net/mlx5e: Set drop RQ's necessary parameters only
[cascardo/linux.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 Another example of where data dependency barriers might be required is where a
569 number is read from memory and then used to calculate the index for an array
570 access:
571
572         CPU 1                 CPU 2
573         ===============       ===============
574         { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
575         M[1] = 4;
576         <write barrier>
577         WRITE_ONCE(P, 1);
578                               Q = READ_ONCE(P);
579                               <data dependency barrier>
580                               D = M[Q];
581
582
583 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
584 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
585 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
586 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
587 target appearing to be incompletely initialised.
588
589 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
590
591
592 CONTROL DEPENDENCIES
593 --------------------
594
595 A load-load control dependency requires a full read memory barrier, not
596 simply a data dependency barrier to make it work correctly.  Consider the
597 following bit of code:
598
599         q = READ_ONCE(a);
600         if (q) {
601                 <data dependency barrier>  /* BUG: No data dependency!!! */
602                 p = READ_ONCE(b);
603         }
604
605 This will not have the desired effect because there is no actual data
606 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
607 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
608 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
609 case what's actually required is:
610
611         q = READ_ONCE(a);
612         if (q) {
613                 <read barrier>
614                 p = READ_ONCE(b);
615         }
616
617 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
618 for load-store control dependencies, as in the following example:
619
620         q = READ_ONCE(a);
621         if (q) {
622                 WRITE_ONCE(b, p);
623         }
624
625 Control dependencies pair normally with other types of barriers.  That
626 said, please note that READ_ONCE() is not optional! Without the
627 READ_ONCE(), the compiler might combine the load from 'a' with other
628 loads from 'a', and the store to 'b' with other stores to 'b', with
629 possible highly counterintuitive effects on ordering.
630
631 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
632 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
633 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
634 as follows:
635
636         q = a;
637         b = p;  /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */
638
639 So don't leave out the READ_ONCE().
640
641 It is tempting to try to enforce ordering on identical stores on both
642 branches of the "if" statement as follows:
643
644         q = READ_ONCE(a);
645         if (q) {
646                 barrier();
647                 WRITE_ONCE(b, p);
648                 do_something();
649         } else {
650                 barrier();
651                 WRITE_ONCE(b, p);
652                 do_something_else();
653         }
654
655 Unfortunately, current compilers will transform this as follows at high
656 optimization levels:
657
658         q = READ_ONCE(a);
659         barrier();
660         WRITE_ONCE(b, p);  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
661         if (q) {
662                 /* WRITE_ONCE(b, p); -- moved up, BUG!!! */
663                 do_something();
664         } else {
665                 /* WRITE_ONCE(b, p); -- moved up, BUG!!! */
666                 do_something_else();
667         }
668
669 Now there is no conditional between the load from 'a' and the store to
670 'b', which means that the CPU is within its rights to reorder them:
671 The conditional is absolutely required, and must be present in the
672 assembly code even after all compiler optimizations have been applied.
673 Therefore, if you need ordering in this example, you need explicit
674 memory barriers, for example, smp_store_release():
675
676         q = READ_ONCE(a);
677         if (q) {
678                 smp_store_release(&b, p);
679                 do_something();
680         } else {
681                 smp_store_release(&b, p);
682                 do_something_else();
683         }
684
685 In contrast, without explicit memory barriers, two-legged-if control
686 ordering is guaranteed only when the stores differ, for example:
687
688         q = READ_ONCE(a);
689         if (q) {
690                 WRITE_ONCE(b, p);
691                 do_something();
692         } else {
693                 WRITE_ONCE(b, r);
694                 do_something_else();
695         }
696
697 The initial READ_ONCE() is still required to prevent the compiler from
698 proving the value of 'a'.
699
700 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
701 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
702 the needed conditional.  For example:
703
704         q = READ_ONCE(a);
705         if (q % MAX) {
706                 WRITE_ONCE(b, p);
707                 do_something();
708         } else {
709                 WRITE_ONCE(b, r);
710                 do_something_else();
711         }
712
713 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
714 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
715 transform the above code into the following:
716
717         q = READ_ONCE(a);
718         WRITE_ONCE(b, p);
719         do_something_else();
720
721 Given this transformation, the CPU is not required to respect the ordering
722 between the load from variable 'a' and the store to variable 'b'.  It is
723 tempting to add a barrier(), but this does not help.  The conditional
724 is gone, and the barrier won't bring it back.  Therefore, if you are
725 relying on this ordering, you should make sure that MAX is greater than
726 one, perhaps as follows:
727
728         q = READ_ONCE(a);
729         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
730         if (q % MAX) {
731                 WRITE_ONCE(b, p);
732                 do_something();
733         } else {
734                 WRITE_ONCE(b, r);
735                 do_something_else();
736         }
737
738 Please note once again that the stores to 'b' differ.  If they were
739 identical, as noted earlier, the compiler could pull this store outside
740 of the 'if' statement.
741
742 You must also be careful not to rely too much on boolean short-circuit
743 evaluation.  Consider this example:
744
745         q = READ_ONCE(a);
746         if (q || 1 > 0)
747                 WRITE_ONCE(b, 1);
748
749 Because the first condition cannot fault and the second condition is
750 always true, the compiler can transform this example as following,
751 defeating control dependency:
752
753         q = READ_ONCE(a);
754         WRITE_ONCE(b, 1);
755
756 This example underscores the need to ensure that the compiler cannot
757 out-guess your code.  More generally, although READ_ONCE() does force
758 the compiler to actually emit code for a given load, it does not force
759 the compiler to use the results.
760
761 Finally, control dependencies do -not- provide transitivity.  This is
762 demonstrated by two related examples, with the initial values of
763 x and y both being zero:
764
765         CPU 0                     CPU 1
766         =======================   =======================
767         r1 = READ_ONCE(x);        r2 = READ_ONCE(y);
768         if (r1 > 0)               if (r2 > 0)
769           WRITE_ONCE(y, 1);         WRITE_ONCE(x, 1);
770
771         assert(!(r1 == 1 && r2 == 1));
772
773 The above two-CPU example will never trigger the assert().  However,
774 if control dependencies guaranteed transitivity (which they do not),
775 then adding the following CPU would guarantee a related assertion:
776
777         CPU 2
778         =====================
779         WRITE_ONCE(x, 2);
780
781         assert(!(r1 == 2 && r2 == 1 && x == 2)); /* FAILS!!! */
782
783 But because control dependencies do -not- provide transitivity, the above
784 assertion can fail after the combined three-CPU example completes.  If you
785 need the three-CPU example to provide ordering, you will need smp_mb()
786 between the loads and stores in the CPU 0 and CPU 1 code fragments,
787 that is, just before or just after the "if" statements.  Furthermore,
788 the original two-CPU example is very fragile and should be avoided.
789
790 These two examples are the LB and WWC litmus tests from this paper:
791 http://www.cl.cam.ac.uk/users/pes20/ppc-supplemental/test6.pdf and this
792 site: https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/ppcmem/index.html.
793
794 In summary:
795
796   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
797       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
798       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
799       later anything.  If you need these other forms of ordering,
800       use smp_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
801       later loads, smp_mb().
