Merge drm/drm-next into drm-misc-next
[linux-2.6-block.git] / Documentation / RCU / checklist.txt
1 Review Checklist for RCU Patches
2
3
4 This document contains a checklist for producing and reviewing patches
5 that make use of RCU.  Violating any of the rules listed below will
6 result in the same sorts of problems that leaving out a locking primitive
7 would cause.  This list is based on experiences reviewing such patches
8 over a rather long period of time, but improvements are always welcome!
9
10 0.      Is RCU being applied to a read-mostly situation?  If the data
11         structure is updated more than about 10% of the time, then you
12         should strongly consider some other approach, unless detailed
13         performance measurements show that RCU is nonetheless the right
14         tool for the job.  Yes, RCU does reduce read-side overhead by
15         increasing write-side overhead, which is exactly why normal uses
16         of RCU will do much more reading than updating.
17
18         Another exception is where performance is not an issue, and RCU
19         provides a simpler implementation.  An example of this situation
20         is the dynamic NMI code in the Linux 2.6 kernel, at least on
21         architectures where NMIs are rare.
22
23         Yet another exception is where the low real-time latency of RCU's
24         read-side primitives is critically important.
25
26         One final exception is where RCU readers are used to prevent
27         the ABA problem (https://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem)
28         for lockless updates.  This does result in the mildly
29         counter-intuitive situation where rcu_read_lock() and
30         rcu_read_unlock() are used to protect updates, however, this
31         approach provides the same potential simplifications that garbage
32         collectors do.
33
34 1.      Does the update code have proper mutual exclusion?
35
36         RCU does allow -readers- to run (almost) naked, but -writers- must
37         still use some sort of mutual exclusion, such as:
38
39         a.      locking,
40         b.      atomic operations, or
41         c.      restricting updates to a single task.
42
43         If you choose #b, be prepared to describe how you have handled
44         memory barriers on weakly ordered machines (pretty much all of
45         them -- even x86 allows later loads to be reordered to precede
46         earlier stores), and be prepared to explain why this added
47         complexity is worthwhile.  If you choose #c, be prepared to
48         explain how this single task does not become a major bottleneck on
49         big multiprocessor machines (for example, if the task is updating
50         information relating to itself that other tasks can read, there
51         by definition can be no bottleneck).  Note that the definition
52         of "large" has changed significantly:  Eight CPUs was "large"
53         in the year 2000, but a hundred CPUs was unremarkable in 2017.
54
55 2.      Do the RCU read-side critical sections make proper use of
56         rcu_read_lock() and friends?  These primitives are needed
57         to prevent grace periods from ending prematurely, which
58         could result in data being unceremoniously freed out from
59         under your read-side code, which can greatly increase the
60         actuarial risk of your kernel.
61
62         As a rough rule of thumb, any dereference of an RCU-protected
63         pointer must be covered by rcu_read_lock(), rcu_read_lock_bh(),
64         rcu_read_lock_sched(), or by the appropriate update-side lock.
65         Disabling of preemption can serve as rcu_read_lock_sched(), but
66         is less readable and prevents lockdep from detecting locking issues.
67
68         Letting RCU-protected pointers "leak" out of an RCU read-side
69         critical section is every bid as bad as letting them leak out
70         from under a lock.  Unless, of course, you have arranged some
71         other means of protection, such as a lock or a reference count
72         -before- letting them out of the RCU read-side critical section.
73
74 3.      Does the update code tolerate concurrent accesses?
75
76         The whole point of RCU is to permit readers to run without
77         any locks or atomic operations.  This means that readers will
78         be running while updates are in progress.  There are a number
79         of ways to handle this concurrency, depending on the situation:
80
81         a.      Use the RCU variants of the list and hlist update
82                 primitives to add, remove, and replace elements on
83                 an RCU-protected list.  Alternatively, use the other
84                 RCU-protected data structures that have been added to
85                 the Linux kernel.
86
87                 This is almost always the best approach.
88
89         b.      Proceed as in (a) above, but also maintain per-element
90                 locks (that are acquired by both readers and writers)
91                 that guard per-element state.  Of course, fields that
92                 the readers refrain from accessing can be guarded by
93                 some other lock acquired only by updaters, if desired.
