Merge branch 'acpi-ec'
[linux-drm-fsl-dcu.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 And there are anti-guarantees:
273
274  (*) These guarantees do not apply to bitfields, because compilers often
275      generate code to modify these using non-atomic read-modify-write
276      sequences.  Do not attempt to use bitfields to synchronize parallel
277      algorithms.
278
279  (*) Even in cases where bitfields are protected by locks, all fields
280      in a given bitfield must be protected by one lock.  If two fields
281      in a given bitfield are protected by different locks, the compiler's
282      non-atomic read-modify-write sequences can cause an update to one
283      field to corrupt the value of an adjacent field.
284
285  (*) These guarantees apply only to properly aligned and sized scalar
286      variables.  "Properly sized" currently means variables that are
287      the same size as "char", "short", "int" and "long".  "Properly
288      aligned" means the natural alignment, thus no constraints for
289      "char", two-byte alignment for "short", four-byte alignment for
290      "int", and either four-byte or eight-byte alignment for "long",
291      on 32-bit and 64-bit systems, respectively.  Note that these
292      guarantees were introduced into the C11 standard, so beware when
293      using older pre-C11 compilers (for example, gcc 4.6).  The portion
294      of the standard containing this guarantee is Section 3.14, which
295      defines "memory location" as follows:
296
297         memory location
298                 either an object of scalar type, or a maximal sequence
299                 of adjacent bit-fields all having nonzero width
300
301                 NOTE 1: Two threads of execution can update and access
302                 separate memory locations without interfering with
303                 each other.
304
305                 NOTE 2: A bit-field and an adjacent non-bit-field member
306                 are in separate memory locations. The same applies
307                 to two bit-fields, if one is declared inside a nested
308                 structure declaration and the other is not, or if the two
309                 are separated by a zero-length bit-field declaration,
310                 or if they are separated by a non-bit-field member
311                 declaration. It is not safe to concurrently update two
312                 bit-fields in the same structure if all members declared
313                 between them are also bit-fields, no matter what the
314                 sizes of those intervening bit-fields happen to be.
315
316
317 =========================
318 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
319 =========================
320
321 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
322 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
323 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
324 CPU to restrict the order.
325
326 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
327 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
328
329 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
330 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
331 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
332 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
333 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
334 interaction of multiple CPUs and/or devices.
335
336
337 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
338 ---------------------------
339
340 Memory barriers come in four basic varieties:
341
342  (1) Write (or store) memory barriers.
343
344      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
345      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
346      operations specified after the barrier with respect to the other
347      components of the system.
348
349      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
350      to have any effect on loads.
351
352      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
353      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
354      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
355
356      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
357      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
358
359
360  (2) Data dependency barriers.
361
362      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
363      where two loads are performed such that the second depends on the result
364      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
365      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
366      make sure that the target of the second load is updated before the address
367      obtained by the first load is accessed.
368
369      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
370      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
371      or overlapping loads.
372
373      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
374      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
375      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
376      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
377      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
378      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
379      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
380      dependency barrier.
381
382      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
383      showing the ordering constraints.
384
385      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
386      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
387      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
388      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
389      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
390      subsection for more information.
391
392      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
393      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
394
395
396  (3) Read (or load) memory barriers.
397
398      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
399      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
400      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
401      other components of the system.
402
403      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
404      have any effect on stores.
405
406      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
407      for them.
408
409      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
410      see the "SMP barrier pairing" subsection.
411
412
413  (4) General memory barriers.
414
415      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
416      operations specified before the barrier will appear to happen before all
417      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
418      the other components of the system.
419
420      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
421
422      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
423      can substitute for either.
424
425
426 And a couple of implicit varieties:
427
428  (5) ACQUIRE operations.
429
430      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
431      operations after the ACQUIRE operation will appear to happen after the
432      ACQUIRE operation with respect to the other components of the system.
433      ACQUIRE operations include LOCK operations and smp_load_acquire()
434      operations.
435
436      Memory operations that occur before an ACQUIRE operation may appear to
437      happen after it completes.
438
439      An ACQUIRE operation should almost always be paired with a RELEASE
440      operation.
441
442
443  (6) RELEASE operations.
444
445      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
446      memory operations before the RELEASE operation will appear to happen
447      before the RELEASE operation with respect to the other components of the
448      system. RELEASE operations include UNLOCK operations and
449      smp_store_release() operations.
450
451      Memory operations that occur after a RELEASE operation may appear to
452      happen before it completes.
453
454      The use of ACQUIRE and RELEASE operations generally precludes the need
455      for other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in
456      the subsection "MMIO write barrier").  In addition, a RELEASE+ACQUIRE
457      pair is -not- guaranteed to act as a full memory barrier.  However, after
458      an ACQUIRE on a given variable, all memory accesses preceding any prior
459      RELEASE on that same variable are guaranteed to be visible.  In other
460      words, within a given variable's critical section, all accesses of all
461      previous critical sections for that variable are guaranteed to have
462      completed.
463
464      This means that ACQUIRE acts as a minimal "acquire" operation and
465      RELEASE acts as a minimal "release" operation.
466
467
468 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
469 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
470 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
471 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
472
473
474 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
475 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
476 specific code.
477
478
479 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
480 ----------------------------------------------
481
482 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
483
484  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
485      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
486      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
487      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
488
489  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
490      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
491      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
492      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
493
494  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
495      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
496      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
497      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
498
499  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
500      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
501      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
502      between CPUs, but might not do so in order.
503
504         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
505
506             Documentation/PCI/pci.txt
507             Documentation/DMA-API-HOWTO.txt
508             Documentation/DMA-API.txt
509
510
511 DATA DEPENDENCY BARRIERS
512 ------------------------
513
514 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
515 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
516 following sequence of events:
517
518         CPU 1                 CPU 2
519         ===============       ===============
520         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
521         B = 4;
522         <write barrier>
523         ACCESS_ONCE(P) = &B
524                               Q = ACCESS_ONCE(P);
525                               D = *Q;
526
527 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
528 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
529
530         (Q == &A) implies (D == 1)
531         (Q == &B) implies (D == 4)
532
533 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
534 leading to the following situation:
535
536         (Q == &B) and (D == 2) ????
537
538 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
539 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
540 Alpha).
541
542 To deal with this, a data dependency barrier or better must be inserted
543 between the address load and the data load:
544
545         CPU 1                 CPU 2
546         ===============       ===============
547         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
548         B = 4;
549         <write barrier>
550         ACCESS_ONCE(P) = &B
551                               Q = ACCESS_ONCE(P);
552                               <data dependency barrier>
553                               D = *Q;
554
555 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
556 third possibility from arising.
557
558 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
559 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
560 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
561 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
562 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
563 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
564 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
565 but the old value of the variable B (2).
566
567
568 Another example of where data dependency barriers might be required is where a
569 number is read from memory and then used to calculate the index for an array
570 access:
571
572         CPU 1                 CPU 2
573         ===============       ===============
574         { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
575         M[1] = 4;
576         <write barrier>
577         ACCESS_ONCE(P) = 1
578                               Q = ACCESS_ONCE(P);
579                               <data dependency barrier>
580                               D = M[Q];
581
582
583 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
584 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
585 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
586 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
587 target appearing to be incompletely initialised.
588
589 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
590
591
592 CONTROL DEPENDENCIES
593 --------------------
594
595 A control dependency requires a full read memory barrier, not simply a data
596 dependency barrier to make it work correctly.  Consider the following bit of
597 code:
598
599         q = ACCESS_ONCE(a);
600         if (q) {
601                 <data dependency barrier>  /* BUG: No data dependency!!! */
602                 p = ACCESS_ONCE(b);
603         }
604
605 This will not have the desired effect because there is no actual data
606 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
607 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
608 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
609 case what's actually required is:
610
611         q = ACCESS_ONCE(a);
612         if (q) {
613                 <read barrier>
614                 p = ACCESS_ONCE(b);
615         }
616
617 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
618 in the following example:
619
620         q = ACCESS_ONCE(a);
621         if (q) {
622                 ACCESS_ONCE(b) = p;
623         }
624
625 Please note that ACCESS_ONCE() is not optional!  Without the
626 ACCESS_ONCE(), might combine the load from 'a' with other loads from
627 'a', and the store to 'b' with other stores to 'b', with possible highly
628 counterintuitive effects on ordering.