802
803   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores
804       to the same variable, a barrier() statement is required at the
805       beginning of each leg of the "if" statement.
806
807   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
808       between the prior load and the subsequent store, and this
809       conditional must involve the prior load.  If the compiler is able
810       to optimize the conditional away, it will have also optimized
811       away the ordering.  Careful use of READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
812       can help to preserve the needed conditional.
813
814   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
815       dependency into nonexistence.  Careful use of READ_ONCE() or
816       atomic{,64}_read() can help to preserve your control dependency.
817       Please see the Compiler Barrier section for more information.
818
819   (*) Control dependencies pair normally with other types of barriers.
820
821   (*) Control dependencies do -not- provide transitivity.  If you
822       need transitivity, use smp_mb().
823
824
825 SMP BARRIER PAIRING
826 -------------------
827
828 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
829 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
830
831 General barriers pair with each other, though they also pair with most
832 other types of barriers, albeit without transitivity.  An acquire barrier
833 pairs with a release barrier, but both may also pair with other barriers,
834 including of course general barriers.  A write barrier pairs with a data
835 dependency barrier, a control dependency, an acquire barrier, a release
836 barrier, a read barrier, or a general barrier.  Similarly a read barrier,
837 control dependency, or a data dependency barrier pairs with a write
838 barrier, an acquire barrier, a release barrier, or a general barrier:
839
840         CPU 1                 CPU 2
841         ===============       ===============
842         WRITE_ONCE(a, 1);
843         <write barrier>
844         WRITE_ONCE(b, 2);     x = READ_ONCE(b);
845                               <read barrier>
846                               y = READ_ONCE(a);
847
848 Or:
849
850         CPU 1                 CPU 2
851         ===============       ===============================
852         a = 1;
853         <write barrier>
854         WRITE_ONCE(b, &a);    x = READ_ONCE(b);
855                               <data dependency barrier>
856                               y = *x;
857
858 Or even:
859
860         CPU 1                 CPU 2
861         ===============       ===============================
862         r1 = READ_ONCE(y);
863         <general barrier>
864         WRITE_ONCE(y, 1);     if (r2 = READ_ONCE(x)) {
865                                  <implicit control dependency>
866                                  WRITE_ONCE(y, 1);
867                               }
868
869         assert(r1 == 0 || r2 == 0);
870
871 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
872 the "weaker" type.
873
874 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
875 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
876 versa:
877
878         CPU 1                               CPU 2
879         ===================                 ===================
880         WRITE_ONCE(a, 1);    }----   --->{  v = READ_ONCE(c);
881         WRITE_ONCE(b, 2);    }    \ /    {  w = READ_ONCE(d);
882         <write barrier>            \        <read barrier>
883         WRITE_ONCE(c, 3);    }    / \    {  x = READ_ONCE(a);
884         WRITE_ONCE(d, 4);    }----   --->{  y = READ_ONCE(b);
885
886
887 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
888 ------------------------------------
889
890 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
891 Consider the following sequence of events:
892
893         CPU 1
894         =======================
895         STORE A = 1
896         STORE B = 2
897         STORE C = 3
898         <write barrier>
899         STORE D = 4
900         STORE E = 5
901
902 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
903 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
904 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
905 }:
906
907         +-------+       :      :
908         |       |       +------+
909         |       |------>| C=3  |     }     /\
910         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
911         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
912         |       |  :    +------+     }
913         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
914         |       |       +------+     }
915         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
916         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
917         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
918         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
919         |       |------>| D=4  |     }
920         |       |       +------+
921         +-------+       :      :
922                            |
923                            | Sequence in which stores are committed to the
924                            | memory system by CPU 1
925                            V
926
927
928 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
929 loads.  Consider the following sequence of events:
930
931         CPU 1                   CPU 2
932         ======================= =======================
933                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
934         STORE A = 1
935         STORE B = 2
936         <write barrier>
937         STORE C = &B            LOAD X
938         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
939                                 LOAD *C (reads B)
940
941 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
942 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
943
944         +-------+       :      :                :       :
945         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
946         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
947         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
948         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
949         |       |       +------+       |        +-------+
950         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
951         |       |       +------+       |        :       :
952         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
953         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
954         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
955         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
956         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
957                                        |        :       :       |       |
958                                        |        :       :       | CPU 2 |
959                                        |        +-------+       |       |
960             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
961             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
962                                        |        :       :       |       |
963                                        |        +-------+       |       |
964             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
965             up the maintenance           \      +-------+       |       |
966             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
967                                                 +-------+
968                                                 :       :
969
970
971 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
972 (which would be B) coming after the LOAD of C.
973
974 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
975 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
976
977         CPU 1                   CPU 2
978         ======================= =======================
979                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
980         STORE A = 1
981         STORE B = 2
982         <write barrier>
983         STORE C = &B            LOAD X
984         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
985                                 <data dependency barrier>
986                                 LOAD *C (reads B)
987
988 then the following will occur:
989
990         +-------+       :      :                :       :
991         |       |       +------+                +-------+
992         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
993         |       |  :    +------+     \          +-------+
994         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
995         |       |       +------+       |        +-------+
996         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
997         |       |       +------+       |        :       :
998         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
999         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1000         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1001         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1002         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1003                                        |        :       :       |       |
1004                                        |        :       :       | CPU 2 |
1005                                        |        +-------+       |       |
1006                                        |        | X->9  |------>|       |
1007                                        |        +-------+       |       |
1008           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
1009           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
1010           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
1011           subsequent loads                      +-------+       |       |
1012                                                 :       :       +-------+
1013
1014
1015 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
1016 following sequence of events:
1017
1018         CPU 1                   CPU 2
1019         ======================= =======================
1020                 { A = 0, B = 9 }
1021         STORE A=1
1022         <write barrier>
1023         STORE B=2
1024                                 LOAD B
1025                                 LOAD A
1026
1027 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
1028 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1029
1030         +-------+       :      :                :       :
1031         |       |       +------+                +-------+
1032         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1033         |       |       +------+      \         +-------+
1034         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1035         |       |       +------+        |       +-------+
1036         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1037         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1038         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1039                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1040                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1041                                         |       | A->0  |------>|       |
1042                                         |       +-------+       |       |
1043                                         |       :       :       +-------+
1044                                          \      :       :
1045                                           \     +-------+
1046                                            ---->| A->1  |
1047                                                 +-------+
1048                                                 :       :
1049
1050
1051 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
1052 load of A on CPU 2:
1053
1054         CPU 1                   CPU 2
1055         ======================= =======================
1056                 { A = 0, B = 9 }
1057         STORE A=1
1058         <write barrier>
1059         STORE B=2
1060                                 LOAD B
1061                                 <read barrier>
1062                                 LOAD A
1063
1064 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
1065 2:
1066
1067         +-------+       :      :                :       :
1068         |       |       +------+                +-------+
1069         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1070         |       |       +------+      \         +-------+
1071         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1072         |       |       +------+        |       +-------+
1073         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1074         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1075         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1076                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1077                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1078                                         |       :       :       |       |
1079                                         |       :       :       |       |
1080           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1081           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1082           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1083           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1084                                                 :       :       +-------+
1085
1086
1087 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1088 contained a load of A either side of the read barrier:
1089
1090         CPU 1                   CPU 2
1091         ======================= =======================
1092                 { A = 0, B = 9 }
1093         STORE A=1
1094         <write barrier>
1095         STORE B=2
1096                                 LOAD B
1097                                 LOAD A [first load of A]
1098                                 <read barrier>
1099                                 LOAD A [second load of A]
1100
1101 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1102 come up with different values:
1103
1104         +-------+       :      :                :       :
1105         |       |       +------+                +-------+
1106         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1107         |       |       +------+      \         +-------+
1108         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1109         |       |       +------+        |       +-------+
1110         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1111         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1112         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1113                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1114                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1115                                         |       :       :       |       |
1116                                         |       :       :       |       |
1117                                         |       +-------+       |       |
1118                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1119                                         |       +-------+       |       |
1120           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1121           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1122           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1123           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1124                                                 :       :       +-------+
1125
1126
1127 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1128 before the read barrier completes anyway:
1129
1130         +-------+       :      :                :       :
1131         |       |       +------+                +-------+
1132         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1133         |       |       +------+      \         +-------+
1134         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1135         |       |       +------+        |       +-------+
1136         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1137         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1138         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1139                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1140                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1141                                         |       :       :       |       |
1142                                          \      :       :       |       |
1143                                           \     +-------+       |       |
1144                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1145                                                 +-------+       |       |
1146                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1147                                                 +-------+       |       |
1148                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1149                                                 +-------+       |       |
1150                                                 :       :       +-------+
1151
1152
1153 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1154 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1155 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1156
1157
1158 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1159 ----------------------------------------
1160
1161 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1162 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1163 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1164 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1165 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1166 already has the value to hand.
