Merge tag 'wireless-drivers-for-davem-2016-09-08' of git://git.kernel.org/pub/scm...
[cascardo/linux.git] / kernel / locking / rwsem-xadd.c
1 /* rwsem.c: R/W semaphores: contention handling functions
2  *
3  * Written by David Howells (dhowells@redhat.com).
4  * Derived from arch/i386/kernel/semaphore.c
5  *
6  * Writer lock-stealing by Alex Shi <alex.shi@intel.com>
7  * and Michel Lespinasse <walken@google.com>
8  *
9  * Optimistic spinning by Tim Chen <tim.c.chen@intel.com>
10  * and Davidlohr Bueso <davidlohr@hp.com>. Based on mutexes.
11  */
12 #include <linux/rwsem.h>
13 #include <linux/sched.h>
14 #include <linux/init.h>
15 #include <linux/export.h>
16 #include <linux/sched/rt.h>
17 #include <linux/osq_lock.h>
18
19 #include "rwsem.h"
20
21 /*
22  * Guide to the rw_semaphore's count field for common values.
23  * (32-bit case illustrated, similar for 64-bit)
24  *
25  * 0x0000000X   (1) X readers active or attempting lock, no writer waiting
26  *                  X = #active_readers + #readers attempting to lock
27  *                  (X*ACTIVE_BIAS)
28  *
29  * 0x00000000   rwsem is unlocked, and no one is waiting for the lock or
30  *              attempting to read lock or write lock.
31  *
32  * 0xffff000X   (1) X readers active or attempting lock, with waiters for lock
33  *                  X = #active readers + # readers attempting lock
34  *                  (X*ACTIVE_BIAS + WAITING_BIAS)
35  *              (2) 1 writer attempting lock, no waiters for lock
36  *                  X-1 = #active readers + #readers attempting lock
37  *                  ((X-1)*ACTIVE_BIAS + ACTIVE_WRITE_BIAS)
38  *              (3) 1 writer active, no waiters for lock
39  *                  X-1 = #active readers + #readers attempting lock
40  *                  ((X-1)*ACTIVE_BIAS + ACTIVE_WRITE_BIAS)
41  *
42  * 0xffff0001   (1) 1 reader active or attempting lock, waiters for lock
43  *                  (WAITING_BIAS + ACTIVE_BIAS)
44  *              (2) 1 writer active or attempting lock, no waiters for lock
45  *                  (ACTIVE_WRITE_BIAS)
46  *
47  * 0xffff0000   (1) There are writers or readers queued but none active
48  *                  or in the process of attempting lock.
49  *                  (WAITING_BIAS)
50  *              Note: writer can attempt to steal lock for this count by adding
51  *              ACTIVE_WRITE_BIAS in cmpxchg and checking the old count
52  *
53  * 0xfffe0001   (1) 1 writer active, or attempting lock. Waiters on queue.
54  *                  (ACTIVE_WRITE_BIAS + WAITING_BIAS)
55  *
56  * Note: Readers attempt to lock by adding ACTIVE_BIAS in down_read and checking
57  *       the count becomes more than 0 for successful lock acquisition,
58  *       i.e. the case where there are only readers or nobody has lock.
59  *       (1st and 2nd case above).
60  *
61  *       Writers attempt to lock by adding ACTIVE_WRITE_BIAS in down_write and
62  *       checking the count becomes ACTIVE_WRITE_BIAS for successful lock
63  *       acquisition (i.e. nobody else has lock or attempts lock).  If
64  *       unsuccessful, in rwsem_down_write_failed, we'll check to see if there
65  *       are only waiters but none active (5th case above), and attempt to
66  *       steal the lock.
