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[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,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
125         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD B->4,    y=LOAD A->3
126         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    STORE B=4,      x=LOAD B->4
127         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->2,    STORE B=4
128         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    STORE B=4,      y=LOAD A->3
129         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    y=LOAD A->3,    STORE B=4
130         STORE B=4,      STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
131         STORE B=4, ...
132         ...
133
134 and can thus result in four different combinations of values:
135
136         x == 2, y == 1
137         x == 2, y == 3
138         x == 4, y == 1
139         x == 4, y == 3
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 You must also be careful not to rely too much on boolean short-circuit
698 evaluation.  Consider this example:
699
700         q = ACCESS_ONCE(a);
701         if (a || 1 > 0)
702                 ACCESS_ONCE(b) = 1;
703
704 Because the second condition is always true, the compiler can transform
705 this example as following, defeating control dependency:
706
707         q = ACCESS_ONCE(a);
708         ACCESS_ONCE(b) = 1;
709
710 This example underscores the need to ensure that the compiler cannot
711 out-guess your code.  More generally, although ACCESS_ONCE() does force
712 the compiler to actually emit code for a given load, it does not force
713 the compiler to use the results.
714
715 Finally, control dependencies do -not- provide transitivity.  This is
716 demonstrated by two related examples, with the initial values of
717 x and y both being zero:
718
719         CPU 0                     CPU 1
720         =====================     =====================
721         r1 = ACCESS_ONCE(x);      r2 = ACCESS_ONCE(y);
722         if (r1 > 0)               if (r2 > 0)
723           ACCESS_ONCE(y) = 1;       ACCESS_ONCE(x) = 1;
724
725         assert(!(r1 == 1 && r2 == 1));
726
727 The above two-CPU example will never trigger the assert().  However,
728 if control dependencies guaranteed transitivity (which they do not),
729 then adding the following CPU would guarantee a related assertion:
730
731         CPU 2
732         =====================
733         ACCESS_ONCE(x) = 2;
734
735         assert(!(r1 == 2 && r2 == 1 && x == 2)); /* FAILS!!! */
736
737 But because control dependencies do -not- provide transitivity, the above
738 assertion can fail after the combined three-CPU example completes.  If you
739 need the three-CPU example to provide ordering, you will need smp_mb()
740 between the loads and stores in the CPU 0 and CPU 1 code fragments,
741 that is, just before or just after the "if" statements.
742
743 These two examples are the LB and WWC litmus tests from this paper:
744 http://www.cl.cam.ac.uk/users/pes20/ppc-supplemental/test6.pdf and this
745 site: https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/ppcmem/index.html.
746
747 In summary:
748
749   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
750       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
751       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
752       later anything.  If you need these other forms of ordering,
753       use smb_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
754       later loads, smp_mb().
755
756   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores
757       to the same variable, a barrier() statement is required at the
758       beginning of each leg of the "if" statement.
759
760   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
761       between the prior load and the subsequent store, and this
762       conditional must involve the prior load.  If the compiler
763       is able to optimize the conditional away, it will have also
764       optimized away the ordering.  Careful use of ACCESS_ONCE() can
765       help to preserve the needed conditional.
766
767   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
768       dependency into nonexistence.  Careful use of ACCESS_ONCE() or
769       barrier() can help to preserve your control dependency.  Please
770       see the Compiler Barrier section for more information.
771
772   (*) Control dependencies do -not- provide transitivity.  If you
773       need transitivity, use smp_mb().
774
775
776 SMP BARRIER PAIRING
777 -------------------
778
779 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
780 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
781
782 General barriers pair with each other, though they also pair with
783 most other types of barriers, albeit without transitivity.  An acquire
784 barrier pairs with a release barrier, but both may also pair with other
785 barriers, including of course general barriers.  A write barrier pairs
786 with a data dependency barrier, an acquire barrier, a release barrier,
787 a read barrier, or a general barrier.  Similarly a read barrier or a
788 data dependency barrier pairs with a write barrier, an acquire barrier,
789 a release barrier, or a general barrier:
790
791         CPU 1                 CPU 2
792         ===============       ===============
793         ACCESS_ONCE(a) = 1;
794         <write barrier>
795         ACCESS_ONCE(b) = 2;   x = ACCESS_ONCE(b);
796                               <read barrier>
797                               y = ACCESS_ONCE(a);
798
799 Or:
800
801         CPU 1                 CPU 2
802         ===============       ===============================
803         a = 1;
804         <write barrier>
805         ACCESS_ONCE(b) = &a;  x = ACCESS_ONCE(b);
806                               <data dependency barrier>
807                               y = *x;
808
809 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
810 the "weaker" type.
811
812 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
813 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
814 versa:
815
816         CPU 1                               CPU 2
817         ===================                 ===================
818         ACCESS_ONCE(a) = 1;  }----   --->{  v = ACCESS_ONCE(c);
819         ACCESS_ONCE(b) = 2;  }    \ /    {  w = ACCESS_ONCE(d);
820         <write barrier>            \        <read barrier>
821         ACCESS_ONCE(c) = 3;  }    / \    {  x = ACCESS_ONCE(a);
822         ACCESS_ONCE(d) = 4;  }----   --->{  y = ACCESS_ONCE(b);
823
824
825 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
826 ------------------------------------
827
828 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
829 Consider the following sequence of events:
830
831         CPU 1
832         =======================
833         STORE A = 1
834         STORE B = 2
835         STORE C = 3
836         <write barrier>
837         STORE D = 4
838         STORE E = 5
839
840 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
841 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
842 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
843 }:
844
845         +-------+       :      :
846         |       |       +------+
847         |       |------>| C=3  |     }     /\
848         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
849         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
850         |       |  :    +------+     }
851         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
852         |       |       +------+     }
853         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
854         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
855         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
856         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
857         |       |------>| D=4  |     }
858         |       |       +------+
859         +-------+       :      :
860                            |
861                            | Sequence in which stores are committed to the
862                            | memory system by CPU 1
863                            V
864
865
866 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
867 loads.  Consider the following sequence of events:
868
869         CPU 1                   CPU 2
870         ======================= =======================
871                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
872         STORE A = 1
873         STORE B = 2
874         <write barrier>
875         STORE C = &B            LOAD X
876         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
877                                 LOAD *C (reads B)
878
879 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
880 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
881
882         +-------+       :      :                :       :
883         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
884         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
885         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
886         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
887         |       |       +------+       |        +-------+
888         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
889         |       |       +------+       |        :       :
890         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
891         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
892         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
893         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
894         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
895                                        |        :       :       |       |
896                                        |        :       :       | CPU 2 |
897                                        |        +-------+       |       |
898             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
899             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
900                                        |        :       :       |       |
901                                        |        +-------+       |       |
902             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
903             up the maintenance           \      +-------+       |       |
904             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
905                                                 +-------+
906                                                 :       :
907
908
909 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
910 (which would be B) coming after the LOAD of C.
