GNU Linux-libre 5.10.219-gnu1
[releases.git] / tools / memory-model / Documentation / explanation.txt
1 Explanation of the Linux-Kernel Memory Consistency Model
2 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
3
4 :Author: Alan Stern <stern@rowland.harvard.edu>
5 :Created: October 2017
6
7 .. Contents
8
9   1. INTRODUCTION
10   2. BACKGROUND
11   3. A SIMPLE EXAMPLE
12   4. A SELECTION OF MEMORY MODELS
13   5. ORDERING AND CYCLES
14   6. EVENTS
15   7. THE PROGRAM ORDER RELATION: po AND po-loc
16   8. A WARNING
17   9. DEPENDENCY RELATIONS: data, addr, and ctrl
18   10. THE READS-FROM RELATION: rf, rfi, and rfe
19   11. CACHE COHERENCE AND THE COHERENCE ORDER RELATION: co, coi, and coe
20   12. THE FROM-READS RELATION: fr, fri, and fre
21   13. AN OPERATIONAL MODEL
22   14. PROPAGATION ORDER RELATION: cumul-fence
23   15. DERIVATION OF THE LKMM FROM THE OPERATIONAL MODEL
24   16. SEQUENTIAL CONSISTENCY PER VARIABLE
25   17. ATOMIC UPDATES: rmw
26   18. THE PRESERVED PROGRAM ORDER RELATION: ppo
27   19. AND THEN THERE WAS ALPHA
28   20. THE HAPPENS-BEFORE RELATION: hb
29   21. THE PROPAGATES-BEFORE RELATION: pb
30   22. RCU RELATIONS: rcu-link, rcu-gp, rcu-rscsi, rcu-order, rcu-fence, and rb
31   23. LOCKING
32   24. PLAIN ACCESSES AND DATA RACES
33   25. ODDS AND ENDS
34
35
36
37 INTRODUCTION
38 ------------
39
40 The Linux-kernel memory consistency model (LKMM) is rather complex and
41 obscure.  This is particularly evident if you read through the
42 linux-kernel.bell and linux-kernel.cat files that make up the formal
43 version of the model; they are extremely terse and their meanings are
44 far from clear.
45
46 This document describes the ideas underlying the LKMM.  It is meant
47 for people who want to understand how the model was designed.  It does
48 not go into the details of the code in the .bell and .cat files;
49 rather, it explains in English what the code expresses symbolically.
50
51 Sections 2 (BACKGROUND) through 5 (ORDERING AND CYCLES) are aimed
52 toward beginners; they explain what memory consistency models are and
53 the basic notions shared by all such models.  People already familiar
54 with these concepts can skim or skip over them.  Sections 6 (EVENTS)
55 through 12 (THE FROM_READS RELATION) describe the fundamental
56 relations used in many models.  Starting in Section 13 (AN OPERATIONAL
57 MODEL), the workings of the LKMM itself are covered.
58
59 Warning: The code examples in this document are not written in the
60 proper format for litmus tests.  They don't include a header line, the
61 initializations are not enclosed in braces, the global variables are
62 not passed by pointers, and they don't have an "exists" clause at the
63 end.  Converting them to the right format is left as an exercise for
64 the reader.
65
66
67 BACKGROUND
68 ----------
69
70 A memory consistency model (or just memory model, for short) is
71 something which predicts, given a piece of computer code running on a
72 particular kind of system, what values may be obtained by the code's
73 load instructions.  The LKMM makes these predictions for code running
74 as part of the Linux kernel.
75
76 In practice, people tend to use memory models the other way around.
77 That is, given a piece of code and a collection of values specified
78 for the loads, the model will predict whether it is possible for the
79 code to run in such a way that the loads will indeed obtain the
80 specified values.  Of course, this is just another way of expressing
81 the same idea.
82
83 For code running on a uniprocessor system, the predictions are easy:
84 Each load instruction must obtain the value written by the most recent
85 store instruction accessing the same location (we ignore complicating
86 factors such as DMA and mixed-size accesses.)  But on multiprocessor
87 systems, with multiple CPUs making concurrent accesses to shared
88 memory locations, things aren't so simple.
89
90 Different architectures have differing memory models, and the Linux
91 kernel supports a variety of architectures.  The LKMM has to be fairly
92 permissive, in the sense that any behavior allowed by one of these
93 architectures also has to be allowed by the LKMM.
94
95
96 A SIMPLE EXAMPLE
97 ----------------
98
99 Here is a simple example to illustrate the basic concepts.  Consider
100 some code running as part of a device driver for an input device.  The
101 driver might contain an interrupt handler which collects data from the
102 device, stores it in a buffer, and sets a flag to indicate the buffer
103 is full.  Running concurrently on a different CPU might be a part of
104 the driver code being executed by a process in the midst of a read(2)
105 system call.  This code tests the flag to see whether the buffer is
106 ready, and if it is, copies the data back to userspace.  The buffer
107 and the flag are memory locations shared between the two CPUs.
108
109 We can abstract out the important pieces of the driver code as follows
110 (the reason for using WRITE_ONCE() and READ_ONCE() instead of simple
111 assignment statements is discussed later):
112
113         int buf = 0, flag = 0;
114
115         P0()
116         {
117                 WRITE_ONCE(buf, 1);
118                 WRITE_ONCE(flag, 1);
119         }
120
121         P1()
122         {
123                 int r1;
124                 int r2 = 0;
125
126                 r1 = READ_ONCE(flag);
127                 if (r1)
128                         r2 = READ_ONCE(buf);
129         }
130
131 Here the P0() function represents the interrupt handler running on one
132 CPU and P1() represents the read() routine running on another.  The
133 value 1 stored in buf represents input data collected from the device.
134 Thus, P0 stores the data in buf and then sets flag.  Meanwhile, P1
135 reads flag into the private variable r1, and if it is set, reads the
136 data from buf into a second private variable r2 for copying to
137 userspace.  (Presumably if flag is not set then the driver will wait a
138 while and try again.)
139
140 This pattern of memory accesses, where one CPU stores values to two
141 shared memory locations and another CPU loads from those locations in
142 the opposite order, is widely known as the "Message Passing" or MP
143 pattern.  It is typical of memory access patterns in the kernel.
144
145 Please note that this example code is a simplified abstraction.  Real
146 buffers are usually larger than a single integer, real device drivers
147 usually use sleep and wakeup mechanisms rather than polling for I/O
148 completion, and real code generally doesn't bother to copy values into
149 private variables before using them.  All that is beside the point;
150 the idea here is simply to illustrate the overall pattern of memory
151 accesses by the CPUs.
152
153 A memory model will predict what values P1 might obtain for its loads
154 from flag and buf, or equivalently, what values r1 and r2 might end up
155 with after the code has finished running.
156
157 Some predictions are trivial.  For instance, no sane memory model would
158 predict that r1 = 42 or r2 = -7, because neither of those values ever
159 gets stored in flag or buf.
160
161 Some nontrivial predictions are nonetheless quite simple.  For
162 instance, P1 might run entirely before P0 begins, in which case r1 and
163 r2 will both be 0 at the end.  Or P0 might run entirely before P1
164 begins, in which case r1 and r2 will both be 1.
165
166 The interesting predictions concern what might happen when the two
167 routines run concurrently.  One possibility is that P1 runs after P0's
168 store to buf but before the store to flag.  In this case, r1 and r2
169 will again both be 0.  (If P1 had been designed to read buf
170 unconditionally then we would instead have r1 = 0 and r2 = 1.)
171
172 However, the most interesting possibility is where r1 = 1 and r2 = 0.
173 If this were to occur it would mean the driver contains a bug, because
174 incorrect data would get sent to the user: 0 instead of 1.  As it
175 happens, the LKMM does predict this outcome can occur, and the example
176 driver code shown above is indeed buggy.
177
178
179 A SELECTION OF MEMORY MODELS
180 ----------------------------
181
182 The first widely cited memory model, and the simplest to understand,
183 is Sequential Consistency.  According to this model, systems behave as
184 if each CPU executed its instructions in order but with unspecified
185 timing.  In other words, the instructions from the various CPUs get
186 interleaved in a nondeterministic way, always according to some single
187 global order that agrees with the order of the instructions in the
188 program source for each CPU.  The model says that the value obtained
189 by each load is simply the value written by the most recently executed
190 store to the same memory location, from any CPU.
191
192 For the MP example code shown above, Sequential Consistency predicts
193 that the undesired result r1 = 1, r2 = 0 cannot occur.  The reasoning
194 goes like this:
195
196         Since r1 = 1, P0 must store 1 to flag before P1 loads 1 from
197         it, as loads can obtain values only from earlier stores.
198
199         P1 loads from flag before loading from buf, since CPUs execute
200         their instructions in order.
201
202         P1 must load 0 from buf before P0 stores 1 to it; otherwise r2
203         would be 1 since a load obtains its value from the most recent
204         store to the same address.
205
206         P0 stores 1 to buf before storing 1 to flag, since it executes
207         its instructions in order.
208
209         Since an instruction (in this case, P0's store to flag) cannot
210         execute before itself, the specified outcome is impossible.
211
212 However, real computer hardware almost never follows the Sequential
213 Consistency memory model; doing so would rule out too many valuable
214 performance optimizations.  On ARM and PowerPC architectures, for
215 instance, the MP example code really does sometimes yield r1 = 1 and
216 r2 = 0.
217
218 x86 and SPARC follow yet a different memory model: TSO (Total Store
219 Ordering).  This model predicts that the undesired outcome for the MP
220 pattern cannot occur, but in other respects it differs from Sequential
221 Consistency.  One example is the Store Buffer (SB) pattern, in which
222 each CPU stores to its own shared location and then loads from the
223 other CPU's location:
224
225         int x = 0, y = 0;
226
227         P0()
228         {
229                 int r0;
230
231                 WRITE_ONCE(x, 1);
232                 r0 = READ_ONCE(y);
233         }
234
235         P1()
236         {
237                 int r1;
238
239                 WRITE_ONCE(y, 1);
240                 r1 = READ_ONCE(x);
241         }
242
243 Sequential Consistency predicts that the outcome r0 = 0, r1 = 0 is
244 impossible.  (Exercise: Figure out the reasoning.)  But TSO allows
245 this outcome to occur, and in fact it does sometimes occur on x86 and
246 SPARC systems.
247
248 The LKMM was inspired by the memory models followed by PowerPC, ARM,
249 x86, Alpha, and other architectures.  However, it is different in
250 detail from each of them.
251
252
253 ORDERING AND CYCLES
254 -------------------
255
256 Memory models are all about ordering.  Often this is temporal ordering
257 (i.e., the order in which certain events occur) but it doesn't have to
258 be; consider for example the order of instructions in a program's
259 source code.  We saw above that Sequential Consistency makes an
260 important assumption that CPUs execute instructions in the same order
261 as those instructions occur in the code, and there are many other
262 instances of ordering playing central roles in memory models.
263
264 The counterpart to ordering is a cycle.  Ordering rules out cycles:
265 It's not possible to have X ordered before Y, Y ordered before Z, and
266 Z ordered before X, because this would mean that X is ordered before
267 itself.  The analysis of the MP example under Sequential Consistency
268 involved just such an impossible cycle:
269
270         W: P0 stores 1 to flag   executes before
271         X: P1 loads 1 from flag  executes before
272         Y: P1 loads 0 from buf   executes before
273         Z: P0 stores 1 to buf    executes before
274         W: P0 stores 1 to flag.
275
276 In short, if a memory model requires certain accesses to be ordered,
277 and a certain outcome for the loads in a piece of code can happen only
278 if those accesses would form a cycle, then the memory model predicts
279 that outcome cannot occur.
