence of events:
812
813         CPU 1
814         =======================
815         STORE A = 1
816         STORE B = 2
817         STORE C = 3
818         <write barrier>
819         STORE D = 4
820         STORE E = 5
821
822 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
823 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
824 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
825 }:
826
827         +-------+       :      :
828         |       |       +------+
829         |       |------>| C=3  |     }     /\
830         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
831         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
832         |       |  :    +------+     }
833         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
834         |       |       +------+     }
835         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
836         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
837         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
838         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
839         |       |------>| D=4  |     }
840         |       |       +------+
841         +-------+       :      :
842                            |
843                            | Sequence in which stores are committed to the
844                            | memory system by CPU 1
845                            V
846
847
848 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
849 loads.  Consider the following sequence of events:
850
851         CPU 1                   CPU 2
852         ======================= =======================
853                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
854         STORE A = 1
855         STORE B = 2
856         <write barrier>
857         STORE C = &B            LOAD X
858         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
859                                 LOAD *C (reads B)
860
861 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
862 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
863
864         +-------+       :      :                :       :
865         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
866         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
867         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
868         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
869         |       |       +------+       |        +-------+
870         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
871         |       |       +------+       |        :       :
872         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
873         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
874         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
875         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
876         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
877                                        |        :       :       |       |
878                                        |        :       :       | CPU 2 |
879                                        |        +-------+       |       |
880             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
881             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
882                                        |        :       :       |       |
883                                        |        +-------+       |       |
884             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
885             up the maintenance           \      +-------+       |       |
886             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
887                                                 +-------+
888                                                 :       :
889
890
891 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
892 (which would be B) coming after the LOAD of C.
893
894 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
895 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
896
897         CPU 1                   CPU 2
898         ======================= =======================
899                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
900         STORE A = 1
901         STORE B = 2
902         <write barrier>
903         STORE C = &B            LOAD X
904         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
905                                 <data dependency barrier>
906                                 LOAD *C (reads B)
907
908 then the following will occur:
909
910         +-------+       :      :                :       :
911         |       |       +------+                +-------+
912         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
913         |       |  :    +------+     \          +-------+
914         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
915         |       |       +------+       |        +-------+
916         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
917         |       |       +------+       |        :       :
918         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
919         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
920         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
921         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
922         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
923                                        |        :       :       |       |
924                                        |        :       :       | CPU 2 |
925                                        |        +-------+       |       |
926                                        |        | X->9  |------>|       |
927                                        |        +-------+       |       |
928           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
929           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
930           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
931           subsequent loads                      +-------+       |       |
932                                                 :       :       +-------+
933
934
935 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
936 following sequence of events:
937
938         CPU 1                   CPU 2
939         ======================= =======================
940                 { A = 0, B = 9 }
941         STORE A=1
942         <write barrier>
943         STORE B=2
944                                 LOAD B
945                                 LOAD A
946
947 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
948 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
949
950         +-------+       :      :                :       :
951         |       |       +------+                +-------+
952         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
953         |       |       +------+      \         +-------+
954         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
955         |       |       +------+        |       +-------+
956         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
957         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
958         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
959                                      ---------->| B->2  |------>|       |
960                                         |       +-------+       | CPU 2 |
961                                         |       | A->0  |------>|       |
962                                         |       +-------+       |       |
963                                         |       :       :       +-------+
964                                          \      :       :
965                                           \     +-------+
966                                            ---->| A->1  |
967                                                 +-------+
968                                                 :       :
969
970
971 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
972 load of A on CPU 2:
973
974         CPU 1                   CPU 2
975         ======================= =======================
976                 { A = 0, B = 9 }
977         STORE A=1
978         <write barrier>
979         STORE B=2
980                                 LOAD B
981                                 <read barrier>
982                                 LOAD A
983
984 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
985 2:
986
987         +-------+       :      :                :       :
988         |       |       +------+                +-------+
989         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
990         |       |       +------+      \         +-------+
991         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
992         |       |       +------+        |       +-------+
993         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
994         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
995         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
996                                      ---------->| B->2  |------>|       |
997                                         |       +-------+       | CPU 2 |
998                                         |       :       :       |       |
999                                         |       :       :       |       |
1000           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1001           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1002           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1003           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1004                                                 :       :       +-------+
1005
1006
1007 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1008 contained a load of A either side of the read barrier:
1009
1010         CPU 1                   CPU 2
1011         ======================= =======================
1012                 { A = 0, B = 9 }
1013         STORE A=1
1014         <write barrier>
1015         STORE B=2
1016                                 LOAD B
1017                                 LOAD A [first load of A]
1018                                 <read barrier>
1019                                 LOAD A [second load of A]
1020
1021 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1022 come up with different values:
1023
1024         +-------+       :      :                :       :
1025         |       |       +------+                +-------+
1026         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1027         |       |       +------+      \         +-------+
1028         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1029         |       |       +------+        |       +-------+
1030         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1031         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1032         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1033                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1034                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1035                                         |       :       :       |       |
1036                                         |       :       :       |       |
1037                                         |       +-------+       |       |
1038                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1039                                         |       +-------+       |       |
1040           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1041           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1042           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1043           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1044                                                 :       :       +-------+
1045
1046
1047 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1048 before the read barrier completes anyway:
1049
1050         +-------+       :      :                :       :
1051         |       |       +------+                +-------+
1052         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1053         |       |       +------+      \         +-------+
1054         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1055         |       |       +------+        |       +-------+
1056         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1057         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1058         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1059                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1060                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1061                                         |       :       :       |       |
1062                                          \      :       :       |       |
1063                                           \     +-------+       |       |
1064                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1065                                                 +-------+       |       |
1066                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1067                                                 +-------+       |       |
1068                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1069                                                 +-------+       |       |
1070                                                 :       :       +-------+
1071
1072
1073 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1074 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1075 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1076
1077
1078 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1079 ----------------------------------------
1080
1081 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1082 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1083 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1084 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1085 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1086 already has the value to hand.
