3acf16d79cf46f2c935ccc77307900c66d4d344f
[cascardo/linux.git] / kernel / locking / qspinlock_paravirt.h
1 #ifndef _GEN_PV_LOCK_SLOWPATH
2 #error "do not include this file"
3 #endif
4
5 #include <linux/hash.h>
6 #include <linux/bootmem.h>
7 #include <linux/debug_locks.h>
8
9 /*
10  * Implement paravirt qspinlocks; the general idea is to halt the vcpus instead
11  * of spinning them.
12  *
13  * This relies on the architecture to provide two paravirt hypercalls:
14  *
15  *   pv_wait(u8 *ptr, u8 val) -- suspends the vcpu if *ptr == val
16  *   pv_kick(cpu)             -- wakes a suspended vcpu
17  *
18  * Using these we implement __pv_queued_spin_lock_slowpath() and
19  * __pv_queued_spin_unlock() to replace native_queued_spin_lock_slowpath() and
20  * native_queued_spin_unlock().
21  */
22
23 #define _Q_SLOW_VAL     (3U << _Q_LOCKED_OFFSET)
24
25 /*
26  * Queue Node Adaptive Spinning
27  *
28  * A queue node vCPU will stop spinning if the vCPU in the previous node is
29  * not running. The one lock stealing attempt allowed at slowpath entry
30  * mitigates the slight slowdown for non-overcommitted guest with this
31  * aggressive wait-early mechanism.
32  *
33  * The status of the previous node will be checked at fixed interval
34  * controlled by PV_PREV_CHECK_MASK. This is to ensure that we won't
35  * pound on the cacheline of the previous node too heavily.
36  */
37 #define PV_PREV_CHECK_MASK      0xff
38
39 /*
40  * Queue node uses: vcpu_running & vcpu_halted.
41  * Queue head uses: vcpu_running & vcpu_hashed.
42  */
43 enum vcpu_state {
44         vcpu_running = 0,
45         vcpu_halted,            /* Used only in pv_wait_node */
46         vcpu_hashed,            /* = pv_hash'ed + vcpu_halted */
47 };
48
49 struct pv_node {
50         struct mcs_spinlock     mcs;
51         struct mcs_spinlock     __res[3];
52
53         int                     cpu;
54         u8                      state;
55 };
56
57 /*
58  * Include queued spinlock statistics code
59  */
60 #include "qspinlock_stat.h"
61
62 /*
63  * By replacing the regular queued_spin_trylock() with the function below,
64  * it will be called once when a lock waiter enter the PV slowpath before
65  * being queued. By allowing one lock stealing attempt here when the pending
66  * bit is off, it helps to reduce the performance impact of lock waiter
67  * preemption without the drawback of lock starvation.
68  */
69 #define queued_spin_trylock(l)  pv_queued_spin_steal_lock(l)
70 static inline bool pv_queued_spin_steal_lock(struct qspinlock *lock)
71 {
72         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
73
74         if (!(atomic_read(&lock->val) & _Q_LOCKED_PENDING_MASK) &&
75             (cmpxchg(&l->locked, 0, _Q_LOCKED_VAL) == 0)) {
76                 qstat_inc(qstat_pv_lock_stealing, true);
77                 return true;
78         }
79
80         return false;
81 }
82
83 /*
84  * The pending bit is used by the queue head vCPU to indicate that it
85  * is actively spinning on the lock and no lock stealing is allowed.
86  */
87 #if _Q_PENDING_BITS == 8
88 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
89 {
90         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
91
92         WRITE_ONCE(l->pending, 1);
93 }
94
95 static __always_inline void clear_pending(struct qspinlock *lock)
96 {
97         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
98
99         WRITE_ONCE(l->pending, 0);
100 }
101
102 /*
103  * The pending bit check in pv_queued_spin_steal_lock() isn't a memory
104  * barrier. Therefore, an atomic cmpxchg() is used to acquire the lock
105  * just to be sure that it will get it.
106  */
107 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
108 {
109         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
110
111         return !READ_ONCE(l->locked) &&
112                (cmpxchg(&l->locked_pending, _Q_PENDING_VAL, _Q_LOCKED_VAL)
113                         == _Q_PENDING_VAL);
114 }
115 #else /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
116 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
117 {
118         atomic_or(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
119 }
120
121 static __always_inline void clear_pending(struct qspinlock *lock)
122 {
123         atomic_andnot(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
124 }
125
126 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
127 {
128         int val = atomic_read(&lock->val);
129
130         for (;;) {
131                 int old, new;
132
133                 if (val  & _Q_LOCKED_MASK)
134                         break;
135
136                 /*
137                  * Try to clear pending bit & set locked bit
138                  */
139                 old = val;
140                 new = (val & ~_Q_PENDING_MASK) | _Q_LOCKED_VAL;
141                 val = atomic_cmpxchg(&lock->val, old, new);
142
143                 if (val == old)
144                         return 1;
145         }
146         return 0;
147 }
148 #endif /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
149
150 /*
151  * Lock and MCS node addresses hash table for fast lookup
152  *
153  * Hashing is done on a per-cacheline basis to minimize the need to access
154  * more than one cacheline.