280
281 The LKMM is defined largely in terms of cycles, as we will see.
282
283
284 EVENTS
285 ------
286
287 The LKMM does not work directly with the C statements that make up
288 kernel source code.  Instead it considers the effects of those
289 statements in a more abstract form, namely, events.  The model
290 includes three types of events:
291
292         Read events correspond to loads from shared memory, such as
293         calls to READ_ONCE(), smp_load_acquire(), or
294         rcu_dereference().
295
296         Write events correspond to stores to shared memory, such as
297         calls to WRITE_ONCE(), smp_store_release(), or atomic_set().
298
299         Fence events correspond to memory barriers (also known as
300         fences), such as calls to smp_rmb() or rcu_read_lock().
301
302 These categories are not exclusive; a read or write event can also be
303 a fence.  This happens with functions like smp_load_acquire() or
304 spin_lock().  However, no single event can be both a read and a write.
305 Atomic read-modify-write accesses, such as atomic_inc() or xchg(),
306 correspond to a pair of events: a read followed by a write.  (The
307 write event is omitted for executions where it doesn't occur, such as
308 a cmpxchg() where the comparison fails.)
309
310 Other parts of the code, those which do not involve interaction with
311 shared memory, do not give rise to events.  Thus, arithmetic and
312 logical computations, control-flow instructions, or accesses to
313 private memory or CPU registers are not of central interest to the
314 memory model.  They only affect the model's predictions indirectly.
315 For example, an arithmetic computation might determine the value that
316 gets stored to a shared memory location (or in the case of an array
317 index, the address where the value gets stored), but the memory model
318 is concerned only with the store itself -- its value and its address
319 -- not the computation leading up to it.
320
321 Events in the LKMM can be linked by various relations, which we will
322 describe in the following sections.  The memory model requires certain
323 of these relations to be orderings, that is, it requires them not to
324 have any cycles.
325
326
327 THE PROGRAM ORDER RELATION: po AND po-loc
328 -----------------------------------------
329
330 The most important relation between events is program order (po).  You
331 can think of it as the order in which statements occur in the source
332 code after branches are taken into account and loops have been
333 unrolled.  A better description might be the order in which
334 instructions are presented to a CPU's execution unit.  Thus, we say
335 that X is po-before Y (written as "X ->po Y" in formulas) if X occurs
336 before Y in the instruction stream.
337
338 This is inherently a single-CPU relation; two instructions executing
339 on different CPUs are never linked by po.  Also, it is by definition
340 an ordering so it cannot have any cycles.
341
342 po-loc is a sub-relation of po.  It links two memory accesses when the
343 first comes before the second in program order and they access the
344 same memory location (the "-loc" suffix).
345
346 Although this may seem straightforward, there is one subtle aspect to
347 program order we need to explain.  The LKMM was inspired by low-level
348 architectural memory models which describe the behavior of machine
349 code, and it retains their outlook to a considerable extent.  The
350 read, write, and fence events used by the model are close in spirit to
351 individual machine instructions.  Nevertheless, the LKMM describes
352 kernel code written in C, and the mapping from C to machine code can
353 be extremely complex.
354
355 Optimizing compilers have great freedom in the way they translate
356 source code to object code.  They are allowed to apply transformations
357 that add memory accesses, eliminate accesses, combine them, split them
358 into pieces, or move them around.  The use of READ_ONCE(), WRITE_ONCE(),
359 or one of the other atomic or synchronization primitives prevents a
360 large number of compiler optimizations.  In particular, it is guaranteed
361 that the compiler will not remove such accesses from the generated code
362 (unless it can prove the accesses will never be executed), it will not
363 change the order in which they occur in the code (within limits imposed
364 by the C standard), and it will not introduce extraneous accesses.
365
366 The MP and SB examples above used READ_ONCE() and WRITE_ONCE() rather
367 than ordinary memory accesses.  Thanks to this usage, we can be certain
368 that in the MP example, the compiler won't reorder P0's write event to
369 buf and P0's write event to flag, and similarly for the other shared
370 memory accesses in the examples.
371
372 Since private variables are not shared between CPUs, they can be
373 accessed normally without READ_ONCE() or WRITE_ONCE().  In fact, they
374 need not even be stored in normal memory at all -- in principle a
375 private variable could be stored in a CPU register (hence the convention
376 that these variables have names starting with the letter 'r').
377
378
379 A WARNING
380 ---------
381
382 The protections provided by READ_ONCE(), WRITE_ONCE(), and others are
383 not perfect; and under some circumstances it is possible for the
384 compiler to undermine the memory model.  Here is an example.  Suppose
385 both branches of an "if" statement store the same value to the same
386 location:
387
388         r1 = READ_ONCE(x);
389         if (r1) {
390                 WRITE_ONCE(y, 2);
391                 ...  /* do something */
392         } else {
393                 WRITE_ONCE(y, 2);
394                 ...  /* do something else */
395         }
396
397 For this code, the LKMM predicts that the load from x will always be
398 executed before either of the stores to y.  However, a compiler could
399 lift the stores out of the conditional, transforming the code into
400 something resembling:
401
402         r1 = READ_ONCE(x);
403         WRITE_ONCE(y, 2);
404         if (r1) {
405                 ...  /* do something */
406         } else {
407                 ...  /* do something else */
408         }
409
410 Given this version of the code, the LKMM would predict that the load
411 from x could be executed after the store to y.  Thus, the memory
412 model's original prediction could be invalidated by the compiler.
413
414 Another issue arises from the fact that in C, arguments to many
415 operators and function calls can be evaluated in any order.  For
416 example:
417
418         r1 = f(5) + g(6);
419
420 The object code might call f(5) either before or after g(6); the
421 memory model cannot assume there is a fixed program order relation
422 between them.  (In fact, if the function calls are inlined then the
423 compiler might even interleave their object code.)
424
425
426 DEPENDENCY RELATIONS: data, addr, and ctrl
427 ------------------------------------------
428
429 We say that two events are linked by a dependency relation when the
430 execution of the second event depends in some way on a value obtained
431 from memory by the first.  The first event must be a read, and the
432 value it obtains must somehow affect what the second event does.
433 There are three kinds of dependencies: data, address (addr), and
434 control (ctrl).
435
436 A read and a write event are linked by a data dependency if the value
437 obtained by the read affects the value stored by the write.  As a very
438 simple example:
439
440         int x, y;
441
442         r1 = READ_ONCE(x);
443         WRITE_ONCE(y, r1 + 5);
444
445 The value stored by the WRITE_ONCE obviously depends on the value
446 loaded by the READ_ONCE.  Such dependencies can wind through
447 arbitrarily complicated computations, and a write can depend on the
448 values of multiple reads.
449
450 A read event and another memory access event are linked by an address
451 dependency if the value obtained by the read affects the location
452 accessed by the other event.  The second event can be either a read or
453 a write.  Here's another simple example:
454
455         int a[20];
456         int i;
457
458         r1 = READ_ONCE(i);
459         r2 = READ_ONCE(a[r1]);
460
461 Here the location accessed by the second READ_ONCE() depends on the
462 index value loaded by the first.  Pointer indirection also gives rise
463 to address dependencies, since the address of a location accessed
464 through a pointer will depend on the value read earlier from that
465 pointer.
466
467 Finally, a read event and another memory access event are linked by a
468 control dependency if the value obtained by the read affects whether
469 the second event is executed at all.  Simple example:
470
471         int x, y;
472
473         r1 = READ_ONCE(x);
474         if (r1)
475                 WRITE_ONCE(y, 1984);
476
477 Execution of the WRITE_ONCE() is controlled by a conditional expression
478 which depends on the value obtained by the READ_ONCE(); hence there is
479 a control dependency from the load to the store.
480
481 It should be pretty obvious that events can only depend on reads that
482 come earlier in program order.  Symbolically, if we have R ->data X,
483 R ->addr X, or R ->ctrl X (where R is a read event), then we must also
484 have R ->po X.  It wouldn't make sense for a computation to depend
485 somehow on a value that doesn't get loaded from shared memory until
486 later in the code!
487
488
489 THE READS-FROM RELATION: rf, rfi, and rfe
490 -----------------------------------------
491
492 The reads-from relation (rf) links a write event to a read event when
493 the value loaded by the read is the value that was stored by the
494 write.  In colloquial terms, the load "reads from" the store.  We
495 write W ->rf R to indicate that the load R reads from the store W.  We
496 further distinguish the cases where the load and the store occur on
497 the same CPU (internal reads-from, or rfi) and where they occur on
498 different CPUs (external reads-from, or rfe).
499
500 For our purposes, a memory location's initial value is treated as
501 though it had been written there by an imaginary initial store that
502 executes on a separate CPU before the main program runs.
503
504 Usage of the rf relation implicitly assumes that loads will always
505 read from a single store.  It doesn't apply properly in the presence
506 of load-tearing, where a load obtains some of its bits from one store
507 and some of them from another store.  Fortunately, use of READ_ONCE()
508 and WRITE_ONCE() will prevent load-tearing; it's not possible to have:
509
510         int x = 0;
511
512         P0()
513         {
514                 WRITE_ONCE(x, 0x1234);
515         }
516
517         P1()
518         {
519                 int r1;
520
521                 r1 = READ_ONCE(x);
522         }
523
524 and end up with r1 = 0x1200 (partly from x's initial value and partly
525 from the value stored by P0).
526
527 On the other hand, load-tearing is unavoidable when mixed-size
528 accesses are used.  Consider this example:
529
530         union {
531                 u32     w;
532                 u16     h[2];
533         } x;
534
535         P0()
536         {
537                 WRITE_ONCE(x.h[0], 0x1234);
538                 WRITE_ONCE(x.h[1], 0x5678);
539         }
540
541         P1()
542         {
543                 int r1;
544
545                 r1 = READ_ONCE(x.w);
546         }
547
548 If r1 = 0x56781234 (little-endian!) at the end, then P1 must have read
549 from both of P0's stores.  It is possible to handle mixed-size and
550 unaligned accesses in a memory model, but the LKMM currently does not
551 attempt to do so.  It requires all accesses to be properly aligned and
552 of the location's actual size.
553
554
555 CACHE COHERENCE AND THE COHERENCE ORDER RELATION: co, coi, and coe
556 ------------------------------------------------------------------
557
558 Cache coherence is a general principle requiring that in a
559 multi-processor system, the CPUs must share a consistent view of the
560 memory contents.  Specifically, it requires that for each location in
561 shared memory, the stores to that location must form a single global
562 ordering which all the CPUs agree on (the coherence order), and this
563 ordering must be consistent with the program order for accesses to
564 that location.
565
566 To put it another way, for any variable x, the coherence order (co) of
567 the stores to x is simply the order in which the stores overwrite one
568 another.  The imaginary store which establishes x's initial value
569 comes first in the coherence order; the store which directly
570 overwrites the initial value comes second; the store which overwrites
571 that value comes third, and so on.
572
573 You can think of the coherence order as being the order in which the
574 stores reach x's location in memory (or if you prefer a more
575 hardware-centric view, the order in which the stores get written to
576 x's cache line).  We write W ->co W' if W comes before W' in the
577 coherence order, that is, if the value stored by W gets overwritten,
578 directly or indirectly, by the value stored by W'.
579
580 Coherence order is required to be consistent with program order.  This
581 requirement takes the form of four coherency rules:
582
583         Write-write coherence: If W ->po-loc W' (i.e., W comes before
584         W' in program order and they access the same location), where W
585         and W' are two stores, then W ->co W'.
586
587         Write-read coherence: If W ->po-loc R, where W is a store and R
588         is a load, then R must read from W or from some other store
589         which comes after W in the coherence order.
590
591         Read-write coherence: If R ->po-loc W, where R is a load and W
592         is a store, then the store which R reads from must come before
593         W in the coherence order.
594
595         Read-read coherence: If R ->po-loc R', where R and R' are two
596         loads, then either they read from the same store or else the
597         store read by R comes before the store read by R' in the
598         coherence order.