1087
1088 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1089 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1090 cache it for later use.
1091
1092 Consider:
1093
1094         CPU 1                   CPU 2
1095         ======================= =======================
1096                                 LOAD B
1097                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1098                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1099                                 LOAD A
1100
1101 Which might appear as this:
1102
1103                                                 :       :       +-------+
1104                                                 +-------+       |       |
1105                                             --->| B->2  |------>|       |
1106                                                 +-------+       | CPU 2 |
1107                                                 :       :DIVIDE |       |
1108                                                 +-------+       |       |
1109         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1110         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1111         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1112                                                 :       :DIVIDE |       |
1113                                                 :       :   ~   |       |
1114         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1115         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1116         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1117
1118
1119 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1120 load:
1121
1122         CPU 1                   CPU 2
1123         ======================= =======================
1124                                 LOAD B
1125                                 DIVIDE
1126                                 DIVIDE
1127                                 <read barrier>
1128                                 LOAD A
1129
1130 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1131 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1132 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1133
1134                                                 :       :       +-------+
1135                                                 +-------+       |       |
1136                                             --->| B->2  |------>|       |
1137                                                 +-------+       | CPU 2 |
1138                                                 :       :DIVIDE |       |
1139                                                 +-------+       |       |
1140         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1141         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1142         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1143                                                 :       :DIVIDE |       |
1144                                                 :       :   ~   |       |
1145                                                 :       :   ~   |       |
1146                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1147                                                 :       :   ~   |       |
1148                                                 :       :   ~-->|       |
1149                                                 :       :       |       |
1150                                                 :       :       +-------+
1151
1152
1153 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1154 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1155
1156                                                 :       :       +-------+
1157                                                 +-------+       |       |
1158                                             --->| B->2  |------>|       |
1159                                                 +-------+       | CPU 2 |
1160                                                 :       :DIVIDE |       |
1161                                                 +-------+       |       |
1162         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1163         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1164         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1165                                                 :       :DIVIDE |       |
1166                                                 :       :   ~   |       |
1167                                                 :       :   ~   |       |
1168                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1169                                                 +-------+       |       |
1170         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1171         and an updated value is                 +-------+       |       |
1172         retrieved                               :       :       +-------+
1173
1174
1175 TRANSITIVITY
1176 ------------
1177
1178 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1179 always provided by real computer systems.  The following example
1180 demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
1181
1182         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1183         ======================= ======================= =======================
1184                 { X = 0, Y = 0 }
1185         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1186                                 <general barrier>       <general barrier>
1187                                 LOAD Y                  LOAD X
1188
1189 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1190 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1191 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1192 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1193
1194 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1195 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1196 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1197 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1198 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1199 or must return some later value.
1200
1201 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1202 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1203 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1204 also return 1.
1205
1206 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1207 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1208 is changed to a read barrier as shown below:
1209
1210         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1211         ======================= ======================= =======================
1212                 { X = 0, Y = 0 }
1213         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1214                                 <read barrier>          <general barrier>
1215                                 LOAD Y                  LOAD X
1216
1217 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1218 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1219 and CPU 3's load from X to return 0.
1220
1221 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1222 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1223 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1224 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1225 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1226 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1227
1228 To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
1229 throughout.
1230
1231
1232 ========================
1233 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1234 ========================
1235
1236 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1237 levels:
1238
1239   (*) Compiler barrier.
1240
1241   (*) CPU memory barriers.
1242
1243   (*) MMIO write barrier.
1244
1245
1246 COMPILER BARRIER
1247 ----------------
1248
1249 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1250 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1251
1252         barrier();
1253
1254 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write variants
1255 of barrier().  However, ACCESS_ONCE() can be thought of as a weak form
1256 for barrier() that affects only the specific accesses flagged by the
1257 ACCESS_ONCE().
1258
1259 The barrier() function has the following effects:
1260
1261  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1262      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1263      One example use for this property is to ease communication between
1264      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1265
1266  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1267      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1268
1269 The ACCESS_ONCE() function can prevent any number of optimizations that,
1270 while perfectly safe in single-threaded code, can be fatal in concurrent
1271 code.  Here are some examples of these sorts of optimizations:
1272
1273  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1274      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1275      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1276      the following code:
1277
1278         a[0] = x;
1279         a[1] = x;
1280
1281      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1282      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1283
1284         a[0] = ACCESS_ONCE(x);
1285         a[1] = ACCESS_ONCE(x);
1286
1287      In short, ACCESS_ONCE() provides cache coherence for accesses from
1288      multiple CPUs to a single variable.
1289
1290  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1291      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1292      the following code:
1293
1294         while (tmp = a)
1295                 do_something_with(tmp);
1296
1297      into the following code, which, although in some sense legitimate
1298      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1299      intended:
1300
1301         if (tmp = a)
1302                 for (;;)
1303                         do_something_with(tmp);
1304
1305      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1306
1307         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1308                 do_something_with(tmp);
1309
1310  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1311      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1312      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1313      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1314
1315         while (tmp = a)
1316                 do_something_with(tmp);
1317
1318      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1319      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1320
1321         while (a)
1322                 do_something_with(a);
1323
1324      For example, the optimized version of this code could result in
1325      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1326      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1327      the call to do_something_with().
1328
1329      Again, use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1330
1331         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1332                 do_something_with(tmp);
1333
1334      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1335      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1336      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1337      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1338      where it is not safe.