911
912 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
913 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
914
915         CPU 1                   CPU 2
916         ======================= =======================
917                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
918         STORE A = 1
919         STORE B = 2
920         <write barrier>
921         STORE C = &B            LOAD X
922         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
923                                 <data dependency barrier>
924                                 LOAD *C (reads B)
925
926 then the following will occur:
927
928         +-------+       :      :                :       :
929         |       |       +------+                +-------+
930         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
931         |       |  :    +------+     \          +-------+
932         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
933         |       |       +------+       |        +-------+
934         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
935         |       |       +------+       |        :       :
936         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
937         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
938         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
939         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
940         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
941                                        |        :       :       |       |
942                                        |        :       :       | CPU 2 |
943                                        |        +-------+       |       |
944                                        |        | X->9  |------>|       |
945                                        |        +-------+       |       |
946           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
947           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
948           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
949           subsequent loads                      +-------+       |       |
950                                                 :       :       +-------+
951
952
953 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
954 following sequence of events:
955
956         CPU 1                   CPU 2
957         ======================= =======================
958                 { A = 0, B = 9 }
959         STORE A=1
960         <write barrier>
961         STORE B=2
962                                 LOAD B
963                                 LOAD A
964
965 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
966 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
967
968         +-------+       :      :                :       :
969         |       |       +------+                +-------+
970         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
971         |       |       +------+      \         +-------+
972         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
973         |       |       +------+        |       +-------+
974         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
975         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
976         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
977                                      ---------->| B->2  |------>|       |
978                                         |       +-------+       | CPU 2 |
979                                         |       | A->0  |------>|       |
980                                         |       +-------+       |       |
981                                         |       :       :       +-------+
982                                          \      :       :
983                                           \     +-------+
984                                            ---->| A->1  |
985                                                 +-------+
986                                                 :       :
987
988
989 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
990 load of A on CPU 2:
991
992         CPU 1                   CPU 2
993         ======================= =======================
994                 { A = 0, B = 9 }
995         STORE A=1
996         <write barrier>
997         STORE B=2
998                                 LOAD B
999                                 <read barrier>
1000                                 LOAD A
1001
1002 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
1003 2:
1004
1005         +-------+       :      :                :       :
1006         |       |       +------+                +-------+
1007         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1008         |       |       +------+      \         +-------+
1009         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1010         |       |       +------+        |       +-------+
1011         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1012         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1013         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1014                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1015                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1016                                         |       :       :       |       |
1017                                         |       :       :       |       |
1018           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1019           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1020           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1021           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1022                                                 :       :       +-------+
1023
1024
1025 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1026 contained a load of A either side of the read barrier:
1027
1028         CPU 1                   CPU 2
1029         ======================= =======================
1030                 { A = 0, B = 9 }
1031         STORE A=1
1032         <write barrier>
1033         STORE B=2
1034                                 LOAD B
1035                                 LOAD A [first load of A]
1036                                 <read barrier>
1037                                 LOAD A [second load of A]
1038
1039 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1040 come up with different values:
1041
1042         +-------+       :      :                :       :
1043         |       |       +------+                +-------+
1044         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1045         |       |       +------+      \         +-------+
1046         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1047         |       |       +------+        |       +-------+
1048         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1049         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1050         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1051                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1052                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1053                                         |       :       :       |       |
1054                                         |       :       :       |       |
1055                                         |       +-------+       |       |
1056                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1057                                         |       +-------+       |       |
1058           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1059           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1060           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1061           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1062                                                 :       :       +-------+
1063
1064
1065 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1066 before the read barrier completes anyway:
1067
1068         +-------+       :      :                :       :
1069         |       |       +------+                +-------+
1070         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1071         |       |       +------+      \         +-------+
1072         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1073         |       |       +------+        |       +-------+
1074         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1075         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1076         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1077                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1078                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1079                                         |       :       :       |       |
1080                                          \      :       :       |       |
1081                                           \     +-------+       |       |
1082                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1083                                                 +-------+       |       |
1084                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1085                                                 +-------+       |       |
1086                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1087                                                 +-------+       |       |
1088                                                 :       :       +-------+
1089
1090
1091 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1092 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1093 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1094
1095
1096 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1097 ----------------------------------------
1098
1099 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1100 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1101 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1102 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1103 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1104 already has the value to hand.
1105
1106 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1107 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1108 cache it for later use.
1109
1110 Consider:
1111
1112         CPU 1                   CPU 2
1113         ======================= =======================
1114                                 LOAD B
1115                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1116                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1117                                 LOAD A
1118
1119 Which might appear as this:
1120
1121                                                 :       :       +-------+
1122                                                 +-------+       |       |
1123                                             --->| B->2  |------>|       |
1124                                                 +-------+       | CPU 2 |
1125                                                 :       :DIVIDE |       |
1126                                                 +-------+       |       |
1127         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1128         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1129         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1130                                                 :       :DIVIDE |       |
1131                                                 :       :   ~   |       |
1132         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1133         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1134         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1135
1136
1137 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1138 load:
1139
1140         CPU 1                   CPU 2
1141         ======================= =======================
1142                                 LOAD B
1143                                 DIVIDE
1144                                 DIVIDE
1145                                 <read barrier>
1146                                 LOAD A
1147
1148 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1149 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1150 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1151
1152                                                 :       :       +-------+
1153                                                 +-------+       |       |
1154                                             --->| B->2  |------>|       |
1155                                                 +-------+       | CPU 2 |
1156                                                 :       :DIVIDE |       |
1157                                                 +-------+       |       |
1158         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1159         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1160         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1161                                                 :       :DIVIDE |       |
1162                                                 :       :   ~   |       |
1163                                                 :       :   ~   |       |
1164                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1165                                                 :       :   ~   |       |
1166                                                 :       :   ~-->|       |
1167                                                 :       :       |       |
1168                                                 :       :       +-------+
1169
1170
1171 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1172 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1173
1174                                                 :       :       +-------+
1175                                                 +-------+       |       |
1176                                             --->| B->2  |------>|       |
1177                                                 +-------+       | CPU 2 |
1178                                                 :       :DIVIDE |       |
1179                                                 +-------+       |       |
1180         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1181         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1182         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1183                                                 :       :DIVIDE |       |
1184                                                 :       :   ~   |       |
1185                                                 :       :   ~   |       |
1186                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1187                                                 +-------+       |       |
1188         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1189         and an updated value is                 +-------+       |       |
1190         retrieved                               :       :       +-------+
1191
1192
1193 TRANSITIVITY
1194 ------------
1195
1196 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1197 always provided by real computer systems.  The following example
1198 demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
1199
1200         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1201         ======================= ======================= =======================
1202                 { X = 0, Y = 0 }
1203         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1204                                 <general barrier>       <general barrier>
1205                                 LOAD Y                  LOAD X
1206
1207 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1208 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1209 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1210 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1211
1212 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1213 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1214 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1215 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1216 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1217 or must return some later value.