599
600 This is sometimes referred to as sequential consistency per variable,
601 because it means that the accesses to any single memory location obey
602 the rules of the Sequential Consistency memory model.  (According to
603 Wikipedia, sequential consistency per variable and cache coherence
604 mean the same thing except that cache coherence includes an extra
605 requirement that every store eventually becomes visible to every CPU.)
606
607 Any reasonable memory model will include cache coherence.  Indeed, our
608 expectation of cache coherence is so deeply ingrained that violations
609 of its requirements look more like hardware bugs than programming
610 errors:
611
612         int x;
613
614         P0()
615         {
616                 WRITE_ONCE(x, 17);
617                 WRITE_ONCE(x, 23);
618         }
619
620 If the final value stored in x after this code ran was 17, you would
621 think your computer was broken.  It would be a violation of the
622 write-write coherence rule: Since the store of 23 comes later in
623 program order, it must also come later in x's coherence order and
624 thus must overwrite the store of 17.
625
626         int x = 0;
627
628         P0()
629         {
630                 int r1;
631
632                 r1 = READ_ONCE(x);
633                 WRITE_ONCE(x, 666);
634         }
635
636 If r1 = 666 at the end, this would violate the read-write coherence
637 rule: The READ_ONCE() load comes before the WRITE_ONCE() store in
638 program order, so it must not read from that store but rather from one
639 coming earlier in the coherence order (in this case, x's initial
640 value).
641
642         int x = 0;
643
644         P0()
645         {
646                 WRITE_ONCE(x, 5);
647         }
648
649         P1()
650         {
651                 int r1, r2;
652
653                 r1 = READ_ONCE(x);
654                 r2 = READ_ONCE(x);
655         }
656
657 If r1 = 5 (reading from P0's store) and r2 = 0 (reading from the
658 imaginary store which establishes x's initial value) at the end, this
659 would violate the read-read coherence rule: The r1 load comes before
660 the r2 load in program order, so it must not read from a store that
661 comes later in the coherence order.
662
663 (As a minor curiosity, if this code had used normal loads instead of
664 READ_ONCE() in P1, on Itanium it sometimes could end up with r1 = 5
665 and r2 = 0!  This results from parallel execution of the operations
666 encoded in Itanium's Very-Long-Instruction-Word format, and it is yet
667 another motivation for using READ_ONCE() when accessing shared memory
668 locations.)
669
670 Just like the po relation, co is inherently an ordering -- it is not
671 possible for a store to directly or indirectly overwrite itself!  And
672 just like with the rf relation, we distinguish between stores that
673 occur on the same CPU (internal coherence order, or coi) and stores
674 that occur on different CPUs (external coherence order, or coe).
675
676 On the other hand, stores to different memory locations are never
677 related by co, just as instructions on different CPUs are never
678 related by po.  Coherence order is strictly per-location, or if you
679 prefer, each location has its own independent coherence order.
680
681
682 THE FROM-READS RELATION: fr, fri, and fre
683 -----------------------------------------
684
685 The from-reads relation (fr) can be a little difficult for people to
686 grok.  It describes the situation where a load reads a value that gets
687 overwritten by a store.  In other words, we have R ->fr W when the
688 value that R reads is overwritten (directly or indirectly) by W, or
689 equivalently, when R reads from a store which comes earlier than W in
690 the coherence order.
691
692 For example:
693
694         int x = 0;
695
696         P0()
697         {
698                 int r1;
699
700                 r1 = READ_ONCE(x);
701                 WRITE_ONCE(x, 2);
702         }
703
704 The value loaded from x will be 0 (assuming cache coherence!), and it
705 gets overwritten by the value 2.  Thus there is an fr link from the
706 READ_ONCE() to the WRITE_ONCE().  If the code contained any later
707 stores to x, there would also be fr links from the READ_ONCE() to
708 them.
709
710 As with rf, rfi, and rfe, we subdivide the fr relation into fri (when
711 the load and the store are on the same CPU) and fre (when they are on
712 different CPUs).
713
714 Note that the fr relation is determined entirely by the rf and co
715 relations; it is not independent.  Given a read event R and a write
716 event W for the same location, we will have R ->fr W if and only if
717 the write which R reads from is co-before W.  In symbols,
718
719         (R ->fr W) := (there exists W' with W' ->rf R and W' ->co W).
720
721
722 AN OPERATIONAL MODEL
723 --------------------
724
725 The LKMM is based on various operational memory models, meaning that
726 the models arise from an abstract view of how a computer system
727 operates.  Here are the main ideas, as incorporated into the LKMM.
728
729 The system as a whole is divided into the CPUs and a memory subsystem.
730 The CPUs are responsible for executing instructions (not necessarily
731 in program order), and they communicate with the memory subsystem.
732 For the most part, executing an instruction requires a CPU to perform
733 only internal operations.  However, loads, stores, and fences involve
734 more.
735
736 When CPU C executes a store instruction, it tells the memory subsystem
737 to store a certain value at a certain location.  The memory subsystem
738 propagates the store to all the other CPUs as well as to RAM.  (As a
739 special case, we say that the store propagates to its own CPU at the
740 time it is executed.)  The memory subsystem also determines where the
741 store falls in the location's coherence order.  In particular, it must
742 arrange for the store to be co-later than (i.e., to overwrite) any
743 other store to the same location which has already propagated to CPU C.
744
745 When a CPU executes a load instruction R, it first checks to see
746 whether there are any as-yet unexecuted store instructions, for the
747 same location, that come before R in program order.  If there are, it
748 uses the value of the po-latest such store as the value obtained by R,
749 and we say that the store's value is forwarded to R.  Otherwise, the
750 CPU asks the memory subsystem for the value to load and we say that R
751 is satisfied from memory.  The memory subsystem hands back the value
752 of the co-latest store to the location in question which has already
753 propagated to that CPU.
754
755 (In fact, the picture needs to be a little more complicated than this.
756 CPUs have local caches, and propagating a store to a CPU really means
757 propagating it to the CPU's local cache.  A local cache can take some
758 time to process the stores that it receives, and a store can't be used
759 to satisfy one of the CPU's loads until it has been processed.  On
760 most architectures, the local caches process stores in
761 First-In-First-Out order, and consequently the processing delay
762 doesn't matter for the memory model.  But on Alpha, the local caches
763 have a partitioned design that results in non-FIFO behavior.  We will
764 discuss this in more detail later.)
765
766 Note that load instructions may be executed speculatively and may be
767 restarted under certain circumstances.  The memory model ignores these
768 premature executions; we simply say that the load executes at the
769 final time it is forwarded or satisfied.
770
771 Executing a fence (or memory barrier) instruction doesn't require a
772 CPU to do anything special other than informing the memory subsystem
773 about the fence.  However, fences do constrain the way CPUs and the
774 memory subsystem handle other instructions, in two respects.
775
776 First, a fence forces the CPU to execute various instructions in
777 program order.  Exactly which instructions are ordered depends on the
778 type of fence:
779
780         Strong fences, including smp_mb() and synchronize_rcu(), force
781         the CPU to execute all po-earlier instructions before any
782         po-later instructions;
783
784         smp_rmb() forces the CPU to execute all po-earlier loads
785         before any po-later loads;
786
787         smp_wmb() forces the CPU to execute all po-earlier stores
788         before any po-later stores;
789
790         Acquire fences, such as smp_load_acquire(), force the CPU to
791         execute the load associated with the fence (e.g., the load
792         part of an smp_load_acquire()) before any po-later
793         instructions;
794
795         Release fences, such as smp_store_release(), force the CPU to
796         execute all po-earlier instructions before the store
797         associated with the fence (e.g., the store part of an
798         smp_store_release()).
799
800 Second, some types of fence affect the way the memory subsystem
801 propagates stores.  When a fence instruction is executed on CPU C:
802
803         For each other CPU C', smp_wmb() forces all po-earlier stores
804         on C to propagate to C' before any po-later stores do.
805
806         For each other CPU C', any store which propagates to C before
807         a release fence is executed (including all po-earlier
808         stores executed on C) is forced to propagate to C' before the
809         store associated with the release fence does.
810
811         Any store which propagates to C before a strong fence is
812         executed (including all po-earlier stores on C) is forced to
813         propagate to all other CPUs before any instructions po-after
814         the strong fence are executed on C.
815
816 The propagation ordering enforced by release fences and strong fences
817 affects stores from other CPUs that propagate to CPU C before the
818 fence is executed, as well as stores that are executed on C before the
819 fence.  We describe this property by saying that release fences and
820 strong fences are A-cumulative.  By contrast, smp_wmb() fences are not
821 A-cumulative; they only affect the propagation of stores that are
822 executed on C before the fence (i.e., those which precede the fence in
823 program order).
824
825 rcu_read_lock(), rcu_read_unlock(), and synchronize_rcu() fences have
826 other properties which we discuss later.
827
828
829 PROPAGATION ORDER RELATION: cumul-fence
830 ---------------------------------------
831
832 The fences which affect propagation order (i.e., strong, release, and
833 smp_wmb() fences) are collectively referred to as cumul-fences, even
834 though smp_wmb() isn't A-cumulative.  The cumul-fence relation is
835 defined to link memory access events E and F whenever:
836
837         E and F are both stores on the same CPU and an smp_wmb() fence
838         event occurs between them in program order; or
839
840         F is a release fence and some X comes before F in program order,
841         where either X = E or else E ->rf X; or
842
843         A strong fence event occurs between some X and F in program
844         order, where either X = E or else E ->rf X.
845
846 The operational model requires that whenever W and W' are both stores
847 and W ->cumul-fence W', then W must propagate to any given CPU
848 before W' does.  However, for different CPUs C and C', it does not
849 require W to propagate to C before W' propagates to C'.
850
851
852 DERIVATION OF THE LKMM FROM THE OPERATIONAL MODEL
853 -------------------------------------------------
854
855 The LKMM is derived from the restrictions imposed by the design
856 outlined above.  These restrictions involve the necessity of
857 maintaining cache coherence and the fact that a CPU can't operate on a
858 value before it knows what that value is, among other things.
859
860 The formal version of the LKMM is defined by six requirements, or
861 axioms:
862
863         Sequential consistency per variable: This requires that the
864         system obey the four coherency rules.
865
866         Atomicity: This requires that atomic read-modify-write
867         operations really are atomic, that is, no other stores can
868         sneak into the middle of such an update.
869
870         Happens-before: This requires that certain instructions are
871         executed in a specific order.
872
873         Propagation: This requires that certain stores propagate to
874         CPUs and to RAM in a specific order.
875
876         Rcu: This requires that RCU read-side critical sections and
877         grace periods obey the rules of RCU, in particular, the
878         Grace-Period Guarantee.
879
880         Plain-coherence: This requires that plain memory accesses
881         (those not using READ_ONCE(), WRITE_ONCE(), etc.) must obey
882         the operational model's rules regarding cache coherence.
883
884 The first and second are quite common; they can be found in many
885 memory models (such as those for C11/C++11).  The "happens-before" and
886 "propagation" axioms have analogs in other memory models as well.  The
887 "rcu" and "plain-coherence" axioms are specific to the LKMM.
888
889 Each of these axioms is discussed below.
890
891
892 SEQUENTIAL CONSISTENCY PER VARIABLE
893 -----------------------------------
894
895 According to the principle of cache coherence, the stores to any fixed
896 shared location in memory form a global ordering.  We can imagine
897 inserting the loads from that location into this ordering, by placing
898 each load between the store that it reads from and the following
899 store.  This leaves the relative positions of loads that read from the
900 same store unspecified; let's say they are inserted in program order,
901 first for CPU 0, then CPU 1, etc.