1167
1168 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1169 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1170 cache it for later use.
1171
1172 Consider:
1173
1174         CPU 1                   CPU 2
1175         ======================= =======================
1176                                 LOAD B
1177                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1178                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1179                                 LOAD A
1180
1181 Which might appear as this:
1182
1183                                                 :       :       +-------+
1184                                                 +-------+       |       |
1185                                             --->| B->2  |------>|       |
1186                                                 +-------+       | CPU 2 |
1187                                                 :       :DIVIDE |       |
1188                                                 +-------+       |       |
1189         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1190         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1191         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1192                                                 :       :DIVIDE |       |
1193                                                 :       :   ~   |       |
1194         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1195         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1196         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1197
1198
1199 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1200 load:
1201
1202         CPU 1                   CPU 2
1203         ======================= =======================
1204                                 LOAD B
1205                                 DIVIDE
1206                                 DIVIDE
1207                                 <read barrier>
1208                                 LOAD A
1209
1210 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1211 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1212 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1213
1214                                                 :       :       +-------+
1215                                                 +-------+       |       |
1216                                             --->| B->2  |------>|       |
1217                                                 +-------+       | CPU 2 |
1218                                                 :       :DIVIDE |       |
1219                                                 +-------+       |       |
1220         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1221         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1222         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1223                                                 :       :DIVIDE |       |
1224                                                 :       :   ~   |       |
1225                                                 :       :   ~   |       |
1226                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1227                                                 :       :   ~   |       |
1228                                                 :       :   ~-->|       |
1229                                                 :       :       |       |
1230                                                 :       :       +-------+
1231
1232
1233 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1234 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1235
1236                                                 :       :       +-------+
1237                                                 +-------+       |       |
1238                                             --->| B->2  |------>|       |
1239                                                 +-------+       | CPU 2 |
1240                                                 :       :DIVIDE |       |
1241                                                 +-------+       |       |
1242         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1243         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1244         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1245                                                 :       :DIVIDE |       |
1246                                                 :       :   ~   |       |
1247                                                 :       :   ~   |       |
1248                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1249                                                 +-------+       |       |
1250         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1251         and an updated value is                 +-------+       |       |
1252         retrieved                               :       :       +-------+
1253
1254
1255 TRANSITIVITY
1256 ------------
1257
1258 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1259 always provided by real computer systems.  The following example
1260 demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
1261
1262         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1263         ======================= ======================= =======================
1264                 { X = 0, Y = 0 }
1265         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1266                                 <general barrier>       <general barrier>
1267                                 LOAD Y                  LOAD X
1268
1269 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1270 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1271 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1272 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1273
1274 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1275 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1276 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1277 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1278 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1279 or must return some later value.
1280
1281 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1282 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1283 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1284 also return 1.
1285
1286 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1287 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1288 is changed to a read barrier as shown below:
1289
1290         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1291         ======================= ======================= =======================
1292                 { X = 0, Y = 0 }
1293         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1294                                 <read barrier>          <general barrier>
1295                                 LOAD Y                  LOAD X
1296
1297 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1298 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1299 and CPU 3's load from X to return 0.
1300
1301 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1302 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1303 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1304 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1305 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1306 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1307
1308 To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
1309 throughout.
1310
1311
1312 ========================
1313 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1314 ========================
1315
1316 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1317 levels:
1318
1319   (*) Compiler barrier.
1320
1321   (*) CPU memory barriers.
1322
1323   (*) MMIO write barrier.
1324
1325
1326 COMPILER BARRIER
1327 ----------------
1328
1329 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1330 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1331
1332         barrier();
1333
1334 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write
1335 variants of barrier().  However, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() can be
1336 thought of as weak forms of barrier() that affect only the specific
1337 accesses flagged by the READ_ONCE() or WRITE_ONCE().
1338
1339 The barrier() function has the following effects:
1340
1341  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1342      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1343      One example use for this property is to ease communication between
1344      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1345
1346  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1347      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1348
1349 The READ_ONCE() and WRITE_ONCE() functions can prevent any number of
1350 optimizations that, while perfectly safe in single-threaded code, can
1351 be fatal in concurrent code.  Here are some examples of these sorts
1352 of optimizations:
1353
1354  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1355      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1356      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1357      the following code:
1358
1359         a[0] = x;
1360         a[1] = x;
1361
1362      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1363      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1364
1365         a[0] = READ_ONCE(x);
1366         a[1] = READ_ONCE(x);
1367
1368      In short, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() provide cache coherence for
1369      accesses from multiple CPUs to a single variable.
1370
1371  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1372      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1373      the following code:
1374
1375         while (tmp = a)
1376                 do_something_with(tmp);
1377
1378      into the following code, which, although in some sense legitimate
1379      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1380      intended:
1381
1382         if (tmp = a)
1383                 for (;;)
1384                         do_something_with(tmp);
1385
1386      Use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1387
1388         while (tmp = READ_ONCE(a))
1389                 do_something_with(tmp);
1390
1391  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1392      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1393      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1394      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1395
1396         while (tmp = a)
1397                 do_something_with(tmp);
1398
1399      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1400      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1401
1402         while (a)
1403                 do_something_with(a);
1404
1405      For example, the optimized version of this code could result in
1406      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1407      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1408      the call to do_something_with().
1409
1410      Again, use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1411
1412         while (tmp = READ_ONCE(a))
1413                 do_something_with(tmp);
1414
1415      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1416      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1417      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1418      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1419      where it is not safe.