1218
1219 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1220 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1221 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1222 also return 1.
1223
1224 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1225 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1226 is changed to a read barrier as shown below:
1227
1228         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1229         ======================= ======================= =======================
1230                 { X = 0, Y = 0 }
1231         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1232                                 <read barrier>          <general barrier>
1233                                 LOAD Y                  LOAD X
1234
1235 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1236 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1237 and CPU 3's load from X to return 0.
1238
1239 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1240 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1241 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1242 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1243 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1244 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1245
1246 To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
1247 throughout.
1248
1249
1250 ========================
1251 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1252 ========================
1253
1254 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1255 levels:
1256
1257   (*) Compiler barrier.
1258
1259   (*) CPU memory barriers.
1260
1261   (*) MMIO write barrier.
1262
1263
1264 COMPILER BARRIER
1265 ----------------
1266
1267 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1268 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1269
1270         barrier();
1271
1272 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write variants
1273 of barrier().  However, ACCESS_ONCE() can be thought of as a weak form
1274 for barrier() that affects only the specific accesses flagged by the
1275 ACCESS_ONCE().
1276
1277 The barrier() function has the following effects:
1278
1279  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1280      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1281      One example use for this property is to ease communication between
1282      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1283
1284  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1285      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1286
1287 The ACCESS_ONCE() function can prevent any number of optimizations that,
1288 while perfectly safe in single-threaded code, can be fatal in concurrent
1289 code.  Here are some examples of these sorts of optimizations:
1290
1291  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1292      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1293      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1294      the following code:
1295
1296         a[0] = x;
1297         a[1] = x;
1298
1299      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1300      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1301
1302         a[0] = ACCESS_ONCE(x);
1303         a[1] = ACCESS_ONCE(x);
1304
1305      In short, ACCESS_ONCE() provides cache coherence for accesses from
1306      multiple CPUs to a single variable.
1307
1308  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1309      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1310      the following code:
1311
1312         while (tmp = a)
1313                 do_something_with(tmp);
1314
1315      into the following code, which, although in some sense legitimate
1316      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1317      intended:
1318
1319         if (tmp = a)
1320                 for (;;)
1321                         do_something_with(tmp);
1322
1323      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1324
1325         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1326                 do_something_with(tmp);
1327
1328  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1329      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1330      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1331      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1332
1333         while (tmp = a)
1334                 do_something_with(tmp);
1335
1336      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1337      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1338
1339         while (a)
1340                 do_something_with(a);
1341
1342      For example, the optimized version of this code could result in
1343      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1344      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1345      the call to do_something_with().
1346
1347      Again, use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1348
1349         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1350                 do_something_with(tmp);
1351
1352      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1353      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1354      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1355      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1356      where it is not safe.
1357
1358  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1359      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1360      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1361
1362         while (tmp = a)
1363                 do_something_with(tmp);
1364
1365      Into this:
1366
1367         do { } while (0);
1368
1369      This transformation is a win for single-threaded code because it gets
1370      rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler will
1371      carry out its proof assuming that the current CPU is the only one
1372      updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the compiler's
1373      proof will be erroneous.  Use ACCESS_ONCE() to tell the compiler
1374      that it doesn't know as much as it thinks it does:
1375
1376         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1377                 do_something_with(tmp);
1378
1379      But please note that the compiler is also closely watching what you
1380      do with the value after the ACCESS_ONCE().  For example, suppose you
1381      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1382
1383         while ((tmp = ACCESS_ONCE(a)) % MAX)
1384                 do_something_with(tmp);
1385
1386      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1387      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1388      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1389      variable 'a'.)
1390
1391  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1392      if it knows that the variable already has the value being stored.
1393      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1394      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1395      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1396      the following:
1397
1398         a = 0;
1399         /* Code that does not store to variable a. */
1400         a = 0;
1401
1402      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1403      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1404      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1405      meantime.
1406
1407      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1408      wrong guess:
1409
1410         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1411         /* Code that does not store to variable a. */
1412         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1413
1414  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1415      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1416      between process-level code and an interrupt handler:
1417
1418         void process_level(void)
1419         {
1420                 msg = get_message();
1421                 flag = true;
1422         }
1423
1424         void interrupt_handler(void)
1425         {
1426                 if (flag)
1427                         process_message(msg);
1428         }
1429
1430      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1431      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1432      win for single-threaded code:
1433
1434         void process_level(void)
1435         {
1436                 flag = true;
1437                 msg = get_message();
1438         }
1439
1440      If the interrupt occurs between these two statement, then
1441      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use ACCESS_ONCE()
1442      to prevent this as follows:
1443
1444         void process_level(void)
1445         {
1446                 ACCESS_ONCE(msg) = get_message();
1447                 ACCESS_ONCE(flag) = true;
1448         }
1449
1450         void interrupt_handler(void)
1451         {
1452                 if (ACCESS_ONCE(flag))
1453                         process_message(ACCESS_ONCE(msg));
1454         }
1455
1456      Note that the ACCESS_ONCE() wrappers in interrupt_handler()
1457      are needed if this interrupt handler can itself be interrupted
1458      by something that also accesses 'flag' and 'msg', for example,
1459      a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, ACCESS_ONCE() is not
1460      needed in interrupt_handler() other than for documentation purposes.
1461      (Note also that nested interrupts do not typically occur in modern
1462      Linux kernels, in fact, if an interrupt handler returns with
1463      interrupts enabled, you will get a WARN_ONCE() splat.)
1464
1465      You should assume that the compiler can move ACCESS_ONCE() past
1466      code not containing ACCESS_ONCE(), barrier(), or similar primitives.
