GNU Linux-libre 4.19.245-gnu1
[releases.git] / kernel / locking / qspinlock_paravirt.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _GEN_PV_LOCK_SLOWPATH
3 #error "do not include this file"
4 #endif
5
6 #include <linux/hash.h>
7 #include <linux/bootmem.h>
8 #include <linux/debug_locks.h>
9
10 /*
11  * Implement paravirt qspinlocks; the general idea is to halt the vcpus instead
12  * of spinning them.
13  *
14  * This relies on the architecture to provide two paravirt hypercalls:
15  *
16  *   pv_wait(u8 *ptr, u8 val) -- suspends the vcpu if *ptr == val
17  *   pv_kick(cpu)             -- wakes a suspended vcpu
18  *
19  * Using these we implement __pv_queued_spin_lock_slowpath() and
20  * __pv_queued_spin_unlock() to replace native_queued_spin_lock_slowpath() and
21  * native_queued_spin_unlock().
22  */
23
24 #define _Q_SLOW_VAL     (3U << _Q_LOCKED_OFFSET)
25
26 /*
27  * Queue Node Adaptive Spinning
28  *
29  * A queue node vCPU will stop spinning if the vCPU in the previous node is
30  * not running. The one lock stealing attempt allowed at slowpath entry
31  * mitigates the slight slowdown for non-overcommitted guest with this
32  * aggressive wait-early mechanism.
33  *
34  * The status of the previous node will be checked at fixed interval
35  * controlled by PV_PREV_CHECK_MASK. This is to ensure that we won't
36  * pound on the cacheline of the previous node too heavily.
37  */
38 #define PV_PREV_CHECK_MASK      0xff
39
40 /*
41  * Queue node uses: vcpu_running & vcpu_halted.
42  * Queue head uses: vcpu_running & vcpu_hashed.
43  */
44 enum vcpu_state {
45         vcpu_running = 0,
46         vcpu_halted,            /* Used only in pv_wait_node */
47         vcpu_hashed,            /* = pv_hash'ed + vcpu_halted */
48 };
49
50 struct pv_node {
51         struct mcs_spinlock     mcs;
52         struct mcs_spinlock     __res[3];
53
54         int                     cpu;
55         u8                      state;
56 };
57
58 /*
59  * Hybrid PV queued/unfair lock
60  *
61  * By replacing the regular queued_spin_trylock() with the function below,
62  * it will be called once when a lock waiter enter the PV slowpath before
63  * being queued.
64  *
65  * The pending bit is set by the queue head vCPU of the MCS wait queue in
66  * pv_wait_head_or_lock() to signal that it is ready to spin on the lock.
67  * When that bit becomes visible to the incoming waiters, no lock stealing
68  * is allowed. The function will return immediately to make the waiters
69  * enter the MCS wait queue. So lock starvation shouldn't happen as long
70  * as the queued mode vCPUs are actively running to set the pending bit
71  * and hence disabling lock stealing.
72  *
73  * When the pending bit isn't set, the lock waiters will stay in the unfair
74  * mode spinning on the lock unless the MCS wait queue is empty. In this
75  * case, the lock waiters will enter the queued mode slowpath trying to
76  * become the queue head and set the pending bit.
77  *
78  * This hybrid PV queued/unfair lock combines the best attributes of a
79  * queued lock (no lock starvation) and an unfair lock (good performance
80  * on not heavily contended locks).
81  */
82 #define queued_spin_trylock(l)  pv_hybrid_queued_unfair_trylock(l)
83 static inline bool pv_hybrid_queued_unfair_trylock(struct qspinlock *lock)
84 {
85         /*
86          * Stay in unfair lock mode as long as queued mode waiters are
87          * present in the MCS wait queue but the pending bit isn't set.
88          */
89         for (;;) {
90                 int val = atomic_read(&lock->val);
91
92                 if (!(val & _Q_LOCKED_PENDING_MASK) &&
93                    (cmpxchg_acquire(&lock->locked, 0, _Q_LOCKED_VAL) == 0)) {
94                         qstat_inc(qstat_pv_lock_stealing, true);
95                         return true;
96                 }
97                 if (!(val & _Q_TAIL_MASK) || (val & _Q_PENDING_MASK))
98                         break;
99
100                 cpu_relax();
101         }
102
103         return false;
104 }
105
106 /*
107  * The pending bit is used by the queue head vCPU to indicate that it
108  * is actively spinning on the lock and no lock stealing is allowed.