1339
1340  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1341      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1342      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1343
1344         while (tmp = a)
1345                 do_something_with(tmp);
1346
1347      Into this:
1348
1349         do { } while (0);
1350
1351      This transformation is a win for single-threaded code because it gets
1352      rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler will
1353      carry out its proof assuming that the current CPU is the only one
1354      updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the compiler's
1355      proof will be erroneous.  Use ACCESS_ONCE() to tell the compiler
1356      that it doesn't know as much as it thinks it does:
1357
1358         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1359                 do_something_with(tmp);
1360
1361      But please note that the compiler is also closely watching what you
1362      do with the value after the ACCESS_ONCE().  For example, suppose you
1363      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1364
1365         while ((tmp = ACCESS_ONCE(a)) % MAX)
1366                 do_something_with(tmp);
1367
1368      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1369      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1370      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1371      variable 'a'.)
1372
1373  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1374      if it knows that the variable already has the value being stored.
1375      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1376      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1377      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1378      the following:
1379
1380         a = 0;
1381         /* Code that does not store to variable a. */
1382         a = 0;
1383
1384      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1385      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1386      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1387      meantime.
1388
1389      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1390      wrong guess:
1391
1392         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1393         /* Code that does not store to variable a. */
1394         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1395
1396  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1397      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1398      between process-level code and an interrupt handler:
1399
1400         void process_level(void)
1401         {
1402                 msg = get_message();
1403                 flag = true;
1404         }
1405
1406         void interrupt_handler(void)
1407         {
1408                 if (flag)
1409                         process_message(msg);
1410         }
1411
1412      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1413      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1414      win for single-threaded code:
1415
1416         void process_level(void)
1417         {
1418                 flag = true;
1419                 msg = get_message();
1420         }
1421
1422      If the interrupt occurs between these two statement, then
1423      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use ACCESS_ONCE()
1424      to prevent this as follows:
1425
1426         void process_level(void)
1427         {
1428                 ACCESS_ONCE(msg) = get_message();
1429                 ACCESS_ONCE(flag) = true;
1430         }
1431
1432         void interrupt_handler(void)
1433         {
1434                 if (ACCESS_ONCE(flag))
1435                         process_message(ACCESS_ONCE(msg));
1436         }
1437
1438      Note that the ACCESS_ONCE() wrappers in interrupt_handler()
1439      are needed if this interrupt handler can itself be interrupted
1440      by something that also accesses 'flag' and 'msg', for example,
1441      a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, ACCESS_ONCE() is not
1442      needed in interrupt_handler() other than for documentation purposes.
1443      (Note also that nested interrupts do not typically occur in modern
1444      Linux kernels, in fact, if an interrupt handler returns with
1445      interrupts enabled, you will get a WARN_ONCE() splat.)
1446
1447      You should assume that the compiler can move ACCESS_ONCE() past
1448      code not containing ACCESS_ONCE(), barrier(), or similar primitives.
1449
1450      This effect could also be achieved using barrier(), but ACCESS_ONCE()
1451      is more selective:  With ACCESS_ONCE(), the compiler need only forget
1452      the contents of the indicated memory locations, while with barrier()
1453      the compiler must discard the value of all memory locations that
1454      it has currented cached in any machine registers.  Of course,
1455      the compiler must also respect the order in which the ACCESS_ONCE()s
1456      occur, though the CPU of course need not do so.
1457
1458  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1459      as in the following example:
1460
1461         if (a)
1462                 b = a;
1463         else
1464                 b = 42;
1465
1466      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1467
1468         b = 42;
1469         if (a)
1470                 b = a;
1471
1472      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1473      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1474      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1475      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1476      Use ACCESS_ONCE() to prevent this as follows:
1477
1478         if (a)
1479                 ACCESS_ONCE(b) = a;
1480         else
1481                 ACCESS_ONCE(b) = 42;
1482
1483      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1484      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1485      poor performance and scalability.  Use ACCESS_ONCE() to prevent
1486      invented loads.
1487
1488  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1489      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1490      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1491      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1492      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1493      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1494      implement the following 32-bit store:
1495
1496         p = 0x00010002;
1497
1498      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1499      which is not surprising given that it would likely take more
1500      than two instructions to build the constant and then store it.
1501      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1502      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1503      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1504      use of ACCESS_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1505
1506         ACCESS_ONCE(p) = 0x00010002;
1507
1508      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1509      as in this example:
1510
1511         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1512                 short a;
1513                 int b;
1514                 short c;
1515         };
1516         struct foo foo1, foo2;
1517         ...
1518
1519         foo2.a = foo1.a;
1520         foo2.b = foo1.b;
1521         foo2.c = foo1.c;
1522
1523      Because there are no ACCESS_ONCE() wrappers and no volatile markings,
1524      the compiler would be well within its rights to implement these three
1525      assignment statements as a pair of 32-bit loads followed by a pair
1526      of 32-bit stores.  This would result in load tearing on 'foo1.b'
1527      and store tearing on 'foo2.b'.  ACCESS_ONCE() again prevents tearing
1528      in this example:
1529
1530         foo2.a = foo1.a;
1531         ACCESS_ONCE(foo2.b) = ACCESS_ONCE(foo1.b);
1532         foo2.c = foo1.c;
1533
1534 All that aside, it is never necessary to use ACCESS_ONCE() on a variable
1535 that has been marked volatile.  For example, because 'jiffies' is marked
1536 volatile, it is never necessary to say ACCESS_ONCE(jiffies).  The reason
1537 for this is that ACCESS_ONCE() is implemented as a volatile cast, which
1538 has no effect when its argument is already marked volatile.
1539
1540 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1541 which may then reorder things however it wishes.
1542
1543
1544 CPU MEMORY BARRIERS
1545 -------------------
1546
1547 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1548
1549         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1550         =============== ======================= ===========================
1551         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1552         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1553         READ            rmb()                   smp_rmb()
1554         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1555
1556
1557 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1558 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1559
1560 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected to
1561 issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load the value
1562 of b before loading a[b]), however there is no guarantee in the C specification
1563 that the compiler may not speculate the value of b (eg. is equal to 1) and load
1564 a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ). There is also the
1565 problem of a compiler reloading b after having loaded a[b], thus having a newer
1566 copy of b than a[b]. A consensus has not yet been reached about these problems,
1567 however the ACCESS_ONCE macro is a good place to start looking.