155  *
156  * Dynamically allocate a hash table big enough to hold at least 4X the
157  * number of possible cpus in the system. Allocation is done on page
158  * granularity. So the minimum number of hash buckets should be at least
159  * 256 (64-bit) or 512 (32-bit) to fully utilize a 4k page.
160  *
161  * Since we should not be holding locks from NMI context (very rare indeed) the
162  * max load factor is 0.75, which is around the point where open addressing
163  * breaks down.
164  *
165  */
166 struct pv_hash_entry {
167         struct qspinlock *lock;
168         struct pv_node   *node;
169 };
170
171 #define PV_HE_PER_LINE  (SMP_CACHE_BYTES / sizeof(struct pv_hash_entry))
172 #define PV_HE_MIN       (PAGE_SIZE / sizeof(struct pv_hash_entry))
173
174 static struct pv_hash_entry *pv_lock_hash;
175 static unsigned int pv_lock_hash_bits __read_mostly;
176
177 /*
178  * Allocate memory for the PV qspinlock hash buckets
179  *
180  * This function should be called from the paravirt spinlock initialization
181  * routine.
182  */
183 void __init __pv_init_lock_hash(void)
184 {
185         int pv_hash_size = ALIGN(4 * num_possible_cpus(), PV_HE_PER_LINE);
186
187         if (pv_hash_size < PV_HE_MIN)
188                 pv_hash_size = PV_HE_MIN;
189
190         /*
191          * Allocate space from bootmem which should be page-size aligned
192          * and hence cacheline aligned.
193          */
194         pv_lock_hash = alloc_large_system_hash("PV qspinlock",
195                                                sizeof(struct pv_hash_entry),
196                                                pv_hash_size, 0, HASH_EARLY,
197                                                &pv_lock_hash_bits, NULL,
198                                                pv_hash_size, pv_hash_size);
199 }
200
201 #define for_each_hash_entry(he, offset, hash)                                           \
202         for (hash &= ~(PV_HE_PER_LINE - 1), he = &pv_lock_hash[hash], offset = 0;       \
203              offset < (1 << pv_lock_hash_bits);                                         \
204              offset++, he = &pv_lock_hash[(hash + offset) & ((1 << pv_lock_hash_bits) - 1)])
205
206 static struct qspinlock **pv_hash(struct qspinlock *lock, struct pv_node *node)
207 {
208         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
209         struct pv_hash_entry *he;
210         int hopcnt = 0;
211
212         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
213                 hopcnt++;
214                 if (!cmpxchg(&he->lock, NULL, lock)) {
215                         WRITE_ONCE(he->node, node);
216                         qstat_hop(hopcnt);
217                         return &he->lock;
218                 }
219         }
220         /*
221          * Hard assume there is a free entry for us.
222          *
223          * This is guaranteed by ensuring every blocked lock only ever consumes
224          * a single entry, and since we only have 4 nesting levels per CPU
225          * and allocated 4*nr_possible_cpus(), this must be so.
226          *
227          * The single entry is guaranteed by having the lock owner unhash
228          * before it releases.
229          */
230         BUG();
231 }
232
233 static struct pv_node *pv_unhash(struct qspinlock *lock)
234 {
235         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
236         struct pv_hash_entry *he;
237         struct pv_node *node;
238
239         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
240                 if (READ_ONCE(he->lock) == lock) {
241                         node = READ_ONCE(he->node);
242                         WRITE_ONCE(he->lock, NULL);
243                         return node;
244                 }
245         }
246         /*
247          * Hard assume we'll find an entry.
248          *
249          * This guarantees a limited lookup time and is itself guaranteed by
250          * having the lock owner do the unhash -- IFF the unlock sees the
251          * SLOW flag, there MUST be a hash entry.
252          */
253         BUG();
254 }
255
256 /*
257  * Return true if when it is time to check the previous node which is not
258  * in a running state.
259  */
260 static inline bool
261 pv_wait_early(struct pv_node *prev, int loop)
262 {
263         if ((loop & PV_PREV_CHECK_MASK) != 0)
264                 return false;
265
266         return READ_ONCE(prev->state) != vcpu_running;
267 }
268
269 /*
270  * Initialize the PV part of the mcs_spinlock node.
271  */
272 static void pv_init_node(struct mcs_spinlock *node)
273 {
274         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
275
276         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct pv_node) > 5*sizeof(struct mcs_spinlock));
277
278         pn->cpu = smp_processor_id();
279         pn->state = vcpu_running;
280 }
281
282 /*
283  * Wait for node->locked to become true, halt the vcpu after a short spin.
