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[linux-2.6-block.git] / Documentation / memory-barriers.txt
index e26058d3e2531278fb734a07c751b322074845c0..3729cbe60e4169340b5bc522951d9e0f40c4cb46 100644 (file)
@@ -232,7 +232,7 @@ And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
      with memory references that are not protected by READ_ONCE() and
      WRITE_ONCE().  Without them, the compiler is within its rights to
      do all sorts of "creative" transformations, which are covered in
      with memory references that are not protected by READ_ONCE() and
      WRITE_ONCE().  Without them, the compiler is within its rights to
      do all sorts of "creative" transformations, which are covered in
-     the Compiler Barrier section.
+     the COMPILER BARRIER section.
 
  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
      in the order given.  This means that for:
 
  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
      in the order given.  This means that for:
@@ -555,6 +555,30 @@ between the address load and the data load:
 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
 third possibility from arising.
 
 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
 third possibility from arising.
 
+A data-dependency barrier must also order against dependent writes:
+
+       CPU 1                 CPU 2
+       ===============       ===============
+       { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
+       B = 4;
+       <write barrier>
+       WRITE_ONCE(P, &B);
+                             Q = READ_ONCE(P);
+                             <data dependency barrier>
+                             *Q = 5;
+
+The data-dependency barrier must order the read into Q with the store
+into *Q.  This prohibits this outcome:
+
+       (Q == B) && (B == 4)
+
+Please note that this pattern should be rare.  After all, the whole point
+of dependency ordering is to -prevent- writes to the data structure, along
+with the expensive cache misses associated with those writes.  This pattern
+can be used to record rare error conditions and the like, and the ordering
+prevents such records from being lost.
+
+
 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
@@ -565,21 +589,6 @@ odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
 but the old value of the variable B (2).
 
 
 but the old value of the variable B (2).
 
 
-Another example of where data dependency barriers might be required is where a
-number is read from memory and then used to calculate the index for an array
-access:
-
-       CPU 1                 CPU 2
-       ===============       ===============
-       { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
-       M[1] = 4;
-       <write barrier>
-       WRITE_ONCE(P, 1);
-                             Q = READ_ONCE(P);
-                             <data dependency barrier>
-                             D = M[Q];
-
-
 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
@@ -818,7 +827,7 @@ In summary:
   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
       dependency into nonexistence.  Careful use of READ_ONCE() or
       atomic{,64}_read() can help to preserve your control dependency.
   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
       dependency into nonexistence.  Careful use of READ_ONCE() or
       atomic{,64}_read() can help to preserve your control dependency.
-      Please see the Compiler Barrier section for more information.
+      Please see the COMPILER BARRIER section for more information.
 
   (*) Control dependencies pair normally with other types of barriers.
 
 
   (*) Control dependencies pair normally with other types of barriers.
 
@@ -1261,7 +1270,7 @@ TRANSITIVITY
 
 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
 always provided by real computer systems.  The following example
 
 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
 always provided by real computer systems.  The following example
-demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
+demonstrates transitivity:
 
        CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
        ======================= ======================= =======================
 
        CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
        ======================= ======================= =======================
@@ -1309,8 +1318,86 @@ or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
 
 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
 
-To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
-throughout.
+General barriers provide "global transitivity", so that all CPUs will
+agree on the order of operations.  In contrast, a chain of release-acquire
+pairs provides only "local transitivity", so that only those CPUs on
+the chain are guaranteed to agree on the combined order of the accesses.
+For example, switching to C code in deference to Herman Hollerith:
+
+       int u, v, x, y, z;
+
+       void cpu0(void)
+       {
+               r0 = smp_load_acquire(&x);
+               WRITE_ONCE(u, 1);
+               smp_store_release(&y, 1);
+       }
+
+       void cpu1(void)
+       {
+               r1 = smp_load_acquire(&y);
+               r4 = READ_ONCE(v);
+               r5 = READ_ONCE(u);
+               smp_store_release(&z, 1);
+       }
+
+       void cpu2(void)
+       {
+               r2 = smp_load_acquire(&z);
+               smp_store_release(&x, 1);
+       }
+
+       void cpu3(void)
+       {
+               WRITE_ONCE(v, 1);
+               smp_mb();
+               r3 = READ_ONCE(u);
+       }
+
+Because cpu0(), cpu1(), and cpu2() participate in a local transitive
+chain of smp_store_release()/smp_load_acquire() pairs, the following
+outcome is prohibited:
+
+       r0 == 1 && r1 == 1 && r2 == 1
+
+Furthermore, because of the release-acquire relationship between cpu0()
+and cpu1(), cpu1() must see cpu0()'s writes, so that the following
+outcome is prohibited:
+
+       r1 == 1 && r5 == 0
+
+However, the transitivity of release-acquire is local to the participating
+CPUs and does not apply to cpu3().  Therefore, the following outcome
+is possible:
+
+       r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0
+
+As an aside, the following outcome is also possible:
+
+       r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 && r5 == 1
+
+Although cpu0(), cpu1(), and cpu2() will see their respective reads and
+writes in order, CPUs not involved in the release-acquire chain might
+well disagree on the order.  This disagreement stems from the fact that
+the weak memory-barrier instructions used to implement smp_load_acquire()
+and smp_store_release() are not required to order prior stores against
+subsequent loads in all cases.  This means that cpu3() can see cpu0()'s
+store to u as happening -after- cpu1()'s load from v, even though
+both cpu0() and cpu1() agree that these two operations occurred in the
+intended order.
+
+However, please keep in mind that smp_load_acquire() is not magic.
+In particular, it simply reads from its argument with ordering.  It does
+-not- ensure that any particular value will be read.  Therefore, the
+following outcome is possible:
+
+       r0 == 0 && r1 == 0 && r2 == 0 && r5 == 0
+
+Note that this outcome can happen even on a mythical sequentially
+consistent system where nothing is ever reordered.
+
+To reiterate, if your code requires global transitivity, use general
+barriers throughout.
 
 
 ========================
 
 
 ========================
@@ -1463,7 +1550,7 @@ of optimizations:
      the following:
 
        a = 0;
      the following:
 
        a = 0;
-       /* Code that does not store to variable a. */
+       ... Code that does not store to variable a ...
        a = 0;
 
      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
        a = 0;
 
      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
@@ -1475,7 +1562,7 @@ of optimizations:
      wrong guess:
 
        WRITE_ONCE(a, 0);
      wrong guess:
 
        WRITE_ONCE(a, 0);
-       /* Code that does not store to variable a. */
+       ... Code that does not store to variable a ...
        WRITE_ONCE(a, 0);
 
  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
        WRITE_ONCE(a, 0);
 
  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless