locking/rwsem: Enable lockless waiter wakeup(s)
[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         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 = rwsem_atomic_update(adjustment, sem) - adjustment;
157                 if (unlikely(oldcount < RWSEM_WAITING_BIAS)) {
158                         /* A writer stole the lock. Undo our reader grant. */
159                         if (rwsem_atomic_update(-adjustment, sem) &
160                                                 RWSEM_ACTIVE_MASK)
161                                 goto out;
162                         /* Last active locker left. Retry waking readers. */
163                         goto try_reader_grant;
164                 }
165         }
166
167         /* Grant an infinite number of read locks to the readers at the front
168          * of the queue.  Note we increment the 'active part' of the count by
169          * the number of readers before waking any processes up.
170          */
171         woken = 0;
172         do {
173                 woken++;
174
175                 if (waiter->list.next == &sem->wait_list)
176                         break;
177
178                 waiter = list_entry(waiter->list.next,
179                                         struct rwsem_waiter, list);
180
181         } while (waiter->type != RWSEM_WAITING_FOR_WRITE);
182
183         adjustment = woken * RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS - adjustment;
184         if (waiter->type != RWSEM_WAITING_FOR_WRITE)
185                 /* hit end of list above */
186                 adjustment -= RWSEM_WAITING_BIAS;
187
188         if (adjustment)
189                 rwsem_atomic_add(adjustment, sem);
190
191         next = sem->wait_list.next;
192         loop = woken;
193         do {
194                 waiter = list_entry(next, struct rwsem_waiter, list);
195                 next = waiter->list.next;
196                 tsk = waiter->task;
197                 /*
198                  * Make sure we do not wakeup the next reader before
199                  * setting the nil condition to grant the next reader;
200                  * otherwise we could miss the wakeup on the other
201                  * side and end up sleeping again. See the pairing
202                  * in rwsem_down_read_failed().
203                  */
204                 smp_mb();
205                 waiter->task = NULL;
206                 wake_q_add(wake_q, tsk);
207                 put_task_struct(tsk);
208         } while (--loop);
209
210         sem->wait_list.next = next;
211         next->prev = &sem->wait_list;
212
213  out:
214         return sem;
215 }
216
217 /*
218  * Wait for the read lock to be granted
219  */
220 __visible
221 struct rw_semaphore __sched *rwsem_down_read_failed(struct rw_semaphore *sem)
222 {
223         long count, adjustment = -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS;
224         struct rwsem_waiter waiter;
225         struct task_struct *tsk = current;
226         WAKE_Q(wake_q);
227
228         /* set up my own style of waitqueue */
229         waiter.task = tsk;
230         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_READ;
231         get_task_struct(tsk);
232
233         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
234         if (list_empty(&sem->wait_list))
235                 adjustment += RWSEM_WAITING_BIAS;
236         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
237
238         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
239         count = rwsem_atomic_update(adjustment, sem);
240
241         /* If there are no active locks, wake the front queued process(es).
242          *
243          * If there are no writers and we are first in the queue,
244          * wake our own waiter to join the existing active readers !
245          */
246         if (count == RWSEM_WAITING_BIAS ||
247             (count > RWSEM_WAITING_BIAS &&
248              adjustment != -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS))
249                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
250
251         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
252         wake_up_q(&wake_q);
253
254         /* wait to be given the lock */
255         while (true) {
256                 set_task_state(tsk, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
257                 if (!waiter.task)
258                         break;
259                 schedule();
260         }
261
262         __set_task_state(tsk, TASK_RUNNING);
263         return sem;
264 }
265 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_read_failed);
266
267 static inline bool rwsem_try_write_lock(long count, struct rw_semaphore *sem)
268 {
269         /*
270          * Try acquiring the write lock. Check count first in order
271          * to reduce unnecessary expensive cmpxchg() operations.
272          */
273         if (count == RWSEM_WAITING_BIAS &&
274             cmpxchg_acquire(&sem->count, RWSEM_WAITING_BIAS,
275                     RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS) == RWSEM_WAITING_BIAS) {
276                 if (!list_is_singular(&sem->wait_list))
277                         rwsem_atomic_update(RWSEM_WAITING_BIAS, sem);
278                 rwsem_set_owner(sem);
279                 return true;
280         }
281
282         return false;
283 }
284
285 #ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
286 /*
287  * Try to acquire write lock before the writer has been put on wait queue.