284  * pv_kick_node() is used to set _Q_SLOW_VAL and fill in hash table on its
285  * behalf.
286  */
287 static void pv_wait_node(struct mcs_spinlock *node, struct mcs_spinlock *prev)
288 {
289         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
290         struct pv_node *pp = (struct pv_node *)prev;
291         int loop;
292         bool wait_early;
293
294         for (;;) {
295                 for (wait_early = false, loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
296                         if (READ_ONCE(node->locked))
297                                 return;
298                         if (pv_wait_early(pp, loop)) {
299                                 wait_early = true;
300                                 break;
301                         }
302                         cpu_relax();
303                 }
304
305                 /*
306                  * Order pn->state vs pn->locked thusly:
307                  *
308                  * [S] pn->state = vcpu_halted    [S] next->locked = 1
309                  *     MB                             MB
310                  * [L] pn->locked               [RmW] pn->state = vcpu_hashed
311                  *
312                  * Matches the cmpxchg() from pv_kick_node().
313                  */
314                 smp_store_mb(pn->state, vcpu_halted);
315
316                 if (!READ_ONCE(node->locked)) {
317                         qstat_inc(qstat_pv_wait_node, true);
318                         qstat_inc(qstat_pv_wait_early, wait_early);
319                         pv_wait(&pn->state, vcpu_halted);
320                 }
321
322                 /*
323                  * If pv_kick_node() changed us to vcpu_hashed, retain that
324                  * value so that pv_wait_head_or_lock() knows to not also try
325                  * to hash this lock.
326                  */
327                 cmpxchg(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_running);
328
329                 /*
330                  * If the locked flag is still not set after wakeup, it is a
331                  * spurious wakeup and the vCPU should wait again. However,
332                  * there is a pretty high overhead for CPU halting and kicking.
333                  * So it is better to spin for a while in the hope that the
334                  * MCS lock will be released soon.
335                  */
336                 qstat_inc(qstat_pv_spurious_wakeup, !READ_ONCE(node->locked));
337         }
338
339         /*
340          * By now our node->locked should be 1 and our caller will not actually
341          * spin-wait for it. We do however rely on our caller to do a
342          * load-acquire for us.
343          */
344 }
345
346 /*
347  * Called after setting next->locked = 1 when we're the lock owner.
348  *
349  * Instead of waking the waiters stuck in pv_wait_node() advance their state
350  * such that they're waiting in pv_wait_head_or_lock(), this avoids a
351  * wake/sleep cycle.
352  */
353 static void pv_kick_node(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
354 {
355         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
356         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
357
358         /*
359          * If the vCPU is indeed halted, advance its state to match that of
360          * pv_wait_node(). If OTOH this fails, the vCPU was running and will
361          * observe its next->locked value and advance itself.
362          *
363          * Matches with smp_store_mb() and cmpxchg() in pv_wait_node()
364          */
365         if (cmpxchg(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_hashed) != vcpu_halted)
366                 return;
367
368         /*
369          * Put the lock into the hash table and set the _Q_SLOW_VAL.
370          *
371          * As this is the same vCPU that will check the _Q_SLOW_VAL value and
372          * the hash table later on at unlock time, no atomic instruction is
373          * needed.
374          */
375         WRITE_ONCE(l->locked, _Q_SLOW_VAL);
376         (void)pv_hash(lock, pn);
377 }
378
379 /*
380  * Wait for l->locked to become clear and acquire the lock;
381  * halt the vcpu after a short spin.
382  * __pv_queued_spin_unlock() will wake us.
383  *
384  * The current value of the lock will be returned for additional processing.
385  */
386 static u32
387 pv_wait_head_or_lock(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
388 {
389         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
390         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
391         struct qspinlock **lp = NULL;
392         int waitcnt = 0;
393         int loop;
394
395         /*
396          * If pv_kick_node() already advanced our state, we don't need to
397          * insert ourselves into the hash table anymore.
398          */
399         if (READ_ONCE(pn->state) == vcpu_hashed)
400                 lp = (struct qspinlock **)1;
401
402         /*
403          * Tracking # of slowpath locking operations
404          */
405         qstat_inc(qstat_pv_lock_slowpath, true);
406
407         for (;; waitcnt++) {
408                 /*
409                  * Set correct vCPU state to be used by queue node wait-early
410                  * mechanism.
411                  */
412                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_running);
413
414                 /*
415                  * Set the pending bit in the active lock spinning loop to
416                  * disable lock stealing before attempting to acquire the lock.