902
903 You can check that the four coherency rules imply that the rf, co, fr,
904 and po-loc relations agree with this global ordering; in other words,
905 whenever we have X ->rf Y or X ->co Y or X ->fr Y or X ->po-loc Y, the
906 X event comes before the Y event in the global ordering.  The LKMM's
907 "coherence" axiom expresses this by requiring the union of these
908 relations not to have any cycles.  This means it must not be possible
909 to find events
910
911         X0 -> X1 -> X2 -> ... -> Xn -> X0,
912
913 where each of the links is either rf, co, fr, or po-loc.  This has to
914 hold if the accesses to the fixed memory location can be ordered as
915 cache coherence demands.
916
917 Although it is not obvious, it can be shown that the converse is also
918 true: This LKMM axiom implies that the four coherency rules are
919 obeyed.
920
921
922 ATOMIC UPDATES: rmw
923 -------------------
924
925 What does it mean to say that a read-modify-write (rmw) update, such
926 as atomic_inc(&x), is atomic?  It means that the memory location (x in
927 this case) does not get altered between the read and the write events
928 making up the atomic operation.  In particular, if two CPUs perform
929 atomic_inc(&x) concurrently, it must be guaranteed that the final
930 value of x will be the initial value plus two.  We should never have
931 the following sequence of events:
932
933         CPU 0 loads x obtaining 13;
934                                         CPU 1 loads x obtaining 13;
935         CPU 0 stores 14 to x;
936                                         CPU 1 stores 14 to x;
937
938 where the final value of x is wrong (14 rather than 15).
939
940 In this example, CPU 0's increment effectively gets lost because it
941 occurs in between CPU 1's load and store.  To put it another way, the
942 problem is that the position of CPU 0's store in x's coherence order
943 is between the store that CPU 1 reads from and the store that CPU 1
944 performs.
945
946 The same analysis applies to all atomic update operations.  Therefore,
947 to enforce atomicity the LKMM requires that atomic updates follow this
948 rule: Whenever R and W are the read and write events composing an
949 atomic read-modify-write and W' is the write event which R reads from,
950 there must not be any stores coming between W' and W in the coherence
951 order.  Equivalently,
952
953         (R ->rmw W) implies (there is no X with R ->fr X and X ->co W),
954
955 where the rmw relation links the read and write events making up each
956 atomic update.  This is what the LKMM's "atomic" axiom says.
957
958
959 THE PRESERVED PROGRAM ORDER RELATION: ppo
960 -----------------------------------------
961
962 There are many situations where a CPU is obliged to execute two
963 instructions in program order.  We amalgamate them into the ppo (for
964 "preserved program order") relation, which links the po-earlier
965 instruction to the po-later instruction and is thus a sub-relation of
966 po.
967
968 The operational model already includes a description of one such
969 situation: Fences are a source of ppo links.  Suppose X and Y are
970 memory accesses with X ->po Y; then the CPU must execute X before Y if
971 any of the following hold:
972
973         A strong (smp_mb() or synchronize_rcu()) fence occurs between
974         X and Y;
975
976         X and Y are both stores and an smp_wmb() fence occurs between
977         them;
978
979         X and Y are both loads and an smp_rmb() fence occurs between
980         them;
981
982         X is also an acquire fence, such as smp_load_acquire();
983
984         Y is also a release fence, such as smp_store_release().
985
986 Another possibility, not mentioned earlier but discussed in the next
987 section, is:
988
989         X and Y are both loads, X ->addr Y (i.e., there is an address
990         dependency from X to Y), and X is a READ_ONCE() or an atomic
991         access.
992
993 Dependencies can also cause instructions to be executed in program
994 order.  This is uncontroversial when the second instruction is a
995 store; either a data, address, or control dependency from a load R to
996 a store W will force the CPU to execute R before W.  This is very
997 simply because the CPU cannot tell the memory subsystem about W's
998 store before it knows what value should be stored (in the case of a
999 data dependency), what location it should be stored into (in the case
1000 of an address dependency), or whether the store should actually take
1001 place (in the case of a control dependency).
1002
1003 Dependencies to load instructions are more problematic.  To begin with,
1004 there is no such thing as a data dependency to a load.  Next, a CPU
1005 has no reason to respect a control dependency to a load, because it
1006 can always satisfy the second load speculatively before the first, and
1007 then ignore the result if it turns out that the second load shouldn't
1008 be executed after all.  And lastly, the real difficulties begin when
1009 we consider address dependencies to loads.
1010
1011 To be fair about it, all Linux-supported architectures do execute
1012 loads in program order if there is an address dependency between them.
1013 After all, a CPU cannot ask the memory subsystem to load a value from
1014 a particular location before it knows what that location is.  However,
1015 the split-cache design used by Alpha can cause it to behave in a way
1016 that looks as if the loads were executed out of order (see the next
1017 section for more details).  The kernel includes a workaround for this
1018 problem when the loads come from READ_ONCE(), and therefore the LKMM
1019 includes address dependencies to loads in the ppo relation.
1020
1021 On the other hand, dependencies can indirectly affect the ordering of
1022 two loads.  This happens when there is a dependency from a load to a
1023 store and a second, po-later load reads from that store:
1024
1025         R ->dep W ->rfi R',
1026
1027 where the dep link can be either an address or a data dependency.  In
1028 this situation we know it is possible for the CPU to execute R' before
1029 W, because it can forward the value that W will store to R'.  But it
1030 cannot execute R' before R, because it cannot forward the value before
1031 it knows what that value is, or that W and R' do access the same
1032 location.  However, if there is merely a control dependency between R
1033 and W then the CPU can speculatively forward W to R' before executing
1034 R; if the speculation turns out to be wrong then the CPU merely has to
1035 restart or abandon R'.
1036
1037 (In theory, a CPU might forward a store to a load when it runs across
1038 an address dependency like this:
1039
1040         r1 = READ_ONCE(ptr);
1041         WRITE_ONCE(*r1, 17);
1042         r2 = READ_ONCE(*r1);
1043
1044 because it could tell that the store and the second load access the
1045 same location even before it knows what the location's address is.
1046 However, none of the architectures supported by the Linux kernel do
1047 this.)
1048
1049 Two memory accesses of the same location must always be executed in
1050 program order if the second access is a store.  Thus, if we have
1051
1052         R ->po-loc W
1053
1054 (the po-loc link says that R comes before W in program order and they
1055 access the same location), the CPU is obliged to execute W after R.
1056 If it executed W first then the memory subsystem would respond to R's
1057 read request with the value stored by W (or an even later store), in
1058 violation of the read-write coherence rule.  Similarly, if we had
1059
1060         W ->po-loc W'
1061
1062 and the CPU executed W' before W, then the memory subsystem would put
1063 W' before W in the coherence order.  It would effectively cause W to
1064 overwrite W', in violation of the write-write coherence rule.
1065 (Interestingly, an early ARMv8 memory model, now obsolete, proposed
1066 allowing out-of-order writes like this to occur.  The model avoided
1067 violating the write-write coherence rule by requiring the CPU not to
1068 send the W write to the memory subsystem at all!)
1069
1070
1071 AND THEN THERE WAS ALPHA
1072 ------------------------
1073
1074 As mentioned above, the Alpha architecture is unique in that it does
1075 not appear to respect address dependencies to loads.  This means that
1076 code such as the following:
1077
1078         int x = 0;
1079         int y = -1;
1080         int *ptr = &y;
1081
1082         P0()
1083         {
1084                 WRITE_ONCE(x, 1);
1085                 smp_wmb();
1086                 WRITE_ONCE(ptr, &x);
1087         }
1088
1089         P1()
1090         {
1091                 int *r1;
1092                 int r2;
1093
1094                 r1 = ptr;
1095                 r2 = READ_ONCE(*r1);
1096         }
1097
1098 can malfunction on Alpha systems (notice that P1 uses an ordinary load
1099 to read ptr instead of READ_ONCE()).  It is quite possible that r1 = &x
1100 and r2 = 0 at the end, in spite of the address dependency.
1101
1102 At first glance this doesn't seem to make sense.  We know that the
1103 smp_wmb() forces P0's store to x to propagate to P1 before the store
1104 to ptr does.  And since P1 can't execute its second load
1105 until it knows what location to load from, i.e., after executing its
1106 first load, the value x = 1 must have propagated to P1 before the
1107 second load executed.  So why doesn't r2 end up equal to 1?
1108
1109 The answer lies in the Alpha's split local caches.  Although the two
1110 stores do reach P1's local cache in the proper order, it can happen
1111 that the first store is processed by a busy part of the cache while
1112 the second store is processed by an idle part.  As a result, the x = 1
1113 value may not become available for P1's CPU to read until after the
1114 ptr = &x value does, leading to the undesirable result above.  The
1115 final effect is that even though the two loads really are executed in
1116 program order, it appears that they aren't.
1117
1118 This could not have happened if the local cache had processed the
1119 incoming stores in FIFO order.  By contrast, other architectures
1120 maintain at least the appearance of FIFO order.
1121
1122 In practice, this difficulty is solved by inserting a special fence
1123 between P1's two loads when the kernel is compiled for the Alpha
1124 architecture.  In fact, as of version 4.15, the kernel automatically
1125 adds this fence after every READ_ONCE() and atomic load on Alpha.  The
1126 effect of the fence is to cause the CPU not to execute any po-later
1127 instructions until after the local cache has finished processing all
1128 the stores it has already received.  Thus, if the code was changed to:
1129
1130         P1()
1131         {
1132                 int *r1;
1133                 int r2;
1134
1135                 r1 = READ_ONCE(ptr);
1136                 r2 = READ_ONCE(*r1);
1137         }
1138
1139 then we would never get r1 = &x and r2 = 0.  By the time P1 executed
1140 its second load, the x = 1 store would already be fully processed by
1141 the local cache and available for satisfying the read request.  Thus
1142 we have yet another reason why shared data should always be read with
1143 READ_ONCE() or another synchronization primitive rather than accessed
1144 directly.
1145
1146 The LKMM requires that smp_rmb(), acquire fences, and strong fences
1147 share this property: They do not allow the CPU to execute any po-later
1148 instructions (or po-later loads in the case of smp_rmb()) until all
1149 outstanding stores have been processed by the local cache.  In the
1150 case of a strong fence, the CPU first has to wait for all of its
1151 po-earlier stores to propagate to every other CPU in the system; then
1152 it has to wait for the local cache to process all the stores received
1153 as of that time -- not just the stores received when the strong fence
1154 began.
1155
1156 And of course, none of this matters for any architecture other than
1157 Alpha.
1158
1159
1160 THE HAPPENS-BEFORE RELATION: hb
1161 -------------------------------
1162
1163 The happens-before relation (hb) links memory accesses that have to
1164 execute in a certain order.  hb includes the ppo relation and two
1165 others, one of which is rfe.
1166
1167 W ->rfe R implies that W and R are on different CPUs.  It also means
1168 that W's store must have propagated to R's CPU before R executed;
1169 otherwise R could not have read the value stored by W.  Therefore W
1170 must have executed before R, and so we have W ->hb R.
1171
1172 The equivalent fact need not hold if W ->rfi R (i.e., W and R are on
1173 the same CPU).  As we have already seen, the operational model allows
1174 W's value to be forwarded to R in such cases, meaning that R may well
1175 execute before W does.
1176
1177 It's important to understand that neither coe nor fre is included in
1178 hb, despite their similarities to rfe.  For example, suppose we have
1179 W ->coe W'.  This means that W and W' are stores to the same location,
1180 they execute on different CPUs, and W comes before W' in the coherence
1181 order (i.e., W' overwrites W).  Nevertheless, it is possible for W' to
1182 execute before W, because the decision as to which store overwrites
1183 the other is made later by the memory subsystem.  When the stores are
1184 nearly simultaneous, either one can come out on top.  Similarly,
1185 R ->fre W means that W overwrites the value which R reads, but it
1186 doesn't mean that W has to execute after R.  All that's necessary is
1187 for the memory subsystem not to propagate W to R's CPU until after R
1188 has executed, which is possible if W executes shortly before R.
