GNU Linux-libre 4.14.303-gnu1
[releases.git] / Documentation / core-api / atomic_ops.rst
1 =======================================================
2 Semantics and Behavior of Atomic and Bitmask Operations
3 =======================================================
4
5 :Author: David S. Miller
6
7 This document is intended to serve as a guide to Linux port
8 maintainers on how to implement atomic counter, bitops, and spinlock
9 interfaces properly.
10
11 Atomic Type And Operations
12 ==========================
13
14 The atomic_t type should be defined as a signed integer and
15 the atomic_long_t type as a signed long integer.  Also, they should
16 be made opaque such that any kind of cast to a normal C integer type
17 will fail.  Something like the following should suffice::
18
19         typedef struct { int counter; } atomic_t;
20         typedef struct { long counter; } atomic_long_t;
21
22 Historically, counter has been declared volatile.  This is now discouraged.
23 See :ref:`Documentation/process/volatile-considered-harmful.rst
24 <volatile_considered_harmful>` for the complete rationale.
25
26 local_t is very similar to atomic_t. If the counter is per CPU and only
27 updated by one CPU, local_t is probably more appropriate. Please see
28 :ref:`Documentation/core-api/local_ops.rst <local_ops>` for the semantics of
29 local_t.
30
31 The first operations to implement for atomic_t's are the initializers and
32 plain reads. ::
33
34         #define ATOMIC_INIT(i)          { (i) }
35         #define atomic_set(v, i)        ((v)->counter = (i))
36
37 The first macro is used in definitions, such as::
38
39         static atomic_t my_counter = ATOMIC_INIT(1);
40
41 The initializer is atomic in that the return values of the atomic operations
42 are guaranteed to be correct reflecting the initialized value if the
43 initializer is used before runtime.  If the initializer is used at runtime, a
44 proper implicit or explicit read memory barrier is needed before reading the
45 value with atomic_read from another thread.
46
47 As with all of the ``atomic_`` interfaces, replace the leading ``atomic_``
48 with ``atomic_long_`` to operate on atomic_long_t.
49
50 The second interface can be used at runtime, as in::
51
52         struct foo { atomic_t counter; };
53         ...
54
55         struct foo *k;
56
57         k = kmalloc(sizeof(*k), GFP_KERNEL);
58         if (!k)
59                 return -ENOMEM;
60         atomic_set(&k->counter, 0);
61
62 The setting is atomic in that the return values of the atomic operations by
63 all threads are guaranteed to be correct reflecting either the value that has
64 been set with this operation or set with another operation.  A proper implicit
65 or explicit memory barrier is needed before the value set with the operation
66 is guaranteed to be readable with atomic_read from another thread.
67
68 Next, we have::
69
70         #define atomic_read(v)  ((v)->counter)
71
72 which simply reads the counter value currently visible to the calling thread.
73 The read is atomic in that the return value is guaranteed to be one of the
74 values initialized or modified with the interface operations if a proper
75 implicit or explicit memory barrier is used after possible runtime
76 initialization by any other thread and the value is modified only with the
77 interface operations.  atomic_read does not guarantee that the runtime
78 initialization by any other thread is visible yet, so the user of the
79 interface must take care of that with a proper implicit or explicit memory
80 barrier.
81
82 .. warning::
83
84         ``atomic_read()`` and ``atomic_set()`` DO NOT IMPLY BARRIERS!
85
86         Some architectures may choose to use the volatile keyword, barriers, or
87         inline assembly to guarantee some degree of immediacy for atomic_read()
88         and atomic_set().  This is not uniformly guaranteed, and may change in
89         the future, so all users of atomic_t should treat atomic_read() and
90         atomic_set() as simple C statements that may be reordered or optimized
91         away entirely by the compiler or processor, and explicitly invoke the
92         appropriate compiler and/or memory barrier for each use case.  Failure
93         to do so will result in code that may suddenly break when used with
94         different architectures or compiler optimizations, or even changes in
95         unrelated code which changes how the compiler optimizes the section
96         accessing atomic_t variables.