1467
1468      This effect could also be achieved using barrier(), but ACCESS_ONCE()
1469      is more selective:  With ACCESS_ONCE(), the compiler need only forget
1470      the contents of the indicated memory locations, while with barrier()
1471      the compiler must discard the value of all memory locations that
1472      it has currented cached in any machine registers.  Of course,
1473      the compiler must also respect the order in which the ACCESS_ONCE()s
1474      occur, though the CPU of course need not do so.
1475
1476  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1477      as in the following example:
1478
1479         if (a)
1480                 b = a;
1481         else
1482                 b = 42;
1483
1484      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1485
1486         b = 42;
1487         if (a)
1488                 b = a;
1489
1490      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1491      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1492      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1493      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1494      Use ACCESS_ONCE() to prevent this as follows:
1495
1496         if (a)
1497                 ACCESS_ONCE(b) = a;
1498         else
1499                 ACCESS_ONCE(b) = 42;
1500
1501      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1502      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1503      poor performance and scalability.  Use ACCESS_ONCE() to prevent
1504      invented loads.
1505
1506  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1507      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1508      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1509      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1510      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1511      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1512      implement the following 32-bit store:
1513
1514         p = 0x00010002;
1515
1516      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1517      which is not surprising given that it would likely take more
1518      than two instructions to build the constant and then store it.
1519      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1520      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1521      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1522      use of ACCESS_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1523
1524         ACCESS_ONCE(p) = 0x00010002;
1525
1526      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1527      as in this example:
1528
1529         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1530                 short a;
1531                 int b;
1532                 short c;
1533         };
1534         struct foo foo1, foo2;
1535         ...
1536
1537         foo2.a = foo1.a;
1538         foo2.b = foo1.b;
1539         foo2.c = foo1.c;
1540
1541      Because there are no ACCESS_ONCE() wrappers and no volatile markings,
1542      the compiler would be well within its rights to implement these three
1543      assignment statements as a pair of 32-bit loads followed by a pair
1544      of 32-bit stores.  This would result in load tearing on 'foo1.b'
1545      and store tearing on 'foo2.b'.  ACCESS_ONCE() again prevents tearing
1546      in this example:
1547
1548         foo2.a = foo1.a;
1549         ACCESS_ONCE(foo2.b) = ACCESS_ONCE(foo1.b);
1550         foo2.c = foo1.c;
1551
1552 All that aside, it is never necessary to use ACCESS_ONCE() on a variable
1553 that has been marked volatile.  For example, because 'jiffies' is marked
1554 volatile, it is never necessary to say ACCESS_ONCE(jiffies).  The reason
1555 for this is that ACCESS_ONCE() is implemented as a volatile cast, which
1556 has no effect when its argument is already marked volatile.
1557
1558 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1559 which may then reorder things however it wishes.
1560
1561
1562 CPU MEMORY BARRIERS
1563 -------------------
1564
1565 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1566
1567         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1568         =============== ======================= ===========================
1569         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1570         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1571         READ            rmb()                   smp_rmb()
1572         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1573
1574
1575 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1576 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1577
1578 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected to
1579 issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load the value
1580 of b before loading a[b]), however there is no guarantee in the C specification
1581 that the compiler may not speculate the value of b (eg. is equal to 1) and load
1582 a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ). There is also the
1583 problem of a compiler reloading b after having loaded a[b], thus having a newer
1584 copy of b than a[b]. A consensus has not yet been reached about these problems,
1585 however the ACCESS_ONCE macro is a good place to start looking.
1586
1587 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1588 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1589 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1590
1591 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1592 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1593 is sufficient.
1594
1595 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1596 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
1597 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
1598 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
1599 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
1600 CPU from reordering them.
1601
1602
1603 There are some more advanced barrier functions:
1604
1605  (*) set_mb(var, value)
1606
1607      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1608      barrier after it, depending on the function.  It isn't guaranteed to
1609      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
1610
1611
1612  (*) smp_mb__before_atomic();
1613  (*) smp_mb__after_atomic();
1614
1615      These are for use with atomic (such as add, subtract, increment and
1616      decrement) functions that don't return a value, especially when used for
1617      reference counting.  These functions do not imply memory barriers.
1618
1619      These are also used for atomic bitop functions that do not return a
1620      value (such as set_bit and clear_bit).
1621
1622      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1623      and then decrements the object's reference count:
1624
1625         obj->dead = 1;
1626         smp_mb__before_atomic();
1627         atomic_dec(&obj->ref_count);
1628
1629      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1630      *before* the reference counter is decremented.
1631
1632      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1633      operations" subsection for information on where to use these.
1634
1635
1636 MMIO WRITE BARRIER
1637 ------------------
1638
1639 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1640 writes:
1641
1642         mmiowb();
1643
1644 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1645 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1646 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1647
1648 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1649
1650
1651 ===============================
1652 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1653 ===============================
1654
1655 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1656 which are locking and scheduling functions.
1657
1658 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1659 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1660 of arch specific code.
1661
1662
1663 ACQUIRING FUNCTIONS
1664 -------------------
1665
1666 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1667
1668  (*) spin locks
1669  (*) R/W spin locks
1670  (*) mutexes
1671  (*) semaphores
1672  (*) R/W semaphores
1673  (*) RCU
1674
1675 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1676 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1677
1678  (1) ACQUIRE operation implication:
1679
1680      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
1681      ACQUIRE operation has completed.
1682
1683      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
1684      the ACQUIRE operation has completed.  An smp_mb__before_spinlock(),
1685      combined with a following ACQUIRE, orders prior loads against
1686      subsequent loads and stores and also orders prior stores against
1687      subsequent stores.  Note that this is weaker than smp_mb()!  The
1688      smp_mb__before_spinlock() primitive is free on many architectures.
1689
1690  (2) RELEASE operation implication:
1691
1692      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
1693      RELEASE operation has completed.
1694
1695      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
1696      RELEASE operation has completed.
1697
1698  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
1699
1700      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
1701      completed before that ACQUIRE operation.
1702
1703  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
1704
1705      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
1706      completed before the RELEASE operation.
1707
1708  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
1709
1710      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
1711      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1712      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1713      locks do not imply any sort of barrier.
1714
1715 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
1716 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
1717 section may seep into the inside of the critical section.