67  *
68  */
69
70 /*
71  * Initialize an rwsem:
72  */
73 void __init_rwsem(struct rw_semaphore *sem, const char *name,
74                   struct lock_class_key *key)
75 {
76 #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
77         /*
78          * Make sure we are not reinitializing a held semaphore:
79          */
80         debug_check_no_locks_freed((void *)sem, sizeof(*sem));
81         lockdep_init_map(&sem->dep_map, name, key, 0);
82 #endif
83         atomic_long_set(&sem->count, RWSEM_UNLOCKED_VALUE);
84         raw_spin_lock_init(&sem->wait_lock);
85         INIT_LIST_HEAD(&sem->wait_list);
86 #ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
87         sem->owner = NULL;
88         osq_lock_init(&sem->osq);
89 #endif
90 }
91
92 EXPORT_SYMBOL(__init_rwsem);
93
94 enum rwsem_waiter_type {
95         RWSEM_WAITING_FOR_WRITE,
96         RWSEM_WAITING_FOR_READ
97 };
98
99 struct rwsem_waiter {
100         struct list_head list;
101         struct task_struct *task;
102         enum rwsem_waiter_type type;
103 };
104
105 enum rwsem_wake_type {
106         RWSEM_WAKE_ANY,         /* Wake whatever's at head of wait list */
107         RWSEM_WAKE_READERS,     /* Wake readers only */
108         RWSEM_WAKE_READ_OWNED   /* Waker thread holds the read lock */
109 };
110
111 /*
112  * handle the lock release when processes blocked on it that can now run
113  * - if we come here from up_xxxx(), then:
114  *   - the 'active part' of count (&0x0000ffff) reached 0 (but may have changed)
115  *   - the 'waiting part' of count (&0xffff0000) is -ve (and will still be so)
116  * - there must be someone on the queue
117  * - the wait_lock must be held by the caller
118  * - tasks are marked for wakeup, the caller must later invoke wake_up_q()
119  *   to actually wakeup the blocked task(s) and drop the reference count,
120  *   preferably when the wait_lock is released
121  * - woken process blocks are discarded from the list after having task zeroed
122  * - writers are only marked woken if downgrading is false
123  */
124 static struct rw_semaphore *
125 __rwsem_mark_wake(struct rw_semaphore *sem,
126                   enum rwsem_wake_type wake_type, struct wake_q_head *wake_q)
127 {
128         struct rwsem_waiter *waiter;
129         struct task_struct *tsk;
130         struct list_head *next;
131         long oldcount, woken, loop, adjustment;
132
133         waiter = list_entry(sem->wait_list.next, struct rwsem_waiter, list);
134         if (waiter->type == RWSEM_WAITING_FOR_WRITE) {
135                 if (wake_type == RWSEM_WAKE_ANY) {
136                         /*
137                          * Mark writer at the front of the queue for wakeup.
138                          * Until the task is actually later awoken later by
139                          * the caller, other writers are able to steal it.
140                          * Readers, on the other hand, will block as they
141                          * will notice the queued writer.
142                          */
143                         wake_q_add(wake_q, waiter->task);
144                 }
145                 goto out;
146         }
147
148         /* Writers might steal the lock before we grant it to the next reader.
149          * We prefer to do the first reader grant before counting readers
150          * so we can bail out early if a writer stole the lock.
151          */
152         adjustment = 0;
153         if (wake_type != RWSEM_WAKE_READ_OWNED) {
154                 adjustment = RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS;
155  try_reader_grant:
156                 oldcount = atomic_long_fetch_add(adjustment, &sem->count);
157
158                 if (unlikely(oldcount < RWSEM_WAITING_BIAS)) {
159                         /*
160                          * If the count is still less than RWSEM_WAITING_BIAS
161                          * after removing the adjustment, it is assumed that
162                          * a writer has stolen the lock. We have to undo our
163                          * reader grant.
164                          */
165                         if (atomic_long_add_return(-adjustment, &sem->count) <
166                             RWSEM_WAITING_BIAS)
167                                 goto out;
168                         /* Last active locker left. Retry waking readers. */
169                         goto try_reader_grant;
170                 }
171                 /*
172                  * It is not really necessary to set it to reader-owned here,
173                  * but it gives the spinners an early indication that the
174                  * readers now have the lock.
175                  */
176                 rwsem_set_reader_owned(sem);
177         }
178
179         /* Grant an infinite number of read locks to the readers at the front
180          * of the queue.  Note we increment the 'active part' of the count by
181          * the number of readers before waking any processes up.
182          */
183         woken = 0;
184         do {
185                 woken++;
186
187                 if (waiter->list.next == &sem->wait_list)
188                         break;
189
190                 waiter = list_entry(waiter->list.next,
191                                         struct rwsem_waiter, list);
192
193         } while (waiter->type != RWSEM_WAITING_FOR_WRITE);
194
195         adjustment = woken * RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS - adjustment;
196         if (waiter->type != RWSEM_WAITING_FOR_WRITE)
197                 /* hit end of list above */
198                 adjustment -= RWSEM_WAITING_BIAS;
199
200         if (adjustment)
201                 atomic_long_add(adjustment, &sem->count);
202
203         next = sem->wait_list.next;
204         loop = woken;
205         do {
206                 waiter = list_entry(next, struct rwsem_waiter, list);
207                 next = waiter->list.next;
208                 tsk = waiter->task;
209
210                 wake_q_add(wake_q, tsk);
211                 /*
212                  * Ensure that the last operation is setting the reader
213                  * waiter to nil such that rwsem_down_read_failed() cannot
214                  * race with do_exit() by always holding a reference count
215                  * to the task to wakeup.