94
95                 This works quite well, also.
96
97         c.      Make updates appear atomic to readers.  For example,
98                 pointer updates to properly aligned fields will
99                 appear atomic, as will individual atomic primitives.
100                 Sequences of operations performed under a lock will -not-
101                 appear to be atomic to RCU readers, nor will sequences
102                 of multiple atomic primitives.
103
104                 This can work, but is starting to get a bit tricky.
105
106         d.      Carefully order the updates and the reads so that
107                 readers see valid data at all phases of the update.
108                 This is often more difficult than it sounds, especially
109                 given modern CPUs' tendency to reorder memory references.
110                 One must usually liberally sprinkle memory barriers
111                 (smp_wmb(), smp_rmb(), smp_mb()) through the code,
112                 making it difficult to understand and to test.
113
114                 It is usually better to group the changing data into
115                 a separate structure, so that the change may be made
116                 to appear atomic by updating a pointer to reference
117                 a new structure containing updated values.
118
119 4.      Weakly ordered CPUs pose special challenges.  Almost all CPUs
120         are weakly ordered -- even x86 CPUs allow later loads to be
121         reordered to precede earlier stores.  RCU code must take all of
122         the following measures to prevent memory-corruption problems:
123
124         a.      Readers must maintain proper ordering of their memory
125                 accesses.  The rcu_dereference() primitive ensures that
126                 the CPU picks up the pointer before it picks up the data
127                 that the pointer points to.  This really is necessary
128                 on Alpha CPUs.  If you don't believe me, see:
129
130                         http://www.openvms.compaq.com/wizard/wiz_2637.html
131
132                 The rcu_dereference() primitive is also an excellent
133                 documentation aid, letting the person reading the
134                 code know exactly which pointers are protected by RCU.
135                 Please note that compilers can also reorder code, and
136                 they are becoming increasingly aggressive about doing
137                 just that.  The rcu_dereference() primitive therefore also
138                 prevents destructive compiler optimizations.  However,
139                 with a bit of devious creativity, it is possible to
140                 mishandle the return value from rcu_dereference().
141                 Please see rcu_dereference.txt in this directory for
142                 more information.
143
144                 The rcu_dereference() primitive is used by the
145                 various "_rcu()" list-traversal primitives, such
146                 as the list_for_each_entry_rcu().  Note that it is
147                 perfectly legal (if redundant) for update-side code to
148                 use rcu_dereference() and the "_rcu()" list-traversal
149                 primitives.  This is particularly useful in code that
150                 is common to readers and updaters.  However, lockdep
151                 will complain if you access rcu_dereference() outside
152                 of an RCU read-side critical section.  See lockdep.txt
153                 to learn what to do about this.
154
155                 Of course, neither rcu_dereference() nor the "_rcu()"
156                 list-traversal primitives can substitute for a good
157                 concurrency design coordinating among multiple updaters.
158
159         b.      If the list macros are being used, the list_add_tail_rcu()
160                 and list_add_rcu() primitives must be used in order
161                 to prevent weakly ordered machines from misordering
162                 structure initialization and pointer planting.
163                 Similarly, if the hlist macros are being used, the
164                 hlist_add_head_rcu() primitive is required.
165
166         c.      If the list macros are being used, the list_del_rcu()
167                 primitive must be used to keep list_del()'s pointer
168                 poisoning from inflicting toxic effects on concurrent
169                 readers.  Similarly, if the hlist macros are being used,
170                 the hlist_del_rcu() primitive is required.
171
172                 The list_replace_rcu() and hlist_replace_rcu() primitives
173                 may be used to replace an old structure with a new one
174                 in their respective types of RCU-protected lists.
175
176         d.      Rules similar to (4b) and (4c) apply to the "hlist_nulls"
177                 type of RCU-protected linked lists.
178
179         e.      Updates must ensure that initialization of a given
180                 structure happens before pointers to that structure are
181                 publicized.  Use the rcu_assign_pointer() primitive
182                 when publicizing a pointer to a structure that can
183                 be traversed by an RCU read-side critical section.
184
185 5.      If call_rcu() or call_srcu() is used, the callback function will
186         be called from softirq context.  In particular, it cannot block.
187
188 6.      Since synchronize_rcu() can block, it cannot be called
189         from any sort of irq context.  The same rule applies
190         for synchronize_srcu(), synchronize_rcu_expedited(), and
191         synchronize_srcu_expedited().