1568
1569 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1570 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1571 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1572
1573 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1574 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1575 is sufficient.
1576
1577 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1578 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
1579 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
1580 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
1581 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
1582 CPU from reordering them.
1583
1584
1585 There are some more advanced barrier functions:
1586
1587  (*) set_mb(var, value)
1588
1589      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1590      barrier after it, depending on the function.  It isn't guaranteed to
1591      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
1592
1593
1594  (*) smp_mb__before_atomic();
1595  (*) smp_mb__after_atomic();
1596
1597      These are for use with atomic (such as add, subtract, increment and
1598      decrement) functions that don't return a value, especially when used for
1599      reference counting.  These functions do not imply memory barriers.
1600
1601      These are also used for atomic bitop functions that do not return a
1602      value (such as set_bit and clear_bit).
1603
1604      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1605      and then decrements the object's reference count:
1606
1607         obj->dead = 1;
1608         smp_mb__before_atomic();
1609         atomic_dec(&obj->ref_count);
1610
1611      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1612      *before* the reference counter is decremented.
1613
1614      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1615      operations" subsection for information on where to use these.
1616
1617
1618 MMIO WRITE BARRIER
1619 ------------------
1620
1621 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1622 writes:
1623
1624         mmiowb();
1625
1626 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1627 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1628 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1629
1630 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1631
1632
1633 ===============================
1634 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1635 ===============================
1636
1637 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1638 which are locking and scheduling functions.
1639
1640 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1641 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1642 of arch specific code.
1643
1644
1645 ACQUIRING FUNCTIONS
1646 -------------------
1647
1648 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1649
1650  (*) spin locks
1651  (*) R/W spin locks
1652  (*) mutexes
1653  (*) semaphores
1654  (*) R/W semaphores
1655  (*) RCU
1656
1657 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1658 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1659
1660  (1) ACQUIRE operation implication:
1661
1662      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
1663      ACQUIRE operation has completed.
1664
1665      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
1666      the ACQUIRE operation has completed.  An smp_mb__before_spinlock(),
1667      combined with a following ACQUIRE, orders prior loads against
1668      subsequent loads and stores and also orders prior stores against
1669      subsequent stores.  Note that this is weaker than smp_mb()!  The
1670      smp_mb__before_spinlock() primitive is free on many architectures.
1671
1672  (2) RELEASE operation implication:
1673
1674      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
1675      RELEASE operation has completed.
1676
1677      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
1678      RELEASE operation has completed.
1679
1680  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
1681
1682      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
1683      completed before that ACQUIRE operation.
1684
1685  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
1686
1687      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
1688      completed before the RELEASE operation.
1689
1690  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
1691
1692      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
1693      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1694      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1695      locks do not imply any sort of barrier.
1696
1697 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
1698 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
1699 section may seep into the inside of the critical section.
1700
1701 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
1702 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
1703 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
1704 the two accesses can themselves then cross:
1705
1706         *A = a;
1707         ACQUIRE M
1708         RELEASE M
1709         *B = b;
1710
1711 may occur as:
1712
1713         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1714
1715 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
1716 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
1717 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
1718 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
1719 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
1720
1721 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does not
1722 imply a full memory barrier.  If it is necessary for a RELEASE-ACQUIRE
1723 pair to produce a full barrier, the ACQUIRE can be followed by an
1724 smp_mb__after_unlock_lock() invocation.  This will produce a full barrier
1725 if either (a) the RELEASE and the ACQUIRE are executed by the same
1726 CPU or task, or (b) the RELEASE and ACQUIRE act on the same variable.
1727 The smp_mb__after_unlock_lock() primitive is free on many architectures.
1728 Without smp_mb__after_unlock_lock(), the CPU's execution of the critical
1729 sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross, so that:
1730
1731         *A = a;
1732         RELEASE M
1733         ACQUIRE N
1734         *B = b;
1735
1736 could occur as:
1737
1738         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1739
1740 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
1741 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
1742 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
1743
1744         Why does this work?
1745
1746         One key point is that we are only talking about the CPU doing
1747         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
1748         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
1749         -could- occur.
1750
1751         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
1752         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
1753         simply elected to try executing the later lock operation first.
1754         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
1755         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
1756         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
1757         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
1758         allowing the lock operation to succeed.
1759
1760         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
1761         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
1762         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
1763         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
1764         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
1765         such races properly in any case.
1766
1767 With smp_mb__after_unlock_lock(), the two critical sections cannot overlap.
1768 For example, with the following code, the store to *A will always be
1769 seen by other CPUs before the store to *B:
1770
1771         *A = a;
1772         RELEASE M
1773         ACQUIRE N
1774         smp_mb__after_unlock_lock();
1775         *B = b;
1776
1777 The operations will always occur in one of the following orders:
1778
1779         STORE *A, RELEASE, ACQUIRE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1780         STORE *A, ACQUIRE, RELEASE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1781         ACQUIRE, STORE *A, RELEASE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1782
1783 If the RELEASE and ACQUIRE were instead both operating on the same lock
1784 variable, only the first of these alternatives can occur.  In addition,
1785 the more strongly ordered systems may rule out some of the above orders.
1786 But in any case, as noted earlier, the smp_mb__after_unlock_lock()
1787 ensures that the store to *A will always be seen as happening before
1788 the store to *B.
1789
1790 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1791 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1792 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1793 with interrupt disabling operations.
1794
1795 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1796
1797
1798 As an example, consider the following:
1799
1800         *A = a;
1801         *B = b;
1802         ACQUIRE
1803         *C = c;
1804         *D = d;
1805         RELEASE
1806         *E = e;
1807         *F = f;
1808
1809 The following sequence of events is acceptable:
1810
1811         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
1812
1813         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
1814
1815 But none of the following are:
1816
1817         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
1818         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
1819         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
1820         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
1821
1822
1823
1824 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1825 -----------------------------
1826
1827 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
1828 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1829 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1830 other means.