1420
1421  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1422      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1423      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1424
1425         while (tmp = a)
1426                 do_something_with(tmp);
1427
1428      Into this:
1429
1430         do { } while (0);
1431
1432      This transformation is a win for single-threaded code because it
1433      gets rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler
1434      will carry out its proof assuming that the current CPU is the only
1435      one updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the
1436      compiler's proof will be erroneous.  Use READ_ONCE() to tell the
1437      compiler that it doesn't know as much as it thinks it does:
1438
1439         while (tmp = READ_ONCE(a))
1440                 do_something_with(tmp);
1441
1442      But please note that the compiler is also closely watching what you
1443      do with the value after the READ_ONCE().  For example, suppose you
1444      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1445
1446         while ((tmp = READ_ONCE(a)) % MAX)
1447                 do_something_with(tmp);
1448
1449      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1450      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1451      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1452      variable 'a'.)
1453
1454  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1455      if it knows that the variable already has the value being stored.
1456      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1457      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1458      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1459      the following:
1460
1461         a = 0;
1462         /* Code that does not store to variable a. */
1463         a = 0;
1464
1465      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1466      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1467      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1468      meantime.
1469
1470      Use WRITE_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1471      wrong guess:
1472
1473         WRITE_ONCE(a, 0);
1474         /* Code that does not store to variable a. */
1475         WRITE_ONCE(a, 0);
1476
1477  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1478      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1479      between process-level code and an interrupt handler:
1480
1481         void process_level(void)
1482         {
1483                 msg = get_message();
1484                 flag = true;
1485         }
1486
1487         void interrupt_handler(void)
1488         {
1489                 if (flag)
1490                         process_message(msg);
1491         }
1492
1493      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1494      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1495      win for single-threaded code:
1496
1497         void process_level(void)
1498         {
1499                 flag = true;
1500                 msg = get_message();
1501         }
1502
1503      If the interrupt occurs between these two statement, then
1504      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use WRITE_ONCE()
1505      to prevent this as follows:
1506
1507         void process_level(void)
1508         {
1509                 WRITE_ONCE(msg, get_message());
1510                 WRITE_ONCE(flag, true);
1511         }
1512
1513         void interrupt_handler(void)
1514         {
1515                 if (READ_ONCE(flag))
1516                         process_message(READ_ONCE(msg));
1517         }
1518
1519      Note that the READ_ONCE() and WRITE_ONCE() wrappers in
1520      interrupt_handler() are needed if this interrupt handler can itself
1521      be interrupted by something that also accesses 'flag' and 'msg',
1522      for example, a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, READ_ONCE()
1523      and WRITE_ONCE() are not needed in interrupt_handler() other than
1524      for documentation purposes.  (Note also that nested interrupts
1525      do not typically occur in modern Linux kernels, in fact, if an
1526      interrupt handler returns with interrupts enabled, you will get a
1527      WARN_ONCE() splat.)
1528
1529      You should assume that the compiler can move READ_ONCE() and
1530      WRITE_ONCE() past code not containing READ_ONCE(), WRITE_ONCE(),
1531      barrier(), or similar primitives.
1532
1533      This effect could also be achieved using barrier(), but READ_ONCE()
1534      and WRITE_ONCE() are more selective:  With READ_ONCE() and
1535      WRITE_ONCE(), the compiler need only forget the contents of the
1536      indicated memory locations, while with barrier() the compiler must
1537      discard the value of all memory locations that it has currented
1538      cached in any machine registers.  Of course, the compiler must also
1539      respect the order in which the READ_ONCE()s and WRITE_ONCE()s occur,
1540      though the CPU of course need not do so.
1541
1542  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1543      as in the following example:
1544
1545         if (a)
1546                 b = a;
1547         else
1548                 b = 42;
1549
1550      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1551
1552         b = 42;
1553         if (a)
1554                 b = a;
1555
1556      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1557      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1558      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1559      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1560      Use WRITE_ONCE() to prevent this as follows:
1561
1562         if (a)
1563                 WRITE_ONCE(b, a);
1564         else
1565                 WRITE_ONCE(b, 42);
1566
1567      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1568      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1569      poor performance and scalability.  Use READ_ONCE() to prevent
1570      invented loads.
1571
1572  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1573      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1574      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1575      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1576      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1577      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1578      implement the following 32-bit store:
1579
1580         p = 0x00010002;
1581
1582      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1583      which is not surprising given that it would likely take more
1584      than two instructions to build the constant and then store it.
1585      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1586      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1587      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1588      use of WRITE_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1589
1590         WRITE_ONCE(p, 0x00010002);
1591
1592      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1593      as in this example:
1594
1595         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1596                 short a;
1597                 int b;
1598                 short c;
1599         };
1600         struct foo foo1, foo2;
1601         ...
1602
1603         foo2.a = foo1.a;
1604         foo2.b = foo1.b;
1605         foo2.c = foo1.c;
1606
1607      Because there are no READ_ONCE() or WRITE_ONCE() wrappers and no
1608      volatile markings, the compiler would be well within its rights to
1609      implement these three assignment statements as a pair of 32-bit
1610      loads followed by a pair of 32-bit stores.  This would result in
1611      load tearing on 'foo1.b' and store tearing on 'foo2.b'.  READ_ONCE()
1612      and WRITE_ONCE() again prevent tearing in this example:
1613
1614         foo2.a = foo1.a;
1615         WRITE_ONCE(foo2.b, READ_ONCE(foo1.b));
1616         foo2.c = foo1.c;
1617
1618 All that aside, it is never necessary to use READ_ONCE() and
1619 WRITE_ONCE() on a variable that has been marked volatile.  For example,
1620 because 'jiffies' is marked volatile, it is never necessary to
1621 say READ_ONCE(jiffies).  The reason for this is that READ_ONCE() and
1622 WRITE_ONCE() are implemented as volatile casts, which has no effect when
1623 its argument is already marked volatile.
1624
1625 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1626 which may then reorder things however it wishes.
1627
1628
1629 CPU MEMORY BARRIERS
1630 -------------------
1631
1632 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1633
1634         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1635         =============== ======================= ===========================
1636         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1637         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1638         READ            rmb()                   smp_rmb()
1639         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1640
1641
1642 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1643 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1644
1645 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected
1646 to issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load
1647 the value of b before loading a[b]), however there is no guarantee in
1648 the C specification that the compiler may not speculate the value of b
1649 (eg. is equal to 1) and load a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1)
1650 tmp = a[b]; ). There is also the problem of a compiler reloading b after
1651 having loaded a[b], thus having a newer copy of b than a[b]. A consensus
1652 has not yet been reached about these problems, however the READ_ONCE()
1653 macro is a good place to start looking.
1654
1655 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1656 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1657 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1658 However, see the subsection on "Virtual Machine Guests" below.
1659
1660 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1661 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1662 is sufficient.
1663
1664 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1665 barriers impose unnecessary overhead on both SMP and UP systems. They may,
1666 however, be used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O
1667 windows.  These barriers are required even on non-SMP systems as they affect
1668 the order in which memory operations appear to a device by prohibiting both the
1669 compiler and the CPU from reordering them.
1670
1671
1672 There are some more advanced barrier functions:
1673
1674  (*) smp_store_mb(var, value)
1675
1676      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1677      barrier after it.  It isn't guaranteed to insert anything more than a
1678      compiler barrier in a UP compilation.