109  */
110 #if _Q_PENDING_BITS == 8
111 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
112 {
113         WRITE_ONCE(lock->pending, 1);
114 }
115
116 /*
117  * The pending bit check in pv_queued_spin_steal_lock() isn't a memory
118  * barrier. Therefore, an atomic cmpxchg_acquire() is used to acquire the
119  * lock just to be sure that it will get it.
120  */
121 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
122 {
123         return !READ_ONCE(lock->locked) &&
124                (cmpxchg_acquire(&lock->locked_pending, _Q_PENDING_VAL,
125                                 _Q_LOCKED_VAL) == _Q_PENDING_VAL);
126 }
127 #else /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
128 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
129 {
130         atomic_or(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
131 }
132
133 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
134 {
135         int val = atomic_read(&lock->val);
136
137         for (;;) {
138                 int old, new;
139
140                 if (val  & _Q_LOCKED_MASK)
141                         break;
142
143                 /*
144                  * Try to clear pending bit & set locked bit
145                  */
146                 old = val;
147                 new = (val & ~_Q_PENDING_MASK) | _Q_LOCKED_VAL;
148                 val = atomic_cmpxchg_acquire(&lock->val, old, new);
149
150                 if (val == old)
151                         return 1;
152         }
153         return 0;
154 }
155 #endif /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
156
157 /*
158  * Lock and MCS node addresses hash table for fast lookup
159  *
160  * Hashing is done on a per-cacheline basis to minimize the need to access
161  * more than one cacheline.
162  *
163  * Dynamically allocate a hash table big enough to hold at least 4X the
164  * number of possible cpus in the system. Allocation is done on page
165  * granularity. So the minimum number of hash buckets should be at least
166  * 256 (64-bit) or 512 (32-bit) to fully utilize a 4k page.
167  *
168  * Since we should not be holding locks from NMI context (very rare indeed) the
169  * max load factor is 0.75, which is around the point where open addressing
170  * breaks down.
171  *
172  */
173 struct pv_hash_entry {
174         struct qspinlock *lock;
175         struct pv_node   *node;
176 };
177
178 #define PV_HE_PER_LINE  (SMP_CACHE_BYTES / sizeof(struct pv_hash_entry))
179 #define PV_HE_MIN       (PAGE_SIZE / sizeof(struct pv_hash_entry))
180
181 static struct pv_hash_entry *pv_lock_hash;
182 static unsigned int pv_lock_hash_bits __read_mostly;
183
184 /*
185  * Allocate memory for the PV qspinlock hash buckets
186  *
187  * This function should be called from the paravirt spinlock initialization
188  * routine.
189  */
190 void __init __pv_init_lock_hash(void)
191 {
192         int pv_hash_size = ALIGN(4 * num_possible_cpus(), PV_HE_PER_LINE);
193
194         if (pv_hash_size < PV_HE_MIN)
195                 pv_hash_size = PV_HE_MIN;
196
197         /*
198          * Allocate space from bootmem which should be page-size aligned
199          * and hence cacheline aligned.
200          */
201         pv_lock_hash = alloc_large_system_hash("PV qspinlock",
202                                                sizeof(struct pv_hash_entry),
203                                                pv_hash_size, 0,
204                                                HASH_EARLY | HASH_ZERO,
205                                                &pv_lock_hash_bits, NULL,
206                                                pv_hash_size, pv_hash_size);
207 }
208
209 #define for_each_hash_entry(he, offset, hash)                                           \
210         for (hash &= ~(PV_HE_PER_LINE - 1), he = &pv_lock_hash[hash], offset = 0;       \
211              offset < (1 << pv_lock_hash_bits);                                         \
212              offset++, he = &pv_lock_hash[(hash + offset) & ((1 << pv_lock_hash_bits) - 1)])
213
214 static struct qspinlock **pv_hash(struct qspinlock *lock, struct pv_node *node)
215 {
216         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
217         struct pv_hash_entry *he;
218         int hopcnt = 0;
219
220         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
221                 hopcnt++;
222                 if (!cmpxchg(&he->lock, NULL, lock)) {
223                         WRITE_ONCE(he->node, node);
224                         qstat_hop(hopcnt);
225                         return &he->lock;
226                 }
227         }
228         /*
229          * Hard assume there is a free entry for us.