1718
1719 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
1720 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
1721 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
1722 the two accesses can themselves then cross:
1723
1724         *A = a;
1725         ACQUIRE M
1726         RELEASE M
1727         *B = b;
1728
1729 may occur as:
1730
1731         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1732
1733 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
1734 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
1735 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
1736 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
1737 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
1738
1739 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does not
1740 imply a full memory barrier.  If it is necessary for a RELEASE-ACQUIRE
1741 pair to produce a full barrier, the ACQUIRE can be followed by an
1742 smp_mb__after_unlock_lock() invocation.  This will produce a full barrier
1743 if either (a) the RELEASE and the ACQUIRE are executed by the same
1744 CPU or task, or (b) the RELEASE and ACQUIRE act on the same variable.
1745 The smp_mb__after_unlock_lock() primitive is free on many architectures.
1746 Without smp_mb__after_unlock_lock(), the CPU's execution of the critical
1747 sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross, so that:
1748
1749         *A = a;
1750         RELEASE M
1751         ACQUIRE N
1752         *B = b;
1753
1754 could occur as:
1755
1756         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1757
1758 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
1759 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
1760 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
1761
1762         Why does this work?
1763
1764         One key point is that we are only talking about the CPU doing
1765         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
1766         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
1767         -could- occur.
1768
1769         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
1770         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
1771         simply elected to try executing the later lock operation first.
1772         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
1773         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
1774         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
1775         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
1776         allowing the lock operation to succeed.
1777
1778         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
1779         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
1780         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
1781         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
1782         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
1783         such races properly in any case.
1784
1785 With smp_mb__after_unlock_lock(), the two critical sections cannot overlap.
1786 For example, with the following code, the store to *A will always be
1787 seen by other CPUs before the store to *B:
1788
1789         *A = a;
1790         RELEASE M
1791         ACQUIRE N
1792         smp_mb__after_unlock_lock();
1793         *B = b;
1794
1795 The operations will always occur in one of the following orders:
1796
1797         STORE *A, RELEASE, ACQUIRE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1798         STORE *A, ACQUIRE, RELEASE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1799         ACQUIRE, STORE *A, RELEASE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1800
1801 If the RELEASE and ACQUIRE were instead both operating on the same lock
1802 variable, only the first of these alternatives can occur.  In addition,
1803 the more strongly ordered systems may rule out some of the above orders.
1804 But in any case, as noted earlier, the smp_mb__after_unlock_lock()
1805 ensures that the store to *A will always be seen as happening before
1806 the store to *B.
1807
1808 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1809 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1810 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1811 with interrupt disabling operations.
1812
1813 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1814
1815
1816 As an example, consider the following:
1817
1818         *A = a;
1819         *B = b;
1820         ACQUIRE
1821         *C = c;
1822         *D = d;
1823         RELEASE
1824         *E = e;
1825         *F = f;
1826
1827 The following sequence of events is acceptable:
1828
1829         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
1830
1831         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
1832
1833 But none of the following are:
1834
1835         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
1836         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
1837         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
1838         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
1839
1840
1841
1842 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1843 -----------------------------
1844
1845 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
1846 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1847 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1848 other means.
1849
1850
1851 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
1852 ---------------------------
1853
1854 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
1855 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
1856 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
1857 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
1858 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
1859 barriers.
1860
1861 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
1862
1863         for (;;) {
1864                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1865                 if (event_indicated)
1866                         break;
1867                 schedule();
1868         }
1869
1870 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
1871 after it has altered the task state:
1872
1873         CPU 1
1874         ===============================
1875         set_current_state();
1876           set_mb();
1877             STORE current->state
1878             <general barrier>
1879         LOAD event_indicated
1880
1881 set_current_state() may be wrapped by:
1882
1883         prepare_to_wait();
1884         prepare_to_wait_exclusive();
1885
1886 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
1887 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
1888 interpolate the memory barrier in the right place:
1889
1890         wait_event();
1891         wait_event_interruptible();
1892         wait_event_interruptible_exclusive();
1893         wait_event_interruptible_timeout();
1894         wait_event_killable();
1895         wait_event_timeout();
1896         wait_on_bit();
1897         wait_on_bit_lock();
1898
1899
1900 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
1901
1902         event_indicated = 1;
1903         wake_up(&event_wait_queue);
1904
1905 or:
1906
1907         event_indicated = 1;
1908         wake_up_process(event_daemon);
1909
1910 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
1911 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
1912 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
1913
1914         CPU 1                           CPU 2
1915         =============================== ===============================
1916         set_current_state();            STORE event_indicated
1917           set_mb();                     wake_up();
1918             STORE current->state          <write barrier>
1919             <general barrier>             STORE current->state
1920         LOAD event_indicated
1921
1922 To repeat, this write memory barrier is present if and only if something
1923 is actually awakened.  To see this, consider the following sequence of
1924 events, where X and Y are both initially zero:
1925
1926         CPU 1                           CPU 2
1927         =============================== ===============================
1928         X = 1;                          STORE event_indicated
1929         smp_mb();                       wake_up();
1930         Y = 1;                          wait_event(wq, Y == 1);
1931         wake_up();                        load from Y sees 1, no memory barrier
1932                                         load from X might see 0
1933
1934 In contrast, if a wakeup does occur, CPU 2's load from X would be guaranteed
1935 to see 1.
1936
1937 The available waker functions include:
1938
1939         complete();
1940         wake_up();
1941         wake_up_all();
1942         wake_up_bit();
1943         wake_up_interruptible();
1944         wake_up_interruptible_all();
1945         wake_up_interruptible_nr();
1946         wake_up_interruptible_poll();
1947         wake_up_interruptible_sync();
1948         wake_up_interruptible_sync_poll();
1949         wake_up_locked();
1950         wake_up_locked_poll();
1951         wake_up_nr();
1952         wake_up_poll();
1953         wake_up_process();
1954
1955
1956 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
1957 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
1958 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
1959 sleeper does:
1960
1961         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1962         if (event_indicated)
1963                 break;
1964         __set_current_state(TASK_RUNNING);
1965         do_something(my_data);
1966
1967 and the waker does:
1968
1969         my_data = value;
1970         event_indicated = 1;
1971         wake_up(&event_wait_queue);
1972
1973 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
1974 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
1975 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
1976 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
1977
1978         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1979         if (event_indicated) {
1980                 smp_rmb();
1981                 do_something(my_data);
1982         }
1983
1984 and the waker should do:
1985
1986         my_data = value;
1987         smp_wmb();
1988         event_indicated = 1;
1989         wake_up(&event_wait_queue);
1990
1991
1992 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
1993 -----------------------
1994
1995 Other functions that imply barriers:
1996
1997  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1998
1999
2000 ===================================
2001 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
2002 ===================================
2003
2004 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
2005 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
2006 conflict on any particular lock.