1189
1190 The third relation included in hb is like ppo, in that it only links
1191 events that are on the same CPU.  However it is more difficult to
1192 explain, because it arises only indirectly from the requirement of
1193 cache coherence.  The relation is called prop, and it links two events
1194 on CPU C in situations where a store from some other CPU comes after
1195 the first event in the coherence order and propagates to C before the
1196 second event executes.
1197
1198 This is best explained with some examples.  The simplest case looks
1199 like this:
1200
1201         int x;
1202
1203         P0()
1204         {
1205                 int r1;
1206
1207                 WRITE_ONCE(x, 1);
1208                 r1 = READ_ONCE(x);
1209         }
1210
1211         P1()
1212         {
1213                 WRITE_ONCE(x, 8);
1214         }
1215
1216 If r1 = 8 at the end then P0's accesses must have executed in program
1217 order.  We can deduce this from the operational model; if P0's load
1218 had executed before its store then the value of the store would have
1219 been forwarded to the load, so r1 would have ended up equal to 1, not
1220 8.  In this case there is a prop link from P0's write event to its read
1221 event, because P1's store came after P0's store in x's coherence
1222 order, and P1's store propagated to P0 before P0's load executed.
1223
1224 An equally simple case involves two loads of the same location that
1225 read from different stores:
1226
1227         int x = 0;
1228
1229         P0()
1230         {
1231                 int r1, r2;
1232
1233                 r1 = READ_ONCE(x);
1234                 r2 = READ_ONCE(x);
1235         }
1236
1237         P1()
1238         {
1239                 WRITE_ONCE(x, 9);
1240         }
1241
1242 If r1 = 0 and r2 = 9 at the end then P0's accesses must have executed
1243 in program order.  If the second load had executed before the first
1244 then the x = 9 store must have been propagated to P0 before the first
1245 load executed, and so r1 would have been 9 rather than 0.  In this
1246 case there is a prop link from P0's first read event to its second,
1247 because P1's store overwrote the value read by P0's first load, and
1248 P1's store propagated to P0 before P0's second load executed.
1249
1250 Less trivial examples of prop all involve fences.  Unlike the simple
1251 examples above, they can require that some instructions are executed
1252 out of program order.  This next one should look familiar:
1253
1254         int buf = 0, flag = 0;
1255
1256         P0()
1257         {
1258                 WRITE_ONCE(buf, 1);
1259                 smp_wmb();
1260                 WRITE_ONCE(flag, 1);
1261         }
1262
1263         P1()
1264         {
1265                 int r1;
1266                 int r2;
1267
1268                 r1 = READ_ONCE(flag);
1269                 r2 = READ_ONCE(buf);
1270         }
1271
1272 This is the MP pattern again, with an smp_wmb() fence between the two
1273 stores.  If r1 = 1 and r2 = 0 at the end then there is a prop link
1274 from P1's second load to its first (backwards!).  The reason is
1275 similar to the previous examples: The value P1 loads from buf gets
1276 overwritten by P0's store to buf, the fence guarantees that the store
1277 to buf will propagate to P1 before the store to flag does, and the
1278 store to flag propagates to P1 before P1 reads flag.
1279
1280 The prop link says that in order to obtain the r1 = 1, r2 = 0 result,
1281 P1 must execute its second load before the first.  Indeed, if the load
1282 from flag were executed first, then the buf = 1 store would already
1283 have propagated to P1 by the time P1's load from buf executed, so r2
1284 would have been 1 at the end, not 0.  (The reasoning holds even for
1285 Alpha, although the details are more complicated and we will not go
1286 into them.)
1287
1288 But what if we put an smp_rmb() fence between P1's loads?  The fence
1289 would force the two loads to be executed in program order, and it
1290 would generate a cycle in the hb relation: The fence would create a ppo
1291 link (hence an hb link) from the first load to the second, and the
1292 prop relation would give an hb link from the second load to the first.
1293 Since an instruction can't execute before itself, we are forced to
1294 conclude that if an smp_rmb() fence is added, the r1 = 1, r2 = 0
1295 outcome is impossible -- as it should be.
1296
1297 The formal definition of the prop relation involves a coe or fre link,
1298 followed by an arbitrary number of cumul-fence links, ending with an
1299 rfe link.  You can concoct more exotic examples, containing more than
1300 one fence, although this quickly leads to diminishing returns in terms
1301 of complexity.  For instance, here's an example containing a coe link
1302 followed by two cumul-fences and an rfe link, utilizing the fact that
1303 release fences are A-cumulative:
1304
1305         int x, y, z;
1306
1307         P0()
1308         {
1309                 int r0;
1310
1311                 WRITE_ONCE(x, 1);
1312                 r0 = READ_ONCE(z);
1313         }
1314
1315         P1()
1316         {
1317                 WRITE_ONCE(x, 2);
1318                 smp_wmb();
1319                 WRITE_ONCE(y, 1);
1320         }
1321
1322         P2()
1323         {
1324                 int r2;
1325
1326                 r2 = READ_ONCE(y);
1327                 smp_store_release(&z, 1);
1328         }
1329
1330 If x = 2, r0 = 1, and r2 = 1 after this code runs then there is a prop
1331 link from P0's store to its load.  This is because P0's store gets
1332 overwritten by P1's store since x = 2 at the end (a coe link), the
1333 smp_wmb() ensures that P1's store to x propagates to P2 before the
1334 store to y does (the first cumul-fence), the store to y propagates to P2
1335 before P2's load and store execute, P2's smp_store_release()
1336 guarantees that the stores to x and y both propagate to P0 before the
1337 store to z does (the second cumul-fence), and P0's load executes after the
1338 store to z has propagated to P0 (an rfe link).
1339
1340 In summary, the fact that the hb relation links memory access events
1341 in the order they execute means that it must not have cycles.  This
1342 requirement is the content of the LKMM's "happens-before" axiom.
1343
1344 The LKMM defines yet another relation connected to times of
1345 instruction execution, but it is not included in hb.  It relies on the
1346 particular properties of strong fences, which we cover in the next
1347 section.
1348
1349
1350 THE PROPAGATES-BEFORE RELATION: pb
1351 ----------------------------------
1352
1353 The propagates-before (pb) relation capitalizes on the special
1354 features of strong fences.  It links two events E and F whenever some
1355 store is coherence-later than E and propagates to every CPU and to RAM
1356 before F executes.  The formal definition requires that E be linked to
1357 F via a coe or fre link, an arbitrary number of cumul-fences, an
1358 optional rfe link, a strong fence, and an arbitrary number of hb
1359 links.  Let's see how this definition works out.
1360
1361 Consider first the case where E is a store (implying that the sequence
1362 of links begins with coe).  Then there are events W, X, Y, and Z such
1363 that:
1364
1365         E ->coe W ->cumul-fence* X ->rfe? Y ->strong-fence Z ->hb* F,
1366
1367 where the * suffix indicates an arbitrary number of links of the
1368 specified type, and the ? suffix indicates the link is optional (Y may
1369 be equal to X).  Because of the cumul-fence links, we know that W will
1370 propagate to Y's CPU before X does, hence before Y executes and hence
1371 before the strong fence executes.  Because this fence is strong, we
1372 know that W will propagate to every CPU and to RAM before Z executes.
1373 And because of the hb links, we know that Z will execute before F.
1374 Thus W, which comes later than E in the coherence order, will
1375 propagate to every CPU and to RAM before F executes.
1376
1377 The case where E is a load is exactly the same, except that the first
1378 link in the sequence is fre instead of coe.
1379
1380 The existence of a pb link from E to F implies that E must execute
1381 before F.  To see why, suppose that F executed first.  Then W would
1382 have propagated to E's CPU before E executed.  If E was a store, the
1383 memory subsystem would then be forced to make E come after W in the
1384 coherence order, contradicting the fact that E ->coe W.  If E was a
1385 load, the memory subsystem would then be forced to satisfy E's read
1386 request with the value stored by W or an even later store,
1387 contradicting the fact that E ->fre W.
1388
1389 A good example illustrating how pb works is the SB pattern with strong
1390 fences:
1391
1392         int x = 0, y = 0;
1393
1394         P0()
1395         {
1396                 int r0;
1397
1398                 WRITE_ONCE(x, 1);
1399                 smp_mb();
1400                 r0 = READ_ONCE(y);
1401         }
1402
1403         P1()
1404         {
1405                 int r1;
1406
1407                 WRITE_ONCE(y, 1);
1408                 smp_mb();
1409                 r1 = READ_ONCE(x);
1410         }
1411
1412 If r0 = 0 at the end then there is a pb link from P0's load to P1's
1413 load: an fre link from P0's load to P1's store (which overwrites the
1414 value read by P0), and a strong fence between P1's store and its load.
1415 In this example, the sequences of cumul-fence and hb links are empty.
1416 Note that this pb link is not included in hb as an instance of prop,
1417 because it does not start and end on the same CPU.
1418
1419 Similarly, if r1 = 0 at the end then there is a pb link from P1's load
1420 to P0's.  This means that if both r1 and r2 were 0 there would be a
1421 cycle in pb, which is not possible since an instruction cannot execute
1422 before itself.  Thus, adding smp_mb() fences to the SB pattern
1423 prevents the r0 = 0, r1 = 0 outcome.
1424
1425 In summary, the fact that the pb relation links events in the order
1426 they execute means that it cannot have cycles.  This requirement is
1427 the content of the LKMM's "propagation" axiom.
1428
1429
1430 RCU RELATIONS: rcu-link, rcu-gp, rcu-rscsi, rcu-order, rcu-fence, and rb
1431 ------------------------------------------------------------------------
1432
1433 RCU (Read-Copy-Update) is a powerful synchronization mechanism.  It
1434 rests on two concepts: grace periods and read-side critical sections.
1435
1436 A grace period is the span of time occupied by a call to
1437 synchronize_rcu().  A read-side critical section (or just critical
1438 section, for short) is a region of code delimited by rcu_read_lock()
1439 at the start and rcu_read_unlock() at the end.  Critical sections can
1440 be nested, although we won't make use of this fact.
1441
1442 As far as memory models are concerned, RCU's main feature is its
1443 Grace-Period Guarantee, which states that a critical section can never
1444 span a full grace period.  In more detail, the Guarantee says:
1445
1446         For any critical section C and any grace period G, at least
1447         one of the following statements must hold:
1448
1449 (1)     C ends before G does, and in addition, every store that
1450         propagates to C's CPU before the end of C must propagate to
1451         every CPU before G ends.
1452
1453 (2)     G starts before C does, and in addition, every store that
1454         propagates to G's CPU before the start of G must propagate
1455         to every CPU before C starts.
1456
1457 In particular, it is not possible for a critical section to both start
1458 before and end after a grace period.
1459
1460 Here is a simple example of RCU in action:
1461
1462         int x, y;
1463
1464         P0()
1465         {
1466                 rcu_read_lock();
1467                 WRITE_ONCE(x, 1);
1468                 WRITE_ONCE(y, 1);
1469                 rcu_read_unlock();
1470         }
1471
1472         P1()
1473         {
1474                 int r1, r2;
1475
1476                 r1 = READ_ONCE(x);
1477                 synchronize_rcu();
1478                 r2 = READ_ONCE(y);
1479         }
1480
1481 The Grace Period Guarantee tells us that when this code runs, it will
1482 never end with r1 = 1 and r2 = 0.  The reasoning is as follows.  r1 = 1
1483 means that P0's store to x propagated to P1 before P1 called
1484 synchronize_rcu(), so P0's critical section must have started before
1485 P1's grace period, contrary to part (2) of the Guarantee.  On the
1486 other hand, r2 = 0 means that P0's store to y, which occurs before the
1487 end of the critical section, did not propagate to P1 before the end of
1488 the grace period, contrary to part (1).  Together the results violate
1489 the Guarantee.