1679
1680
1681  (*) smp_mb__before_atomic();
1682  (*) smp_mb__after_atomic();
1683
1684      These are for use with atomic (such as add, subtract, increment and
1685      decrement) functions that don't return a value, especially when used for
1686      reference counting.  These functions do not imply memory barriers.
1687
1688      These are also used for atomic bitop functions that do not return a
1689      value (such as set_bit and clear_bit).
1690
1691      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1692      and then decrements the object's reference count:
1693
1694         obj->dead = 1;
1695         smp_mb__before_atomic();
1696         atomic_dec(&obj->ref_count);
1697
1698      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1699      *before* the reference counter is decremented.
1700
1701      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1702      operations" subsection for information on where to use these.
1703
1704
1705  (*) lockless_dereference();
1706      This can be thought of as a pointer-fetch wrapper around the
1707      smp_read_barrier_depends() data-dependency barrier.
1708
1709      This is also similar to rcu_dereference(), but in cases where
1710      object lifetime is handled by some mechanism other than RCU, for
1711      example, when the objects removed only when the system goes down.
1712      In addition, lockless_dereference() is used in some data structures
1713      that can be used both with and without RCU.
1714
1715
1716  (*) dma_wmb();
1717  (*) dma_rmb();
1718
1719      These are for use with consistent memory to guarantee the ordering
1720      of writes or reads of shared memory accessible to both the CPU and a
1721      DMA capable device.
1722
1723      For example, consider a device driver that shares memory with a device
1724      and uses a descriptor status value to indicate if the descriptor belongs
1725      to the device or the CPU, and a doorbell to notify it when new
1726      descriptors are available:
1727
1728         if (desc->status != DEVICE_OWN) {
1729                 /* do not read data until we own descriptor */
1730                 dma_rmb();
1731
1732                 /* read/modify data */
1733                 read_data = desc->data;
1734                 desc->data = write_data;
1735
1736                 /* flush modifications before status update */
1737                 dma_wmb();
1738
1739                 /* assign ownership */
1740                 desc->status = DEVICE_OWN;
1741
1742                 /* force memory to sync before notifying device via MMIO */
1743                 wmb();
1744
1745                 /* notify device of new descriptors */
1746                 writel(DESC_NOTIFY, doorbell);
1747         }
1748
1749      The dma_rmb() allows us guarantee the device has released ownership
1750      before we read the data from the descriptor, and the dma_wmb() allows
1751      us to guarantee the data is written to the descriptor before the device
1752      can see it now has ownership.  The wmb() is needed to guarantee that the
1753      cache coherent memory writes have completed before attempting a write to
1754      the cache incoherent MMIO region.
1755
1756      See Documentation/DMA-API.txt for more information on consistent memory.
1757
1758 MMIO WRITE BARRIER
1759 ------------------
1760
1761 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1762 writes:
1763
1764         mmiowb();
1765
1766 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1767 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1768 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1769
1770 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1771
1772
1773 ===============================
1774 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1775 ===============================
1776
1777 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1778 which are locking and scheduling functions.
1779
1780 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1781 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1782 of arch specific code.
1783
1784
1785 ACQUIRING FUNCTIONS
1786 -------------------
1787
1788 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1789
1790  (*) spin locks
1791  (*) R/W spin locks
1792  (*) mutexes
1793  (*) semaphores
1794  (*) R/W semaphores
1795
1796 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1797 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1798
1799  (1) ACQUIRE operation implication:
1800
1801      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
1802      ACQUIRE operation has completed.
1803
1804      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
1805      the ACQUIRE operation has completed.  An smp_mb__before_spinlock(),
1806      combined with a following ACQUIRE, orders prior stores against
1807      subsequent loads and stores. Note that this is weaker than smp_mb()!
1808      The smp_mb__before_spinlock() primitive is free on many architectures.
1809
1810  (2) RELEASE operation implication:
1811
1812      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
1813      RELEASE operation has completed.
1814
1815      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
1816      RELEASE operation has completed.
1817
1818  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
1819
1820      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
1821      completed before that ACQUIRE operation.
1822
1823  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
1824
1825      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
1826      completed before the RELEASE operation.
1827
1828  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
1829
1830      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
1831      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1832      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1833      locks do not imply any sort of barrier.
1834
1835 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
1836 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
1837 section may seep into the inside of the critical section.
1838
1839 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
1840 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
1841 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
1842 the two accesses can themselves then cross:
1843
1844         *A = a;
1845         ACQUIRE M
1846         RELEASE M
1847         *B = b;
1848
1849 may occur as:
1850
1851         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1852
1853 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
1854 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
1855 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
1856 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
1857 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
1858
1859 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does
1860 not imply a full memory barrier.  Therefore, the CPU's execution of the
1861 critical sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross,
1862 so that:
1863
1864         *A = a;
1865         RELEASE M
1866         ACQUIRE N
1867         *B = b;
1868
1869 could occur as:
1870
1871         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
1872
1873 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
1874 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
1875 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
1876
1877         Why does this work?
1878
1879         One key point is that we are only talking about the CPU doing
1880         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
1881         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
1882         -could- occur.
1883
1884         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
1885         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
1886         simply elected to try executing the later lock operation first.
1887         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
1888         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
1889         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
1890         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
1891         allowing the lock operation to succeed.
1892
1893         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
1894         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
1895         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
1896         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
1897         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
1898         such races properly in any case.
1899
1900 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1901 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1902 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1903 with interrupt disabling operations.
1904
1905 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1906
1907
1908 As an example, consider the following:
1909
1910         *A = a;
1911         *B = b;
1912         ACQUIRE
1913         *C = c;
1914         *D = d;
1915         RELEASE
1916         *E = e;
1917         *F = f;
1918
1919 The following sequence of events is acceptable:
1920
1921         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
1922
1923         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
1924
1925 But none of the following are:
1926
1927         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
1928         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
1929         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
1930         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
1931
1932
1933
1934 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1935 -----------------------------
1936
1937 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
1938 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1939 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1940 other means.
1941
1942
1943 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
1944 ---------------------------
1945
1946 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
1947 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
1948 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
1949 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
1950 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
1951 barriers.
1952
1953 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
1954
1955         for (;;) {
1956                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1957                 if (event_indicated)
1958                         break;
1959                 schedule();
1960         }
1961
1962 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
1963 after it has altered the task state:
1964
1965         CPU 1
1966         ===============================
1967         set_current_state();
1968           smp_store_mb();
1969             STORE current->state
1970             <general barrier>
1971         LOAD event_indicated
1972
1973 set_current_state() may be wrapped by:
1974
1975         prepare_to_wait();
1976         prepare_to_wait_exclusive();
1977
1978 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
1979 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
1980 interpolate the memory barrier in the right place:
1981
1982         wait_event();
1983         wait_event_interruptible();
1984         wait_event_interruptible_exclusive();
1985         wait_event_interruptible_timeout();
1986         wait_event_killable();
1987         wait_event_timeout();
1988         wait_on_bit();
1989         wait_on_bit_lock();
1990
1991
1992 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
1993
1994         event_indicated = 1;
1995         wake_up(&event_wait_queue);
1996
1997 or:
1998
1999         event_indicated = 1;
2000         wake_up_process(event_daemon);
2001
2002 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
2003 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
2004 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
2005
2006         CPU 1                           CPU 2
2007         =============================== ===============================
2008         set_current_state();            STORE event_indicated
2009           smp_store_mb();               wake_up();
2010             STORE current->state          <write barrier>
2011             <general barrier>             STORE current->state
2012         LOAD event_indicated
2013
2014 To repeat, this write memory barrier is present if and only if something
2015 is actually awakened.  To see this, consider the following sequence of
2016 events, where X and Y are both initially zero:
2017
2018         CPU 1                           CPU 2
2019         =============================== ===============================
2020         X = 1;                          STORE event_indicated
2021         smp_mb();                       wake_up();
2022         Y = 1;                          wait_event(wq, Y == 1);
2023         wake_up();                        load from Y sees 1, no memory barrier
2024                                         load from X might see 0
2025
2026 In contrast, if a wakeup does occur, CPU 2's load from X would be guaranteed
2027 to see 1.