97
98 Properly aligned pointers, longs, ints, and chars (and unsigned
99 equivalents) may be atomically loaded from and stored to in the same
100 sense as described for atomic_read() and atomic_set().  The READ_ONCE()
101 and WRITE_ONCE() macros should be used to prevent the compiler from using
102 optimizations that might otherwise optimize accesses out of existence on
103 the one hand, or that might create unsolicited accesses on the other.
104
105 For example consider the following code::
106
107         while (a > 0)
108                 do_something();
109
110 If the compiler can prove that do_something() does not store to the
111 variable a, then the compiler is within its rights transforming this to
112 the following::
113
114         tmp = a;
115         if (a > 0)
116                 for (;;)
117                         do_something();
118
119 If you don't want the compiler to do this (and you probably don't), then
120 you should use something like the following::
121
122         while (READ_ONCE(a) < 0)
123                 do_something();
124
125 Alternatively, you could place a barrier() call in the loop.
126
127 For another example, consider the following code::
128
129         tmp_a = a;
130         do_something_with(tmp_a);
131         do_something_else_with(tmp_a);
132
133 If the compiler can prove that do_something_with() does not store to the
134 variable a, then the compiler is within its rights to manufacture an
135 additional load as follows::
136
137         tmp_a = a;
138         do_something_with(tmp_a);
139         tmp_a = a;
140         do_something_else_with(tmp_a);
141
142 This could fatally confuse your code if it expected the same value
143 to be passed to do_something_with() and do_something_else_with().
144
145 The compiler would be likely to manufacture this additional load if
146 do_something_with() was an inline function that made very heavy use
147 of registers: reloading from variable a could save a flush to the
148 stack and later reload.  To prevent the compiler from attacking your
149 code in this manner, write the following::
150
151         tmp_a = READ_ONCE(a);
152         do_something_with(tmp_a);
153         do_something_else_with(tmp_a);
154
155 For a final example, consider the following code, assuming that the
156 variable a is set at boot time before the second CPU is brought online
157 and never changed later, so that memory barriers are not needed::
158
159         if (a)
160                 b = 9;
161         else
162                 b = 42;
163
164 The compiler is within its rights to manufacture an additional store
165 by transforming the above code into the following::
166
167         b = 42;
168         if (a)
169                 b = 9;
170
171 This could come as a fatal surprise to other code running concurrently
172 that expected b to never have the value 42 if a was zero.  To prevent
173 the compiler from doing this, write something like::
174
175         if (a)
176                 WRITE_ONCE(b, 9);
177         else
178                 WRITE_ONCE(b, 42);
179
180 Don't even -think- about doing this without proper use of memory barriers,
181 locks, or atomic operations if variable a can change at runtime!
182
183 .. warning::
184
185         ``READ_ONCE()`` OR ``WRITE_ONCE()`` DO NOT IMPLY A BARRIER!
186
187 Now, we move onto the atomic operation interfaces typically implemented with
188 the help of assembly code. ::
189
190         void atomic_add(int i, atomic_t *v);
191         void atomic_sub(int i, atomic_t *v);
192         void atomic_inc(atomic_t *v);
193         void atomic_dec(atomic_t *v);
194
195 These four routines add and subtract integral values to/from the given
196 atomic_t value.  The first two routines pass explicit integers by
197 which to make the adjustment, whereas the latter two use an implicit
198 adjustment value of "1".
199
200 One very important aspect of these two routines is that they DO NOT
201 require any explicit memory barriers.  They need only perform the
202 atomic_t counter update in an SMP safe manner.
203
204 Next, we have::
205
206         int atomic_inc_return(atomic_t *v);
207         int atomic_dec_return(atomic_t *v);
208
209 These routines add 1 and subtract 1, respectively, from the given
210 atomic_t and return the new counter value after the operation is
211 performed.