1831
1832
1833 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
1834 ---------------------------
1835
1836 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
1837 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
1838 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
1839 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
1840 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
1841 barriers.
1842
1843 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
1844
1845         for (;;) {
1846                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1847                 if (event_indicated)
1848                         break;
1849                 schedule();
1850         }
1851
1852 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
1853 after it has altered the task state:
1854
1855         CPU 1
1856         ===============================
1857         set_current_state();
1858           set_mb();
1859             STORE current->state
1860             <general barrier>
1861         LOAD event_indicated
1862
1863 set_current_state() may be wrapped by:
1864
1865         prepare_to_wait();
1866         prepare_to_wait_exclusive();
1867
1868 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
1869 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
1870 interpolate the memory barrier in the right place:
1871
1872         wait_event();
1873         wait_event_interruptible();
1874         wait_event_interruptible_exclusive();
1875         wait_event_interruptible_timeout();
1876         wait_event_killable();
1877         wait_event_timeout();
1878         wait_on_bit();
1879         wait_on_bit_lock();
1880
1881
1882 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
1883
1884         event_indicated = 1;
1885         wake_up(&event_wait_queue);
1886
1887 or:
1888
1889         event_indicated = 1;
1890         wake_up_process(event_daemon);
1891
1892 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
1893 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
1894 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
1895
1896         CPU 1                           CPU 2
1897         =============================== ===============================
1898         set_current_state();            STORE event_indicated
1899           set_mb();                     wake_up();
1900             STORE current->state          <write barrier>
1901             <general barrier>             STORE current->state
1902         LOAD event_indicated
1903
1904 To repeat, this write memory barrier is present if and only if something
1905 is actually awakened.  To see this, consider the following sequence of
1906 events, where X and Y are both initially zero:
1907
1908         CPU 1                           CPU 2
1909         =============================== ===============================
1910         X = 1;                          STORE event_indicated
1911         smp_mb();                       wake_up();
1912         Y = 1;                          wait_event(wq, Y == 1);
1913         wake_up();                        load from Y sees 1, no memory barrier
1914                                         load from X might see 0
1915
1916 In contrast, if a wakeup does occur, CPU 2's load from X would be guaranteed
1917 to see 1.
1918
1919 The available waker functions include:
1920
1921         complete();
1922         wake_up();
1923         wake_up_all();
1924         wake_up_bit();
1925         wake_up_interruptible();
1926         wake_up_interruptible_all();
1927         wake_up_interruptible_nr();
1928         wake_up_interruptible_poll();
1929         wake_up_interruptible_sync();
1930         wake_up_interruptible_sync_poll();
1931         wake_up_locked();
1932         wake_up_locked_poll();
1933         wake_up_nr();
1934         wake_up_poll();
1935         wake_up_process();
1936
1937
1938 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
1939 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
1940 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
1941 sleeper does:
1942
1943         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1944         if (event_indicated)
1945                 break;
1946         __set_current_state(TASK_RUNNING);
1947         do_something(my_data);
1948
1949 and the waker does:
1950
1951         my_data = value;
1952         event_indicated = 1;
1953         wake_up(&event_wait_queue);
1954
1955 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
1956 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
1957 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
1958 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
1959
1960         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1961         if (event_indicated) {
1962                 smp_rmb();
1963                 do_something(my_data);
1964         }
1965
1966 and the waker should do:
1967
1968         my_data = value;
1969         smp_wmb();
1970         event_indicated = 1;
1971         wake_up(&event_wait_queue);
1972
1973
1974 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
1975 -----------------------
1976
1977 Other functions that imply barriers:
1978
1979  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1980
1981
1982 ===================================
1983 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
1984 ===================================
1985
1986 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
1987 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
1988 conflict on any particular lock.
1989
1990
1991 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
1992 ---------------------------
1993
1994 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
1995 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
1996
1997         CPU 1                           CPU 2
1998         =============================== ===============================
1999         ACCESS_ONCE(*A) = a;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
2000         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2001         ACCESS_ONCE(*B) = b;            ACCESS_ONCE(*F) = f;
2002         ACCESS_ONCE(*C) = c;            ACCESS_ONCE(*G) = g;
2003         RELEASE M                       RELEASE Q
2004         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*H) = h;
2005
2006 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2007 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2008 on the separate CPUs. It might, for example, see:
2009
2010         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2011
2012 But it won't see any of:
2013
2014         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2015         *A, *B or *C following RELEASE M
2016         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2017         *E, *F or *G following RELEASE Q
2018
2019
2020 However, if the following occurs:
2021
2022         CPU 1                           CPU 2
2023         =============================== ===============================
2024         ACCESS_ONCE(*A) = a;
2025         ACQUIRE M                    [1]
2026         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2027         ACCESS_ONCE(*C) = c;
2028         RELEASE M            [1]
2029         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
2030                                         ACQUIRE M                    [2]
2031                                         smp_mb__after_unlock_lock();
2032                                         ACCESS_ONCE(*F) = f;
2033                                         ACCESS_ONCE(*G) = g;
2034                                         RELEASE M            [2]
2035                                         ACCESS_ONCE(*H) = h;
2036
2037 CPU 3 might see:
2038
2039         *E, ACQUIRE M [1], *C, *B, *A, RELEASE M [1],
2040                 ACQUIRE M [2], *H, *F, *G, RELEASE M [2], *D
2041
2042 But assuming CPU 1 gets the lock first, CPU 3 won't see any of:
2043
2044         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [1]
2045         *A, *B or *C following RELEASE M [1]
2046         *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [2]
2047         *A, *B, *C, *E, *F or *G following RELEASE M [2]
2048
2049 Note that the smp_mb__after_unlock_lock() is critically important
2050 here: Without it CPU 3 might see some of the above orderings.