2028
2029 The available waker functions include:
2030
2031         complete();
2032         wake_up();
2033         wake_up_all();
2034         wake_up_bit();
2035         wake_up_interruptible();
2036         wake_up_interruptible_all();
2037         wake_up_interruptible_nr();
2038         wake_up_interruptible_poll();
2039         wake_up_interruptible_sync();
2040         wake_up_interruptible_sync_poll();
2041         wake_up_locked();
2042         wake_up_locked_poll();
2043         wake_up_nr();
2044         wake_up_poll();
2045         wake_up_process();
2046
2047
2048 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
2049 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
2050 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
2051 sleeper does:
2052
2053         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2054         if (event_indicated)
2055                 break;
2056         __set_current_state(TASK_RUNNING);
2057         do_something(my_data);
2058
2059 and the waker does:
2060
2061         my_data = value;
2062         event_indicated = 1;
2063         wake_up(&event_wait_queue);
2064
2065 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
2066 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
2067 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
2068 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
2069
2070         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2071         if (event_indicated) {
2072                 smp_rmb();
2073                 do_something(my_data);
2074         }
2075
2076 and the waker should do:
2077
2078         my_data = value;
2079         smp_wmb();
2080         event_indicated = 1;
2081         wake_up(&event_wait_queue);
2082
2083
2084 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
2085 -----------------------
2086
2087 Other functions that imply barriers:
2088
2089  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
2090
2091
2092 ===================================
2093 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
2094 ===================================
2095
2096 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
2097 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
2098 conflict on any particular lock.
2099
2100
2101 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
2102 ---------------------------
2103
2104 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
2105 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
2106
2107         CPU 1                           CPU 2
2108         =============================== ===============================
2109         WRITE_ONCE(*A, a);              WRITE_ONCE(*E, e);
2110         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2111         WRITE_ONCE(*B, b);              WRITE_ONCE(*F, f);
2112         WRITE_ONCE(*C, c);              WRITE_ONCE(*G, g);
2113         RELEASE M                       RELEASE Q
2114         WRITE_ONCE(*D, d);              WRITE_ONCE(*H, h);
2115
2116 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2117 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2118 on the separate CPUs. It might, for example, see:
2119
2120         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2121
2122 But it won't see any of:
2123
2124         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2125         *A, *B or *C following RELEASE M
2126         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2127         *E, *F or *G following RELEASE Q
2128
2129
2130
2131 ACQUIRES VS I/O ACCESSES
2132 ------------------------
2133
2134 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
2135 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
2136 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
2137 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
2138 read memory barriers.
2139
2140 For example:
2141
2142         CPU 1                           CPU 2
2143         =============================== ===============================
2144         spin_lock(Q)
2145         writel(0, ADDR)
2146         writel(1, DATA);
2147         spin_unlock(Q);
2148                                         spin_lock(Q);
2149                                         writel(4, ADDR);
2150                                         writel(5, DATA);
2151                                         spin_unlock(Q);
2152
2153 may be seen by the PCI bridge as follows:
2154
2155         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
2156
2157 which would probably cause the hardware to malfunction.
2158
2159
2160 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
2161 spinlock, for example:
2162
2163         CPU 1                           CPU 2
2164         =============================== ===============================
2165         spin_lock(Q)
2166         writel(0, ADDR)
2167         writel(1, DATA);
2168         mmiowb();
2169         spin_unlock(Q);
2170                                         spin_lock(Q);
2171                                         writel(4, ADDR);
2172                                         writel(5, DATA);
2173                                         mmiowb();
2174                                         spin_unlock(Q);
2175
2176 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
2177 before either of the stores issued on CPU 2.
2178
2179
2180 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
2181 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
2182 is performed:
2183
2184         CPU 1                           CPU 2
2185         =============================== ===============================
2186         spin_lock(Q)
2187         writel(0, ADDR)
2188         a = readl(DATA);
2189         spin_unlock(Q);
2190                                         spin_lock(Q);
2191                                         writel(4, ADDR);
2192                                         b = readl(DATA);
2193                                         spin_unlock(Q);
2194
2195
2196 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2197
2198
2199 =================================
2200 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2201 =================================
2202
2203 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2204 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2205 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2206 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2207
2208  (*) Interprocessor interaction.
2209
2210  (*) Atomic operations.
2211
2212  (*) Accessing devices.
2213
2214  (*) Interrupts.
2215
2216
2217 INTERPROCESSOR INTERACTION
2218 --------------------------
2219
2220 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2221 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2222 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2223 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2224 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2225 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2226 a malfunction.
2227
2228 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2229 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2230 the semaphore's list of waiting processes:
2231
2232         struct rw_semaphore {
2233                 ...
2234                 spinlock_t lock;
2235                 struct list_head waiters;
2236         };
2237
2238         struct rwsem_waiter {
2239                 struct list_head list;
2240                 struct task_struct *task;
2241         };
2242
2243 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2244
2245  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2246      next waiter record is;
2247
2248  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2249
2250  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2251
2252  (4) call wake_up_process() on the task; and
2253
2254  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2255
2256 In other words, it has to perform this sequence of events:
2257
2258         LOAD waiter->list.next;
2259         LOAD waiter->task;
2260         STORE waiter->task;
2261         CALL wakeup
2262         RELEASE task
2263
2264 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2265 malfunction.
2266
2267 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2268 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2269 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2270 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2271 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2272 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2273
2274 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2275
2276         CPU 1                           CPU 2
2277         =============================== ===============================
2278                                         down_xxx()
2279                                         Queue waiter
2280                                         Sleep
2281         up_yyy()
2282         LOAD waiter->task;
2283         STORE waiter->task;
2284                                         Woken up by other event
2285         <preempt>
2286                                         Resume processing
2287                                         down_xxx() returns
2288                                         call foo()
2289                                         foo() clobbers *waiter
2290         </preempt>
2291         LOAD waiter->list.next;
2292         --- OOPS ---
2293
2294 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2295 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2296
2297 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2298
2299         LOAD waiter->list.next;
2300         LOAD waiter->task;
2301         smp_mb();
2302         STORE waiter->task;
2303         CALL wakeup
2304         RELEASE task
2305
2306 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2307 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2308 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2309 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2310 instruction itself is complete.