216                  */
217                 smp_store_release(&waiter->task, NULL);
218         } while (--loop);
219
220         sem->wait_list.next = next;
221         next->prev = &sem->wait_list;
222
223  out:
224         return sem;
225 }
226
227 /*
228  * Wait for the read lock to be granted
229  */
230 __visible
231 struct rw_semaphore __sched *rwsem_down_read_failed(struct rw_semaphore *sem)
232 {
233         long count, adjustment = -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS;
234         struct rwsem_waiter waiter;
235         struct task_struct *tsk = current;
236         WAKE_Q(wake_q);
237
238         /* set up my own style of waitqueue */
239         waiter.task = tsk;
240         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_READ;
241
242         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
243         if (list_empty(&sem->wait_list))
244                 adjustment += RWSEM_WAITING_BIAS;
245         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
246
247         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
248         count = atomic_long_add_return(adjustment, &sem->count);
249
250         /* If there are no active locks, wake the front queued process(es).
251          *
252          * If there are no writers and we are first in the queue,
253          * wake our own waiter to join the existing active readers !
254          */
255         if (count == RWSEM_WAITING_BIAS ||
256             (count > RWSEM_WAITING_BIAS &&
257              adjustment != -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS))
258                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
259
260         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
261         wake_up_q(&wake_q);
262
263         /* wait to be given the lock */
264         while (true) {
265                 set_task_state(tsk, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
266                 if (!waiter.task)
267                         break;
268                 schedule();
269         }
270
271         __set_task_state(tsk, TASK_RUNNING);
272         return sem;
273 }
274 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_read_failed);
275
276 /*
277  * This function must be called with the sem->wait_lock held to prevent
278  * race conditions between checking the rwsem wait list and setting the
279  * sem->count accordingly.
280  */
281 static inline bool rwsem_try_write_lock(long count, struct rw_semaphore *sem)
282 {
283         /*
284          * Avoid trying to acquire write lock if count isn't RWSEM_WAITING_BIAS.
285          */
286         if (count != RWSEM_WAITING_BIAS)
287                 return false;
288
289         /*
290          * Acquire the lock by trying to set it to ACTIVE_WRITE_BIAS. If there
291          * are other tasks on the wait list, we need to add on WAITING_BIAS.
292          */
293         count = list_is_singular(&sem->wait_list) ?
294                         RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS :
295                         RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS + RWSEM_WAITING_BIAS;
296
297         if (atomic_long_cmpxchg_acquire(&sem->count, RWSEM_WAITING_BIAS, count)
298                                                         == RWSEM_WAITING_BIAS) {
299                 rwsem_set_owner(sem);
300                 return true;
301         }
302
303         return false;
304 }
305
306 #ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
307 /*
308  * Try to acquire write lock before the writer has been put on wait queue.
309  */
310 static inline bool rwsem_try_write_lock_unqueued(struct rw_semaphore *sem)
311 {
312         long old, count = atomic_long_read(&sem->count);
313
314         while (true) {
315                 if (!(count == 0 || count == RWSEM_WAITING_BIAS))
316                         return false;
317
318                 old = atomic_long_cmpxchg_acquire(&sem->count, count,
319                                       count + RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS);
320                 if (old == count) {
321                         rwsem_set_owner(sem);
322                         return true;
323                 }
324
325                 count = old;
326         }
327 }
328
329 static inline bool rwsem_can_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem)
330 {
331         struct task_struct *owner;
332         bool ret = true;
333
334         if (need_resched())
335                 return false;
336
337         rcu_read_lock();
338         owner = READ_ONCE(sem->owner);
339         if (!rwsem_owner_is_writer(owner)) {
340                 /*
341                  * Don't spin if the rwsem is readers owned.
342                  */
343                 ret = !rwsem_owner_is_reader(owner);
344                 goto done;
345         }
346
347         ret = owner->on_cpu;
348 done:
349         rcu_read_unlock();
350         return ret;
351 }
352
353 /*
354  * Return true only if we can still spin on the owner field of the rwsem.