2051 Without smp_mb__after_unlock_lock(), the accesses are not guaranteed
2052 to be seen in order unless CPU 3 holds lock M.
2053
2054
2055 ACQUIRES VS I/O ACCESSES
2056 ------------------------
2057
2058 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
2059 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
2060 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
2061 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
2062 read memory barriers.
2063
2064 For example:
2065
2066         CPU 1                           CPU 2
2067         =============================== ===============================
2068         spin_lock(Q)
2069         writel(0, ADDR)
2070         writel(1, DATA);
2071         spin_unlock(Q);
2072                                         spin_lock(Q);
2073                                         writel(4, ADDR);
2074                                         writel(5, DATA);
2075                                         spin_unlock(Q);
2076
2077 may be seen by the PCI bridge as follows:
2078
2079         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
2080
2081 which would probably cause the hardware to malfunction.
2082
2083
2084 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
2085 spinlock, for example:
2086
2087         CPU 1                           CPU 2
2088         =============================== ===============================
2089         spin_lock(Q)
2090         writel(0, ADDR)
2091         writel(1, DATA);
2092         mmiowb();
2093         spin_unlock(Q);
2094                                         spin_lock(Q);
2095                                         writel(4, ADDR);
2096                                         writel(5, DATA);
2097                                         mmiowb();
2098                                         spin_unlock(Q);
2099
2100 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
2101 before either of the stores issued on CPU 2.
2102
2103
2104 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
2105 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
2106 is performed:
2107
2108         CPU 1                           CPU 2
2109         =============================== ===============================
2110         spin_lock(Q)
2111         writel(0, ADDR)
2112         a = readl(DATA);
2113         spin_unlock(Q);
2114                                         spin_lock(Q);
2115                                         writel(4, ADDR);
2116                                         b = readl(DATA);
2117                                         spin_unlock(Q);
2118
2119
2120 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2121
2122
2123 =================================
2124 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2125 =================================
2126
2127 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2128 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2129 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2130 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2131
2132  (*) Interprocessor interaction.
2133
2134  (*) Atomic operations.
2135
2136  (*) Accessing devices.
2137
2138  (*) Interrupts.
2139
2140
2141 INTERPROCESSOR INTERACTION
2142 --------------------------
2143
2144 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2145 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2146 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2147 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2148 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2149 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2150 a malfunction.
2151
2152 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2153 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2154 the semaphore's list of waiting processes:
2155
2156         struct rw_semaphore {
2157                 ...
2158                 spinlock_t lock;
2159                 struct list_head waiters;
2160         };
2161
2162         struct rwsem_waiter {
2163                 struct list_head list;
2164                 struct task_struct *task;
2165         };
2166
2167 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2168
2169  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2170      next waiter record is;
2171
2172  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2173
2174  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2175
2176  (4) call wake_up_process() on the task; and
2177
2178  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2179
2180 In other words, it has to perform this sequence of events:
2181
2182         LOAD waiter->list.next;
2183         LOAD waiter->task;
2184         STORE waiter->task;
2185         CALL wakeup
2186         RELEASE task
2187
2188 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2189 malfunction.
2190
2191 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2192 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2193 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2194 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2195 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2196 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2197
2198 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2199
2200         CPU 1                           CPU 2
2201         =============================== ===============================
2202                                         down_xxx()
2203                                         Queue waiter
2204                                         Sleep
2205         up_yyy()
2206         LOAD waiter->task;
2207         STORE waiter->task;
2208                                         Woken up by other event
2209         <preempt>
2210                                         Resume processing
2211                                         down_xxx() returns
2212                                         call foo()
2213                                         foo() clobbers *waiter
2214         </preempt>
2215         LOAD waiter->list.next;
2216         --- OOPS ---
2217
2218 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2219 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2220
2221 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2222
2223         LOAD waiter->list.next;
2224         LOAD waiter->task;
2225         smp_mb();
2226         STORE waiter->task;
2227         CALL wakeup
2228         RELEASE task
2229
2230 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2231 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2232 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2233 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2234 instruction itself is complete.
2235
2236 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2237 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2238 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2239 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2240
2241
2242 ATOMIC OPERATIONS
2243 -----------------
2244
2245 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2246 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2247 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2248 kernel.
2249
2250 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
2251 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
2252 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
2253 explicit lock operations, described later).  These include:
2254
2255         xchg();
2256         cmpxchg();
2257         atomic_xchg();                  atomic_long_xchg();
2258         atomic_cmpxchg();               atomic_long_cmpxchg();
2259         atomic_inc_return();            atomic_long_inc_return();
2260         atomic_dec_return();            atomic_long_dec_return();
2261         atomic_add_return();            atomic_long_add_return();
2262         atomic_sub_return();            atomic_long_sub_return();
2263         atomic_inc_and_test();          atomic_long_inc_and_test();
2264         atomic_dec_and_test();          atomic_long_dec_and_test();
2265         atomic_sub_and_test();          atomic_long_sub_and_test();
2266         atomic_add_negative();          atomic_long_add_negative();
2267         test_and_set_bit();
2268         test_and_clear_bit();
2269         test_and_change_bit();
2270
2271         /* when succeeds (returns 1) */
2272         atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
2273
2274 These are used for such things as implementing ACQUIRE-class and RELEASE-class
2275 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
2276 such the implicit memory barrier effects are necessary.
2277
2278
2279 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
2280 barriers, but might be used for implementing such things as RELEASE-class
2281 operations:
2282
2283         atomic_set();
2284         set_bit();
2285         clear_bit();
2286         change_bit();
2287
2288 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
2289 (smp_mb__before_atomic() for instance).