629
630 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
631 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
632 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
633 as follows:
634
635         q = a;
636         b = p;  /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */
637
638 So don't leave out the ACCESS_ONCE().
639
640 It is tempting to try to enforce ordering on identical stores on both
641 branches of the "if" statement as follows:
642
643         q = ACCESS_ONCE(a);
644         if (q) {
645                 barrier();
646                 ACCESS_ONCE(b) = p;
647                 do_something();
648         } else {
649                 barrier();
650                 ACCESS_ONCE(b) = p;
651                 do_something_else();
652         }
653
654 Unfortunately, current compilers will transform this as follows at high
655 optimization levels:
656
657         q = ACCESS_ONCE(a);
658         barrier();
659         ACCESS_ONCE(b) = p;  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
660         if (q) {
661                 /* ACCESS_ONCE(b) = p; -- moved up, BUG!!! */
662                 do_something();
663         } else {
664                 /* ACCESS_ONCE(b) = p; -- moved up, BUG!!! */
665                 do_something_else();
666         }
667
668 Now there is no conditional between the load from 'a' and the store to
669 'b', which means that the CPU is within its rights to reorder them:
670 The conditional is absolutely required, and must be present in the
671 assembly code even after all compiler optimizations have been applied.
672 Therefore, if you need ordering in this example, you need explicit
673 memory barriers, for example, smp_store_release():
674
675         q = ACCESS_ONCE(a);
676         if (q) {
677                 smp_store_release(&b, p);
678                 do_something();
679         } else {
680                 smp_store_release(&b, p);
681                 do_something_else();
682         }
683
684 In contrast, without explicit memory barriers, two-legged-if control
685 ordering is guaranteed only when the stores differ, for example:
686
687         q = ACCESS_ONCE(a);
688         if (q) {
689                 ACCESS_ONCE(b) = p;
690                 do_something();
691         } else {
692                 ACCESS_ONCE(b) = r;
693                 do_something_else();
694         }
695
696 The initial ACCESS_ONCE() is still required to prevent the compiler from
697 proving the value of 'a'.
698
699 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
700 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
701 the needed conditional.  For example:
702
703         q = ACCESS_ONCE(a);
704         if (q % MAX) {
705                 ACCESS_ONCE(b) = p;
706                 do_something();
707         } else {
708                 ACCESS_ONCE(b) = r;
709                 do_something_else();
710         }
711
712 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
713 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
714 transform the above code into the following:
715
716         q = ACCESS_ONCE(a);
717         ACCESS_ONCE(b) = p;
718         do_something_else();
719
720 Given this transformation, the CPU is not required to respect the ordering
721 between the load from variable 'a' and the store to variable 'b'.  It is
722 tempting to add a barrier(), but this does not help.  The conditional
723 is gone, and the barrier won't bring it back.  Therefore, if you are
724 relying on this ordering, you should make sure that MAX is greater than
725 one, perhaps as follows:
726
727         q = ACCESS_ONCE(a);
728         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
729         if (q % MAX) {
730                 ACCESS_ONCE(b) = p;
731                 do_something();
732         } else {
733                 ACCESS_ONCE(b) = r;
734                 do_something_else();
735         }
736
737 Please note once again that the stores to 'b' differ.  If they were
738 identical, as noted earlier, the compiler could pull this store outside
739 of the 'if' statement.
740
741 You must also be careful not to rely too much on boolean short-circuit
742 evaluation.  Consider this example:
743
744         q = ACCESS_ONCE(a);
745         if (a || 1 > 0)
746                 ACCESS_ONCE(b) = 1;
747
748 Because the second condition is always true, the compiler can transform
749 this example as following, defeating control dependency:
750
751         q = ACCESS_ONCE(a);
752         ACCESS_ONCE(b) = 1;
753
754 This example underscores the need to ensure that the compiler cannot
755 out-guess your code.  More generally, although ACCESS_ONCE() does force
756 the compiler to actually emit code for a given load, it does not force
757 the compiler to use the results.
758
759 Finally, control dependencies do -not- provide transitivity.  This is
760 demonstrated by two related examples, with the initial values of
761 x and y both being zero:
762
763         CPU 0                     CPU 1
764         =====================     =====================
765         r1 = ACCESS_ONCE(x);      r2 = ACCESS_ONCE(y);
766         if (r1 > 0)               if (r2 > 0)
767           ACCESS_ONCE(y) = 1;       ACCESS_ONCE(x) = 1;
768
769         assert(!(r1 == 1 && r2 == 1));
770
771 The above two-CPU example will never trigger the assert().  However,
772 if control dependencies guaranteed transitivity (which they do not),
773 then adding the following CPU would guarantee a related assertion:
774
775         CPU 2
776         =====================
777         ACCESS_ONCE(x) = 2;
778
779         assert(!(r1 == 2 && r2 == 1 && x == 2)); /* FAILS!!! */
780
781 But because control dependencies do -not- provide transitivity, the above
782 assertion can fail after the combined three-CPU example completes.  If you
783 need the three-CPU example to provide ordering, you will need smp_mb()
784 between the loads and stores in the CPU 0 and CPU 1 code fragments,
785 that is, just before or just after the "if" statements.
786
787 These two examples are the LB and WWC litmus tests from this paper:
788 http://www.cl.cam.ac.uk/users/pes20/ppc-supplemental/test6.pdf and this
789 site: https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/ppcmem/index.html.
790
791 In summary:
792
793   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
794       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
795       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
796       later anything.  If you need these other forms of ordering,
797       use smp_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
798       later loads, smp_mb().
799
800   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores
801       to the same variable, a barrier() statement is required at the
802       beginning of each leg of the "if" statement.
803
804   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
805       between the prior load and the subsequent store, and this
806       conditional must involve the prior load.  If the compiler
807       is able to optimize the conditional away, it will have also
808       optimized away the ordering.  Careful use of ACCESS_ONCE() can
809       help to preserve the needed conditional.
810
811   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
812       dependency into nonexistence.  Careful use of ACCESS_ONCE() or
813       barrier() can help to preserve your control dependency.  Please
814       see the Compiler Barrier section for more information.
815
816   (*) Control dependencies do -not- provide transitivity.  If you
817       need transitivity, use smp_mb().
818
819
820 SMP BARRIER PAIRING
821 -------------------
822
823 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
824 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
825
826 General barriers pair with each other, though they also pair with
827 most other types of barriers, albeit without transitivity.  An acquire
828 barrier pairs with a release barrier, but both may also pair with other
829 barriers, including of course general barriers.  A write barrier pairs
830 with a data dependency barrier, an acquire barrier, a release barrier,
831 a read barrier, or a general barrier.  Similarly a read barrier or a
832 data dependency barrier pairs with a write barrier, an acquire barrier,
833 a release barrier, or a general barrier:
834
835         CPU 1                 CPU 2
836         ===============       ===============
837         ACCESS_ONCE(a) = 1;
838         <write barrier>
839         ACCESS_ONCE(b) = 2;   x = ACCESS_ONCE(b);
840                               <read barrier>
841                               y = ACCESS_ONCE(a);
842
843 Or:
844
845         CPU 1                 CPU 2
846         ===============       ===============================
847         a = 1;
848         <write barrier>
849         ACCESS_ONCE(b) = &a;  x = ACCESS_ONCE(b);
850                               <data dependency barrier>
851                               y = *x;
852
853 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
854 the "weaker" type.