355  */
356 static noinline bool rwsem_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem)
357 {
358         struct task_struct *owner = READ_ONCE(sem->owner);
359
360         if (!rwsem_owner_is_writer(owner))
361                 goto out;
362
363         rcu_read_lock();
364         while (sem->owner == owner) {
365                 /*
366                  * Ensure we emit the owner->on_cpu, dereference _after_
367                  * checking sem->owner still matches owner, if that fails,
368                  * owner might point to free()d memory, if it still matches,
369                  * the rcu_read_lock() ensures the memory stays valid.
370                  */
371                 barrier();
372
373                 /* abort spinning when need_resched or owner is not running */
374                 if (!owner->on_cpu || need_resched()) {
375                         rcu_read_unlock();
376                         return false;
377                 }
378
379                 cpu_relax_lowlatency();
380         }
381         rcu_read_unlock();
382 out:
383         /*
384          * If there is a new owner or the owner is not set, we continue
385          * spinning.
386          */
387         return !rwsem_owner_is_reader(READ_ONCE(sem->owner));
388 }
389
390 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
391 {
392         bool taken = false;
393
394         preempt_disable();
395
396         /* sem->wait_lock should not be held when doing optimistic spinning */
397         if (!rwsem_can_spin_on_owner(sem))
398                 goto done;
399
400         if (!osq_lock(&sem->osq))
401                 goto done;
402
403         /*
404          * Optimistically spin on the owner field and attempt to acquire the
405          * lock whenever the owner changes. Spinning will be stopped when:
406          *  1) the owning writer isn't running; or
407          *  2) readers own the lock as we can't determine if they are
408          *     actively running or not.
409          */
410         while (rwsem_spin_on_owner(sem)) {
411                 /*
412                  * Try to acquire the lock
413                  */
414                 if (rwsem_try_write_lock_unqueued(sem)) {
415                         taken = true;
416                         break;
417                 }
418
419                 /*
420                  * When there's no owner, we might have preempted between the
421                  * owner acquiring the lock and setting the owner field. If
422                  * we're an RT task that will live-lock because we won't let
423                  * the owner complete.
424                  */
425                 if (!sem->owner && (need_resched() || rt_task(current)))
426                         break;
427
428                 /*
429                  * The cpu_relax() call is a compiler barrier which forces
430                  * everything in this loop to be re-loaded. We don't need
431                  * memory barriers as we'll eventually observe the right
432                  * values at the cost of a few extra spins.
433                  */
434                 cpu_relax_lowlatency();
435         }
436         osq_unlock(&sem->osq);
437 done:
438         preempt_enable();
439         return taken;
440 }
441
442 /*
443  * Return true if the rwsem has active spinner
444  */
445 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
446 {
447         return osq_is_locked(&sem->osq);
448 }
449
450 #else
451 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
452 {
453         return false;
454 }
455
456 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
457 {
458         return false;
459 }
460 #endif
461
462 /*
463  * Wait until we successfully acquire the write lock
464  */
465 static inline struct rw_semaphore *
466 __rwsem_down_write_failed_common(struct rw_semaphore *sem, int state)
467 {
468         long count;
469         bool waiting = true; /* any queued threads before us */
470         struct rwsem_waiter waiter;
471         struct rw_semaphore *ret = sem;
472         WAKE_Q(wake_q);
473
474         /* undo write bias from down_write operation, stop active locking */
475         count = atomic_long_sub_return(RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS, &sem->count);
476
477         /* do optimistic spinning and steal lock if possible */
478         if (rwsem_optimistic_spin(sem))
479                 return sem;
480
481         /*
482          * Optimistic spinning failed, proceed to the slowpath
483          * and block until we can acquire the sem.
484          */
485         waiter.task = current;
486         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_WRITE;
487
488         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
489
490         /* account for this before adding a new element to the list */
491         if (list_empty(&sem->wait_list))
492                 waiting = false;
493
494         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
495
496         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
497         if (waiting) {
498                 count = atomic_long_read(&sem->count);
499
500                 /*
501                  * If there were already threads queued before us and there are
502                  * no active writers, the lock must be read owned; so we try to
503                  * wake any read locks that were queued ahead of us.