417                  */
418                 set_pending(lock);
419                 for (loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
420                         if (trylock_clear_pending(lock))
421                                 goto gotlock;
422                         cpu_relax();
423                 }
424                 clear_pending(lock);
425
426
427                 if (!lp) { /* ONCE */
428                         lp = pv_hash(lock, pn);
429
430                         /*
431                          * We must hash before setting _Q_SLOW_VAL, such that
432                          * when we observe _Q_SLOW_VAL in __pv_queued_spin_unlock()
433                          * we'll be sure to be able to observe our hash entry.
434                          *
435                          *   [S] <hash>                 [Rmw] l->locked == _Q_SLOW_VAL
436                          *       MB                           RMB
437                          * [RmW] l->locked = _Q_SLOW_VAL  [L] <unhash>
438                          *
439                          * Matches the smp_rmb() in __pv_queued_spin_unlock().
440                          */
441                         if (xchg(&l->locked, _Q_SLOW_VAL) == 0) {
442                                 /*
443                                  * The lock was free and now we own the lock.
444                                  * Change the lock value back to _Q_LOCKED_VAL
445                                  * and unhash the table.
446                                  */
447                                 WRITE_ONCE(l->locked, _Q_LOCKED_VAL);
448                                 WRITE_ONCE(*lp, NULL);
449                                 goto gotlock;
450                         }
451                 }
452                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_hashed);
453                 qstat_inc(qstat_pv_wait_head, true);
454                 qstat_inc(qstat_pv_wait_again, waitcnt);
455                 pv_wait(&l->locked, _Q_SLOW_VAL);
456
457                 /*
458                  * Because of lock stealing, the queue head vCPU may not be
459                  * able to acquire the lock before it has to wait again.
460                  */
461         }
462
463         /*
464          * The cmpxchg() or xchg() call before coming here provides the
465          * acquire semantics for locking. The dummy ORing of _Q_LOCKED_VAL
466          * here is to indicate to the compiler that the value will always
467          * be nozero to enable better code optimization.
468          */
469 gotlock:
470         return (u32)(atomic_read(&lock->val) | _Q_LOCKED_VAL);
471 }
472
473 /*
474  * PV versions of the unlock fastpath and slowpath functions to be used
475  * instead of queued_spin_unlock().
476  */
477 __visible void
478 __pv_queued_spin_unlock_slowpath(struct qspinlock *lock, u8 locked)
479 {
480         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
481         struct pv_node *node;
482
483         if (unlikely(locked != _Q_SLOW_VAL)) {
484                 WARN(!debug_locks_silent,
485                      "pvqspinlock: lock 0x%lx has corrupted value 0x%x!\n",
486                      (unsigned long)lock, atomic_read(&lock->val));
487                 return;
488         }
489
490         /*
491          * A failed cmpxchg doesn't provide any memory-ordering guarantees,
492          * so we need a barrier to order the read of the node data in
493          * pv_unhash *after* we've read the lock being _Q_SLOW_VAL.
494          *
495          * Matches the cmpxchg() in pv_wait_head_or_lock() setting _Q_SLOW_VAL.
496          */
497         smp_rmb();
498
499         /*
500          * Since the above failed to release, this must be the SLOW path.
501          * Therefore start by looking up the blocked node and unhashing it.
502          */
503         node = pv_unhash(lock);
504
505         /*
506          * Now that we have a reference to the (likely) blocked pv_node,
507          * release the lock.
508          */
509         smp_store_release(&l->locked, 0);
510
511         /*
512          * At this point the memory pointed at by lock can be freed/reused,
513          * however we can still use the pv_node to kick the CPU.
514          * The other vCPU may not really be halted, but kicking an active
515          * vCPU is harmless other than the additional latency in completing
516          * the unlock.
517          */
518         qstat_inc(qstat_pv_kick_unlock, true);
519         pv_kick(node->cpu);
520 }
521
522 /*
523  * Include the architecture specific callee-save thunk of the
524  * __pv_queued_spin_unlock(). This thunk is put together with
525  * __pv_queued_spin_unlock() to make the callee-save thunk and the real unlock
526  * function close to each other sharing consecutive instruction cachelines.
527  * Alternatively, architecture specific version of __pv_queued_spin_unlock()
528  * can be defined.
529  */
530 #include <asm/qspinlock_paravirt.h>
531
532 #ifndef __pv_queued_spin_unlock
533 __visible void __pv_queued_spin_unlock(struct qspinlock *lock)
534 {
535         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
536         u8 locked;
537
538         /*
539          * We must not unlock if SLOW, because in that case we must first
540          * unhash. Otherwise it would be possible to have multiple @lock
541          * entries, which would be BAD.
542          */
543         locked = cmpxchg(&l->locked, _Q_LOCKED_VAL, 0);
544         if (likely(locked == _Q_LOCKED_VAL))
545                 return;
546
547         __pv_queued_spin_unlock_slowpath(lock, locked);
548 }
549 #endif /* __pv_queued_spin_unlock */