2007
2008
2009 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
2010 ---------------------------
2011
2012 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
2013 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
2014
2015         CPU 1                           CPU 2
2016         =============================== ===============================
2017         ACCESS_ONCE(*A) = a;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
2018         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2019         ACCESS_ONCE(*B) = b;            ACCESS_ONCE(*F) = f;
2020         ACCESS_ONCE(*C) = c;            ACCESS_ONCE(*G) = g;
2021         RELEASE M                       RELEASE Q
2022         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*H) = h;
2023
2024 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2025 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2026 on the separate CPUs. It might, for example, see:
2027
2028         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2029
2030 But it won't see any of:
2031
2032         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2033         *A, *B or *C following RELEASE M
2034         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2035         *E, *F or *G following RELEASE Q
2036
2037
2038 However, if the following occurs:
2039
2040         CPU 1                           CPU 2
2041         =============================== ===============================
2042         ACCESS_ONCE(*A) = a;
2043         ACQUIRE M                    [1]
2044         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2045         ACCESS_ONCE(*C) = c;
2046         RELEASE M            [1]
2047         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
2048                                         ACQUIRE M                    [2]
2049                                         smp_mb__after_unlock_lock();
2050                                         ACCESS_ONCE(*F) = f;
2051                                         ACCESS_ONCE(*G) = g;
2052                                         RELEASE M            [2]
2053                                         ACCESS_ONCE(*H) = h;
2054
2055 CPU 3 might see:
2056
2057         *E, ACQUIRE M [1], *C, *B, *A, RELEASE M [1],
2058                 ACQUIRE M [2], *H, *F, *G, RELEASE M [2], *D
2059
2060 But assuming CPU 1 gets the lock first, CPU 3 won't see any of:
2061
2062         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [1]
2063         *A, *B or *C following RELEASE M [1]
2064         *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [2]
2065         *A, *B, *C, *E, *F or *G following RELEASE M [2]
2066
2067 Note that the smp_mb__after_unlock_lock() is critically important
2068 here: Without it CPU 3 might see some of the above orderings.
2069 Without smp_mb__after_unlock_lock(), the accesses are not guaranteed
2070 to be seen in order unless CPU 3 holds lock M.
2071
2072
2073 ACQUIRES VS I/O ACCESSES
2074 ------------------------
2075
2076 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
2077 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
2078 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
2079 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
2080 read memory barriers.
2081
2082 For example:
2083
2084         CPU 1                           CPU 2
2085         =============================== ===============================
2086         spin_lock(Q)
2087         writel(0, ADDR)
2088         writel(1, DATA);
2089         spin_unlock(Q);
2090                                         spin_lock(Q);
2091                                         writel(4, ADDR);
2092                                         writel(5, DATA);
2093                                         spin_unlock(Q);
2094
2095 may be seen by the PCI bridge as follows:
2096
2097         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
2098
2099 which would probably cause the hardware to malfunction.
2100
2101
2102 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
2103 spinlock, for example:
2104
2105         CPU 1                           CPU 2
2106         =============================== ===============================
2107         spin_lock(Q)
2108         writel(0, ADDR)
2109         writel(1, DATA);
2110         mmiowb();
2111         spin_unlock(Q);
2112                                         spin_lock(Q);
2113                                         writel(4, ADDR);
2114                                         writel(5, DATA);
2115                                         mmiowb();
2116                                         spin_unlock(Q);
2117
2118 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
2119 before either of the stores issued on CPU 2.
2120
2121
2122 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
2123 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
2124 is performed:
2125
2126         CPU 1                           CPU 2
2127         =============================== ===============================
2128         spin_lock(Q)
2129         writel(0, ADDR)
2130         a = readl(DATA);
2131         spin_unlock(Q);
2132                                         spin_lock(Q);
2133                                         writel(4, ADDR);
2134                                         b = readl(DATA);
2135                                         spin_unlock(Q);
2136
2137
2138 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2139
2140
2141 =================================
2142 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2143 =================================
2144
2145 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2146 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2147 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2148 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2149
2150  (*) Interprocessor interaction.
2151
2152  (*) Atomic operations.
2153
2154  (*) Accessing devices.
2155
2156  (*) Interrupts.
2157
2158
2159 INTERPROCESSOR INTERACTION
2160 --------------------------
2161
2162 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2163 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2164 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2165 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2166 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2167 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2168 a malfunction.
2169
2170 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2171 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2172 the semaphore's list of waiting processes:
2173
2174         struct rw_semaphore {
2175                 ...
2176                 spinlock_t lock;
2177                 struct list_head waiters;
2178         };
2179
2180         struct rwsem_waiter {
2181                 struct list_head list;
2182                 struct task_struct *task;
2183         };
2184
2185 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2186
2187  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2188      next waiter record is;
2189
2190  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2191
2192  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2193
2194  (4) call wake_up_process() on the task; and
2195
2196  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2197
2198 In other words, it has to perform this sequence of events:
2199
2200         LOAD waiter->list.next;
2201         LOAD waiter->task;
2202         STORE waiter->task;
2203         CALL wakeup
2204         RELEASE task
2205
2206 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2207 malfunction.
2208
2209 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2210 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2211 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2212 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2213 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2214 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2215
2216 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2217
2218         CPU 1                           CPU 2
2219         =============================== ===============================
2220                                         down_xxx()
2221                                         Queue waiter
2222                                         Sleep
2223         up_yyy()
2224         LOAD waiter->task;
2225         STORE waiter->task;
2226                                         Woken up by other event
2227         <preempt>
2228                                         Resume processing
2229                                         down_xxx() returns
2230                                         call foo()
2231                                         foo() clobbers *waiter
2232         </preempt>
2233         LOAD waiter->list.next;
2234         --- OOPS ---
2235
2236 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2237 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2238
2239 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2240
2241         LOAD waiter->list.next;
2242         LOAD waiter->task;
2243         smp_mb();
2244         STORE waiter->task;
2245         CALL wakeup
2246         RELEASE task
2247
2248 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2249 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2250 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2251 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2252 instruction itself is complete.
2253
2254 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2255 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2256 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2257 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2258
2259
2260 ATOMIC OPERATIONS
2261 -----------------
2262
2263 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2264 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2265 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2266 kernel.