192
193         The expedited forms of these primitives have the same semantics
194         as the non-expedited forms, but expediting is both expensive and
195         (with the exception of synchronize_srcu_expedited()) unfriendly
196         to real-time workloads.  Use of the expedited primitives should
197         be restricted to rare configuration-change operations that would
198         not normally be undertaken while a real-time workload is running.
199         However, real-time workloads can use rcupdate.rcu_normal kernel
200         boot parameter to completely disable expedited grace periods,
201         though this might have performance implications.
202
203         In particular, if you find yourself invoking one of the expedited
204         primitives repeatedly in a loop, please do everyone a favor:
205         Restructure your code so that it batches the updates, allowing
206         a single non-expedited primitive to cover the entire batch.
207         This will very likely be faster than the loop containing the
208         expedited primitive, and will be much much easier on the rest
209         of the system, especially to real-time workloads running on
210         the rest of the system.
211
212 7.      As of v4.20, a given kernel implements only one RCU flavor,
213         which is RCU-sched for PREEMPT=n and RCU-preempt for PREEMPT=y.
214         If the updater uses call_rcu() or synchronize_rcu(),
215         then the corresponding readers my use rcu_read_lock() and
216         rcu_read_unlock(), rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh(),
217         or any pair of primitives that disables and re-enables preemption,
218         for example, rcu_read_lock_sched() and rcu_read_unlock_sched().
219         If the updater uses synchronize_srcu() or call_srcu(),
220         then the corresponding readers must use srcu_read_lock() and
221         srcu_read_unlock(), and with the same srcu_struct.  The rules for
222         the expedited primitives are the same as for their non-expedited
223         counterparts.  Mixing things up will result in confusion and
224         broken kernels, and has even resulted in an exploitable security
225         issue.
226
227         One exception to this rule: rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
228         may be substituted for rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh()
229         in cases where local bottom halves are already known to be
230         disabled, for example, in irq or softirq context.  Commenting
231         such cases is a must, of course!  And the jury is still out on
232         whether the increased speed is worth it.
233
234 8.      Although synchronize_rcu() is slower than is call_rcu(), it
235         usually results in simpler code.  So, unless update performance is
236         critically important, the updaters cannot block, or the latency of
237         synchronize_rcu() is visible from userspace, synchronize_rcu()
238         should be used in preference to call_rcu().  Furthermore,
239         kfree_rcu() usually results in even simpler code than does
240         synchronize_rcu() without synchronize_rcu()'s multi-millisecond
241         latency.  So please take advantage of kfree_rcu()'s "fire and
242         forget" memory-freeing capabilities where it applies.
243
244         An especially important property of the synchronize_rcu()
245         primitive is that it automatically self-limits: if grace periods
246         are delayed for whatever reason, then the synchronize_rcu()
247         primitive will correspondingly delay updates.  In contrast,
248         code using call_rcu() should explicitly limit update rate in
249         cases where grace periods are delayed, as failing to do so can
250         result in excessive realtime latencies or even OOM conditions.
251
252         Ways of gaining this self-limiting property when using call_rcu()
253         include:
254
255         a.      Keeping a count of the number of data-structure elements
256                 used by the RCU-protected data structure, including
257                 those waiting for a grace period to elapse.  Enforce a
258                 limit on this number, stalling updates as needed to allow
259                 previously deferred frees to complete.  Alternatively,
260                 limit only the number awaiting deferred free rather than
261                 the total number of elements.
262
263                 One way to stall the updates is to acquire the update-side
264                 mutex.  (Don't try this with a spinlock -- other CPUs
265                 spinning on the lock could prevent the grace period
266                 from ever ending.)  Another way to stall the updates
267                 is for the updates to use a wrapper function around
268                 the memory allocator, so that this wrapper function
269                 simulates OOM when there is too much memory awaiting an
270                 RCU grace period.  There are of course many other
271                 variations on this theme.
272
273         b.      Limiting update rate.  For example, if updates occur only
274                 once per hour, then no explicit rate limiting is
275                 required, unless your system is already badly broken.
276                 Older versions of the dcache subsystem take this approach,
277                 guarding updates with a global lock, limiting their rate.