2311
2312 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2313 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2314 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2315 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2316
2317
2318 ATOMIC OPERATIONS
2319 -----------------
2320
2321 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2322 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2323 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2324 kernel.
2325
2326 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
2327 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
2328 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
2329 explicit lock operations, described later).  These include:
2330
2331         xchg();
2332         atomic_xchg();                  atomic_long_xchg();
2333         atomic_inc_return();            atomic_long_inc_return();
2334         atomic_dec_return();            atomic_long_dec_return();
2335         atomic_add_return();            atomic_long_add_return();
2336         atomic_sub_return();            atomic_long_sub_return();
2337         atomic_inc_and_test();          atomic_long_inc_and_test();
2338         atomic_dec_and_test();          atomic_long_dec_and_test();
2339         atomic_sub_and_test();          atomic_long_sub_and_test();
2340         atomic_add_negative();          atomic_long_add_negative();
2341         test_and_set_bit();
2342         test_and_clear_bit();
2343         test_and_change_bit();
2344
2345         /* when succeeds */
2346         cmpxchg();
2347         atomic_cmpxchg();               atomic_long_cmpxchg();
2348         atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
2349
2350 These are used for such things as implementing ACQUIRE-class and RELEASE-class
2351 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
2352 such the implicit memory barrier effects are necessary.
2353
2354
2355 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
2356 barriers, but might be used for implementing such things as RELEASE-class
2357 operations:
2358
2359         atomic_set();
2360         set_bit();
2361         clear_bit();
2362         change_bit();
2363
2364 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
2365 (smp_mb__before_atomic() for instance).
2366
2367
2368 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
2369 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic() for
2370 instance):
2371
2372         atomic_add();
2373         atomic_sub();
2374         atomic_inc();
2375         atomic_dec();
2376
2377 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
2378 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
2379
2380 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
2381 they probably don't need memory barriers because either the reference count
2382 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
2383 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
2384
2385 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
2386 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
2387 specific order.
2388
2389 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
2390 barriers are needed or not.
2391
2392 The following operations are special locking primitives:
2393
2394         test_and_set_bit_lock();
2395         clear_bit_unlock();
2396         __clear_bit_unlock();
2397
2398 These implement ACQUIRE-class and RELEASE-class operations. These should be used in
2399 preference to other operations when implementing locking primitives, because
2400 their implementations can be optimised on many architectures.
2401
2402 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
2403 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
2404 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
2405 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
2406
2407 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
2408
2409
2410 ACCESSING DEVICES
2411 -----------------
2412
2413 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2414 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2415 make the right memory accesses in exactly the right order.
2416
2417 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2418 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2419 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2420 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2421 the device to malfunction.
2422
2423 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2424 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2425 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2426 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2427 might be needed:
2428
2429  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2430      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2431      issued prior to unlocking the critical section.
2432
2433  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2434      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2435      required to enforce ordering.
2436
2437 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2438
2439
2440 INTERRUPTS
2441 ----------
2442
2443 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2444 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2445 access the device.
2446
2447 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2448 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2449 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2450 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2451 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2452 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2453
2454 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2455 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2456 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2457
2458         LOCAL IRQ DISABLE
2459         writew(ADDR, 3);
2460         writew(DATA, y);
2461         LOCAL IRQ ENABLE
2462         <interrupt>
2463         writew(ADDR, 4);
2464         q = readw(DATA);
2465         </interrupt>
2466
2467 The store to the data register might happen after the second store to the
2468 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2469
2470         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2471
2472
2473 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2474 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2475 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2476 explicit barriers are used.
2477
2478 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2479 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2480 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
2481 mmiowb() may need to be used explicitly.
2482
2483
2484 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2485 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
2486 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2487
2488
2489 ==========================
2490 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2491 ==========================
2492
2493 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2494 functions:
2495
2496  (*) inX(), outX():
2497
2498      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2499      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
2500      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2501      CPUs don't have such a concept.
2502
2503      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2504      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2505      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2506      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2507      spaces.
2508
2509      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2510      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2511      that.
2512
2513      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2514
2515      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2516      memory and I/O operation.
2517
2518  (*) readX(), writeX():
2519
2520      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2521      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2522      defined for the memory window through which they're accessing. On later
2523      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2524      MTRR registers.
2525
2526      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2527      provided they're not accessing a prefetchable device.
2528
2529      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2530      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2531      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2532      space should suffice for PCI.
2533
2534      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2535          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2536          example.
2537
2538      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2539      force stores to be ordered.
2540
2541      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2542      between PCI transactions.
2543
2544  (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed()
2545
2546      These are similar to readX() and writeX(), but provide weaker memory
2547      ordering guarantees. Specifically, they do not guarantee ordering with
2548      respect to normal memory accesses (e.g. DMA buffers) nor do they guarantee
2549      ordering with respect to LOCK or UNLOCK operations. If the latter is
2550      required, an mmiowb() barrier can be used. Note that relaxed accesses to
2551      the same peripheral are guaranteed to be ordered with respect to each
2552      other.
2553
2554  (*) ioreadX(), iowriteX()
2555
2556      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2557      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2558
2559
2560 ========================================
2561 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2562 ========================================
2563
2564 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2565 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2566 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2567 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2568 of arch-specific code.
2569
2570 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2571 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2572 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2573 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2574 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2575 causality is maintained.
2576
2577  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2578      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2579      instructions may depend on different effects.
2580
2581 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2582 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2583 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2584
2585
2586 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2587 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2588 maintained.
2589
2590
2591 ============================
2592 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2593 ============================
2594
2595 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2596 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2597 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2598
2599 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2600 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2601 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2602 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2603
2604             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2605                                   :
2606         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2607         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2608         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2609         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2610         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2611         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2612         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2613                                   :                 | Cache     |    +--------+
2614                                   :                 | Coherency |
2615                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2616         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2617         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2618         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2619         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2620         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2621         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2622         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2623                                   :
2624                                   :
2625
2626 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2627 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2628 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2629 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2630 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2631
2632 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2633 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2634 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2635 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2636 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2637 to complete.
2638
2639 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2640 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2641 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2642 in the system.
2643
2644 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2645 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2646
2647 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2648 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2649 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2650
2651
2652 CACHE COHERENCY
2653 ---------------
2654
2655 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2656 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2657 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2658 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2659 become apparent in the same order on those other CPUs.
2660
2661
2662 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2663 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2664
2665                     :
2666                     :                          +--------+
2667                     :      +---------+         |        |
2668         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2669         |        |  : |    +---------+         |        |
2670         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2671         |        |  : |    +---------+         |        |
2672         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2673                     :      +---------+         |        |
2674                     :                          | Memory |
2675                     :      +---------+         | System |
2676         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2677         |        |  : |    +---------+         |        |
2678         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2679         |        |  : |    +---------+         |        |
2680         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2681                     :      +---------+         |        |
2682                     :                          +--------+
2683                     :
2684
2685 Imagine the system has the following properties:
2686
2687  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2688      resident in memory;
2689
2690  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2691      resident in memory;
2692
2693  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2694      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2695      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2696
2697  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2698      to maintain coherency with the rest of the system;
2699
2700  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2701      present in the cache, even though the contents of the queue may
2702      potentially affect those loads.