855
856 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
857 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
858 versa:
859
860         CPU 1                               CPU 2
861         ===================                 ===================
862         ACCESS_ONCE(a) = 1;  }----   --->{  v = ACCESS_ONCE(c);
863         ACCESS_ONCE(b) = 2;  }    \ /    {  w = ACCESS_ONCE(d);
864         <write barrier>            \        <read barrier>
865         ACCESS_ONCE(c) = 3;  }    / \    {  x = ACCESS_ONCE(a);
866         ACCESS_ONCE(d) = 4;  }----   --->{  y = ACCESS_ONCE(b);
867
868
869 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
870 ------------------------------------
871
872 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
873 Consider the following sequence of events:
874
875         CPU 1
876         =======================
877         STORE A = 1
878         STORE B = 2
879         STORE C = 3
880         <write barrier>
881         STORE D = 4
882         STORE E = 5
883
884 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
885 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
886 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
887 }:
888
889         +-------+       :      :
890         |       |       +------+
891         |       |------>| C=3  |     }     /\
892         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
893         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
894         |       |  :    +------+     }
895         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
896         |       |       +------+     }
897         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
898         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
899         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
900         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
901         |       |------>| D=4  |     }
902         |       |       +------+
903         +-------+       :      :
904                            |
905                            | Sequence in which stores are committed to the
906                            | memory system by CPU 1
907                            V
908
909
910 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
911 loads.  Consider the following sequence of events:
912
913         CPU 1                   CPU 2
914         ======================= =======================
915                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
916         STORE A = 1
917         STORE B = 2
918         <write barrier>
919         STORE C = &B            LOAD X
920         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
921                                 LOAD *C (reads B)
922
923 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
924 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
925
926         +-------+       :      :                :       :
927         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
928         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
929         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
930         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
931         |       |       +------+       |        +-------+
932         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
933         |       |       +------+       |        :       :
934         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
935         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
936         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
937         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
938         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
939                                        |        :       :       |       |
940                                        |        :       :       | CPU 2 |
941                                        |        +-------+       |       |
942             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
943             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
944                                        |        :       :       |       |
945                                        |        +-------+       |       |
946             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
947             up the maintenance           \      +-------+       |       |
948             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
949                                                 +-------+
950                                                 :       :
951
952
953 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
954 (which would be B) coming after the LOAD of C.
955
956 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
957 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
958
959         CPU 1                   CPU 2
960         ======================= =======================
961                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
962         STORE A = 1
963         STORE B = 2
964         <write barrier>
965         STORE C = &B            LOAD X
966         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
967                                 <data dependency barrier>
968                                 LOAD *C (reads B)
969
970 then the following will occur:
971
972         +-------+       :      :                :       :
973         |       |       +------+                +-------+
974         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
975         |       |  :    +------+     \          +-------+
976         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
977         |       |       +------+       |        +-------+
978         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
979         |       |       +------+       |        :       :
980         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
981         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
982         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
983         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
984         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
985                                        |        :       :       |       |
986                                        |        :       :       | CPU 2 |
987                                        |        +-------+       |       |
988                                        |        | X->9  |------>|       |
989                                        |        +-------+       |       |
990           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
991           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
992           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
993           subsequent loads                      +-------+       |       |
994                                                 :       :       +-------+
995
996
997 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
998 following sequence of events:
999
1000         CPU 1                   CPU 2
1001         ======================= =======================
1002                 { A = 0, B = 9 }
1003         STORE A=1
1004         <write barrier>
1005         STORE B=2
1006                                 LOAD B
1007                                 LOAD A
1008
1009 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
1010 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1011
1012         +-------+       :      :                :       :
1013         |       |       +------+                +-------+
1014         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1015         |       |       +------+      \         +-------+
1016         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1017         |       |       +------+        |       +-------+
1018         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1019         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1020         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1021                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1022                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1023                                         |       | A->0  |------>|       |
1024                                         |       +-------+       |       |
1025                                         |       :       :       +-------+
1026                                          \      :       :
1027                                           \     +-------+
1028                                            ---->| A->1  |
1029                                                 +-------+
1030                                                 :       :
1031
1032
1033 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
1034 load of A on CPU 2:
1035
1036         CPU 1                   CPU 2
1037         ======================= =======================
1038                 { A = 0, B = 9 }
1039         STORE A=1
1040         <write barrier>
1041         STORE B=2
1042                                 LOAD B
1043                                 <read barrier>
1044                                 LOAD A
1045
1046 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
1047 2:
1048
1049         +-------+       :      :                :       :
1050         |       |       +------+                +-------+
1051         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1052         |       |       +------+      \         +-------+
1053         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1054         |       |       +------+        |       +-------+
1055         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1056         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1057         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1058                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1059                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1060                                         |       :       :       |       |
1061                                         |       :       :       |       |
1062           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1063           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1064           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1065           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1066                                                 :       :       +-------+
1067
1068
1069 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1070 contained a load of A either side of the read barrier:
1071
1072         CPU 1                   CPU 2
1073         ======================= =======================
1074                 { A = 0, B = 9 }
1075         STORE A=1
1076         <write barrier>
1077         STORE B=2
1078                                 LOAD B
1079                                 LOAD A [first load of A]
1080                                 <read barrier>
1081                                 LOAD A [second load of A]
1082
1083 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1084 come up with different values:
1085
1086         +-------+       :      :                :       :
1087         |       |       +------+                +-------+
1088         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1089         |       |       +------+      \         +-------+
1090         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1091         |       |       +------+        |       +-------+
1092         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1093         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1094         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1095                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1096                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1097                                         |       :       :       |       |
1098                                         |       :       :       |       |
1099                                         |       +-------+       |       |
1100                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1101                                         |       +-------+       |       |
1102           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1103           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1104           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1105           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1106                                                 :       :       +-------+
1107
1108
1109 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1110 before the read barrier completes anyway:
1111
1112         +-------+       :      :                :       :
1113         |       |       +------+                +-------+
1114         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1115         |       |       +------+      \         +-------+
1116         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1117         |       |       +------+        |       +-------+
1118         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1119         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1120         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1121                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1122                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1123                                         |       :       :       |       |
1124                                          \      :       :       |       |
1125                                           \     +-------+       |       |
1126                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1127                                                 +-------+       |       |
1128                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1129                                                 +-------+       |       |
1130                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1131                                                 +-------+       |       |
1132                                                 :       :       +-------+
1133
1134
1135 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1136 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1137 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1138
1139
1140 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1141 ----------------------------------------
1142
1143 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1144 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1145 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1146 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1147 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1148 already has the value to hand.
1149
1150 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1151 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1152 cache it for later use.
1153
1154 Consider:
1155
1156         CPU 1                   CPU 2
1157         ======================= =======================
1158                                 LOAD B
1159                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1160                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1161                                 LOAD A
1162
1163 Which might appear as this:
1164
1165                                                 :       :       +-------+
1166                                                 +-------+       |       |
1167                                             --->| B->2  |------>|       |
1168                                                 +-------+       | CPU 2 |
1169                                                 :       :DIVIDE |       |
1170                                                 +-------+       |       |
1171         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1172         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1173         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1174                                                 :       :DIVIDE |       |
1175                                                 :       :   ~   |       |
1176         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1177         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1178         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1179
1180
1181 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1182 load:
1183
1184         CPU 1                   CPU 2
1185         ======================= =======================
1186                                 LOAD B
1187                                 DIVIDE
1188                                 DIVIDE
1189                                 <read barrier>
1190                                 LOAD A
1191
1192 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1193 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1194 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1195
1196                                                 :       :       +-------+
1197                                                 +-------+       |       |
1198                                             --->| B->2  |------>|       |
1199                                                 +-------+       | CPU 2 |
1200                                                 :       :DIVIDE |       |
1201                                                 +-------+       |       |
1202         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1203         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1204         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1205                                                 :       :DIVIDE |       |
1206                                                 :       :   ~   |       |
1207                                                 :       :   ~   |       |
1208                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1209                                                 :       :   ~   |       |
1210                                                 :       :   ~-->|       |
1211                                                 :       :       |       |
1212                                                 :       :       +-------+
1213
1214
1215 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1216 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1217
1218                                                 :       :       +-------+
1219                                                 +-------+       |       |
1220                                             --->| B->2  |------>|       |
1221                                                 +-------+       | CPU 2 |
1222                                                 :       :DIVIDE |       |
1223                                                 +-------+       |       |
1224         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1225         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1226         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1227                                                 :       :DIVIDE |       |
1228                                                 :       :   ~   |       |
1229                                                 :       :   ~   |       |
1230                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1231                                                 +-------+       |       |
1232         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1233         and an updated value is                 +-------+       |       |
1234         retrieved                               :       :       +-------+
1235
1236
1237 TRANSITIVITY
1238 ------------
1239
1240 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1241 always provided by real computer systems.  The following example
1242 demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
1243
1244         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1245         ======================= ======================= =======================
1246                 { X = 0, Y = 0 }
1247         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1248                                 <general barrier>       <general barrier>
1249                                 LOAD Y                  LOAD X
1250
1251 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1252 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1253 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1254 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1255
1256 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1257 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1258 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1259 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1260 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1261 or must return some later value.