2290
2291
2292 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
2293 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic() for
2294 instance):
2295
2296         atomic_add();
2297         atomic_sub();
2298         atomic_inc();
2299         atomic_dec();
2300
2301 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
2302 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
2303
2304 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
2305 they probably don't need memory barriers because either the reference count
2306 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
2307 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
2308
2309 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
2310 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
2311 specific order.
2312
2313 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
2314 barriers are needed or not.
2315
2316 The following operations are special locking primitives:
2317
2318         test_and_set_bit_lock();
2319         clear_bit_unlock();
2320         __clear_bit_unlock();
2321
2322 These implement ACQUIRE-class and RELEASE-class operations. These should be used in
2323 preference to other operations when implementing locking primitives, because
2324 their implementations can be optimised on many architectures.
2325
2326 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
2327 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
2328 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
2329 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
2330
2331 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
2332
2333
2334 ACCESSING DEVICES
2335 -----------------
2336
2337 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2338 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2339 make the right memory accesses in exactly the right order.
2340
2341 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2342 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2343 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2344 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2345 the device to malfunction.
2346
2347 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2348 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2349 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2350 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2351 might be needed:
2352
2353  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2354      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2355      issued prior to unlocking the critical section.
2356
2357  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2358      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2359      required to enforce ordering.
2360
2361 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2362
2363
2364 INTERRUPTS
2365 ----------
2366
2367 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2368 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2369 access the device.
2370
2371 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2372 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2373 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2374 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2375 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2376 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2377
2378 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2379 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2380 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2381
2382         LOCAL IRQ DISABLE
2383         writew(ADDR, 3);
2384         writew(DATA, y);
2385         LOCAL IRQ ENABLE
2386         <interrupt>
2387         writew(ADDR, 4);
2388         q = readw(DATA);
2389         </interrupt>
2390
2391 The store to the data register might happen after the second store to the
2392 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2393
2394         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2395
2396
2397 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2398 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2399 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2400 explicit barriers are used.
2401
2402 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2403 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2404 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
2405 mmiowb() may need to be used explicitly.
2406
2407
2408 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2409 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
2410 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2411
2412
2413 ==========================
2414 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2415 ==========================
2416
2417 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2418 functions:
2419
2420  (*) inX(), outX():
2421
2422      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2423      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
2424      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2425      CPUs don't have such a concept.
2426
2427      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2428      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2429      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2430      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2431      spaces.
2432
2433      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2434      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2435      that.
2436
2437      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2438
2439      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2440      memory and I/O operation.
2441
2442  (*) readX(), writeX():
2443
2444      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2445      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2446      defined for the memory window through which they're accessing. On later
2447      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2448      MTRR registers.
2449
2450      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2451      provided they're not accessing a prefetchable device.
2452
2453      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2454      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2455      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2456      space should suffice for PCI.
2457
2458      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2459          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2460          example.
2461
2462      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2463      force stores to be ordered.
2464
2465      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2466      between PCI transactions.
2467
2468  (*) readX_relaxed()
2469
2470      These are similar to readX(), but are not guaranteed to be ordered in any
2471      way. Be aware that there is no I/O read barrier available.
2472
2473  (*) ioreadX(), iowriteX()
2474
2475      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2476      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2477
2478
2479 ========================================
2480 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2481 ========================================
2482
2483 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2484 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2485 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2486 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2487 of arch-specific code.
2488
2489 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2490 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2491 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2492 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2493 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2494 causality is maintained.
2495
2496  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2497      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2498      instructions may depend on different effects.
2499
2500 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2501 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2502 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2503
2504
2505 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2506 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2507 maintained.
2508
2509
2510 ============================
2511 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2512 ============================
2513
2514 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2515 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2516 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2517
2518 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2519 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2520 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2521 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2522
2523             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2524                                   :
2525         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2526         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2527         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2528         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2529         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2530         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2531         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2532                                   :                 | Cache     |    +--------+
2533                                   :                 | Coherency |
2534                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2535         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2536         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2537         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2538         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2539         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2540         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2541         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2542                                   :
2543                                   :
2544
2545 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2546 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2547 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2548 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2549 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2550
2551 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2552 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2553 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2554 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2555 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2556 to complete.
2557
2558 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2559 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2560 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2561 in the system.
2562
2563 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2564 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2565
2566 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2567 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2568 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2569
2570
2571 CACHE COHERENCY
2572 ---------------
2573
2574 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2575 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2576 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2577 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2578 become apparent in the same order on those other CPUs.
2579
2580
2581 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2582 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2583
2584                     :
2585                     :                          +--------+
2586                     :      +---------+         |        |
2587         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2588         |        |  : |    +---------+         |        |
2589         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2590         |        |  : |    +---------+         |        |
2591         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2592                     :      +---------+         |        |
2593                     :                          | Memory |
2594                     :      +---------+         | System |
2595         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2596         |        |  : |    +---------+         |        |
2597         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2598         |        |  : |    +---------+         |        |
2599         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2600                     :      +---------+         |        |
2601                     :                          +--------+
2602                     :
2603
2604 Imagine the system has the following properties:
2605
2606  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2607      resident in memory;
2608
2609  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2610      resident in memory;
2611
2612  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2613      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2614      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2615
2616  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2617      to maintain coherency with the rest of the system;
2618
2619  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2620      present in the cache, even though the contents of the queue may
2621      potentially affect those loads.
2622
2623 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2624 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2625 the requisite order:
2626
2627         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2628         =============== =============== =======================================
2629                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2630         v = 2;
2631         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2632                                          change to p
2633         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2634         p = &v;
2635         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2636
2637 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2638 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2639 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2640
2641         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2642         =============== =============== =======================================
2643         ...