1490
1491 In the kernel's implementations of RCU, the requirements for stores
1492 to propagate to every CPU are fulfilled by placing strong fences at
1493 suitable places in the RCU-related code.  Thus, if a critical section
1494 starts before a grace period does then the critical section's CPU will
1495 execute an smp_mb() fence after the end of the critical section and
1496 some time before the grace period's synchronize_rcu() call returns.
1497 And if a critical section ends after a grace period does then the
1498 synchronize_rcu() routine will execute an smp_mb() fence at its start
1499 and some time before the critical section's opening rcu_read_lock()
1500 executes.
1501
1502 What exactly do we mean by saying that a critical section "starts
1503 before" or "ends after" a grace period?  Some aspects of the meaning
1504 are pretty obvious, as in the example above, but the details aren't
1505 entirely clear.  The LKMM formalizes this notion by means of the
1506 rcu-link relation.  rcu-link encompasses a very general notion of
1507 "before": If E and F are RCU fence events (i.e., rcu_read_lock(),
1508 rcu_read_unlock(), or synchronize_rcu()) then among other things,
1509 E ->rcu-link F includes cases where E is po-before some memory-access
1510 event X, F is po-after some memory-access event Y, and we have any of
1511 X ->rfe Y, X ->co Y, or X ->fr Y.
1512
1513 The formal definition of the rcu-link relation is more than a little
1514 obscure, and we won't give it here.  It is closely related to the pb
1515 relation, and the details don't matter unless you want to comb through
1516 a somewhat lengthy formal proof.  Pretty much all you need to know
1517 about rcu-link is the information in the preceding paragraph.
1518
1519 The LKMM also defines the rcu-gp and rcu-rscsi relations.  They bring
1520 grace periods and read-side critical sections into the picture, in the
1521 following way:
1522
1523         E ->rcu-gp F means that E and F are in fact the same event,
1524         and that event is a synchronize_rcu() fence (i.e., a grace
1525         period).
1526
1527         E ->rcu-rscsi F means that E and F are the rcu_read_unlock()
1528         and rcu_read_lock() fence events delimiting some read-side
1529         critical section.  (The 'i' at the end of the name emphasizes
1530         that this relation is "inverted": It links the end of the
1531         critical section to the start.)
1532
1533 If we think of the rcu-link relation as standing for an extended
1534 "before", then X ->rcu-gp Y ->rcu-link Z roughly says that X is a
1535 grace period which ends before Z begins.  (In fact it covers more than
1536 this, because it also includes cases where some store propagates to
1537 Z's CPU before Z begins but doesn't propagate to some other CPU until
1538 after X ends.)  Similarly, X ->rcu-rscsi Y ->rcu-link Z says that X is
1539 the end of a critical section which starts before Z begins.
1540
1541 The LKMM goes on to define the rcu-order relation as a sequence of
1542 rcu-gp and rcu-rscsi links separated by rcu-link links, in which the
1543 number of rcu-gp links is >= the number of rcu-rscsi links.  For
1544 example:
1545
1546         X ->rcu-gp Y ->rcu-link Z ->rcu-rscsi T ->rcu-link U ->rcu-gp V
1547
1548 would imply that X ->rcu-order V, because this sequence contains two
1549 rcu-gp links and one rcu-rscsi link.  (It also implies that
1550 X ->rcu-order T and Z ->rcu-order V.)  On the other hand:
1551
1552         X ->rcu-rscsi Y ->rcu-link Z ->rcu-rscsi T ->rcu-link U ->rcu-gp V
1553
1554 does not imply X ->rcu-order V, because the sequence contains only
1555 one rcu-gp link but two rcu-rscsi links.
1556
1557 The rcu-order relation is important because the Grace Period Guarantee
1558 means that rcu-order links act kind of like strong fences.  In
1559 particular, E ->rcu-order F implies not only that E begins before F
1560 ends, but also that any write po-before E will propagate to every CPU
1561 before any instruction po-after F can execute.  (However, it does not
1562 imply that E must execute before F; in fact, each synchronize_rcu()
1563 fence event is linked to itself by rcu-order as a degenerate case.)
1564
1565 To prove this in full generality requires some intellectual effort.
1566 We'll consider just a very simple case:
1567
1568         G ->rcu-gp W ->rcu-link Z ->rcu-rscsi F.
1569
1570 This formula means that G and W are the same event (a grace period),
1571 and there are events X, Y and a read-side critical section C such that:
1572
1573         1. G = W is po-before or equal to X;
1574
1575         2. X comes "before" Y in some sense (including rfe, co and fr);
1576
1577         3. Y is po-before Z;
1578
1579         4. Z is the rcu_read_unlock() event marking the end of C;
1580
1581         5. F is the rcu_read_lock() event marking the start of C.
1582
1583 From 1 - 4 we deduce that the grace period G ends before the critical
1584 section C.  Then part (2) of the Grace Period Guarantee says not only
1585 that G starts before C does, but also that any write which executes on
1586 G's CPU before G starts must propagate to every CPU before C starts.
1587 In particular, the write propagates to every CPU before F finishes
1588 executing and hence before any instruction po-after F can execute.
1589 This sort of reasoning can be extended to handle all the situations
1590 covered by rcu-order.
1591
1592 The rcu-fence relation is a simple extension of rcu-order.  While
1593 rcu-order only links certain fence events (calls to synchronize_rcu(),
1594 rcu_read_lock(), or rcu_read_unlock()), rcu-fence links any events
1595 that are separated by an rcu-order link.  This is analogous to the way
1596 the strong-fence relation links events that are separated by an
1597 smp_mb() fence event (as mentioned above, rcu-order links act kind of
1598 like strong fences).  Written symbolically, X ->rcu-fence Y means
1599 there are fence events E and F such that:
1600
1601         X ->po E ->rcu-order F ->po Y.
1602
1603 From the discussion above, we see this implies not only that X
1604 executes before Y, but also (if X is a store) that X propagates to
1605 every CPU before Y executes.  Thus rcu-fence is sort of a
1606 "super-strong" fence: Unlike the original strong fences (smp_mb() and
1607 synchronize_rcu()), rcu-fence is able to link events on different
1608 CPUs.  (Perhaps this fact should lead us to say that rcu-fence isn't
1609 really a fence at all!)
1610
1611 Finally, the LKMM defines the RCU-before (rb) relation in terms of
1612 rcu-fence.  This is done in essentially the same way as the pb
1613 relation was defined in terms of strong-fence.  We will omit the
1614 details; the end result is that E ->rb F implies E must execute
1615 before F, just as E ->pb F does (and for much the same reasons).
1616
1617 Putting this all together, the LKMM expresses the Grace Period
1618 Guarantee by requiring that the rb relation does not contain a cycle.
1619 Equivalently, this "rcu" axiom requires that there are no events E
1620 and F with E ->rcu-link F ->rcu-order E.  Or to put it a third way,
1621 the axiom requires that there are no cycles consisting of rcu-gp and
1622 rcu-rscsi alternating with rcu-link, where the number of rcu-gp links
1623 is >= the number of rcu-rscsi links.
1624
1625 Justifying the axiom isn't easy, but it is in fact a valid
1626 formalization of the Grace Period Guarantee.  We won't attempt to go
1627 through the detailed argument, but the following analysis gives a
1628 taste of what is involved.  Suppose both parts of the Guarantee are
1629 violated: A critical section starts before a grace period, and some
1630 store propagates to the critical section's CPU before the end of the
1631 critical section but doesn't propagate to some other CPU until after
1632 the end of the grace period.
1633
1634 Putting symbols to these ideas, let L and U be the rcu_read_lock() and
1635 rcu_read_unlock() fence events delimiting the critical section in
1636 question, and let S be the synchronize_rcu() fence event for the grace
1637 period.  Saying that the critical section starts before S means there
1638 are events Q and R where Q is po-after L (which marks the start of the
1639 critical section), Q is "before" R in the sense used by the rcu-link
1640 relation, and R is po-before the grace period S.  Thus we have:
1641
1642         L ->rcu-link S.
1643
1644 Let W be the store mentioned above, let Y come before the end of the
1645 critical section and witness that W propagates to the critical
1646 section's CPU by reading from W, and let Z on some arbitrary CPU be a
1647 witness that W has not propagated to that CPU, where Z happens after
1648 some event X which is po-after S.  Symbolically, this amounts to:
1649
1650         S ->po X ->hb* Z ->fr W ->rf Y ->po U.
1651
1652 The fr link from Z to W indicates that W has not propagated to Z's CPU
1653 at the time that Z executes.  From this, it can be shown (see the
1654 discussion of the rcu-link relation earlier) that S and U are related
1655 by rcu-link:
1656
1657         S ->rcu-link U.
1658
1659 Since S is a grace period we have S ->rcu-gp S, and since L and U are
1660 the start and end of the critical section C we have U ->rcu-rscsi L.
1661 From this we obtain:
1662
1663         S ->rcu-gp S ->rcu-link U ->rcu-rscsi L ->rcu-link S,
1664
1665 a forbidden cycle.  Thus the "rcu" axiom rules out this violation of
1666 the Grace Period Guarantee.
1667
1668 For something a little more down-to-earth, let's see how the axiom
1669 works out in practice.  Consider the RCU code example from above, this
1670 time with statement labels added:
1671
1672         int x, y;
1673
1674         P0()
1675         {
1676                 L: rcu_read_lock();
1677                 X: WRITE_ONCE(x, 1);
1678                 Y: WRITE_ONCE(y, 1);
1679                 U: rcu_read_unlock();
1680         }
1681
1682         P1()
1683         {
1684                 int r1, r2;
1685
1686                 Z: r1 = READ_ONCE(x);
1687                 S: synchronize_rcu();
1688                 W: r2 = READ_ONCE(y);
1689         }
1690
1691
1692 If r2 = 0 at the end then P0's store at Y overwrites the value that
1693 P1's load at W reads from, so we have W ->fre Y.  Since S ->po W and
1694 also Y ->po U, we get S ->rcu-link U.  In addition, S ->rcu-gp S
1695 because S is a grace period.
1696
1697 If r1 = 1 at the end then P1's load at Z reads from P0's store at X,
1698 so we have X ->rfe Z.  Together with L ->po X and Z ->po S, this
1699 yields L ->rcu-link S.  And since L and U are the start and end of a
1700 critical section, we have U ->rcu-rscsi L.
1701
1702 Then U ->rcu-rscsi L ->rcu-link S ->rcu-gp S ->rcu-link U is a
1703 forbidden cycle, violating the "rcu" axiom.  Hence the outcome is not
1704 allowed by the LKMM, as we would expect.
1705
1706 For contrast, let's see what can happen in a more complicated example:
1707
1708         int x, y, z;
1709
1710         P0()
1711         {
1712                 int r0;
1713
1714                 L0: rcu_read_lock();
1715                     r0 = READ_ONCE(x);
1716                     WRITE_ONCE(y, 1);
1717                 U0: rcu_read_unlock();
1718         }
1719
1720         P1()
1721         {
1722                 int r1;
1723
1724                     r1 = READ_ONCE(y);
1725                 S1: synchronize_rcu();
1726                     WRITE_ONCE(z, 1);
1727         }
1728
1729         P2()
1730         {
1731                 int r2;
1732
1733                 L2: rcu_read_lock();
1734                     r2 = READ_ONCE(z);
1735                     WRITE_ONCE(x, 1);
1736                 U2: rcu_read_unlock();
1737         }
1738
1739 If r0 = r1 = r2 = 1 at the end, then similar reasoning to before shows
1740 that U0 ->rcu-rscsi L0 ->rcu-link S1 ->rcu-gp S1 ->rcu-link U2 ->rcu-rscsi
1741 L2 ->rcu-link U0.  However this cycle is not forbidden, because the
1742 sequence of relations contains fewer instances of rcu-gp (one) than of
1743 rcu-rscsi (two).  Consequently the outcome is allowed by the LKMM.