1262
1263 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1264 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1265 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1266 also return 1.
1267
1268 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1269 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1270 is changed to a read barrier as shown below:
1271
1272         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1273         ======================= ======================= =======================
1274                 { X = 0, Y = 0 }
1275         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1276                                 <read barrier>          <general barrier>
1277                                 LOAD Y                  LOAD X
1278
1279 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1280 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1281 and CPU 3's load from X to return 0.
1282
1283 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1284 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1285 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1286 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1287 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1288 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1289
1290 To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
1291 throughout.
1292
1293
1294 ========================
1295 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1296 ========================
1297
1298 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1299 levels:
1300
1301   (*) Compiler barrier.
1302
1303   (*) CPU memory barriers.
1304
1305   (*) MMIO write barrier.
1306
1307
1308 COMPILER BARRIER
1309 ----------------
1310
1311 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1312 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1313
1314         barrier();
1315
1316 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write variants
1317 of barrier().  However, ACCESS_ONCE() can be thought of as a weak form
1318 for barrier() that affects only the specific accesses flagged by the
1319 ACCESS_ONCE().
1320
1321 The barrier() function has the following effects:
1322
1323  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1324      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1325      One example use for this property is to ease communication between
1326      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1327
1328  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1329      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1330
1331 The ACCESS_ONCE() function can prevent any number of optimizations that,
1332 while perfectly safe in single-threaded code, can be fatal in concurrent
1333 code.  Here are some examples of these sorts of optimizations:
1334
1335  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1336      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1337      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1338      the following code:
1339
1340         a[0] = x;
1341         a[1] = x;
1342
1343      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1344      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1345
1346         a[0] = ACCESS_ONCE(x);
1347         a[1] = ACCESS_ONCE(x);
1348
1349      In short, ACCESS_ONCE() provides cache coherence for accesses from
1350      multiple CPUs to a single variable.
1351
1352  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1353      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1354      the following code:
1355
1356         while (tmp = a)
1357                 do_something_with(tmp);
1358
1359      into the following code, which, although in some sense legitimate
1360      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1361      intended:
1362
1363         if (tmp = a)
1364                 for (;;)
1365                         do_something_with(tmp);
1366
1367      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1368
1369         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1370                 do_something_with(tmp);
1371
1372  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1373      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1374      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1375      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1376
1377         while (tmp = a)
1378                 do_something_with(tmp);
1379
1380      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1381      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1382
1383         while (a)
1384                 do_something_with(a);
1385
1386      For example, the optimized version of this code could result in
1387      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1388      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1389      the call to do_something_with().
1390
1391      Again, use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1392
1393         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1394                 do_something_with(tmp);
1395
1396      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1397      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1398      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1399      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1400      where it is not safe.
1401
1402  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1403      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1404      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1405
1406         while (tmp = a)
1407                 do_something_with(tmp);
1408
1409      Into this:
1410
1411         do { } while (0);
1412
1413      This transformation is a win for single-threaded code because it gets
1414      rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler will
1415      carry out its proof assuming that the current CPU is the only one
1416      updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the compiler's
1417      proof will be erroneous.  Use ACCESS_ONCE() to tell the compiler
1418      that it doesn't know as much as it thinks it does:
1419
1420         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1421                 do_something_with(tmp);
1422
1423      But please note that the compiler is also closely watching what you
1424      do with the value after the ACCESS_ONCE().  For example, suppose you
1425      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1426
1427         while ((tmp = ACCESS_ONCE(a)) % MAX)
1428                 do_something_with(tmp);
1429
1430      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1431      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1432      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1433      variable 'a'.)
1434
1435  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1436      if it knows that the variable already has the value being stored.
1437      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1438      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1439      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1440      the following:
1441
1442         a = 0;
1443         /* Code that does not store to variable a. */
1444         a = 0;
1445
1446      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1447      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1448      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1449      meantime.
1450
1451      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1452      wrong guess:
1453
1454         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1455         /* Code that does not store to variable a. */
1456         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1457
1458  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1459      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1460      between process-level code and an interrupt handler:
1461
1462         void process_level(void)
1463         {
1464                 msg = get_message();
1465                 flag = true;
1466         }
1467
1468         void interrupt_handler(void)
1469         {
1470                 if (flag)
1471                         process_message(msg);
1472         }
1473
1474      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1475      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1476      win for single-threaded code:
1477
1478         void process_level(void)
1479         {
1480                 flag = true;
1481                 msg = get_message();
1482         }
1483
1484      If the interrupt occurs between these two statement, then
1485      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use ACCESS_ONCE()
1486      to prevent this as follows:
1487
1488         void process_level(void)
1489         {
1490                 ACCESS_ONCE(msg) = get_message();
1491                 ACCESS_ONCE(flag) = true;
1492         }
1493
1494         void interrupt_handler(void)
1495         {
1496                 if (ACCESS_ONCE(flag))
1497                         process_message(ACCESS_ONCE(msg));
1498         }
1499
1500      Note that the ACCESS_ONCE() wrappers in interrupt_handler()
1501      are needed if this interrupt handler can itself be interrupted
1502      by something that also accesses 'flag' and 'msg', for example,
1503      a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, ACCESS_ONCE() is not
1504      needed in interrupt_handler() other than for documentation purposes.
1505      (Note also that nested interrupts do not typically occur in modern
1506      Linux kernels, in fact, if an interrupt handler returns with
1507      interrupts enabled, you will get a WARN_ONCE() splat.)
1508
1509      You should assume that the compiler can move ACCESS_ONCE() past
1510      code not containing ACCESS_ONCE(), barrier(), or similar primitives.
1511
1512      This effect could also be achieved using barrier(), but ACCESS_ONCE()
1513      is more selective:  With ACCESS_ONCE(), the compiler need only forget
1514      the contents of the indicated memory locations, while with barrier()
1515      the compiler must discard the value of all memory locations that
1516      it has currented cached in any machine registers.  Of course,
1517      the compiler must also respect the order in which the ACCESS_ONCE()s
1518      occur, though the CPU of course need not do so.
1519
1520  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1521      as in the following example:
1522
1523         if (a)
1524                 b = a;
1525         else
1526                 b = 42;
1527
1528      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1529
1530         b = 42;
1531         if (a)
1532                 b = a;
1533
1534      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1535      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1536      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1537      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1538      Use ACCESS_ONCE() to prevent this as follows:
1539
1540         if (a)
1541                 ACCESS_ONCE(b) = a;
1542         else
1543                 ACCESS_ONCE(b) = 42;
1544
1545      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1546      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1547      poor performance and scalability.  Use ACCESS_ONCE() to prevent
1548      invented loads.
1549
1550  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1551      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1552      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1553      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1554      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1555      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1556      implement the following 32-bit store:
1557
1558         p = 0x00010002;
1559
1560      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1561      which is not surprising given that it would likely take more
1562      than two instructions to build the constant and then store it.
1563      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1564      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1565      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1566      use of ACCESS_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1567
1568         ACCESS_ONCE(p) = 0x00010002;
1569
1570      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1571      as in this example:
1572
1573         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1574                 short a;
1575                 int b;
1576                 short c;
1577         };
1578         struct foo foo1, foo2;
1579         ...