2703
2704 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2705 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2706 the requisite order:
2707
2708         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2709         =============== =============== =======================================
2710                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2711         v = 2;
2712         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2713                                          change to p
2714         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2715         p = &v;
2716         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2717
2718 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2719 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2720 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2721
2722         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2723         =============== =============== =======================================
2724         ...
2725                         q = p;
2726                         x = *q;
2727
2728 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2729 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2730 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2731 CPU's caches by some other cache event:
2732
2733         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2734         =============== =============== =======================================
2735                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2736         v = 2;
2737         smp_wmb();
2738         <A:modify v=2>  <C:busy>
2739                         <C:queue v=2>
2740         p = &v;         q = p;
2741                         <D:request p>
2742         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2743                         <D:read p>
2744                         x = *q;
2745                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2746                         <C:unbusy>
2747                         <C:commit v=2>
2748
2749 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2750 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2751 as that committed on CPU 1.
2752
2753
2754 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2755 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2756 queue before processing any further requests:
2757
2758         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2759         =============== =============== =======================================
2760                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2761         v = 2;
2762         smp_wmb();
2763         <A:modify v=2>  <C:busy>
2764                         <C:queue v=2>
2765         p = &v;         q = p;
2766                         <D:request p>
2767         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2768                         <D:read p>
2769                         smp_read_barrier_depends()
2770                         <C:unbusy>
2771                         <C:commit v=2>
2772                         x = *q;
2773                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2774
2775
2776 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2777 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2778 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2779 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2780
2781 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2782 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2783 need for coordination in the absence of memory barriers.
2784
2785
2786 CACHE COHERENCY VS DMA
2787 ----------------------
2788
2789 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2790 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2791 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2792 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2793 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2794 invalidate them as well).
2795
2796 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2797 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2798 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2799 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2800 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2801 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2802 cache on each CPU.
2803
2804 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2805
2806
2807 CACHE COHERENCY VS MMIO
2808 -----------------------
2809
2810 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2811 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2812 the usual RAM directed window.
2813
2814 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2815 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2816 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2817 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2818 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2819 any way dependent.
2820
2821
2822 =========================
2823 THE THINGS CPUS GET UP TO
2824 =========================
2825
2826 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2827 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2828 given the following piece of code to execute:
2829
2830         a = READ_ONCE(*A);
2831         WRITE_ONCE(*B, b);
2832         c = READ_ONCE(*C);
2833         d = READ_ONCE(*D);
2834         WRITE_ONCE(*E, e);
2835
2836 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2837 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2838 operations as seen by external observers in the system:
2839
2840         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2841
2842
2843 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2844 assumption doesn't hold because:
2845
2846  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2847      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2848      problem;
2849
2850  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2851      to have been unnecessary;
2852
2853  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2854      at the wrong time in the expected sequence of events;
2855
2856  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2857      of the CPU buses and caches;
2858
2859  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2860      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2861      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2862      both be able to do this); and
2863
2864  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2865      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2866      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2867      order to other CPUs.
2868
2869 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2870 is:
2871
2872         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2873
2874         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2875
2876
2877 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2878 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2879 barrier.  For instance with the following code:
2880
2881         U = READ_ONCE(*A);
2882         WRITE_ONCE(*A, V);
2883         WRITE_ONCE(*A, W);
2884         X = READ_ONCE(*A);
2885         WRITE_ONCE(*A, Y);
2886         Z = READ_ONCE(*A);
2887
2888 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2889 the final result will appear to be:
2890
2891         U == the original value of *A
2892         X == W
2893         Z == Y
2894         *A == Y
2895
2896 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2897 accesses:
2898
2899         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2900
2901 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2902 combination of elements combined or discarded, provided the program's view
2903 of the world remains consistent.  Note that READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
2904 are -not- optional in the above example, as there are architectures
2905 where a given CPU might reorder successive loads to the same location.
2906 On such architectures, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() do whatever is
2907 necessary to prevent this, for example, on Itanium the volatile casts
2908 used by READ_ONCE() and WRITE_ONCE() cause GCC to emit the special ld.acq
2909 and st.rel instructions (respectively) that prevent such reordering.
2910
2911 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2912 the CPU even sees them.
2913
2914 For instance:
2915
2916         *A = V;
2917         *A = W;
2918
2919 may be reduced to:
2920
2921         *A = W;
2922
2923 since, without either a write barrier or an WRITE_ONCE(), it can be
2924 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
2925
2926         *A = Y;
2927         Z = *A;
2928
2929 may, without a memory barrier or an READ_ONCE() and WRITE_ONCE(), be
2930 reduced to:
2931
2932         *A = Y;
2933         Z = Y;
2934
2935 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2936
2937
2938 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2939 --------------------------
2940
2941 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2942 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2943 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2944 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
2945 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2946 changes vs new data occur in the right order.
2947
2948 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
2949
2950 See the subsection on "Cache Coherency" above.
2951
2952 VIRTUAL MACHINE GUESTS
2953 -------------------
2954
2955 Guests running within virtual machines might be affected by SMP effects even if
2956 the guest itself is compiled without SMP support.  This is an artifact of
2957 interfacing with an SMP host while running an UP kernel.  Using mandatory
2958 barriers for this use-case would be possible but is often suboptimal.
2959
2960 To handle this case optimally, low-level virt_mb() etc macros are available.
2961 These have the same effect as smp_mb() etc when SMP is enabled, but generate
2962 identical code for SMP and non-SMP systems. For example, virtual machine guests
2963 should use virt_mb() rather than smp_mb() when synchronizing against a
2964 (possibly SMP) host.
2965
2966 These are equivalent to smp_mb() etc counterparts in all other respects,
2967 in particular, they do not control MMIO effects: to control
2968 MMIO effects, use mandatory barriers.
2969
2970 ============
2971 EXAMPLE USES
2972 ============
2973
2974 CIRCULAR BUFFERS
2975 ----------------
2976
2977 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2978 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2979
2980         Documentation/circular-buffers.txt
2981
2982 for details.
2983
2984
2985 ==========
2986 REFERENCES
2987 ==========
2988
2989 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2990 Digital Press)
2991         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
2992         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
2993         Chapter 5.5: Data Sharing
2994         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
2995
2996 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
2997         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
2998         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
2999
3000 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
3001 System Programming Guide
3002         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
3003         Chapter 7.2: Memory Ordering
3004         Chapter 7.4: Serializing Instructions
3005
3006 The SPARC Architecture Manual, Version 9
3007         Chapter 8: Memory Models
3008         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
3009         Appendix J: Programming with the Memory Models
3010
3011 UltraSPARC Programmer Reference Manual
3012         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
3013         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
3014
3015 UltraSPARC III Cu User's Manual
3016         Chapter 9: Memory Models
3017
3018 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
3019         Chapter 8: Memory Models
3020
3021 UltraSPARC Architecture 2005
3022         Chapter 9: Memory
3023         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
3024
3025 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
3026         Chapter 8: Memory Models
3027         Appendix F: Caches and Cache Coherency
3028
3029 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
3030         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
3031                         Synchronization
3032
3033 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
3034 for Kernel Programmers:
3035         Chapter 13: Other Memory Models
3036
3037 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
3038         Section 2.6: Speculation
3039         Section 4.4: Memory Access