GNU Linux-libre 5.19-rc6-gnu
[releases.git] / Documentation / RCU / checklist.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ================================
4 Review Checklist for RCU Patches
5 ================================
6
7
8 This document contains a checklist for producing and reviewing patches
9 that make use of RCU.  Violating any of the rules listed below will
10 result in the same sorts of problems that leaving out a locking primitive
11 would cause.  This list is based on experiences reviewing such patches
12 over a rather long period of time, but improvements are always welcome!
13
14 0.      Is RCU being applied to a read-mostly situation?  If the data
15         structure is updated more than about 10% of the time, then you
16         should strongly consider some other approach, unless detailed
17         performance measurements show that RCU is nonetheless the right
18         tool for the job.  Yes, RCU does reduce read-side overhead by
19         increasing write-side overhead, which is exactly why normal uses
20         of RCU will do much more reading than updating.
21
22         Another exception is where performance is not an issue, and RCU
23         provides a simpler implementation.  An example of this situation
24         is the dynamic NMI code in the Linux 2.6 kernel, at least on
25         architectures where NMIs are rare.
26
27         Yet another exception is where the low real-time latency of RCU's
28         read-side primitives is critically important.
29
30         One final exception is where RCU readers are used to prevent
31         the ABA problem (https://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem)
32         for lockless updates.  This does result in the mildly
33         counter-intuitive situation where rcu_read_lock() and
34         rcu_read_unlock() are used to protect updates, however, this
35         approach provides the same potential simplifications that garbage
36         collectors do.
37
38 1.      Does the update code have proper mutual exclusion?
39
40         RCU does allow *readers* to run (almost) naked, but *writers* must
41         still use some sort of mutual exclusion, such as:
42
43         a.      locking,
44         b.      atomic operations, or
45         c.      restricting updates to a single task.
46
47         If you choose #b, be prepared to describe how you have handled
48         memory barriers on weakly ordered machines (pretty much all of
49         them -- even x86 allows later loads to be reordered to precede
50         earlier stores), and be prepared to explain why this added
51         complexity is worthwhile.  If you choose #c, be prepared to
52         explain how this single task does not become a major bottleneck on
53         big multiprocessor machines (for example, if the task is updating
54         information relating to itself that other tasks can read, there
55         by definition can be no bottleneck).  Note that the definition
56         of "large" has changed significantly:  Eight CPUs was "large"
57         in the year 2000, but a hundred CPUs was unremarkable in 2017.
58
59 2.      Do the RCU read-side critical sections make proper use of
60         rcu_read_lock() and friends?  These primitives are needed
61         to prevent grace periods from ending prematurely, which
62         could result in data being unceremoniously freed out from
63         under your read-side code, which can greatly increase the
64         actuarial risk of your kernel.
65
66         As a rough rule of thumb, any dereference of an RCU-protected
67         pointer must be covered by rcu_read_lock(), rcu_read_lock_bh(),
68         rcu_read_lock_sched(), or by the appropriate update-side lock.
69         Disabling of preemption can serve as rcu_read_lock_sched(), but
70         is less readable and prevents lockdep from detecting locking issues.
71
72         Letting RCU-protected pointers "leak" out of an RCU read-side
73         critical section is every bit as bad as letting them leak out
74         from under a lock.  Unless, of course, you have arranged some
75         other means of protection, such as a lock or a reference count
76         *before* letting them out of the RCU read-side critical section.
77
78 3.      Does the update code tolerate concurrent accesses?
79
80         The whole point of RCU is to permit readers to run without
81         any locks or atomic operations.  This means that readers will
82         be running while updates are in progress.  There are a number
83         of ways to handle this concurrency, depending on the situation:
84
85         a.      Use the RCU variants of the list and hlist update
86                 primitives to add, remove, and replace elements on
87                 an RCU-protected list.  Alternatively, use the other
88                 RCU-protected data structures that have been added to
89                 the Linux kernel.
90
91                 This is almost always the best approach.
92
93         b.      Proceed as in (a) above, but also maintain per-element
94                 locks (that are acquired by both readers and writers)
95                 that guard per-element state.  Of course, fields that
96                 the readers refrain from accessing can be guarded by
97                 some other lock acquired only by updaters, if desired.
98
99                 This works quite well, also.
100
101         c.      Make updates appear atomic to readers.  For example,
102                 pointer updates to properly aligned fields will
103                 appear atomic, as will individual atomic primitives.
104                 Sequences of operations performed under a lock will *not*
105                 appear to be atomic to RCU readers, nor will sequences
106                 of multiple atomic primitives.
107
108                 This can work, but is starting to get a bit tricky.
109
110         d.      Carefully order the updates and the reads so that
111                 readers see valid data at all phases of the update.
112                 This is often more difficult than it sounds, especially
113                 given modern CPUs' tendency to reorder memory references.
114                 One must usually liberally sprinkle memory barriers
115                 (smp_wmb(), smp_rmb(), smp_mb()) through the code,
116                 making it difficult to understand and to test.
117
118                 It is usually better to group the changing data into
119                 a separate structure, so that the change may be made
120                 to appear atomic by updating a pointer to reference
121                 a new structure containing updated values.
122
123 4.      Weakly ordered CPUs pose special challenges.  Almost all CPUs
124         are weakly ordered -- even x86 CPUs allow later loads to be
125         reordered to precede earlier stores.  RCU code must take all of
126         the following measures to prevent memory-corruption problems:
127
128         a.      Readers must maintain proper ordering of their memory
129                 accesses.  The rcu_dereference() primitive ensures that
130                 the CPU picks up the pointer before it picks up the data
131                 that the pointer points to.  This really is necessary
132                 on Alpha CPUs.
133
134                 The rcu_dereference() primitive is also an excellent
135                 documentation aid, letting the person reading the
136                 code know exactly which pointers are protected by RCU.
137                 Please note that compilers can also reorder code, and
138                 they are becoming increasingly aggressive about doing
139                 just that.  The rcu_dereference() primitive therefore also
140                 prevents destructive compiler optimizations.  However,
141                 with a bit of devious creativity, it is possible to
142                 mishandle the return value from rcu_dereference().
143                 Please see rcu_dereference.rst for more information.
144
145                 The rcu_dereference() primitive is used by the
146                 various "_rcu()" list-traversal primitives, such
147                 as the list_for_each_entry_rcu().  Note that it is
148                 perfectly legal (if redundant) for update-side code to
149                 use rcu_dereference() and the "_rcu()" list-traversal
150                 primitives.  This is particularly useful in code that
151                 is common to readers and updaters.  However, lockdep
152                 will complain if you access rcu_dereference() outside
153                 of an RCU read-side critical section.  See lockdep.rst
154                 to learn what to do about this.
155
156                 Of course, neither rcu_dereference() nor the "_rcu()"
157                 list-traversal primitives can substitute for a good
158                 concurrency design coordinating among multiple updaters.
159
160         b.      If the list macros are being used, the list_add_tail_rcu()
161                 and list_add_rcu() primitives must be used in order
162                 to prevent weakly ordered machines from misordering
163                 structure initialization and pointer planting.
164                 Similarly, if the hlist macros are being used, the
165                 hlist_add_head_rcu() primitive is required.
166
167         c.      If the list macros are being used, the list_del_rcu()
168                 primitive must be used to keep list_del()'s pointer
169                 poisoning from inflicting toxic effects on concurrent
170                 readers.  Similarly, if the hlist macros are being used,
171                 the hlist_del_rcu() primitive is required.
172
173                 The list_replace_rcu() and hlist_replace_rcu() primitives
174                 may be used to replace an old structure with a new one
175                 in their respective types of RCU-protected lists.
176
177         d.      Rules similar to (4b) and (4c) apply to the "hlist_nulls"
178                 type of RCU-protected linked lists.
179
180         e.      Updates must ensure that initialization of a given
181                 structure happens before pointers to that structure are
182                 publicized.  Use the rcu_assign_pointer() primitive
183                 when publicizing a pointer to a structure that can
184                 be traversed by an RCU read-side critical section.
185
186 5.      If call_rcu() or call_srcu() is used, the callback function will
187         be called from softirq context.  In particular, it cannot block.
188
189 6.      Since synchronize_rcu() can block, it cannot be called
190         from any sort of irq context.  The same rule applies
191         for synchronize_srcu(), synchronize_rcu_expedited(), and
192         synchronize_srcu_expedited().
193
194         The expedited forms of these primitives have the same semantics
195         as the non-expedited forms, but expediting is both expensive and
196         (with the exception of synchronize_srcu_expedited()) unfriendly
197         to real-time workloads.  Use of the expedited primitives should
198         be restricted to rare configuration-change operations that would
199         not normally be undertaken while a real-time workload is running.
200         However, real-time workloads can use rcupdate.rcu_normal kernel
201         boot parameter to completely disable expedited grace periods,
202         though this might have performance implications.