230          *
231          * This is guaranteed by ensuring every blocked lock only ever consumes
232          * a single entry, and since we only have 4 nesting levels per CPU
233          * and allocated 4*nr_possible_cpus(), this must be so.
234          *
235          * The single entry is guaranteed by having the lock owner unhash
236          * before it releases.
237          */
238         BUG();
239 }
240
241 static struct pv_node *pv_unhash(struct qspinlock *lock)
242 {
243         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
244         struct pv_hash_entry *he;
245         struct pv_node *node;
246
247         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
248                 if (READ_ONCE(he->lock) == lock) {
249                         node = READ_ONCE(he->node);
250                         WRITE_ONCE(he->lock, NULL);
251                         return node;
252                 }
253         }
254         /*
255          * Hard assume we'll find an entry.
256          *
257          * This guarantees a limited lookup time and is itself guaranteed by
258          * having the lock owner do the unhash -- IFF the unlock sees the
259          * SLOW flag, there MUST be a hash entry.
260          */
261         BUG();
262 }
263
264 /*
265  * Return true if when it is time to check the previous node which is not
266  * in a running state.
267  */
268 static inline bool
269 pv_wait_early(struct pv_node *prev, int loop)
270 {
271         if ((loop & PV_PREV_CHECK_MASK) != 0)
272                 return false;
273
274         return READ_ONCE(prev->state) != vcpu_running;
275 }
276
277 /*
278  * Initialize the PV part of the mcs_spinlock node.
279  */
280 static void pv_init_node(struct mcs_spinlock *node)
281 {
282         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
283
284         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct pv_node) > 5*sizeof(struct mcs_spinlock));
285
286         pn->cpu = smp_processor_id();
287         pn->state = vcpu_running;
288 }
289
290 /*
291  * Wait for node->locked to become true, halt the vcpu after a short spin.
292  * pv_kick_node() is used to set _Q_SLOW_VAL and fill in hash table on its
293  * behalf.
294  */
295 static void pv_wait_node(struct mcs_spinlock *node, struct mcs_spinlock *prev)
296 {
297         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
298         struct pv_node *pp = (struct pv_node *)prev;
299         int loop;
300         bool wait_early;
301
302         for (;;) {
303                 for (wait_early = false, loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
304                         if (READ_ONCE(node->locked))
305                                 return;
306                         if (pv_wait_early(pp, loop)) {
307                                 wait_early = true;
308                                 break;
309                         }
310                         cpu_relax();
311                 }
312
313                 /*
314                  * Order pn->state vs pn->locked thusly:
315                  *
316                  * [S] pn->state = vcpu_halted    [S] next->locked = 1
317                  *     MB                             MB
318                  * [L] pn->locked               [RmW] pn->state = vcpu_hashed
319                  *
320                  * Matches the cmpxchg() from pv_kick_node().
321                  */
322                 smp_store_mb(pn->state, vcpu_halted);
323
324                 if (!READ_ONCE(node->locked)) {
325                         qstat_inc(qstat_pv_wait_node, true);
326                         qstat_inc(qstat_pv_wait_early, wait_early);
327                         pv_wait(&pn->state, vcpu_halted);
328                 }
329
330                 /*
331                  * If pv_kick_node() changed us to vcpu_hashed, retain that
332                  * value so that pv_wait_head_or_lock() knows to not also try
333                  * to hash this lock.
334                  */
335                 cmpxchg(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_running);
336
337                 /*
338                  * If the locked flag is still not set after wakeup, it is a
339                  * spurious wakeup and the vCPU should wait again. However,
340                  * there is a pretty high overhead for CPU halting and kicking.