1580
1581         foo2.a = foo1.a;
1582         foo2.b = foo1.b;
1583         foo2.c = foo1.c;
1584
1585      Because there are no ACCESS_ONCE() wrappers and no volatile markings,
1586      the compiler would be well within its rights to implement these three
1587      assignment statements as a pair of 32-bit loads followed by a pair
1588      of 32-bit stores.  This would result in load tearing on 'foo1.b'
1589      and store tearing on 'foo2.b'.  ACCESS_ONCE() again prevents tearing
1590      in this example:
1591
1592         foo2.a = foo1.a;
1593         ACCESS_ONCE(foo2.b) = ACCESS_ONCE(foo1.b);
1594         foo2.c = foo1.c;
1595
1596 All that aside, it is never necessary to use ACCESS_ONCE() on a variable
1597 that has been marked volatile.  For example, because 'jiffies' is marked
1598 volatile, it is never necessary to say ACCESS_ONCE(jiffies).  The reason
1599 for this is that ACCESS_ONCE() is implemented as a volatile cast, which
1600 has no effect when its argument is already marked volatile.
1601
1602 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1603 which may then reorder things however it wishes.
1604
1605
1606 CPU MEMORY BARRIERS
1607 -------------------
1608
1609 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1610
1611         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1612         =============== ======================= ===========================
1613         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1614         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1615         READ            rmb()                   smp_rmb()
1616         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1617
1618
1619 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1620 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1621
1622 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected to
1623 issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load the value
1624 of b before loading a[b]), however there is no guarantee in the C specification
1625 that the compiler may not speculate the value of b (eg. is equal to 1) and load
1626 a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ). There is also the
1627 problem of a compiler reloading b after having loaded a[b], thus having a newer
1628 copy of b than a[b]. A consensus has not yet been reached about these problems,
1629 however the ACCESS_ONCE macro is a good place to start looking.
1630
1631 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1632 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1633 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1634
1635 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1636 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1637 is sufficient.
1638
1639 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1640 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
1641 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
1642 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
1643 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
1644 CPU from reordering them.
1645
1646
1647 There are some more advanced barrier functions:
1648
1649  (*) set_mb(var, value)
1650
1651      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1652      barrier after it, depending on the function.  It isn't guaranteed to
1653      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
1654
1655
1656  (*) smp_mb__before_atomic();
1657  (*) smp_mb__after_atomic();
1658
1659      These are for use with atomic (such as add, subtract, increment and
1660      decrement) functions that don't return a value, especially when used for
1661      reference counting.  These functions do not imply memory barriers.
1662
1663      These are also used for atomic bitop functions that do not return a
1664      value (such as set_bit and clear_bit).
1665
1666      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1667      and then decrements the object's reference count:
1668
1669         obj->dead = 1;
1670         smp_mb__before_atomic();
1671         atomic_dec(&obj->ref_count);
1672
1673      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1674      *before* the reference counter is decremented.
1675
1676      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1677      operations" subsection for information on where to use these.
1678
1679
1680  (*) dma_wmb();
1681  (*) dma_rmb();
1682
1683      These are for use with consistent memory to guarantee the ordering
1684      of writes or reads of shared memory accessible to both the CPU and a
1685      DMA capable device.
1686
1687      For example, consider a device driver that shares memory with a device
1688      and uses a descriptor status value to indicate if the descriptor belongs
1689      to the device or the CPU, and a doorbell to notify it when new
1690      descriptors are available:
1691
1692         if (desc->status != DEVICE_OWN) {
1693                 /* do not read data until we own descriptor */
1694                 dma_rmb();
1695
1696                 /* read/modify data */
1697                 read_data = desc->data;
1698                 desc->data = write_data;
1699
1700                 /* flush modifications before status update */
1701                 dma_wmb();
1702
1703                 /* assign ownership */
1704                 desc->status = DEVICE_OWN;
1705
1706                 /* force memory to sync before notifying device via MMIO */
1707                 wmb();
1708
1709                 /* notify device of new descriptors */
1710                 writel(DESC_NOTIFY, doorbell);
1711         }
1712
1713      The dma_rmb() allows us guarantee the device has released ownership
1714      before we read the data from the descriptor, and he dma_wmb() allows
1715      us to guarantee the data is written to the descriptor before the device
1716      can see it now has ownership.  The wmb() is needed to guarantee that the
1717      cache coherent memory writes have completed before attempting a write to
1718      the cache incoherent MMIO region.
1719
1720      See Documentation/DMA-API.txt for more information on consistent memory.
1721
1722 MMIO WRITE BARRIER
1723 ------------------
1724
1725 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1726 writes:
1727
1728         mmiowb();
1729
1730 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1731 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1732 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1733
1734 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1735
1736
1737 ===============================
1738 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1739 ===============================
1740
1741 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1742 which are locking and scheduling functions.
1743
1744 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1745 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1746 of arch specific code.
1747
1748
1749 ACQUIRING FUNCTIONS
1750 -------------------
1751
1752 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1753
1754  (*) spin locks
1755  (*) R/W spin locks
1756  (*) mutexes
1757  (*) semaphores
1758  (*) R/W semaphores
1759  (*) RCU
1760
1761 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1762 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1763
1764  (1) ACQUIRE operation implication:
1765
1766      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
1767      ACQUIRE operation has completed.
1768
1769      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
1770      the ACQUIRE operation has completed.  An smp_mb__before_spinlock(),
1771      combined with a following ACQUIRE, orders prior loads against
1772      subsequent loads and stores and also orders prior stores against
1773      subsequent stores.  Note that this is weaker than smp_mb()!  The
1774      smp_mb__before_spinlock() primitive is free on many architectures.
1775
1776  (2) RELEASE operation implication:
1777
1778      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
1779      RELEASE operation has completed.
1780
1781      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
1782      RELEASE operation has completed.
1783
1784  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
1785
1786      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
1787      completed before that ACQUIRE operation.
1788
1789  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
1790
1791      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
1792      completed before the RELEASE operation.
1793
1794  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
1795
1796      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
1797      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1798      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1799      locks do not imply any sort of barrier.
1800
1801 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
1802 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
1803 section may seep into the inside of the critical section.
1804
1805 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
1806 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
1807 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
1808 the two accesses can themselves then cross:
1809
1810         *A = a;
1811         ACQUIRE M
1812         RELEASE M
1813         *B = b;
1814
1815 may occur as:
1816
1817         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1818
1819 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
1820 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
1821 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
1822 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
1823 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
1824
1825 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does not
1826 imply a full memory barrier.  If it is necessary for a RELEASE-ACQUIRE
1827 pair to produce a full barrier, the ACQUIRE can be followed by an
1828 smp_mb__after_unlock_lock() invocation.  This will produce a full barrier
1829 if either (a) the RELEASE and the ACQUIRE are executed by the same
1830 CPU or task, or (b) the RELEASE and ACQUIRE act on the same variable.
1831 The smp_mb__after_unlock_lock() primitive is free on many architectures.
1832 Without smp_mb__after_unlock_lock(), the CPU's execution of the critical
1833 sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross, so that:
1834
1835         *A = a;
1836         RELEASE M
1837         ACQUIRE N
1838         *B = b;
1839
1840 could occur as:
1841
1842         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1843
1844 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
1845 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
1846 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
1847
1848         Why does this work?
1849
1850         One key point is that we are only talking about the CPU doing
1851         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
1852         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
1853         -could- occur.
1854
1855         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
1856         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
1857         simply elected to try executing the later lock operation first.
1858         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
1859         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
1860         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
1861         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
1862         allowing the lock operation to succeed.
1863
1864         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
1865         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
1866         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
1867         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
1868         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
1869         such races properly in any case.
1870
1871 With smp_mb__after_unlock_lock(), the two critical sections cannot overlap.
1872 For example, with the following code, the store to *A will always be
1873 seen by other CPUs before the store to *B:
1874
1875         *A = a;
1876         RELEASE M
1877         ACQUIRE N
1878         smp_mb__after_unlock_lock();
1879         *B = b;
1880
1881 The operations will always occur in one of the following orders:
1882
1883         STORE *A, RELEASE, ACQUIRE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1884         STORE *A, ACQUIRE, RELEASE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1885         ACQUIRE, STORE *A, RELEASE, smp_mb__after_unlock_lock(), STORE *B
1886
1887 If the RELEASE and ACQUIRE were instead both operating on the same lock
1888 variable, only the first of these alternatives can occur.  In addition,
1889 the more strongly ordered systems may rule out some of the above orders.