278
279         c.      Trusted update -- if updates can only be done manually by
280                 superuser or some other trusted user, then it might not
281                 be necessary to automatically limit them.  The theory
282                 here is that superuser already has lots of ways to crash
283                 the machine.
284
285         d.      Periodically invoke synchronize_rcu(), permitting a limited
286                 number of updates per grace period.
287
288         The same cautions apply to call_srcu() and kfree_rcu().
289
290         Note that although these primitives do take action to avoid memory
291         exhaustion when any given CPU has too many callbacks, a determined
292         user could still exhaust memory.  This is especially the case
293         if a system with a large number of CPUs has been configured to
294         offload all of its RCU callbacks onto a single CPU, or if the
295         system has relatively little free memory.
296
297 9.      All RCU list-traversal primitives, which include
298         rcu_dereference(), list_for_each_entry_rcu(), and
299         list_for_each_safe_rcu(), must be either within an RCU read-side
300         critical section or must be protected by appropriate update-side
301         locks.  RCU read-side critical sections are delimited by
302         rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), or by similar primitives
303         such as rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh(), in which
304         case the matching rcu_dereference() primitive must be used in
305         order to keep lockdep happy, in this case, rcu_dereference_bh().
306
307         The reason that it is permissible to use RCU list-traversal
308         primitives when the update-side lock is held is that doing so
309         can be quite helpful in reducing code bloat when common code is
310         shared between readers and updaters.  Additional primitives
311         are provided for this case, as discussed in lockdep.txt.
312
313 10.     Conversely, if you are in an RCU read-side critical section,
314         and you don't hold the appropriate update-side lock, you -must-
315         use the "_rcu()" variants of the list macros.  Failing to do so
316         will break Alpha, cause aggressive compilers to generate bad code,
317         and confuse people trying to read your code.
318
319 11.     Any lock acquired by an RCU callback must be acquired elsewhere
320         with softirq disabled, e.g., via spin_lock_irqsave(),
321         spin_lock_bh(), etc.  Failing to disable softirq on a given
322         acquisition of that lock will result in deadlock as soon as
323         the RCU softirq handler happens to run your RCU callback while
324         interrupting that acquisition's critical section.
325
326 12.     RCU callbacks can be and are executed in parallel.  In many cases,
327         the callback code simply wrappers around kfree(), so that this
328         is not an issue (or, more accurately, to the extent that it is
329         an issue, the memory-allocator locking handles it).  However,
330         if the callbacks do manipulate a shared data structure, they
331         must use whatever locking or other synchronization is required
332         to safely access and/or modify that data structure.
333
334         Do not assume that RCU callbacks will be executed on the same
335         CPU that executed the corresponding call_rcu() or call_srcu().
336         For example, if a given CPU goes offline while having an RCU
337         callback pending, then that RCU callback will execute on some
338         surviving CPU.  (If this was not the case, a self-spawning RCU
339         callback would prevent the victim CPU from ever going offline.)
340         Furthermore, CPUs designated by rcu_nocbs= might well -always-
341         have their RCU callbacks executed on some other CPUs, in fact,
342         for some  real-time workloads, this is the whole point of using
343         the rcu_nocbs= kernel boot parameter.
344
345 13.     Unlike other forms of RCU, it -is- permissible to block in an
346         SRCU read-side critical section (demarked by srcu_read_lock()
347         and srcu_read_unlock()), hence the "SRCU": "sleepable RCU".
348         Please note that if you don't need to sleep in read-side critical
349         sections, you should be using RCU rather than SRCU, because RCU
350         is almost always faster and easier to use than is SRCU.
351
352         Also unlike other forms of RCU, explicit initialization and
353         cleanup is required either at build time via DEFINE_SRCU()
354         or DEFINE_STATIC_SRCU() or at runtime via init_srcu_struct()
355         and cleanup_srcu_struct().  These last two are passed a
356         "struct srcu_struct" that defines the scope of a given
357         SRCU domain.  Once initialized, the srcu_struct is passed
358         to srcu_read_lock(), srcu_read_unlock() synchronize_srcu(),
359         synchronize_srcu_expedited(), and call_srcu().  A given
360         synchronize_srcu() waits only for SRCU read-side critical
361         sections governed by srcu_read_lock() and srcu_read_unlock()
362         calls that have been passed the same srcu_struct.  This property
363         is what makes sleeping read-side critical sections tolerable --
364         a given subsystem delays only its own updates, not those of other
365         subsystems using SRCU.  Therefore, SRCU is less prone to OOM the
366         system than RCU would be if RCU's read-side critical sections
367         were permitted to sleep.