212
213 Unlike the above routines, it is required that these primitives
214 include explicit memory barriers that are performed before and after
215 the operation.  It must be done such that all memory operations before
216 and after the atomic operation calls are strongly ordered with respect
217 to the atomic operation itself.
218
219 For example, it should behave as if a smp_mb() call existed both
220 before and after the atomic operation.
221
222 If the atomic instructions used in an implementation provide explicit
223 memory barrier semantics which satisfy the above requirements, that is
224 fine as well.
225
226 Let's move on::
227
228         int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
229         int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
230
231 These behave just like atomic_{inc,dec}_return() except that an
232 explicit counter adjustment is given instead of the implicit "1".
233 This means that like atomic_{inc,dec}_return(), the memory barrier
234 semantics are required.
235
236 Next::
237
238         int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
239         int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
240
241 These two routines increment and decrement by 1, respectively, the
242 given atomic counter.  They return a boolean indicating whether the
243 resulting counter value was zero or not.
244
245 Again, these primitives provide explicit memory barrier semantics around
246 the atomic operation::
247
248         int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
249
250 This is identical to atomic_dec_and_test() except that an explicit
251 decrement is given instead of the implicit "1".  This primitive must
252 provide explicit memory barrier semantics around the operation::
253
254         int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);
255
256 The given increment is added to the given atomic counter value.  A boolean
257 is return which indicates whether the resulting counter value is negative.
258 This primitive must provide explicit memory barrier semantics around
259 the operation.
260
261 Then::
262
263         int atomic_xchg(atomic_t *v, int new);
264
265 This performs an atomic exchange operation on the atomic variable v, setting
266 the given new value.  It returns the old value that the atomic variable v had
267 just before the operation.
268
269 atomic_xchg must provide explicit memory barriers around the operation. ::
270
271         int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new);
272
273 This performs an atomic compare exchange operation on the atomic value v,
274 with the given old and new values. Like all atomic_xxx operations,
275 atomic_cmpxchg will only satisfy its atomicity semantics as long as all
276 other accesses of \*v are performed through atomic_xxx operations.
277
278 atomic_cmpxchg must provide explicit memory barriers around the operation,
279 although if the comparison fails then no memory ordering guarantees are
280 required.
281
282 The semantics for atomic_cmpxchg are the same as those defined for 'cas'
283 below.
284
285 Finally::
286
287         int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u);
288
289 If the atomic value v is not equal to u, this function adds a to v, and
290 returns non zero. If v is equal to u then it returns zero. This is done as
291 an atomic operation.
292
293 atomic_add_unless must provide explicit memory barriers around the
294 operation unless it fails (returns 0).
295
296 atomic_inc_not_zero, equivalent to atomic_add_unless(v, 1, 0)
297
298
299 If a caller requires memory barrier semantics around an atomic_t
300 operation which does not return a value, a set of interfaces are
301 defined which accomplish this::
302
303         void smp_mb__before_atomic(void);
304         void smp_mb__after_atomic(void);
305
306 Preceding a non-value-returning read-modify-write atomic operation with
307 smp_mb__before_atomic() and following it with smp_mb__after_atomic()
308 provides the same full ordering that is provided by value-returning
309 read-modify-write atomic operations.
310
311 For example, smp_mb__before_atomic() can be used like so::
312
313         obj->dead = 1;
314         smp_mb__before_atomic();
315         atomic_dec(&obj->ref_count);
316
317 It makes sure that all memory operations preceding the atomic_dec()
318 call are strongly ordered with respect to the atomic counter
319 operation.  In the above example, it guarantees that the assignment of
320 "1" to obj->dead will be globally visible to other cpus before the
321 atomic counter decrement.
322
323 Without the explicit smp_mb__before_atomic() call, the
324 implementation could legally allow the atomic counter update visible
325 to other cpus before the "obj->dead = 1;" assignment.