1890 But in any case, as noted earlier, the smp_mb__after_unlock_lock()
1891 ensures that the store to *A will always be seen as happening before
1892 the store to *B.
1893
1894 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1895 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1896 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1897 with interrupt disabling operations.
1898
1899 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1900
1901
1902 As an example, consider the following:
1903
1904         *A = a;
1905         *B = b;
1906         ACQUIRE
1907         *C = c;
1908         *D = d;
1909         RELEASE
1910         *E = e;
1911         *F = f;
1912
1913 The following sequence of events is acceptable:
1914
1915         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
1916
1917         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
1918
1919 But none of the following are:
1920
1921         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
1922         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
1923         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
1924         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
1925
1926
1927
1928 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1929 -----------------------------
1930
1931 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
1932 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1933 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1934 other means.
1935
1936
1937 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
1938 ---------------------------
1939
1940 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
1941 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
1942 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
1943 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
1944 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
1945 barriers.
1946
1947 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
1948
1949         for (;;) {
1950                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1951                 if (event_indicated)
1952                         break;
1953                 schedule();
1954         }
1955
1956 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
1957 after it has altered the task state:
1958
1959         CPU 1
1960         ===============================
1961         set_current_state();
1962           set_mb();
1963             STORE current->state
1964             <general barrier>
1965         LOAD event_indicated
1966
1967 set_current_state() may be wrapped by:
1968
1969         prepare_to_wait();
1970         prepare_to_wait_exclusive();
1971
1972 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
1973 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
1974 interpolate the memory barrier in the right place:
1975
1976         wait_event();
1977         wait_event_interruptible();
1978         wait_event_interruptible_exclusive();
1979         wait_event_interruptible_timeout();
1980         wait_event_killable();
1981         wait_event_timeout();
1982         wait_on_bit();
1983         wait_on_bit_lock();
1984
1985
1986 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
1987
1988         event_indicated = 1;
1989         wake_up(&event_wait_queue);
1990
1991 or:
1992
1993         event_indicated = 1;
1994         wake_up_process(event_daemon);
1995
1996 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
1997 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
1998 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
1999
2000         CPU 1                           CPU 2
2001         =============================== ===============================
2002         set_current_state();            STORE event_indicated
2003           set_mb();                     wake_up();
2004             STORE current->state          <write barrier>
2005             <general barrier>             STORE current->state
2006         LOAD event_indicated
2007
2008 To repeat, this write memory barrier is present if and only if something
2009 is actually awakened.  To see this, consider the following sequence of
2010 events, where X and Y are both initially zero:
2011
2012         CPU 1                           CPU 2
2013         =============================== ===============================
2014         X = 1;                          STORE event_indicated
2015         smp_mb();                       wake_up();
2016         Y = 1;                          wait_event(wq, Y == 1);
2017         wake_up();                        load from Y sees 1, no memory barrier
2018                                         load from X might see 0
2019
2020 In contrast, if a wakeup does occur, CPU 2's load from X would be guaranteed
2021 to see 1.
2022
2023 The available waker functions include:
2024
2025         complete();
2026         wake_up();
2027         wake_up_all();
2028         wake_up_bit();
2029         wake_up_interruptible();
2030         wake_up_interruptible_all();
2031         wake_up_interruptible_nr();
2032         wake_up_interruptible_poll();
2033         wake_up_interruptible_sync();
2034         wake_up_interruptible_sync_poll();
2035         wake_up_locked();
2036         wake_up_locked_poll();
2037         wake_up_nr();
2038         wake_up_poll();
2039         wake_up_process();
2040
2041
2042 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
2043 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
2044 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
2045 sleeper does:
2046
2047         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2048         if (event_indicated)
2049                 break;
2050         __set_current_state(TASK_RUNNING);
2051         do_something(my_data);
2052
2053 and the waker does:
2054
2055         my_data = value;
2056         event_indicated = 1;
2057         wake_up(&event_wait_queue);
2058
2059 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
2060 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
2061 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
2062 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
2063
2064         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2065         if (event_indicated) {
2066                 smp_rmb();
2067                 do_something(my_data);
2068         }
2069
2070 and the waker should do:
2071
2072         my_data = value;
2073         smp_wmb();
2074         event_indicated = 1;
2075         wake_up(&event_wait_queue);
2076
2077
2078 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
2079 -----------------------
2080
2081 Other functions that imply barriers:
2082
2083  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
2084
2085
2086 ===================================
2087 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
2088 ===================================
2089
2090 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
2091 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
2092 conflict on any particular lock.
2093
2094
2095 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
2096 ---------------------------
2097
2098 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
2099 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
2100
2101         CPU 1                           CPU 2
2102         =============================== ===============================
2103         ACCESS_ONCE(*A) = a;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
2104         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2105         ACCESS_ONCE(*B) = b;            ACCESS_ONCE(*F) = f;
2106         ACCESS_ONCE(*C) = c;            ACCESS_ONCE(*G) = g;
2107         RELEASE M                       RELEASE Q
2108         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*H) = h;
2109
2110 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2111 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2112 on the separate CPUs. It might, for example, see:
2113
2114         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2115
2116 But it won't see any of:
2117
2118         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2119         *A, *B or *C following RELEASE M
2120         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2121         *E, *F or *G following RELEASE Q
2122
2123
2124 However, if the following occurs:
2125
2126         CPU 1                           CPU 2
2127         =============================== ===============================
2128         ACCESS_ONCE(*A) = a;
2129         ACQUIRE M                    [1]
2130         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2131         ACCESS_ONCE(*C) = c;
2132         RELEASE M            [1]
2133         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
2134                                         ACQUIRE M                    [2]
2135                                         smp_mb__after_unlock_lock();
2136                                         ACCESS_ONCE(*F) = f;
2137                                         ACCESS_ONCE(*G) = g;
2138                                         RELEASE M            [2]
2139                                         ACCESS_ONCE(*H) = h;
2140
2141 CPU 3 might see:
2142
2143         *E, ACQUIRE M [1], *C, *B, *A, RELEASE M [1],
2144                 ACQUIRE M [2], *H, *F, *G, RELEASE M [2], *D
2145
2146 But assuming CPU 1 gets the lock first, CPU 3 won't see any of:
2147
2148         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [1]
2149         *A, *B or *C following RELEASE M [1]
2150         *F, *G or *H preceding ACQUIRE M [2]
2151         *A, *B, *C, *E, *F or *G following RELEASE M [2]
2152
2153 Note that the smp_mb__after_unlock_lock() is critically important
2154 here: Without it CPU 3 might see some of the above orderings.
2155 Without smp_mb__after_unlock_lock(), the accesses are not guaranteed
2156 to be seen in order unless CPU 3 holds lock M.
2157
2158
2159 ACQUIRES VS I/O ACCESSES
2160 ------------------------
2161
2162 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
2163 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
2164 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
2165 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
2166 read memory barriers.
2167
2168 For example:
2169
2170         CPU 1                           CPU 2
2171         =============================== ===============================
2172         spin_lock(Q)
2173         writel(0, ADDR)
2174         writel(1, DATA);
2175         spin_unlock(Q);
2176                                         spin_lock(Q);
2177                                         writel(4, ADDR);
2178                                         writel(5, DATA);
2179                                         spin_unlock(Q);
2180
2181 may be seen by the PCI bridge as follows:
2182
2183         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
2184
2185 which would probably cause the hardware to malfunction.
2186
2187
2188 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
2189 spinlock, for example:
2190
2191         CPU 1                           CPU 2
2192         =============================== ===============================
2193         spin_lock(Q)
2194         writel(0, ADDR)
2195         writel(1, DATA);
2196         mmiowb();
2197         spin_unlock(Q);
2198                                         spin_lock(Q);
2199                                         writel(4, ADDR);
2200                                         writel(5, DATA);
2201                                         mmiowb();
2202                                         spin_unlock(Q);
2203
2204 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
2205 before either of the stores issued on CPU 2.