2267
2268 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
2269 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
2270 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
2271 explicit lock operations, described later).  These include:
2272
2273         xchg();
2274         cmpxchg();
2275         atomic_xchg();                  atomic_long_xchg();
2276         atomic_cmpxchg();               atomic_long_cmpxchg();
2277         atomic_inc_return();            atomic_long_inc_return();
2278         atomic_dec_return();            atomic_long_dec_return();
2279         atomic_add_return();            atomic_long_add_return();
2280         atomic_sub_return();            atomic_long_sub_return();
2281         atomic_inc_and_test();          atomic_long_inc_and_test();
2282         atomic_dec_and_test();          atomic_long_dec_and_test();
2283         atomic_sub_and_test();          atomic_long_sub_and_test();
2284         atomic_add_negative();          atomic_long_add_negative();
2285         test_and_set_bit();
2286         test_and_clear_bit();
2287         test_and_change_bit();
2288
2289         /* when succeeds (returns 1) */
2290         atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
2291
2292 These are used for such things as implementing ACQUIRE-class and RELEASE-class
2293 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
2294 such the implicit memory barrier effects are necessary.
2295
2296
2297 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
2298 barriers, but might be used for implementing such things as RELEASE-class
2299 operations:
2300
2301         atomic_set();
2302         set_bit();
2303         clear_bit();
2304         change_bit();
2305
2306 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
2307 (smp_mb__before_atomic() for instance).
2308
2309
2310 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
2311 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic() for
2312 instance):
2313
2314         atomic_add();
2315         atomic_sub();
2316         atomic_inc();
2317         atomic_dec();
2318
2319 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
2320 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
2321
2322 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
2323 they probably don't need memory barriers because either the reference count
2324 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
2325 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
2326
2327 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
2328 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
2329 specific order.
2330
2331 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
2332 barriers are needed or not.
2333
2334 The following operations are special locking primitives:
2335
2336         test_and_set_bit_lock();
2337         clear_bit_unlock();
2338         __clear_bit_unlock();
2339
2340 These implement ACQUIRE-class and RELEASE-class operations. These should be used in
2341 preference to other operations when implementing locking primitives, because
2342 their implementations can be optimised on many architectures.
2343
2344 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
2345 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
2346 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
2347 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
2348
2349 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
2350
2351
2352 ACCESSING DEVICES
2353 -----------------
2354
2355 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2356 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2357 make the right memory accesses in exactly the right order.
2358
2359 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2360 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2361 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2362 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2363 the device to malfunction.
2364
2365 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2366 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2367 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2368 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2369 might be needed:
2370
2371  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2372      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2373      issued prior to unlocking the critical section.
2374
2375  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2376      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2377      required to enforce ordering.
2378
2379 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2380
2381
2382 INTERRUPTS
2383 ----------
2384
2385 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2386 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2387 access the device.
2388
2389 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2390 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2391 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2392 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2393 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2394 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2395
2396 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2397 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2398 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2399
2400         LOCAL IRQ DISABLE
2401         writew(ADDR, 3);
2402         writew(DATA, y);
2403         LOCAL IRQ ENABLE
2404         <interrupt>
2405         writew(ADDR, 4);
2406         q = readw(DATA);
2407         </interrupt>
2408
2409 The store to the data register might happen after the second store to the
2410 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2411
2412         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2413
2414
2415 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2416 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2417 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2418 explicit barriers are used.
2419
2420 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2421 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2422 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
2423 mmiowb() may need to be used explicitly.
2424
2425
2426 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2427 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
2428 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2429
2430
2431 ==========================
2432 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2433 ==========================
2434
2435 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2436 functions:
2437
2438  (*) inX(), outX():
2439
2440      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2441      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
2442      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2443      CPUs don't have such a concept.
2444
2445      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2446      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2447      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2448      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2449      spaces.
2450
2451      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2452      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2453      that.
2454
2455      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2456
2457      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2458      memory and I/O operation.
2459
2460  (*) readX(), writeX():
2461
2462      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2463      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2464      defined for the memory window through which they're accessing. On later
2465      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2466      MTRR registers.
2467
2468      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2469      provided they're not accessing a prefetchable device.
2470
2471      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2472      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2473      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2474      space should suffice for PCI.
2475
2476      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2477          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2478          example.
2479
2480      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2481      force stores to be ordered.
2482
2483      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2484      between PCI transactions.
2485
2486  (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed()
2487
2488      These are similar to readX() and writeX(), but provide weaker memory
2489      ordering guarantees. Specifically, they do not guarantee ordering with
2490      respect to normal memory accesses (e.g. DMA buffers) nor do they guarantee
2491      ordering with respect to LOCK or UNLOCK operations. If the latter is
2492      required, an mmiowb() barrier can be used. Note that relaxed accesses to
2493      the same peripheral are guaranteed to be ordered with respect to each
2494      other.
2495
2496  (*) ioreadX(), iowriteX()
2497
2498      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2499      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2500
2501
2502 ========================================
2503 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2504 ========================================
2505
2506 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2507 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2508 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2509 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2510 of arch-specific code.
2511
2512 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2513 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2514 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2515 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2516 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2517 causality is maintained.
2518
2519  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2520      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2521      instructions may depend on different effects.
2522
2523 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2524 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2525 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2526
2527
2528 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2529 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2530 maintained.
2531
2532
2533 ============================
2534 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2535 ============================
2536
2537 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2538 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2539 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2540
2541 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2542 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2543 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2544 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2545
2546             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2547                                   :
2548         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2549         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2550         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2551         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2552         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2553         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2554         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2555                                   :                 | Cache     |    +--------+
2556                                   :                 | Coherency |
2557                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2558         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2559         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2560         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2561         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2562         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2563         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2564         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2565                                   :
2566                                   :
2567
2568 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2569 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2570 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2571 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2572 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2573
2574 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2575 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2576 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2577 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2578 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2579 to complete.
2580
2581 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2582 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2583 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2584 in the system.
2585
2586 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2587 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2588
2589 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2590 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2591 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2592
2593
2594 CACHE COHERENCY
2595 ---------------
2596
2597 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2598 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2599 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2600 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2601 become apparent in the same order on those other CPUs.
2602
2603
2604 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2605 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2606
2607                     :
2608                     :                          +--------+
2609                     :      +---------+         |        |
2610         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2611         |        |  : |    +---------+         |        |
2612         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2613         |        |  : |    +---------+         |        |
2614         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2615                     :      +---------+         |        |
2616                     :                          | Memory |
2617                     :      +---------+         | System |
2618         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2619         |        |  : |    +---------+         |        |
2620         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2621         |        |  : |    +---------+         |        |
2622         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2623                     :      +---------+         |        |
2624                     :                          +--------+
2625                     :
2626
2627 Imagine the system has the following properties:
2628
2629  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2630      resident in memory;
2631
2632  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2633      resident in memory;
2634
2635  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2636      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2637      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2638
2639  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2640      to maintain coherency with the rest of the system;
2641
2642  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2643      present in the cache, even though the contents of the queue may
2644      potentially affect those loads.