288  */
289 static inline bool rwsem_try_write_lock_unqueued(struct rw_semaphore *sem)
290 {
291         long old, count = READ_ONCE(sem->count);
292
293         while (true) {
294                 if (!(count == 0 || count == RWSEM_WAITING_BIAS))
295                         return false;
296
297                 old = cmpxchg_acquire(&sem->count, count,
298                                       count + RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS);
299                 if (old == count) {
300                         rwsem_set_owner(sem);
301                         return true;
302                 }
303
304                 count = old;
305         }
306 }
307
308 static inline bool rwsem_can_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem)
309 {
310         struct task_struct *owner;
311         bool ret = true;
312
313         if (need_resched())
314                 return false;
315
316         rcu_read_lock();
317         owner = READ_ONCE(sem->owner);
318         if (!owner) {
319                 long count = READ_ONCE(sem->count);
320                 /*
321                  * If sem->owner is not set, yet we have just recently entered the
322                  * slowpath with the lock being active, then there is a possibility
323                  * reader(s) may have the lock. To be safe, bail spinning in these
324                  * situations.
325                  */
326                 if (count & RWSEM_ACTIVE_MASK)
327                         ret = false;
328                 goto done;
329         }
330
331         ret = owner->on_cpu;
332 done:
333         rcu_read_unlock();
334         return ret;
335 }
336
337 static noinline
338 bool rwsem_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem, struct task_struct *owner)
339 {
340         long count;
341
342         rcu_read_lock();
343         while (sem->owner == owner) {
344                 /*
345                  * Ensure we emit the owner->on_cpu, dereference _after_
346                  * checking sem->owner still matches owner, if that fails,
347                  * owner might point to free()d memory, if it still matches,
348                  * the rcu_read_lock() ensures the memory stays valid.
349                  */
350                 barrier();
351
352                 /* abort spinning when need_resched or owner is not running */
353                 if (!owner->on_cpu || need_resched()) {
354                         rcu_read_unlock();
355                         return false;
356                 }
357
358                 cpu_relax_lowlatency();
359         }
360         rcu_read_unlock();
361
362         if (READ_ONCE(sem->owner))
363                 return true; /* new owner, continue spinning */
364
365         /*
366          * When the owner is not set, the lock could be free or
367          * held by readers. Check the counter to verify the
368          * state.
369          */
370         count = READ_ONCE(sem->count);
371         return (count == 0 || count == RWSEM_WAITING_BIAS);
372 }
373
374 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
375 {
376         struct task_struct *owner;
377         bool taken = false;
378
379         preempt_disable();
380
381         /* sem->wait_lock should not be held when doing optimistic spinning */
382         if (!rwsem_can_spin_on_owner(sem))
383                 goto done;
384
385         if (!osq_lock(&sem->osq))
386                 goto done;
387
388         while (true) {
389                 owner = READ_ONCE(sem->owner);
390                 if (owner && !rwsem_spin_on_owner(sem, owner))
391                         break;
392
393                 /* wait_lock will be acquired if write_lock is obtained */
394                 if (rwsem_try_write_lock_unqueued(sem)) {
395                         taken = true;
396                         break;
397                 }
398
399                 /*
400                  * When there's no owner, we might have preempted between the
401                  * owner acquiring the lock and setting the owner field. If
402                  * we're an RT task that will live-lock because we won't let
403                  * the owner complete.
404                  */
405                 if (!owner && (need_resched() || rt_task(current)))
406                         break;
407
408                 /*
409                  * The cpu_relax() call is a compiler barrier which forces
410                  * everything in this loop to be re-loaded. We don't need
411                  * memory barriers as we'll eventually observe the right
412                  * values at the cost of a few extra spins.
413                  */
414                 cpu_relax_lowlatency();
415         }
416         osq_unlock(&sem->osq);
417 done:
418         preempt_enable();
419         return taken;
420 }
421
422 /*
423  * Return true if the rwsem has active spinner
424  */
425 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
426 {
427         return osq_is_locked(&sem->osq);
428 }
429
430 #else
431 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
432 {
433         return false;
434 }
435
436 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
437 {
438         return false;
439 }
440 #endif
441
442 /*
443  * Wait until we successfully acquire the write lock
444  */
445 static inline struct rw_semaphore *
446 __rwsem_down_write_failed_common(struct rw_semaphore *sem, int state)
447 {
448         long count;
449         bool waiting = true; /* any queued threads before us */
450         struct rwsem_waiter waiter;
451         struct rw_semaphore *ret = sem;
452         WAKE_Q(wake_q);
453
454         /* undo write bias from down_write operation, stop active locking */
455         count = rwsem_atomic_update(-RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS, sem);
456
457         /* do optimistic spinning and steal lock if possible */
458         if (rwsem_optimistic_spin(sem))
459                 return sem;
460
461         /*
462          * Optimistic spinning failed, proceed to the slowpath
463          * and block until we can acquire the sem.
464          */
465         waiter.task = current;
466         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_WRITE;
467
468         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
469
470         /* account for this before adding a new element to the list */
471         if (list_empty(&sem->wait_list))
472                 waiting = false;
473
474         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
475
476         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
477         if (waiting) {
478                 count = READ_ONCE(sem->count);
479
480                 /*
481                  * If there were already threads queued before us and there are
482                  * no active writers, the lock must be read owned; so we try to
483                  * wake any read locks that were queued ahead of us.