504                  */
505                 if (count > RWSEM_WAITING_BIAS) {
506                         WAKE_Q(wake_q);
507
508                         sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READERS, &wake_q);
509                         /*
510                          * The wakeup is normally called _after_ the wait_lock
511                          * is released, but given that we are proactively waking
512                          * readers we can deal with the wake_q overhead as it is
513                          * similar to releasing and taking the wait_lock again
514                          * for attempting rwsem_try_write_lock().
515                          */
516                         wake_up_q(&wake_q);
517                 }
518
519         } else
520                 count = atomic_long_add_return(RWSEM_WAITING_BIAS, &sem->count);
521
522         /* wait until we successfully acquire the lock */
523         set_current_state(state);
524         while (true) {
525                 if (rwsem_try_write_lock(count, sem))
526                         break;
527                 raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
528
529                 /* Block until there are no active lockers. */
530                 do {
531                         if (signal_pending_state(state, current))
532                                 goto out_nolock;
533
534                         schedule();
535                         set_current_state(state);
536                 } while ((count = atomic_long_read(&sem->count)) & RWSEM_ACTIVE_MASK);
537
538                 raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
539         }
540         __set_current_state(TASK_RUNNING);
541         list_del(&waiter.list);
542         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
543
544         return ret;
545
546 out_nolock:
547         __set_current_state(TASK_RUNNING);
548         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
549         list_del(&waiter.list);
550         if (list_empty(&sem->wait_list))
551                 atomic_long_add(-RWSEM_WAITING_BIAS, &sem->count);
552         else
553                 __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
554         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
555         wake_up_q(&wake_q);
556
557         return ERR_PTR(-EINTR);
558 }
559
560 __visible struct rw_semaphore * __sched
561 rwsem_down_write_failed(struct rw_semaphore *sem)
562 {
563         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
564 }
565 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed);
566
567 __visible struct rw_semaphore * __sched
568 rwsem_down_write_failed_killable(struct rw_semaphore *sem)
569 {
570         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_KILLABLE);
571 }
572 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed_killable);
573
574 /*
575  * handle waking up a waiter on the semaphore
576  * - up_read/up_write has decremented the active part of count if we come here
577  */
578 __visible
579 struct rw_semaphore *rwsem_wake(struct rw_semaphore *sem)
580 {
581         unsigned long flags;
582         WAKE_Q(wake_q);
583
584         /*
585          * If a spinner is present, it is not necessary to do the wakeup.
586          * Try to do wakeup only if the trylock succeeds to minimize
587          * spinlock contention which may introduce too much delay in the
588          * unlock operation.
589          *
590          *    spinning writer           up_write/up_read caller
591          *    ---------------           -----------------------
592          * [S]   osq_unlock()           [L]   osq
593          *       MB                           RMB
594          * [RmW] rwsem_try_write_lock() [RmW] spin_trylock(wait_lock)
595          *
596          * Here, it is important to make sure that there won't be a missed
597          * wakeup while the rwsem is free and the only spinning writer goes
598          * to sleep without taking the rwsem. Even when the spinning writer
599          * is just going to break out of the waiting loop, it will still do
600          * a trylock in rwsem_down_write_failed() before sleeping. IOW, if
601          * rwsem_has_spinner() is true, it will guarantee at least one
602          * trylock attempt on the rwsem later on.
603          */
604         if (rwsem_has_spinner(sem)) {
605                 /*
606                  * The smp_rmb() here is to make sure that the spinner
607                  * state is consulted before reading the wait_lock.
608                  */
609                 smp_rmb();
610                 if (!raw_spin_trylock_irqsave(&sem->wait_lock, flags))
611                         return sem;
612                 goto locked;
613         }
614         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
615 locked:
616
617         /* do nothing if list empty */
618         if (!list_empty(&sem->wait_list))
619                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
620
621         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
622         wake_up_q(&wake_q);
623
624         return sem;
625 }
626 EXPORT_SYMBOL(rwsem_wake);
627
628 /*
629  * downgrade a write lock into a read lock
630  * - caller incremented waiting part of count and discovered it still negative
631  * - just wake up any readers at the front of the queue
632  */
633 __visible
634 struct rw_semaphore *rwsem_downgrade_wake(struct rw_semaphore *sem)
635 {
636         unsigned long flags;
637         WAKE_Q(wake_q);
638
639         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
640
641         /* do nothing if list empty */
642         if (!list_empty(&sem->wait_list))
643                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READ_OWNED, &wake_q);
644
645         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
646         wake_up_q(&wake_q);
647
648         return sem;
649 }
650 EXPORT_SYMBOL(rwsem_downgrade_wake);