1744 The following instruction timing diagram shows how it might actually
1745 occur:
1746
1747 P0                      P1                      P2
1748 --------------------    --------------------    --------------------
1749 rcu_read_lock()
1750 WRITE_ONCE(y, 1)
1751                         r1 = READ_ONCE(y)
1752                         synchronize_rcu() starts
1753                         .                       rcu_read_lock()
1754                         .                       WRITE_ONCE(x, 1)
1755 r0 = READ_ONCE(x)       .
1756 rcu_read_unlock()       .
1757                         synchronize_rcu() ends
1758                         WRITE_ONCE(z, 1)
1759                                                 r2 = READ_ONCE(z)
1760                                                 rcu_read_unlock()
1761
1762 This requires P0 and P2 to execute their loads and stores out of
1763 program order, but of course they are allowed to do so.  And as you
1764 can see, the Grace Period Guarantee is not violated: The critical
1765 section in P0 both starts before P1's grace period does and ends
1766 before it does, and the critical section in P2 both starts after P1's
1767 grace period does and ends after it does.
1768
1769 Addendum: The LKMM now supports SRCU (Sleepable Read-Copy-Update) in
1770 addition to normal RCU.  The ideas involved are much the same as
1771 above, with new relations srcu-gp and srcu-rscsi added to represent
1772 SRCU grace periods and read-side critical sections.  There is a
1773 restriction on the srcu-gp and srcu-rscsi links that can appear in an
1774 rcu-order sequence (the srcu-rscsi links must be paired with srcu-gp
1775 links having the same SRCU domain with proper nesting); the details
1776 are relatively unimportant.
1777
1778
1779 LOCKING
1780 -------
1781
1782 The LKMM includes locking.  In fact, there is special code for locking
1783 in the formal model, added in order to make tools run faster.
1784 However, this special code is intended to be more or less equivalent
1785 to concepts we have already covered.  A spinlock_t variable is treated
1786 the same as an int, and spin_lock(&s) is treated almost the same as:
1787
1788         while (cmpxchg_acquire(&s, 0, 1) != 0)
1789                 cpu_relax();
1790
1791 This waits until s is equal to 0 and then atomically sets it to 1,
1792 and the read part of the cmpxchg operation acts as an acquire fence.
1793 An alternate way to express the same thing would be:
1794
1795         r = xchg_acquire(&s, 1);
1796
1797 along with a requirement that at the end, r = 0.  Similarly,
1798 spin_trylock(&s) is treated almost the same as:
1799
1800         return !cmpxchg_acquire(&s, 0, 1);
1801
1802 which atomically sets s to 1 if it is currently equal to 0 and returns
1803 true if it succeeds (the read part of the cmpxchg operation acts as an
1804 acquire fence only if the operation is successful).  spin_unlock(&s)
1805 is treated almost the same as:
1806
1807         smp_store_release(&s, 0);
1808
1809 The "almost" qualifiers above need some explanation.  In the LKMM, the
1810 store-release in a spin_unlock() and the load-acquire which forms the
1811 first half of the atomic rmw update in a spin_lock() or a successful
1812 spin_trylock() -- we can call these things lock-releases and
1813 lock-acquires -- have two properties beyond those of ordinary releases
1814 and acquires.
1815
1816 First, when a lock-acquire reads from a lock-release, the LKMM
1817 requires that every instruction po-before the lock-release must
1818 execute before any instruction po-after the lock-acquire.  This would
1819 naturally hold if the release and acquire operations were on different
1820 CPUs, but the LKMM says it holds even when they are on the same CPU.
1821 For example:
1822
1823         int x, y;
1824         spinlock_t s;
1825
1826         P0()
1827         {
1828                 int r1, r2;
1829
1830                 spin_lock(&s);
1831                 r1 = READ_ONCE(x);
1832                 spin_unlock(&s);
1833                 spin_lock(&s);
1834                 r2 = READ_ONCE(y);
1835                 spin_unlock(&s);
1836         }
1837
1838         P1()
1839         {
1840                 WRITE_ONCE(y, 1);
1841                 smp_wmb();
1842                 WRITE_ONCE(x, 1);
1843         }
1844
1845 Here the second spin_lock() reads from the first spin_unlock(), and
1846 therefore the load of x must execute before the load of y.  Thus we
1847 cannot have r1 = 1 and r2 = 0 at the end (this is an instance of the
1848 MP pattern).
1849
1850 This requirement does not apply to ordinary release and acquire
1851 fences, only to lock-related operations.  For instance, suppose P0()
1852 in the example had been written as:
1853
1854         P0()
1855         {
1856                 int r1, r2, r3;
1857
1858                 r1 = READ_ONCE(x);
1859                 smp_store_release(&s, 1);
1860                 r3 = smp_load_acquire(&s);
1861                 r2 = READ_ONCE(y);
1862         }
1863
1864 Then the CPU would be allowed to forward the s = 1 value from the
1865 smp_store_release() to the smp_load_acquire(), executing the
1866 instructions in the following order:
1867
1868                 r3 = smp_load_acquire(&s);      // Obtains r3 = 1
1869                 r2 = READ_ONCE(y);
1870                 r1 = READ_ONCE(x);
1871                 smp_store_release(&s, 1);       // Value is forwarded
1872
1873 and thus it could load y before x, obtaining r2 = 0 and r1 = 1.
1874
1875 Second, when a lock-acquire reads from a lock-release, and some other
1876 stores W and W' occur po-before the lock-release and po-after the
1877 lock-acquire respectively, the LKMM requires that W must propagate to
1878 each CPU before W' does.  For example, consider:
1879
1880         int x, y;
1881         spinlock_t x;
1882
1883         P0()
1884         {
1885                 spin_lock(&s);
1886                 WRITE_ONCE(x, 1);
1887                 spin_unlock(&s);
1888         }
1889
1890         P1()
1891         {
1892                 int r1;
1893
1894                 spin_lock(&s);
1895                 r1 = READ_ONCE(x);
1896                 WRITE_ONCE(y, 1);
1897                 spin_unlock(&s);
1898         }
1899
1900         P2()
1901         {
1902                 int r2, r3;
1903
1904                 r2 = READ_ONCE(y);
1905                 smp_rmb();
1906                 r3 = READ_ONCE(x);
1907         }
1908
1909 If r1 = 1 at the end then the spin_lock() in P1 must have read from
1910 the spin_unlock() in P0.  Hence the store to x must propagate to P2
1911 before the store to y does, so we cannot have r2 = 1 and r3 = 0.
1912
1913 These two special requirements for lock-release and lock-acquire do
1914 not arise from the operational model.  Nevertheless, kernel developers
1915 have come to expect and rely on them because they do hold on all
1916 architectures supported by the Linux kernel, albeit for various
1917 differing reasons.
1918
1919
1920 PLAIN ACCESSES AND DATA RACES
1921 -----------------------------
1922
1923 In the LKMM, memory accesses such as READ_ONCE(x), atomic_inc(&y),
1924 smp_load_acquire(&z), and so on are collectively referred to as
1925 "marked" accesses, because they are all annotated with special
1926 operations of one kind or another.  Ordinary C-language memory
1927 accesses such as x or y = 0 are simply called "plain" accesses.
1928
1929 Early versions of the LKMM had nothing to say about plain accesses.
1930 The C standard allows compilers to assume that the variables affected
1931 by plain accesses are not concurrently read or written by any other
1932 threads or CPUs.  This leaves compilers free to implement all manner
1933 of transformations or optimizations of code containing plain accesses,
1934 making such code very difficult for a memory model to handle.
1935
1936 Here is just one example of a possible pitfall:
1937
1938         int a = 6;
1939         int *x = &a;
1940
1941         P0()
1942         {
1943                 int *r1;
1944                 int r2 = 0;
1945
1946                 r1 = x;
1947                 if (r1 != NULL)
1948                         r2 = READ_ONCE(*r1);
1949         }
1950
1951         P1()
1952         {
1953                 WRITE_ONCE(x, NULL);
1954         }
1955
1956 On the face of it, one would expect that when this code runs, the only
1957 possible final values for r2 are 6 and 0, depending on whether or not
1958 P1's store to x propagates to P0 before P0's load from x executes.
1959 But since P0's load from x is a plain access, the compiler may decide
1960 to carry out the load twice (for the comparison against NULL, then again
1961 for the READ_ONCE()) and eliminate the temporary variable r1.  The
1962 object code generated for P0 could therefore end up looking rather
1963 like this:
1964
1965         P0()
1966         {
1967                 int r2 = 0;
1968
1969                 if (x != NULL)
1970                         r2 = READ_ONCE(*x);
1971         }
1972
1973 And now it is obvious that this code runs the risk of dereferencing a
1974 NULL pointer, because P1's store to x might propagate to P0 after the
1975 test against NULL has been made but before the READ_ONCE() executes.
1976 If the original code had said "r1 = READ_ONCE(x)" instead of "r1 = x",
1977 the compiler would not have performed this optimization and there
1978 would be no possibility of a NULL-pointer dereference.
1979
1980 Given the possibility of transformations like this one, the LKMM
1981 doesn't try to predict all possible outcomes of code containing plain
1982 accesses.  It is instead content to determine whether the code
1983 violates the compiler's assumptions, which would render the ultimate
1984 outcome undefined.
1985
1986 In technical terms, the compiler is allowed to assume that when the
1987 program executes, there will not be any data races.  A "data race"
1988 occurs when there are two memory accesses such that:
1989
1990 1.      they access the same location,
1991
1992 2.      at least one of them is a store,
1993
1994 3.      at least one of them is plain,
1995
1996 4.      they occur on different CPUs (or in different threads on the
1997         same CPU), and
1998
1999 5.      they execute concurrently.
2000
2001 In the literature, two accesses are said to "conflict" if they satisfy
2002 1 and 2 above.  We'll go a little farther and say that two accesses
2003 are "race candidates" if they satisfy 1 - 4.  Thus, whether or not two
2004 race candidates actually do race in a given execution depends on
2005 whether they are concurrent.
2006
2007 The LKMM tries to determine whether a program contains race candidates
2008 which may execute concurrently; if it does then the LKMM says there is
2009 a potential data race and makes no predictions about the program's
2010 outcome.
2011
2012 Determining whether two accesses are race candidates is easy; you can
2013 see that all the concepts involved in the definition above are already
2014 part of the memory model.  The hard part is telling whether they may
2015 execute concurrently.  The LKMM takes a conservative attitude,
2016 assuming that accesses may be concurrent unless it can prove they
2017 are not.
2018
2019 If two memory accesses aren't concurrent then one must execute before
2020 the other.  Therefore the LKMM decides two accesses aren't concurrent
2021 if they can be connected by a sequence of hb, pb, and rb links
2022 (together referred to as xb, for "executes before").  However, there
2023 are two complicating factors.
2024
2025 If X is a load and X executes before a store Y, then indeed there is
2026 no danger of X and Y being concurrent.  After all, Y can't have any
2027 effect on the value obtained by X until the memory subsystem has
2028 propagated Y from its own CPU to X's CPU, which won't happen until
2029 some time after Y executes and thus after X executes.  But if X is a
2030 store, then even if X executes before Y it is still possible that X
2031 will propagate to Y's CPU just as Y is executing.  In such a case X
2032 could very well interfere somehow with Y, and we would have to
2033 consider X and Y to be concurrent.