484                  */
485                 if (count > RWSEM_WAITING_BIAS) {
486                         WAKE_Q(wake_q);
487
488                         sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READERS, &wake_q);
489                         /*
490                          * The wakeup is normally called _after_ the wait_lock
491                          * is released, but given that we are proactively waking
492                          * readers we can deal with the wake_q overhead as it is
493                          * similar to releasing and taking the wait_lock again
494                          * for attempting rwsem_try_write_lock().
495                          */
496                         wake_up_q(&wake_q);
497                 }
498
499         } else
500                 count = rwsem_atomic_update(RWSEM_WAITING_BIAS, sem);
501
502         /* wait until we successfully acquire the lock */
503         set_current_state(state);
504         while (true) {
505                 if (rwsem_try_write_lock(count, sem))
506                         break;
507                 raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
508
509                 /* Block until there are no active lockers. */
510                 do {
511                         if (signal_pending_state(state, current))
512                                 goto out_nolock;
513
514                         schedule();
515                         set_current_state(state);
516                 } while ((count = sem->count) & RWSEM_ACTIVE_MASK);
517
518                 raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
519         }
520         __set_current_state(TASK_RUNNING);
521         list_del(&waiter.list);
522         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
523
524         return ret;
525
526 out_nolock:
527         __set_current_state(TASK_RUNNING);
528         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
529         list_del(&waiter.list);
530         if (list_empty(&sem->wait_list))
531                 rwsem_atomic_update(-RWSEM_WAITING_BIAS, sem);
532         else
533                 __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
534         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
535         wake_up_q(&wake_q);
536
537         return ERR_PTR(-EINTR);
538 }
539
540 __visible struct rw_semaphore * __sched
541 rwsem_down_write_failed(struct rw_semaphore *sem)
542 {
543         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
544 }
545 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed);
546
547 __visible struct rw_semaphore * __sched
548 rwsem_down_write_failed_killable(struct rw_semaphore *sem)
549 {
550         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_KILLABLE);
551 }
552 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed_killable);
553
554 /*
555  * handle waking up a waiter on the semaphore
556  * - up_read/up_write has decremented the active part of count if we come here
557  */
558 __visible
559 struct rw_semaphore *rwsem_wake(struct rw_semaphore *sem)
560 {
561         unsigned long flags;
562         WAKE_Q(wake_q);
563
564         /*
565          * If a spinner is present, it is not necessary to do the wakeup.
566          * Try to do wakeup only if the trylock succeeds to minimize
567          * spinlock contention which may introduce too much delay in the
568          * unlock operation.
569          *
570          *    spinning writer           up_write/up_read caller
571          *    ---------------           -----------------------
572          * [S]   osq_unlock()           [L]   osq
573          *       MB                           RMB
574          * [RmW] rwsem_try_write_lock() [RmW] spin_trylock(wait_lock)
575          *
576          * Here, it is important to make sure that there won't be a missed
577          * wakeup while the rwsem is free and the only spinning writer goes
578          * to sleep without taking the rwsem. Even when the spinning writer
579          * is just going to break out of the waiting loop, it will still do
580          * a trylock in rwsem_down_write_failed() before sleeping. IOW, if
581          * rwsem_has_spinner() is true, it will guarantee at least one
582          * trylock attempt on the rwsem later on.
583          */
584         if (rwsem_has_spinner(sem)) {
585                 /*
586                  * The smp_rmb() here is to make sure that the spinner
587                  * state is consulted before reading the wait_lock.
588                  */
589                 smp_rmb();
590                 if (!raw_spin_trylock_irqsave(&sem->wait_lock, flags))
591                         return sem;
592                 goto locked;
593         }
594         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
595 locked:
596
597         /* do nothing if list empty */
598         if (!list_empty(&sem->wait_list))
599                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
600
601         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
602         wake_up_q(&wake_q);
603
604         return sem;
605 }
606 EXPORT_SYMBOL(rwsem_wake);
607
608 /*
609  * downgrade a write lock into a read lock
610  * - caller incremented waiting part of count and discovered it still negative
611  * - just wake up any readers at the front of the queue
612  */
613 __visible
614 struct rw_semaphore *rwsem_downgrade_wake(struct rw_semaphore *sem)
615 {
616         unsigned long flags;
617         WAKE_Q(wake_q);
618
619         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
620
621         /* do nothing if list empty */
622         if (!list_empty(&sem->wait_list))
623                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READ_OWNED, &wake_q);
624
625         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
626         wake_up_q(&wake_q);
627
628         return sem;
629 }
630 EXPORT_SYMBOL(rwsem_downgrade_wake);