203
204         In particular, if you find yourself invoking one of the expedited
205         primitives repeatedly in a loop, please do everyone a favor:
206         Restructure your code so that it batches the updates, allowing
207         a single non-expedited primitive to cover the entire batch.
208         This will very likely be faster than the loop containing the
209         expedited primitive, and will be much much easier on the rest
210         of the system, especially to real-time workloads running on
211         the rest of the system.
212
213 7.      As of v4.20, a given kernel implements only one RCU flavor, which
214         is RCU-sched for PREEMPTION=n and RCU-preempt for PREEMPTION=y.
215         If the updater uses call_rcu() or synchronize_rcu(), then
216         the corresponding readers may use:  (1) rcu_read_lock() and
217         rcu_read_unlock(), (2) any pair of primitives that disables
218         and re-enables softirq, for example, rcu_read_lock_bh() and
219         rcu_read_unlock_bh(), or (3) any pair of primitives that disables
220         and re-enables preemption, for example, rcu_read_lock_sched() and
221         rcu_read_unlock_sched().  If the updater uses synchronize_srcu()
222         or call_srcu(), then the corresponding readers must use
223         srcu_read_lock() and srcu_read_unlock(), and with the same
224         srcu_struct.  The rules for the expedited RCU grace-period-wait
225         primitives are the same as for their non-expedited counterparts.
226
227         If the updater uses call_rcu_tasks() or synchronize_rcu_tasks(),
228         then the readers must refrain from executing voluntary
229         context switches, that is, from blocking.  If the updater uses
230         call_rcu_tasks_trace() or synchronize_rcu_tasks_trace(), then
231         the corresponding readers must use rcu_read_lock_trace() and
232         rcu_read_unlock_trace().  If an updater uses call_rcu_tasks_rude()
233         or synchronize_rcu_tasks_rude(), then the corresponding readers
234         must use anything that disables interrupts.
235
236         Mixing things up will result in confusion and broken kernels, and
237         has even resulted in an exploitable security issue.  Therefore,
238         when using non-obvious pairs of primitives, commenting is
239         of course a must.  One example of non-obvious pairing is
240         the XDP feature in networking, which calls BPF programs from
241         network-driver NAPI (softirq) context.  BPF relies heavily on RCU
242         protection for its data structures, but because the BPF program
243         invocation happens entirely within a single local_bh_disable()
244         section in a NAPI poll cycle, this usage is safe.  The reason
245         that this usage is safe is that readers can use anything that
246         disables BH when updaters use call_rcu() or synchronize_rcu().
247
248 8.      Although synchronize_rcu() is slower than is call_rcu(), it
249         usually results in simpler code.  So, unless update performance is
250         critically important, the updaters cannot block, or the latency of
251         synchronize_rcu() is visible from userspace, synchronize_rcu()
252         should be used in preference to call_rcu().  Furthermore,
253         kfree_rcu() usually results in even simpler code than does
254         synchronize_rcu() without synchronize_rcu()'s multi-millisecond
255         latency.  So please take advantage of kfree_rcu()'s "fire and
256         forget" memory-freeing capabilities where it applies.
257
258         An especially important property of the synchronize_rcu()
259         primitive is that it automatically self-limits: if grace periods
260         are delayed for whatever reason, then the synchronize_rcu()
261         primitive will correspondingly delay updates.  In contrast,
262         code using call_rcu() should explicitly limit update rate in
263         cases where grace periods are delayed, as failing to do so can
264         result in excessive realtime latencies or even OOM conditions.
265
266         Ways of gaining this self-limiting property when using call_rcu()
267         include:
268
269         a.      Keeping a count of the number of data-structure elements
270                 used by the RCU-protected data structure, including
271                 those waiting for a grace period to elapse.  Enforce a
272                 limit on this number, stalling updates as needed to allow
273                 previously deferred frees to complete.  Alternatively,
274                 limit only the number awaiting deferred free rather than
275                 the total number of elements.
276
277                 One way to stall the updates is to acquire the update-side
278                 mutex.  (Don't try this with a spinlock -- other CPUs
279                 spinning on the lock could prevent the grace period
280                 from ever ending.)  Another way to stall the updates
281                 is for the updates to use a wrapper function around
282                 the memory allocator, so that this wrapper function
283                 simulates OOM when there is too much memory awaiting an
284                 RCU grace period.  There are of course many other
285                 variations on this theme.
286
287         b.      Limiting update rate.  For example, if updates occur only
288                 once per hour, then no explicit rate limiting is
289                 required, unless your system is already badly broken.