326
327 A missing memory barrier in the cases where they are required by the
328 atomic_t implementation above can have disastrous results.  Here is
329 an example, which follows a pattern occurring frequently in the Linux
330 kernel.  It is the use of atomic counters to implement reference
331 counting, and it works such that once the counter falls to zero it can
332 be guaranteed that no other entity can be accessing the object::
333
334         static void obj_list_add(struct obj *obj, struct list_head *head)
335         {
336                 obj->active = 1;
337                 list_add(&obj->list, head);
338         }
339
340         static void obj_list_del(struct obj *obj)
341         {
342                 list_del(&obj->list);
343                 obj->active = 0;
344         }
345
346         static void obj_destroy(struct obj *obj)
347         {
348                 BUG_ON(obj->active);
349                 kfree(obj);
350         }
351
352         struct obj *obj_list_peek(struct list_head *head)
353         {
354                 if (!list_empty(head)) {
355                         struct obj *obj;
356
357                         obj = list_entry(head->next, struct obj, list);
358                         atomic_inc(&obj->refcnt);
359                         return obj;
360                 }
361                 return NULL;
362         }
363
364         void obj_poke(void)
365         {
366                 struct obj *obj;
367
368                 spin_lock(&global_list_lock);
369                 obj = obj_list_peek(&global_list);
370                 spin_unlock(&global_list_lock);
371
372                 if (obj) {
373                         obj->ops->poke(obj);
374                         if (atomic_dec_and_test(&obj->refcnt))
375                                 obj_destroy(obj);
376                 }
377         }
378
379         void obj_timeout(struct obj *obj)
380         {
381                 spin_lock(&global_list_lock);
382                 obj_list_del(obj);
383                 spin_unlock(&global_list_lock);
384
385                 if (atomic_dec_and_test(&obj->refcnt))
386                         obj_destroy(obj);
387         }
388
389 .. note::
390
391         This is a simplification of the ARP queue management in the generic
392         neighbour discover code of the networking.  Olaf Kirch found a bug wrt.
393         memory barriers in kfree_skb() that exposed the atomic_t memory barrier
394         requirements quite clearly.
395
396 Given the above scheme, it must be the case that the obj->active
397 update done by the obj list deletion be visible to other processors
398 before the atomic counter decrement is performed.
399
400 Otherwise, the counter could fall to zero, yet obj->active would still
401 be set, thus triggering the assertion in obj_destroy().  The error
402 sequence looks like this::
403
404         cpu 0                           cpu 1
405         obj_poke()                      obj_timeout()
406         obj = obj_list_peek();
407         ... gains ref to obj, refcnt=2
408                                         obj_list_del(obj);
409                                         obj->active = 0 ...
410                                         ... visibility delayed ...
411                                         atomic_dec_and_test()
412                                         ... refcnt drops to 1 ...
413         atomic_dec_and_test()
414         ... refcount drops to 0 ...
415         obj_destroy()
416         BUG() triggers since obj->active
417         still seen as one
418                                         obj->active update visibility occurs
419
420 With the memory barrier semantics required of the atomic_t operations
421 which return values, the above sequence of memory visibility can never
422 happen.  Specifically, in the above case the atomic_dec_and_test()
423 counter decrement would not become globally visible until the
424 obj->active update does.
425
426 As a historical note, 32-bit Sparc used to only allow usage of
427 24-bits of its atomic_t type.  This was because it used 8 bits
428 as a spinlock for SMP safety.  Sparc32 lacked a "compare and swap"
429 type instruction.  However, 32-bit Sparc has since been moved over
430 to a "hash table of spinlocks" scheme, that allows the full 32-bit
431 counter to be realized.  Essentially, an array of spinlocks are
432 indexed into based upon the address of the atomic_t being operated
433 on, and that lock protects the atomic operation.  Parisc uses the
434 same scheme.
435
436 Another note is that the atomic_t operations returning values are
437 extremely slow on an old 386.
438
439
440 Atomic Bitmask
441 ==============
442
443 We will now cover the atomic bitmask operations.  You will find that
444 their SMP and memory barrier semantics are similar in shape and scope
445 to the atomic_t ops above.
446
447 Native atomic bit operations are defined to operate on objects aligned
448 to the size of an "unsigned long" C data type, and are least of that
449 size.  The endianness of the bits within each "unsigned long" are the
450 native endianness of the cpu. ::
451
452         void set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
453         void clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
454         void change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
455
456 These routines set, clear, and change, respectively, the bit number
457 indicated by "nr" on the bit mask pointed to by "ADDR".
458
459 They must execute atomically, yet there are no implicit memory barrier
460 semantics required of these interfaces. ::
461
462         int test_and_set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
463         int test_and_clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
464         int test_and_change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
465
466 Like the above, except that these routines return a boolean which
467 indicates whether the changed bit was set _BEFORE_ the atomic bit
468 operation.
469
470 WARNING! It is incredibly important that the value be a boolean,
471 ie. "0" or "1".  Do not try to be fancy and save a few instructions by
472 declaring the above to return "long" and just returning something like
473 "old_val & mask" because that will not work.
474
475 For one thing, this return value gets truncated to int in many code
476 paths using these interfaces, so on 64-bit if the bit is set in the
477 upper 32-bits then testers will never see that.
478
479 One great example of where this problem crops up are the thread_info
480 flag operations.  Routines such as test_and_set_ti_thread_flag() chop
481 the return value into an int.  There are other places where things
482 like this occur as well.
483
484 These routines, like the atomic_t counter operations returning values,
485 must provide explicit memory barrier semantics around their execution.
486 All memory operations before the atomic bit operation call must be
487 made visible globally before the atomic bit operation is made visible.
488 Likewise, the atomic bit operation must be visible globally before any
489 subsequent memory operation is made visible.  For example::
490
491         obj->dead = 1;
492         if (test_and_set_bit(0, &obj->flags))
493                 /* ... */;
494         obj->killed = 1;
495
496 The implementation of test_and_set_bit() must guarantee that
497 "obj->dead = 1;" is visible to cpus before the atomic memory operation
498 done by test_and_set_bit() becomes visible.  Likewise, the atomic
499 memory operation done by test_and_set_bit() must become visible before
500 "obj->killed = 1;" is visible.
501
502 Finally there is the basic operation::
503
504         int test_bit(unsigned long nr, __const__ volatile unsigned long *addr);
505
506 Which returns a boolean indicating if bit "nr" is set in the bitmask
507 pointed to by "addr".
508
509 If explicit memory barriers are required around {set,clear}_bit() (which do
510 not return a value, and thus does not need to provide memory barrier
511 semantics), two interfaces are provided::
512
513         void smp_mb__before_atomic(void);
514         void smp_mb__after_atomic(void);
515
516 They are used as follows, and are akin to their atomic_t operation
517 brothers::
518
519         /* All memory operations before this call will
520          * be globally visible before the clear_bit().
521          */
522         smp_mb__before_atomic();
523         clear_bit( ... );
524
525         /* The clear_bit() will be visible before all
526          * subsequent memory operations.
527          */
528          smp_mb__after_atomic();
529
530 There are two special bitops with lock barrier semantics (acquire/release,
531 same as spinlocks). These operate in the same way as their non-_lock/unlock
532 postfixed variants, except that they are to provide acquire/release semantics,
533 respectively. This means they can be used for bit_spin_trylock and
534 bit_spin_unlock type operations without specifying any more barriers. ::
535
536         int test_and_set_bit_lock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
537         void clear_bit_unlock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
538         void __clear_bit_unlock(unsigned long nr, unsigned long *addr);
539
540 The __clear_bit_unlock version is non-atomic, however it still implements
541 unlock barrier semantics. This can be useful if the lock itself is protecting
542 the other bits in the word.
543
544 Finally, there are non-atomic versions of the bitmask operations
545 provided.  They are used in contexts where some other higher-level SMP
546 locking scheme is being used to protect the bitmask, and thus less
547 expensive non-atomic operations may be used in the implementation.
548 They have names similar to the above bitmask operation interfaces,
549 except that two underscores are prefixed to the interface name. ::
550
551         void __set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
552         void __clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
553         void __change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
554         int __test_and_set_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
555         int __test_and_clear_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
556         int __test_and_change_bit(unsigned long nr, volatile unsigned long *addr);
557
558 These non-atomic variants also do not require any special memory
559 barrier semantics.
560
561 The routines xchg() and cmpxchg() must provide the same exact
562 memory-barrier semantics as the atomic and bit operations returning
563 values.
564
565 .. note::
566
567         If someone wants to use xchg(), cmpxchg() and their variants,
568         linux/atomic.h should be included rather than asm/cmpxchg.h, unless the
569         code is in arch/* and can take care of itself.
570
571 Spinlocks and rwlocks have memory barrier expectations as well.
572 The rule to follow is simple:
573
574 1) When acquiring a lock, the implementation must make it globally
575    visible before any subsequent memory operation.
576
577 2) When releasing a lock, the implementation must make it such that
578    all previous memory operations are globally visible before the
579    lock release.
580
581 Which finally brings us to _atomic_dec_and_lock().  There is an
582 architecture-neutral version implemented in lib/dec_and_lock.c,
583 but most platforms will wish to optimize this in assembler. ::
584
585         int _atomic_dec_and_lock(atomic_t *atomic, spinlock_t *lock);
586
587 Atomically decrement the given counter, and if will drop to zero
588 atomically acquire the given spinlock and perform the decrement
589 of the counter to zero.  If it does not drop to zero, do nothing
590 with the spinlock.
591
592 It is actually pretty simple to get the memory barrier correct.
593 Simply satisfy the spinlock grab requirements, which is make
594 sure the spinlock operation is globally visible before any
595 subsequent memory operation.
596
597 We can demonstrate this operation more clearly if we define
598 an abstract atomic operation::
599
600         long cas(long *mem, long old, long new);
601
602 "cas" stands for "compare and swap".  It atomically:
603
604 1) Compares "old" with the value currently at "mem".
605 2) If they are equal, "new" is written to "mem".
606 3) Regardless, the current value at "mem" is returned.
607
608 As an example usage, here is what an atomic counter update
609 might look like::
610
611         void example_atomic_inc(long *counter)
612         {
613                 long old, new, ret;
614
615                 while (1) {
616                         old = *counter;
617                         new = old + 1;
618
619                         ret = cas(counter, old, new);
620                         if (ret == old)
621                                 break;
622                 }
623         }
624
625 Let's use cas() in order to build a pseudo-C atomic_dec_and_lock()::
626
627         int _atomic_dec_and_lock(atomic_t *atomic, spinlock_t *lock)
628         {
629                 long old, new, ret;
630                 int went_to_zero;
631
632                 went_to_zero = 0;
633                 while (1) {
634                         old = atomic_read(atomic);
635                         new = old - 1;
636                         if (new == 0) {
637                                 went_to_zero = 1;
638                                 spin_lock(lock);
639                         }
640                         ret = cas(atomic, old, new);
641                         if (ret == old)
642                                 break;
643                         if (went_to_zero) {
644                                 spin_unlock(lock);
645                                 went_to_zero = 0;
646                         }
647                 }
648
649                 return went_to_zero;
650         }
651
652 Now, as far as memory barriers go, as long as spin_lock()
653 strictly orders all subsequent memory operations (including
654 the cas()) with respect to itself, things will be fine.
655
656 Said another way, _atomic_dec_and_lock() must guarantee that
657 a counter dropping to zero is never made visible before the
658 spinlock being acquired.
659
660 .. note::
661
662         Note that this also means that for the case where the counter is not
663         dropping to zero, there are no memory ordering requirements.