341                  * So it is better to spin for a while in the hope that the
342                  * MCS lock will be released soon.
343                  */
344                 qstat_inc(qstat_pv_spurious_wakeup, !READ_ONCE(node->locked));
345         }
346
347         /*
348          * By now our node->locked should be 1 and our caller will not actually
349          * spin-wait for it. We do however rely on our caller to do a
350          * load-acquire for us.
351          */
352 }
353
354 /*
355  * Called after setting next->locked = 1 when we're the lock owner.
356  *
357  * Instead of waking the waiters stuck in pv_wait_node() advance their state
358  * such that they're waiting in pv_wait_head_or_lock(), this avoids a
359  * wake/sleep cycle.
360  */
361 static void pv_kick_node(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
362 {
363         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
364
365         /*
366          * If the vCPU is indeed halted, advance its state to match that of
367          * pv_wait_node(). If OTOH this fails, the vCPU was running and will
368          * observe its next->locked value and advance itself.
369          *
370          * Matches with smp_store_mb() and cmpxchg() in pv_wait_node()
371          *
372          * The write to next->locked in arch_mcs_spin_unlock_contended()
373          * must be ordered before the read of pn->state in the cmpxchg()
374          * below for the code to work correctly. To guarantee full ordering
375          * irrespective of the success or failure of the cmpxchg(),
376          * a relaxed version with explicit barrier is used. The control
377          * dependency will order the reading of pn->state before any
378          * subsequent writes.
379          */
380         smp_mb__before_atomic();
381         if (cmpxchg_relaxed(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_hashed)
382             != vcpu_halted)
383                 return;
384
385         /*
386          * Put the lock into the hash table and set the _Q_SLOW_VAL.
387          *
388          * As this is the same vCPU that will check the _Q_SLOW_VAL value and
389          * the hash table later on at unlock time, no atomic instruction is
390          * needed.
391          */
392         WRITE_ONCE(lock->locked, _Q_SLOW_VAL);
393         (void)pv_hash(lock, pn);
394 }
395
396 /*
397  * Wait for l->locked to become clear and acquire the lock;
398  * halt the vcpu after a short spin.
399  * __pv_queued_spin_unlock() will wake us.
400  *
401  * The current value of the lock will be returned for additional processing.
402  */
403 static u32
404 pv_wait_head_or_lock(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
405 {
406         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
407         struct qspinlock **lp = NULL;
408         int waitcnt = 0;
409         int loop;
410
411         /*
412          * If pv_kick_node() already advanced our state, we don't need to
413          * insert ourselves into the hash table anymore.
414          */
415         if (READ_ONCE(pn->state) == vcpu_hashed)
416                 lp = (struct qspinlock **)1;
417
418         /*
419          * Tracking # of slowpath locking operations
420          */
421         qstat_inc(qstat_lock_slowpath, true);
422
423         for (;; waitcnt++) {
424                 /*
425                  * Set correct vCPU state to be used by queue node wait-early
426                  * mechanism.
427                  */
428                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_running);
429
430                 /*
431                  * Set the pending bit in the active lock spinning loop to
432                  * disable lock stealing before attempting to acquire the lock.
433                  */
434                 set_pending(lock);
435                 for (loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
436                         if (trylock_clear_pending(lock))
437                                 goto gotlock;
438                         cpu_relax();
439                 }
440                 clear_pending(lock);
441
442
443                 if (!lp) { /* ONCE */
444                         lp = pv_hash(lock, pn);
445
446                         /*
447                          * We must hash before setting _Q_SLOW_VAL, such that
448                          * when we observe _Q_SLOW_VAL in __pv_queued_spin_unlock()
449                          * we'll be sure to be able to observe our hash entry.
450                          *
451                          *   [S] <hash>                 [Rmw] l->locked == _Q_SLOW_VAL
452                          *       MB                           RMB
453                          * [RmW] l->locked = _Q_SLOW_VAL  [L] <unhash>
454                          *
455                          * Matches the smp_rmb() in __pv_queued_spin_unlock().
456                          */
457                         if (xchg(&lock->locked, _Q_SLOW_VAL) == 0) {
458                                 /*
459                                  * The lock was free and now we own the lock.
460                                  * Change the lock value back to _Q_LOCKED_VAL
461                                  * and unhash the table.
462                                  */
463                                 WRITE_ONCE(lock->locked, _Q_LOCKED_VAL);
464                                 WRITE_ONCE(*lp, NULL);
465                                 goto gotlock;
466                         }
467                 }
468                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_hashed);
469                 qstat_inc(qstat_pv_wait_head, true);
470                 qstat_inc(qstat_pv_wait_again, waitcnt);
471                 pv_wait(&lock->locked, _Q_SLOW_VAL);
472
473                 /*
474                  * Because of lock stealing, the queue head vCPU may not be
475                  * able to acquire the lock before it has to wait again.
476                  */
477         }
478
479         /*
480          * The cmpxchg() or xchg() call before coming here provides the
481          * acquire semantics for locking. The dummy ORing of _Q_LOCKED_VAL
482          * here is to indicate to the compiler that the value will always
483          * be nozero to enable better code optimization.
484          */
485 gotlock:
486         return (u32)(atomic_read(&lock->val) | _Q_LOCKED_VAL);
487 }
488
489 /*
490  * PV versions of the unlock fastpath and slowpath functions to be used
491  * instead of queued_spin_unlock().
492  */
493 __visible void
494 __pv_queued_spin_unlock_slowpath(struct qspinlock *lock, u8 locked)
495 {
496         struct pv_node *node;
497
498         if (unlikely(locked != _Q_SLOW_VAL)) {
499                 WARN(!debug_locks_silent,
500                      "pvqspinlock: lock 0x%lx has corrupted value 0x%x!\n",
501                      (unsigned long)lock, atomic_read(&lock->val));
502                 return;
503         }
504
505         /*
506          * A failed cmpxchg doesn't provide any memory-ordering guarantees,
507          * so we need a barrier to order the read of the node data in
508          * pv_unhash *after* we've read the lock being _Q_SLOW_VAL.
509          *
510          * Matches the cmpxchg() in pv_wait_head_or_lock() setting _Q_SLOW_VAL.
511          */
512         smp_rmb();
513
514         /*
515          * Since the above failed to release, this must be the SLOW path.
516          * Therefore start by looking up the blocked node and unhashing it.
517          */
518         node = pv_unhash(lock);
519
520         /*
521          * Now that we have a reference to the (likely) blocked pv_node,
522          * release the lock.
523          */
524         smp_store_release(&lock->locked, 0);
525
526         /*
527          * At this point the memory pointed at by lock can be freed/reused,
528          * however we can still use the pv_node to kick the CPU.
529          * The other vCPU may not really be halted, but kicking an active
530          * vCPU is harmless other than the additional latency in completing
531          * the unlock.
532          */
533         qstat_inc(qstat_pv_kick_unlock, true);
534         pv_kick(node->cpu);
535 }
536
537 /*
538  * Include the architecture specific callee-save thunk of the
539  * __pv_queued_spin_unlock(). This thunk is put together with
540  * __pv_queued_spin_unlock() to make the callee-save thunk and the real unlock
541  * function close to each other sharing consecutive instruction cachelines.
542  * Alternatively, architecture specific version of __pv_queued_spin_unlock()
543  * can be defined.
544  */
545 #include <asm/qspinlock_paravirt.h>
546
547 #ifndef __pv_queued_spin_unlock
548 __visible void __pv_queued_spin_unlock(struct qspinlock *lock)
549 {
550         u8 locked;
551
552         /*
553          * We must not unlock if SLOW, because in that case we must first
554          * unhash. Otherwise it would be possible to have multiple @lock
555          * entries, which would be BAD.
556          */
557         locked = cmpxchg_release(&lock->locked, _Q_LOCKED_VAL, 0);
558         if (likely(locked == _Q_LOCKED_VAL))
559                 return;
560
561         __pv_queued_spin_unlock_slowpath(lock, locked);
562 }
563 #endif /* __pv_queued_spin_unlock */