290                 Older versions of the dcache subsystem take this approach,
291                 guarding updates with a global lock, limiting their rate.
292
293         c.      Trusted update -- if updates can only be done manually by
294                 superuser or some other trusted user, then it might not
295                 be necessary to automatically limit them.  The theory
296                 here is that superuser already has lots of ways to crash
297                 the machine.
298
299         d.      Periodically invoke synchronize_rcu(), permitting a limited
300                 number of updates per grace period.
301
302         The same cautions apply to call_srcu() and kfree_rcu().
303
304         Note that although these primitives do take action to avoid memory
305         exhaustion when any given CPU has too many callbacks, a determined
306         user could still exhaust memory.  This is especially the case
307         if a system with a large number of CPUs has been configured to
308         offload all of its RCU callbacks onto a single CPU, or if the
309         system has relatively little free memory.
310
311 9.      All RCU list-traversal primitives, which include
312         rcu_dereference(), list_for_each_entry_rcu(), and
313         list_for_each_safe_rcu(), must be either within an RCU read-side
314         critical section or must be protected by appropriate update-side
315         locks.  RCU read-side critical sections are delimited by
316         rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), or by similar primitives
317         such as rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh(), in which
318         case the matching rcu_dereference() primitive must be used in
319         order to keep lockdep happy, in this case, rcu_dereference_bh().
320
321         The reason that it is permissible to use RCU list-traversal
322         primitives when the update-side lock is held is that doing so
323         can be quite helpful in reducing code bloat when common code is
324         shared between readers and updaters.  Additional primitives
325         are provided for this case, as discussed in lockdep.rst.
326
327         One exception to this rule is when data is only ever added to
328         the linked data structure, and is never removed during any
329         time that readers might be accessing that structure.  In such
330         cases, READ_ONCE() may be used in place of rcu_dereference()
331         and the read-side markers (rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(),
332         for example) may be omitted.
333
334 10.     Conversely, if you are in an RCU read-side critical section,
335         and you don't hold the appropriate update-side lock, you *must*
336         use the "_rcu()" variants of the list macros.  Failing to do so
337         will break Alpha, cause aggressive compilers to generate bad code,
338         and confuse people trying to read your code.
339
340 11.     Any lock acquired by an RCU callback must be acquired elsewhere
341         with softirq disabled, e.g., via spin_lock_irqsave(),
342         spin_lock_bh(), etc.  Failing to disable softirq on a given
343         acquisition of that lock will result in deadlock as soon as
344         the RCU softirq handler happens to run your RCU callback while
345         interrupting that acquisition's critical section.
346
347 12.     RCU callbacks can be and are executed in parallel.  In many cases,
348         the callback code simply wrappers around kfree(), so that this
349         is not an issue (or, more accurately, to the extent that it is
350         an issue, the memory-allocator locking handles it).  However,
351         if the callbacks do manipulate a shared data structure, they
352         must use whatever locking or other synchronization is required
353         to safely access and/or modify that data structure.
354
355         Do not assume that RCU callbacks will be executed on the same
356         CPU that executed the corresponding call_rcu() or call_srcu().
357         For example, if a given CPU goes offline while having an RCU
358         callback pending, then that RCU callback will execute on some
359         surviving CPU.  (If this was not the case, a self-spawning RCU
360         callback would prevent the victim CPU from ever going offline.)
361         Furthermore, CPUs designated by rcu_nocbs= might well *always*
362         have their RCU callbacks executed on some other CPUs, in fact,
363         for some  real-time workloads, this is the whole point of using
364         the rcu_nocbs= kernel boot parameter.
365
366 13.     Unlike other forms of RCU, it *is* permissible to block in an
367         SRCU read-side critical section (demarked by srcu_read_lock()
368         and srcu_read_unlock()), hence the "SRCU": "sleepable RCU".
369         Please note that if you don't need to sleep in read-side critical
370         sections, you should be using RCU rather than SRCU, because RCU
371         is almost always faster and easier to use than is SRCU.
372
373         Also unlike other forms of RCU, explicit initialization and
374         cleanup is required either at build time via DEFINE_SRCU()
375         or DEFINE_STATIC_SRCU() or at runtime via init_srcu_struct()
376         and cleanup_srcu_struct().  These last two are passed a
377         "struct srcu_struct" that defines the scope of a given
378         SRCU domain.  Once initialized, the srcu_struct is passed
379         to srcu_read_lock(), srcu_read_unlock() synchronize_srcu(),
380         synchronize_srcu_expedited(), and call_srcu().  A given
381         synchronize_srcu() waits only for SRCU read-side critical
382         sections governed by srcu_read_lock() and srcu_read_unlock()
383         calls that have been passed the same srcu_struct.  This property
384         is what makes sleeping read-side critical sections tolerable --
385         a given subsystem delays only its own updates, not those of other
386         subsystems using SRCU.  Therefore, SRCU is less prone to OOM the
387         system than RCU would be if RCU's read-side critical sections
388         were permitted to sleep.
389
390         The ability to sleep in read-side critical sections does not
391         come for free.  First, corresponding srcu_read_lock() and
392         srcu_read_unlock() calls must be passed the same srcu_struct.
393         Second, grace-period-detection overhead is amortized only
394         over those updates sharing a given srcu_struct, rather than
395         being globally amortized as they are for other forms of RCU.
396         Therefore, SRCU should be used in preference to rw_semaphore
397         only in extremely read-intensive situations, or in situations
398         requiring SRCU's read-side deadlock immunity or low read-side
399         realtime latency.  You should also consider percpu_rw_semaphore
400         when you need lightweight readers.
401
402         SRCU's expedited primitive (synchronize_srcu_expedited())
403         never sends IPIs to other CPUs, so it is easier on
404         real-time workloads than is synchronize_rcu_expedited().
405
406         Note that rcu_assign_pointer() relates to SRCU just as it does to
407         other forms of RCU, but instead of rcu_dereference() you should
408         use srcu_dereference() in order to avoid lockdep splats.
409
410 14.     The whole point of call_rcu(), synchronize_rcu(), and friends
411         is to wait until all pre-existing readers have finished before
412         carrying out some otherwise-destructive operation.  It is
413         therefore critically important to *first* remove any path
414         that readers can follow that could be affected by the
415         destructive operation, and *only then* invoke call_rcu(),
416         synchronize_rcu(), or friends.
417
418         Because these primitives only wait for pre-existing readers, it
419         is the caller's responsibility to guarantee that any subsequent
420         readers will execute safely.
421
422 15.     The various RCU read-side primitives do *not* necessarily contain
423         memory barriers.  You should therefore plan for the CPU
424         and the compiler to freely reorder code into and out of RCU
425         read-side critical sections.  It is the responsibility of the
426         RCU update-side primitives to deal with this.
427
428         For SRCU readers, you can use smp_mb__after_srcu_read_unlock()
429         immediately after an srcu_read_unlock() to get a full barrier.
430
431 16.     Use CONFIG_PROVE_LOCKING, CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD, and the
432         __rcu sparse checks to validate your RCU code.  These can help
433         find problems as follows:
434
435         CONFIG_PROVE_LOCKING:
436                 check that accesses to RCU-protected data
437                 structures are carried out under the proper RCU
438                 read-side critical section, while holding the right
439                 combination of locks, or whatever other conditions
440                 are appropriate.
441
442         CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD:
443                 check that you don't pass the
444                 same object to call_rcu() (or friends) before an RCU
445                 grace period has elapsed since the last time that you
446                 passed that same object to call_rcu() (or friends).
447
448         __rcu sparse checks:
449                 tag the pointer to the RCU-protected data
450                 structure with __rcu, and sparse will warn you if you
451                 access that pointer without the services of one of the
452                 variants of rcu_dereference().
453
454         These debugging aids can help you find problems that are
455         otherwise extremely difficult to spot.
456
457 17.     If you register a callback using call_rcu() or call_srcu(), and
458         pass in a function defined within a loadable module, then it in
459         necessary to wait for all pending callbacks to be invoked after
460         the last invocation and before unloading that module.  Note that
461         it is absolutely *not* sufficient to wait for a grace period!
462         The current (say) synchronize_rcu() implementation is *not*
463         guaranteed to wait for callbacks registered on other CPUs.
464         Or even on the current CPU if that CPU recently went offline
465         and came back online.
466
467         You instead need to use one of the barrier functions:
468
469         -       call_rcu() -> rcu_barrier()
470         -       call_srcu() -> srcu_barrier()
471
472         However, these barrier functions are absolutely *not* guaranteed
473         to wait for a grace period.  In fact, if there are no call_rcu()
474         callbacks waiting anywhere in the system, rcu_barrier() is within
475         its rights to return immediately.
476
477         So if you need to wait for both an RCU grace period and for
478         all pre-existing call_rcu() callbacks, you will need to execute
479         both rcu_barrier() and synchronize_rcu(), if necessary, using
480         something like workqueues to to execute them concurrently.
481
482         See rcubarrier.rst for more information.