2206
2207
2208 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
2209 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
2210 is performed:
2211
2212         CPU 1                           CPU 2
2213         =============================== ===============================
2214         spin_lock(Q)
2215         writel(0, ADDR)
2216         a = readl(DATA);
2217         spin_unlock(Q);
2218                                         spin_lock(Q);
2219                                         writel(4, ADDR);
2220                                         b = readl(DATA);
2221                                         spin_unlock(Q);
2222
2223
2224 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2225
2226
2227 =================================
2228 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2229 =================================
2230
2231 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2232 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2233 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2234 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2235
2236  (*) Interprocessor interaction.
2237
2238  (*) Atomic operations.
2239
2240  (*) Accessing devices.
2241
2242  (*) Interrupts.
2243
2244
2245 INTERPROCESSOR INTERACTION
2246 --------------------------
2247
2248 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2249 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2250 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2251 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2252 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2253 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2254 a malfunction.
2255
2256 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2257 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2258 the semaphore's list of waiting processes:
2259
2260         struct rw_semaphore {
2261                 ...
2262                 spinlock_t lock;
2263                 struct list_head waiters;
2264         };
2265
2266         struct rwsem_waiter {
2267                 struct list_head list;
2268                 struct task_struct *task;
2269         };
2270
2271 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2272
2273  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2274      next waiter record is;
2275
2276  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2277
2278  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2279
2280  (4) call wake_up_process() on the task; and
2281
2282  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2283
2284 In other words, it has to perform this sequence of events:
2285
2286         LOAD waiter->list.next;
2287         LOAD waiter->task;
2288         STORE waiter->task;
2289         CALL wakeup
2290         RELEASE task
2291
2292 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2293 malfunction.
2294
2295 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2296 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2297 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2298 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2299 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2300 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2301
2302 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2303
2304         CPU 1                           CPU 2
2305         =============================== ===============================
2306                                         down_xxx()
2307                                         Queue waiter
2308                                         Sleep
2309         up_yyy()
2310         LOAD waiter->task;
2311         STORE waiter->task;
2312                                         Woken up by other event
2313         <preempt>
2314                                         Resume processing
2315                                         down_xxx() returns
2316                                         call foo()
2317                                         foo() clobbers *waiter
2318         </preempt>
2319         LOAD waiter->list.next;
2320         --- OOPS ---
2321
2322 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2323 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2324
2325 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2326
2327         LOAD waiter->list.next;
2328         LOAD waiter->task;
2329         smp_mb();
2330         STORE waiter->task;
2331         CALL wakeup
2332         RELEASE task
2333
2334 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2335 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2336 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2337 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2338 instruction itself is complete.
2339
2340 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2341 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2342 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2343 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2344
2345
2346 ATOMIC OPERATIONS
2347 -----------------
2348
2349 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2350 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2351 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2352 kernel.
2353
2354 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
2355 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
2356 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
2357 explicit lock operations, described later).  These include:
2358
2359         xchg();
2360         cmpxchg();
2361         atomic_xchg();                  atomic_long_xchg();
2362         atomic_cmpxchg();               atomic_long_cmpxchg();
2363         atomic_inc_return();            atomic_long_inc_return();
2364         atomic_dec_return();            atomic_long_dec_return();
2365         atomic_add_return();            atomic_long_add_return();
2366         atomic_sub_return();            atomic_long_sub_return();
2367         atomic_inc_and_test();          atomic_long_inc_and_test();
2368         atomic_dec_and_test();          atomic_long_dec_and_test();
2369         atomic_sub_and_test();          atomic_long_sub_and_test();
2370         atomic_add_negative();          atomic_long_add_negative();
2371         test_and_set_bit();
2372         test_and_clear_bit();
2373         test_and_change_bit();
2374
2375         /* when succeeds (returns 1) */
2376         atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
2377
2378 These are used for such things as implementing ACQUIRE-class and RELEASE-class
2379 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
2380 such the implicit memory barrier effects are necessary.
2381
2382
2383 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
2384 barriers, but might be used for implementing such things as RELEASE-class
2385 operations:
2386
2387         atomic_set();
2388         set_bit();
2389         clear_bit();
2390         change_bit();
2391
2392 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
2393 (smp_mb__before_atomic() for instance).
2394
2395
2396 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
2397 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic() for
2398 instance):
2399
2400         atomic_add();
2401         atomic_sub();
2402         atomic_inc();
2403         atomic_dec();
2404
2405 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
2406 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
2407
2408 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
2409 they probably don't need memory barriers because either the reference count
2410 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
2411 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
2412
2413 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
2414 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
2415 specific order.
2416
2417 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
2418 barriers are needed or not.
2419
2420 The following operations are special locking primitives:
2421
2422         test_and_set_bit_lock();
2423         clear_bit_unlock();
2424         __clear_bit_unlock();
2425
2426 These implement ACQUIRE-class and RELEASE-class operations. These should be used in
2427 preference to other operations when implementing locking primitives, because
2428 their implementations can be optimised on many architectures.
2429
2430 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
2431 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
2432 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
2433 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
2434
2435 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
2436
2437
2438 ACCESSING DEVICES
2439 -----------------
2440
2441 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2442 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2443 make the right memory accesses in exactly the right order.
2444
2445 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2446 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2447 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2448 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2449 the device to malfunction.
2450
2451 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2452 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2453 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2454 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2455 might be needed:
2456
2457  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2458      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2459      issued prior to unlocking the critical section.
2460
2461  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2462      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2463      required to enforce ordering.
2464
2465 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2466
2467
2468 INTERRUPTS
2469 ----------
2470
2471 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2472 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2473 access the device.
2474
2475 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2476 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2477 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2478 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2479 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2480 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2481
2482 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2483 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2484 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2485
2486         LOCAL IRQ DISABLE
2487         writew(ADDR, 3);
2488         writew(DATA, y);
2489         LOCAL IRQ ENABLE
2490         <interrupt>
2491         writew(ADDR, 4);
2492         q = readw(DATA);
2493         </interrupt>
2494
2495 The store to the data register might happen after the second store to the
2496 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2497
2498         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2499
2500
2501 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2502 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2503 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2504 explicit barriers are used.
2505
2506 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2507 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2508 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
2509 mmiowb() may need to be used explicitly.
2510
2511
2512 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2513 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
2514 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2515
2516
2517 ==========================
2518 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2519 ==========================
2520
2521 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2522 functions:
2523
2524  (*) inX(), outX():
2525
2526      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2527      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
2528      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2529      CPUs don't have such a concept.
2530
2531      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2532      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2533      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2534      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2535      spaces.
2536
2537      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2538      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2539      that.
2540
2541      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2542
2543      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2544      memory and I/O operation.
2545
2546  (*) readX(), writeX():
2547
2548      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2549      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2550      defined for the memory window through which they're accessing. On later
2551      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2552      MTRR registers.
2553
2554      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2555      provided they're not accessing a prefetchable device.
2556
2557      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2558      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2559      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2560      space should suffice for PCI.
2561
2562      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2563          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2564          example.
2565
2566      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2567      force stores to be ordered.
2568
2569      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2570      between PCI transactions.
2571
2572  (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed()
2573
2574      These are similar to readX() and writeX(), but provide weaker memory
2575      ordering guarantees. Specifically, they do not guarantee ordering with
2576      respect to normal memory accesses (e.g. DMA buffers) nor do they guarantee
2577      ordering with respect to LOCK or UNLOCK operations. If the latter is
2578      required, an mmiowb() barrier can be used. Note that relaxed accesses to
2579      the same peripheral are guaranteed to be ordered with respect to each
2580      other.
2581
2582  (*) ioreadX(), iowriteX()
2583
2584      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2585      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2586
2587
2588 ========================================
2589 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2590 ========================================
2591
2592 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2593 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2594 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2595 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2596 of arch-specific code.
2597
2598 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2599 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2600 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2601 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2602 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2603 causality is maintained.
2604
2605  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2606      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2607      instructions may depend on different effects.
2608
2609 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2610 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2611 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2612
2613
2614 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2615 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2616 maintained.
