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