368
369         The ability to sleep in read-side critical sections does not
370         come for free.  First, corresponding srcu_read_lock() and
371         srcu_read_unlock() calls must be passed the same srcu_struct.
372         Second, grace-period-detection overhead is amortized only
373         over those updates sharing a given srcu_struct, rather than
374         being globally amortized as they are for other forms of RCU.
375         Therefore, SRCU should be used in preference to rw_semaphore
376         only in extremely read-intensive situations, or in situations
377         requiring SRCU's read-side deadlock immunity or low read-side
378         realtime latency.  You should also consider percpu_rw_semaphore
379         when you need lightweight readers.
380
381         SRCU's expedited primitive (synchronize_srcu_expedited())
382         never sends IPIs to other CPUs, so it is easier on
383         real-time workloads than is synchronize_rcu_expedited().
384
385         Note that rcu_assign_pointer() relates to SRCU just as it does to
386         other forms of RCU, but instead of rcu_dereference() you should
387         use srcu_dereference() in order to avoid lockdep splats.
388
389 14.     The whole point of call_rcu(), synchronize_rcu(), and friends
390         is to wait until all pre-existing readers have finished before
391         carrying out some otherwise-destructive operation.  It is
392         therefore critically important to -first- remove any path
393         that readers can follow that could be affected by the
394         destructive operation, and -only- -then- invoke call_rcu(),
395         synchronize_rcu(), or friends.
396
397         Because these primitives only wait for pre-existing readers, it
398         is the caller's responsibility to guarantee that any subsequent
399         readers will execute safely.
400
401 15.     The various RCU read-side primitives do -not- necessarily contain
402         memory barriers.  You should therefore plan for the CPU
403         and the compiler to freely reorder code into and out of RCU
404         read-side critical sections.  It is the responsibility of the
405         RCU update-side primitives to deal with this.
406
407         For SRCU readers, you can use smp_mb__after_srcu_read_unlock()
408         immediately after an srcu_read_unlock() to get a full barrier.
409
410 16.     Use CONFIG_PROVE_LOCKING, CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD, and the
411         __rcu sparse checks to validate your RCU code.  These can help
412         find problems as follows:
413
414         CONFIG_PROVE_LOCKING: check that accesses to RCU-protected data
415                 structures are carried out under the proper RCU
416                 read-side critical section, while holding the right
417                 combination of locks, or whatever other conditions
418                 are appropriate.
419
420         CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD: check that you don't pass the
421                 same object to call_rcu() (or friends) before an RCU
422                 grace period has elapsed since the last time that you
423                 passed that same object to call_rcu() (or friends).
424
425         __rcu sparse checks: tag the pointer to the RCU-protected data
426                 structure with __rcu, and sparse will warn you if you
427                 access that pointer without the services of one of the
428                 variants of rcu_dereference().
429
430         These debugging aids can help you find problems that are
431         otherwise extremely difficult to spot.
432
433 17.     If you register a callback using call_rcu() or call_srcu(), and
434         pass in a function defined within a loadable module, then it in
435         necessary to wait for all pending callbacks to be invoked after
436         the last invocation and before unloading that module.  Note that
437         it is absolutely -not- sufficient to wait for a grace period!
438         The current (say) synchronize_rcu() implementation is -not-
439         guaranteed to wait for callbacks registered on other CPUs.
440         Or even on the current CPU if that CPU recently went offline
441         and came back online.
442
443         You instead need to use one of the barrier functions:
444
445         o       call_rcu() -> rcu_barrier()
446         o       call_srcu() -> srcu_barrier()
447
448         However, these barrier functions are absolutely -not- guaranteed
449         to wait for a grace period.  In fact, if there are no call_rcu()
450         callbacks waiting anywhere in the system, rcu_barrier() is within
451         its rights to return immediately.
452
453         So if you need to wait for both an RCU grace period and for
454         all pre-existing call_rcu() callbacks, you will need to execute
455         both rcu_barrier() and synchronize_rcu(), if necessary, using
456         something like workqueues to to execute them concurrently.
457
458         See rcubarrier.txt for more information.