2617
2618
2619 ============================
2620 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2621 ============================
2622
2623 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2624 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2625 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2626
2627 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2628 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2629 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2630 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2631
2632             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2633                                   :
2634         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2635         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2636         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2637         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2638         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2639         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2640         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2641                                   :                 | Cache     |    +--------+
2642                                   :                 | Coherency |
2643                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2644         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2645         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2646         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2647         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2648         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2649         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2650         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2651                                   :
2652                                   :
2653
2654 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2655 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2656 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2657 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2658 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2659
2660 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2661 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2662 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2663 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2664 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2665 to complete.
2666
2667 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2668 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2669 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2670 in the system.
2671
2672 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2673 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2674
2675 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2676 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2677 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2678
2679
2680 CACHE COHERENCY
2681 ---------------
2682
2683 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2684 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2685 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2686 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2687 become apparent in the same order on those other CPUs.
2688
2689
2690 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2691 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2692
2693                     :
2694                     :                          +--------+
2695                     :      +---------+         |        |
2696         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2697         |        |  : |    +---------+         |        |
2698         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2699         |        |  : |    +---------+         |        |
2700         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2701                     :      +---------+         |        |
2702                     :                          | Memory |
2703                     :      +---------+         | System |
2704         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2705         |        |  : |    +---------+         |        |
2706         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2707         |        |  : |    +---------+         |        |
2708         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2709                     :      +---------+         |        |
2710                     :                          +--------+
2711                     :
2712
2713 Imagine the system has the following properties:
2714
2715  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2716      resident in memory;
2717
2718  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2719      resident in memory;
2720
2721  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2722      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2723      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2724
2725  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2726      to maintain coherency with the rest of the system;
2727
2728  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2729      present in the cache, even though the contents of the queue may
2730      potentially affect those loads.
2731
2732 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2733 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2734 the requisite order:
2735
2736         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2737         =============== =============== =======================================
2738                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2739         v = 2;
2740         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2741                                          change to p
2742         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2743         p = &v;
2744         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2745
2746 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2747 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2748 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2749
2750         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2751         =============== =============== =======================================
2752         ...
2753                         q = p;
2754                         x = *q;
2755
2756 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2757 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2758 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2759 CPU's caches by some other cache event:
2760
2761         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2762         =============== =============== =======================================
2763                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2764         v = 2;
2765         smp_wmb();
2766         <A:modify v=2>  <C:busy>
2767                         <C:queue v=2>
2768         p = &v;         q = p;
2769                         <D:request p>
2770         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2771                         <D:read p>
2772                         x = *q;
2773                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2774                         <C:unbusy>
2775                         <C:commit v=2>
2776
2777 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2778 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2779 as that committed on CPU 1.
2780
2781
2782 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2783 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2784 queue before processing any further requests:
2785
2786         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2787         =============== =============== =======================================
2788                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2789         v = 2;
2790         smp_wmb();
2791         <A:modify v=2>  <C:busy>
2792                         <C:queue v=2>
2793         p = &v;         q = p;
2794                         <D:request p>
2795         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2796                         <D:read p>
2797                         smp_read_barrier_depends()
2798                         <C:unbusy>
2799                         <C:commit v=2>
2800                         x = *q;
2801                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2802
2803
2804 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2805 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2806 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2807 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2808
2809 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2810 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2811 need for coordination in the absence of memory barriers.
2812
2813
2814 CACHE COHERENCY VS DMA
2815 ----------------------
2816
2817 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2818 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2819 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2820 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2821 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2822 invalidate them as well).
2823
2824 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2825 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2826 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2827 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2828 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2829 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2830 cache on each CPU.
2831
2832 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2833
2834
2835 CACHE COHERENCY VS MMIO
2836 -----------------------
2837
2838 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2839 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2840 the usual RAM directed window.
2841
2842 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2843 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2844 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2845 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2846 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2847 any way dependent.
2848
2849
2850 =========================
2851 THE THINGS CPUS GET UP TO
2852 =========================
2853
2854 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2855 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2856 given the following piece of code to execute:
2857
2858         a = ACCESS_ONCE(*A);
2859         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2860         c = ACCESS_ONCE(*C);
2861         d = ACCESS_ONCE(*D);
2862         ACCESS_ONCE(*E) = e;
2863
2864 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2865 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2866 operations as seen by external observers in the system:
2867
2868         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2869
2870
2871 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2872 assumption doesn't hold because:
2873
2874  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2875      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2876      problem;
2877
2878  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2879      to have been unnecessary;
2880
2881  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2882      at the wrong time in the expected sequence of events;
2883
2884  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2885      of the CPU buses and caches;
2886
2887  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2888      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2889      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2890      both be able to do this); and
2891
2892  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2893      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2894      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2895      order to other CPUs.
2896
2897 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2898 is:
2899
2900         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2901
2902         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2903
2904
2905 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2906 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2907 barrier.  For instance with the following code:
2908
2909         U = ACCESS_ONCE(*A);
2910         ACCESS_ONCE(*A) = V;
2911         ACCESS_ONCE(*A) = W;
2912         X = ACCESS_ONCE(*A);
2913         ACCESS_ONCE(*A) = Y;
2914         Z = ACCESS_ONCE(*A);
2915
2916 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2917 the final result will appear to be:
2918
2919         U == the original value of *A
2920         X == W
2921         Z == Y
2922         *A == Y
2923
2924 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2925 accesses:
2926
2927         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2928
2929 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2930 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
2931 the world remains consistent.  Note that ACCESS_ONCE() is -not- optional
2932 in the above example, as there are architectures where a given CPU might
2933 reorder successive loads to the same location.  On such architectures,
2934 ACCESS_ONCE() does whatever is necessary to prevent this, for example, on
2935 Itanium the volatile casts used by ACCESS_ONCE() cause GCC to emit the
2936 special ld.acq and st.rel instructions that prevent such reordering.
2937
2938 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2939 the CPU even sees them.
2940
2941 For instance:
2942
2943         *A = V;
2944         *A = W;
2945
2946 may be reduced to:
2947
2948         *A = W;
2949
2950 since, without either a write barrier or an ACCESS_ONCE(), it can be
2951 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
2952
2953         *A = Y;
2954         Z = *A;
2955
2956 may, without a memory barrier or an ACCESS_ONCE(), be reduced to:
2957
2958         *A = Y;
2959         Z = Y;
2960
2961 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2962
2963
2964 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2965 --------------------------
2966
2967 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2968 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2969 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2970 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
2971 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2972 changes vs new data occur in the right order.
2973
2974 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
2975
2976 See the subsection on "Cache Coherency" above.
2977
2978
2979 ============
2980 EXAMPLE USES
2981 ============
2982
2983 CIRCULAR BUFFERS
2984 ----------------
2985
2986 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2987 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2988
2989         Documentation/circular-buffers.txt
2990
2991 for details.
2992
2993
2994 ==========
2995 REFERENCES
2996 ==========
2997
2998 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2999 Digital Press)
3000         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
3001         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
3002         Chapter 5.5: Data Sharing
3003         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
3004
3005 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
3006         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
3007         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
3008
3009 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
3010 System Programming Guide
3011         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
3012         Chapter 7.2: Memory Ordering
3013         Chapter 7.4: Serializing Instructions
3014
3015 The SPARC Architecture Manual, Version 9
3016         Chapter 8: Memory Models
3017         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
3018         Appendix J: Programming with the Memory Models
3019
3020 UltraSPARC Programmer Reference Manual
3021         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
3022         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
3023
3024 UltraSPARC III Cu User's Manual
3025         Chapter 9: Memory Models
3026
3027 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
3028         Chapter 8: Memory Models
3029
3030 UltraSPARC Architecture 2005
3031         Chapter 9: Memory
3032         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
3033
3034 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
3035         Chapter 8: Memory Models
3036         Appendix F: Caches and Cache Coherency
3037
3038 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
3039         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
3040                         Synchronization
3041
3042 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
3043 for Kernel Programmers:
3044         Chapter 13: Other Memory Models
3045
3046 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
3047         Section 2.6: Speculation
3048         Section 4.4: Memory Access