2645
2646 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2647 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2648 the requisite order:
2649
2650         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2651         =============== =============== =======================================
2652                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2653         v = 2;
2654         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2655                                          change to p
2656         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2657         p = &v;
2658         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2659
2660 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2661 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2662 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2663
2664         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2665         =============== =============== =======================================
2666         ...
2667                         q = p;
2668                         x = *q;
2669
2670 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2671 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2672 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2673 CPU's caches by some other cache event:
2674
2675         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2676         =============== =============== =======================================
2677                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2678         v = 2;
2679         smp_wmb();
2680         <A:modify v=2>  <C:busy>
2681                         <C:queue v=2>
2682         p = &v;         q = p;
2683                         <D:request p>
2684         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2685                         <D:read p>
2686                         x = *q;
2687                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2688                         <C:unbusy>
2689                         <C:commit v=2>
2690
2691 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2692 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2693 as that committed on CPU 1.
2694
2695
2696 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2697 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2698 queue before processing any further requests:
2699
2700         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2701         =============== =============== =======================================
2702                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2703         v = 2;
2704         smp_wmb();
2705         <A:modify v=2>  <C:busy>
2706                         <C:queue v=2>
2707         p = &v;         q = p;
2708                         <D:request p>
2709         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2710                         <D:read p>
2711                         smp_read_barrier_depends()
2712                         <C:unbusy>
2713                         <C:commit v=2>
2714                         x = *q;
2715                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2716
2717
2718 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2719 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2720 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2721 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2722
2723 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2724 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2725 need for coordination in the absence of memory barriers.
2726
2727
2728 CACHE COHERENCY VS DMA
2729 ----------------------
2730
2731 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2732 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2733 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2734 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2735 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2736 invalidate them as well).
2737
2738 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2739 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2740 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2741 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2742 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2743 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2744 cache on each CPU.
2745
2746 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2747
2748
2749 CACHE COHERENCY VS MMIO
2750 -----------------------
2751
2752 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2753 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2754 the usual RAM directed window.
2755
2756 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2757 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2758 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2759 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2760 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2761 any way dependent.
2762
2763
2764 =========================
2765 THE THINGS CPUS GET UP TO
2766 =========================
2767
2768 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2769 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2770 given the following piece of code to execute:
2771
2772         a = ACCESS_ONCE(*A);
2773         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2774         c = ACCESS_ONCE(*C);
2775         d = ACCESS_ONCE(*D);
2776         ACCESS_ONCE(*E) = e;
2777
2778 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2779 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2780 operations as seen by external observers in the system:
2781
2782         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2783
2784
2785 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2786 assumption doesn't hold because:
2787
2788  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2789      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2790      problem;
2791
2792  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2793      to have been unnecessary;
2794
2795  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2796      at the wrong time in the expected sequence of events;
2797
2798  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2799      of the CPU buses and caches;
2800
2801  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2802      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2803      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2804      both be able to do this); and
2805
2806  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2807      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2808      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2809      order to other CPUs.
2810
2811 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2812 is:
2813
2814         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2815
2816         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2817
2818
2819 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2820 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2821 barrier.  For instance with the following code:
2822
2823         U = ACCESS_ONCE(*A);
2824         ACCESS_ONCE(*A) = V;
2825         ACCESS_ONCE(*A) = W;
2826         X = ACCESS_ONCE(*A);
2827         ACCESS_ONCE(*A) = Y;
2828         Z = ACCESS_ONCE(*A);
2829
2830 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2831 the final result will appear to be:
2832
2833         U == the original value of *A
2834         X == W
2835         Z == Y
2836         *A == Y
2837
2838 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2839 accesses:
2840
2841         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2842
2843 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2844 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
2845 the world remains consistent.  Note that ACCESS_ONCE() is -not- optional
2846 in the above example, as there are architectures where a given CPU might
2847 reorder successive loads to the same location.  On such architectures,
2848 ACCESS_ONCE() does whatever is necessary to prevent this, for example, on
2849 Itanium the volatile casts used by ACCESS_ONCE() cause GCC to emit the
2850 special ld.acq and st.rel instructions that prevent such reordering.
2851
2852 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2853 the CPU even sees them.
2854
2855 For instance:
2856
2857         *A = V;
2858         *A = W;
2859
2860 may be reduced to:
2861
2862         *A = W;
2863
2864 since, without either a write barrier or an ACCESS_ONCE(), it can be
2865 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
2866
2867         *A = Y;
2868         Z = *A;
2869
2870 may, without a memory barrier or an ACCESS_ONCE(), be reduced to:
2871
2872         *A = Y;
2873         Z = Y;
2874
2875 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2876
2877
2878 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2879 --------------------------
2880
2881 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2882 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2883 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2884 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
2885 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2886 changes vs new data occur in the right order.
2887
2888 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
2889
2890 See the subsection on "Cache Coherency" above.
2891
2892
2893 ============
2894 EXAMPLE USES
2895 ============
2896
2897 CIRCULAR BUFFERS
2898 ----------------
2899
2900 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2901 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2902
2903         Documentation/circular-buffers.txt
2904
2905 for details.
2906
2907
2908 ==========
2909 REFERENCES
2910 ==========
2911
2912 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2913 Digital Press)
2914         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
2915         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
2916         Chapter 5.5: Data Sharing
2917         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
2918
2919 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
2920         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
2921         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
2922
2923 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
2924 System Programming Guide
2925         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
2926         Chapter 7.2: Memory Ordering
2927         Chapter 7.4: Serializing Instructions
2928
2929 The SPARC Architecture Manual, Version 9
2930         Chapter 8: Memory Models
2931         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
2932         Appendix J: Programming with the Memory Models
2933
2934 UltraSPARC Programmer Reference Manual
2935         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
2936         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
2937
2938 UltraSPARC III Cu User's Manual
2939         Chapter 9: Memory Models
2940
2941 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
2942         Chapter 8: Memory Models
2943
2944 UltraSPARC Architecture 2005
2945         Chapter 9: Memory
2946         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
2947
2948 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
2949         Chapter 8: Memory Models
2950         Appendix F: Caches and Cache Coherency
2951
2952 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
2953         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
2954                         Synchronization
2955
2956 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
2957 for Kernel Programmers:
2958         Chapter 13: Other Memory Models
2959
2960 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
2961         Section 2.6: Speculation
2962         Section 4.4: Memory Access