2644                         q = p;
2645                         x = *q;
2646
2647 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2648 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2649 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2650 CPU's caches by some other cache event:
2651
2652         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2653         =============== =============== =======================================
2654                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2655         v = 2;
2656         smp_wmb();
2657         <A:modify v=2>  <C:busy>
2658                         <C:queue v=2>
2659         p = &v;         q = p;
2660                         <D:request p>
2661         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2662                         <D:read p>
2663                         x = *q;
2664                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2665                         <C:unbusy>
2666                         <C:commit v=2>
2667
2668 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2669 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2670 as that committed on CPU 1.
2671
2672
2673 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2674 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2675 queue before processing any further requests:
2676
2677         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2678         =============== =============== =======================================
2679                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2680         v = 2;
2681         smp_wmb();
2682         <A:modify v=2>  <C:busy>
2683                         <C:queue v=2>
2684         p = &v;         q = p;
2685                         <D:request p>
2686         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2687                         <D:read p>
2688                         smp_read_barrier_depends()
2689                         <C:unbusy>
2690                         <C:commit v=2>
2691                         x = *q;
2692                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2693
2694
2695 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2696 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2697 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2698 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2699
2700 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2701 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2702 need for coordination in the absence of memory barriers.
2703
2704
2705 CACHE COHERENCY VS DMA
2706 ----------------------
2707
2708 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2709 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2710 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2711 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2712 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2713 invalidate them as well).
2714
2715 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2716 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2717 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2718 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2719 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2720 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2721 cache on each CPU.
2722
2723 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2724
2725
2726 CACHE COHERENCY VS MMIO
2727 -----------------------
2728
2729 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2730 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2731 the usual RAM directed window.
2732
2733 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2734 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2735 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2736 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2737 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2738 any way dependent.
2739
2740
2741 =========================
2742 THE THINGS CPUS GET UP TO
2743 =========================
2744
2745 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2746 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2747 given the following piece of code to execute:
2748
2749         a = ACCESS_ONCE(*A);
2750         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2751         c = ACCESS_ONCE(*C);
2752         d = ACCESS_ONCE(*D);
2753         ACCESS_ONCE(*E) = e;
2754
2755 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2756 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2757 operations as seen by external observers in the system:
2758
2759         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2760
2761
2762 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2763 assumption doesn't hold because:
2764
2765  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2766      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2767      problem;
2768
2769  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2770      to have been unnecessary;
2771
2772  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2773      at the wrong time in the expected sequence of events;
2774
2775  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2776      of the CPU buses and caches;
2777
2778  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2779      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2780      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2781      both be able to do this); and
2782
2783  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2784      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2785      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2786      order to other CPUs.
2787
2788 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2789 is:
2790
2791         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2792
2793         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2794
2795
2796 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2797 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2798 barrier.  For instance with the following code:
2799
2800         U = ACCESS_ONCE(*A);
2801         ACCESS_ONCE(*A) = V;
2802         ACCESS_ONCE(*A) = W;
2803         X = ACCESS_ONCE(*A);
2804         ACCESS_ONCE(*A) = Y;
2805         Z = ACCESS_ONCE(*A);
2806
2807 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2808 the final result will appear to be:
2809
2810         U == the original value of *A
2811         X == W
2812         Z == Y
2813         *A == Y
2814
2815 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2816 accesses:
2817
2818         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2819
2820 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2821 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
2822 the world remains consistent.  Note that ACCESS_ONCE() is -not- optional
2823 in the above example, as there are architectures where a given CPU might
2824 reorder successive loads to the same location.  On such architectures,
2825 ACCESS_ONCE() does whatever is necessary to prevent this, for example, on
2826 Itanium the volatile casts used by ACCESS_ONCE() cause GCC to emit the
2827 special ld.acq and st.rel instructions that prevent such reordering.
2828
2829 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2830 the CPU even sees them.
2831
2832 For instance:
2833
2834         *A = V;
2835         *A = W;
2836
2837 may be reduced to:
2838
2839         *A = W;
2840
2841 since, without either a write barrier or an ACCESS_ONCE(), it can be
2842 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
2843
2844         *A = Y;
2845         Z = *A;
2846
2847 may, without a memory barrier or an ACCESS_ONCE(), be reduced to:
2848
2849         *A = Y;
2850         Z = Y;
2851
2852 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2853
2854
2855 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2856 --------------------------
2857
2858 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2859 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2860 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2861 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
2862 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2863 changes vs new data occur in the right order.
2864
2865 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
2866
2867 See the subsection on "Cache Coherency" above.
2868
2869
2870 ============
2871 EXAMPLE USES
2872 ============
2873
2874 CIRCULAR BUFFERS
2875 ----------------
2876
2877 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2878 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2879
2880         Documentation/circular-buffers.txt
2881
2882 for details.
2883
2884
2885 ==========
2886 REFERENCES
2887 ==========
2888
2889 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2890 Digital Press)
2891         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
2892         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
2893         Chapter 5.5: Data Sharing
2894         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
2895
2896 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
2897         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
2898         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
2899
2900 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
2901 System Programming Guide
2902         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
2903         Chapter 7.2: Memory Ordering
2904         Chapter 7.4: Serializing Instructions
2905
2906 The SPARC Architecture Manual, Version 9
2907         Chapter 8: Memory Models
2908         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
2909         Appendix J: Programming with the Memory Models
2910
2911 UltraSPARC Programmer Reference Manual
2912         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
2913         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
2914
2915 UltraSPARC III Cu User's Manual
2916         Chapter 9: Memory Models
2917
2918 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
2919         Chapter 8: Memory Models
2920
2921 UltraSPARC Architecture 2005
2922         Chapter 9: Memory
2923         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
2924
2925 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
2926         Chapter 8: Memory Models
2927         Appendix F: Caches and Cache Coherency
2928
2929 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
2930         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
2931                         Synchronization
2932
2933 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
2934 for Kernel Programmers:
2935         Chapter 13: Other Memory Models
2936
2937 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
2938         Section 2.6: Speculation
2939         Section 4.4: Memory Access