2034
2035 Therefore when X is a store, for X and Y to be non-concurrent the LKMM
2036 requires not only that X must execute before Y but also that X must
2037 propagate to Y's CPU before Y executes.  (Or vice versa, of course, if
2038 Y executes before X -- then Y must propagate to X's CPU before X
2039 executes if Y is a store.)  This is expressed by the visibility
2040 relation (vis), where X ->vis Y is defined to hold if there is an
2041 intermediate event Z such that:
2042
2043         X is connected to Z by a possibly empty sequence of
2044         cumul-fence links followed by an optional rfe link (if none of
2045         these links are present, X and Z are the same event),
2046
2047 and either:
2048
2049         Z is connected to Y by a strong-fence link followed by a
2050         possibly empty sequence of xb links,
2051
2052 or:
2053
2054         Z is on the same CPU as Y and is connected to Y by a possibly
2055         empty sequence of xb links (again, if the sequence is empty it
2056         means Z and Y are the same event).
2057
2058 The motivations behind this definition are straightforward:
2059
2060         cumul-fence memory barriers force stores that are po-before
2061         the barrier to propagate to other CPUs before stores that are
2062         po-after the barrier.
2063
2064         An rfe link from an event W to an event R says that R reads
2065         from W, which certainly means that W must have propagated to
2066         R's CPU before R executed.
2067
2068         strong-fence memory barriers force stores that are po-before
2069         the barrier, or that propagate to the barrier's CPU before the
2070         barrier executes, to propagate to all CPUs before any events
2071         po-after the barrier can execute.
2072
2073 To see how this works out in practice, consider our old friend, the MP
2074 pattern (with fences and statement labels, but without the conditional
2075 test):
2076
2077         int buf = 0, flag = 0;
2078
2079         P0()
2080         {
2081                 X: WRITE_ONCE(buf, 1);
2082                    smp_wmb();
2083                 W: WRITE_ONCE(flag, 1);
2084         }
2085
2086         P1()
2087         {
2088                 int r1;
2089                 int r2 = 0;
2090
2091                 Z: r1 = READ_ONCE(flag);
2092                    smp_rmb();
2093                 Y: r2 = READ_ONCE(buf);
2094         }
2095
2096 The smp_wmb() memory barrier gives a cumul-fence link from X to W, and
2097 assuming r1 = 1 at the end, there is an rfe link from W to Z.  This
2098 means that the store to buf must propagate from P0 to P1 before Z
2099 executes.  Next, Z and Y are on the same CPU and the smp_rmb() fence
2100 provides an xb link from Z to Y (i.e., it forces Z to execute before
2101 Y).  Therefore we have X ->vis Y: X must propagate to Y's CPU before Y
2102 executes.
2103
2104 The second complicating factor mentioned above arises from the fact
2105 that when we are considering data races, some of the memory accesses
2106 are plain.  Now, although we have not said so explicitly, up to this
2107 point most of the relations defined by the LKMM (ppo, hb, prop,
2108 cumul-fence, pb, and so on -- including vis) apply only to marked
2109 accesses.
2110
2111 There are good reasons for this restriction.  The compiler is not
2112 allowed to apply fancy transformations to marked accesses, and
2113 consequently each such access in the source code corresponds more or
2114 less directly to a single machine instruction in the object code.  But
2115 plain accesses are a different story; the compiler may combine them,
2116 split them up, duplicate them, eliminate them, invent new ones, and
2117 who knows what else.  Seeing a plain access in the source code tells
2118 you almost nothing about what machine instructions will end up in the
2119 object code.
2120
2121 Fortunately, the compiler isn't completely free; it is subject to some
2122 limitations.  For one, it is not allowed to introduce a data race into
2123 the object code if the source code does not already contain a data
2124 race (if it could, memory models would be useless and no multithreaded
2125 code would be safe!).  For another, it cannot move a plain access past
2126 a compiler barrier.
2127
2128 A compiler barrier is a kind of fence, but as the name implies, it
2129 only affects the compiler; it does not necessarily have any effect on
2130 how instructions are executed by the CPU.  In Linux kernel source
2131 code, the barrier() function is a compiler barrier.  It doesn't give
2132 rise directly to any machine instructions in the object code; rather,
2133 it affects how the compiler generates the rest of the object code.
2134 Given source code like this:
2135
2136         ... some memory accesses ...
2137         barrier();
2138         ... some other memory accesses ...
2139
2140 the barrier() function ensures that the machine instructions
2141 corresponding to the first group of accesses will all end po-before
2142 any machine instructions corresponding to the second group of accesses
2143 -- even if some of the accesses are plain.  (Of course, the CPU may
2144 then execute some of those accesses out of program order, but we
2145 already know how to deal with such issues.)  Without the barrier()
2146 there would be no such guarantee; the two groups of accesses could be
2147 intermingled or even reversed in the object code.
2148
2149 The LKMM doesn't say much about the barrier() function, but it does
2150 require that all fences are also compiler barriers.  In addition, it
2151 requires that the ordering properties of memory barriers such as
2152 smp_rmb() or smp_store_release() apply to plain accesses as well as to
2153 marked accesses.
2154
2155 This is the key to analyzing data races.  Consider the MP pattern
2156 again, now using plain accesses for buf:
2157
2158         int buf = 0, flag = 0;
2159
2160         P0()
2161         {
2162                 U: buf = 1;
2163                    smp_wmb();
2164                 X: WRITE_ONCE(flag, 1);
2165         }
2166
2167         P1()
2168         {
2169                 int r1;
2170                 int r2 = 0;
2171
2172                 Y: r1 = READ_ONCE(flag);
2173                    if (r1) {
2174                            smp_rmb();
2175                         V: r2 = buf;
2176                    }
2177         }
2178
2179 This program does not contain a data race.  Although the U and V
2180 accesses are race candidates, the LKMM can prove they are not
2181 concurrent as follows:
2182
2183         The smp_wmb() fence in P0 is both a compiler barrier and a
2184         cumul-fence.  It guarantees that no matter what hash of
2185         machine instructions the compiler generates for the plain
2186         access U, all those instructions will be po-before the fence.
2187         Consequently U's store to buf, no matter how it is carried out
2188         at the machine level, must propagate to P1 before X's store to
2189         flag does.
2190
2191         X and Y are both marked accesses.  Hence an rfe link from X to
2192         Y is a valid indicator that X propagated to P1 before Y
2193         executed, i.e., X ->vis Y.  (And if there is no rfe link then
2194         r1 will be 0, so V will not be executed and ipso facto won't
2195         race with U.)
2196
2197         The smp_rmb() fence in P1 is a compiler barrier as well as a
2198         fence.  It guarantees that all the machine-level instructions
2199         corresponding to the access V will be po-after the fence, and
2200         therefore any loads among those instructions will execute
2201         after the fence does and hence after Y does.
2202
2203 Thus U's store to buf is forced to propagate to P1 before V's load
2204 executes (assuming V does execute), ruling out the possibility of a
2205 data race between them.
2206
2207 This analysis illustrates how the LKMM deals with plain accesses in
2208 general.  Suppose R is a plain load and we want to show that R
2209 executes before some marked access E.  We can do this by finding a
2210 marked access X such that R and X are ordered by a suitable fence and
2211 X ->xb* E.  If E was also a plain access, we would also look for a
2212 marked access Y such that X ->xb* Y, and Y and E are ordered by a
2213 fence.  We describe this arrangement by saying that R is
2214 "post-bounded" by X and E is "pre-bounded" by Y.
2215
2216 In fact, we go one step further: Since R is a read, we say that R is
2217 "r-post-bounded" by X.  Similarly, E would be "r-pre-bounded" or
2218 "w-pre-bounded" by Y, depending on whether E was a store or a load.
2219 This distinction is needed because some fences affect only loads
2220 (i.e., smp_rmb()) and some affect only stores (smp_wmb()); otherwise
2221 the two types of bounds are the same.  And as a degenerate case, we
2222 say that a marked access pre-bounds and post-bounds itself (e.g., if R
2223 above were a marked load then X could simply be taken to be R itself.)
2224
2225 The need to distinguish between r- and w-bounding raises yet another
2226 issue.  When the source code contains a plain store, the compiler is
2227 allowed to put plain loads of the same location into the object code.
2228 For example, given the source code:
2229
2230         x = 1;
2231
2232 the compiler is theoretically allowed to generate object code that
2233 looks like:
2234
2235         if (x != 1)
2236                 x = 1;
2237
2238 thereby adding a load (and possibly replacing the store entirely).
2239 For this reason, whenever the LKMM requires a plain store to be
2240 w-pre-bounded or w-post-bounded by a marked access, it also requires
2241 the store to be r-pre-bounded or r-post-bounded, so as to handle cases
2242 where the compiler adds a load.
2243
2244 (This may be overly cautious.  We don't know of any examples where a
2245 compiler has augmented a store with a load in this fashion, and the
2246 Linux kernel developers would probably fight pretty hard to change a
2247 compiler if it ever did this.  Still, better safe than sorry.)
2248
2249 Incidentally, the other tranformation -- augmenting a plain load by
2250 adding in a store to the same location -- is not allowed.  This is
2251 because the compiler cannot know whether any other CPUs might perform
2252 a concurrent load from that location.  Two concurrent loads don't
2253 constitute a race (they can't interfere with each other), but a store
2254 does race with a concurrent load.  Thus adding a store might create a
2255 data race where one was not already present in the source code,
2256 something the compiler is forbidden to do.  Augmenting a store with a
2257 load, on the other hand, is acceptable because doing so won't create a
2258 data race unless one already existed.
2259
2260 The LKMM includes a second way to pre-bound plain accesses, in
2261 addition to fences: an address dependency from a marked load.  That
2262 is, in the sequence:
2263
2264         p = READ_ONCE(ptr);
2265         r = *p;
2266
2267 the LKMM says that the marked load of ptr pre-bounds the plain load of
2268 *p; the marked load must execute before any of the machine
2269 instructions corresponding to the plain load.  This is a reasonable
2270 stipulation, since after all, the CPU can't perform the load of *p
2271 until it knows what value p will hold.  Furthermore, without some
2272 assumption like this one, some usages typical of RCU would count as
2273 data races.  For example:
2274
2275         int a = 1, b;
2276         int *ptr = &a;
2277
2278         P0()
2279         {
2280                 b = 2;
2281                 rcu_assign_pointer(ptr, &b);
2282         }
2283
2284         P1()
2285         {
2286                 int *p;
2287                 int r;
2288
2289                 rcu_read_lock();
2290                 p = rcu_dereference(ptr);
2291                 r = *p;
2292                 rcu_read_unlock();
2293         }
2294
2295 (In this example the rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() calls don't
2296 really do anything, because there aren't any grace periods.  They are
2297 included merely for the sake of good form; typically P0 would call
2298 synchronize_rcu() somewhere after the rcu_assign_pointer().)
2299
2300 rcu_assign_pointer() performs a store-release, so the plain store to b
2301 is definitely w-post-bounded before the store to ptr, and the two
2302 stores will propagate to P1 in that order.  However, rcu_dereference()
2303 is only equivalent to READ_ONCE().  While it is a marked access, it is
2304 not a fence or compiler barrier.  Hence the only guarantee we have
2305 that the load of ptr in P1 is r-pre-bounded before the load of *p
2306 (thus avoiding a race) is the assumption about address dependencies.
2307
2308 This is a situation where the compiler can undermine the memory model,
2309 and a certain amount of care is required when programming constructs
2310 like this one.  In particular, comparisons between the pointer and
2311 other known addresses can cause trouble.  If you have something like:
2312
2313         p = rcu_dereference(ptr);
2314         if (p == &x)
2315                 r = *p;
2316
2317 then the compiler just might generate object code resembling:
2318
2319         p = rcu_dereference(ptr);
2320         if (p == &x)
2321                 r = x;
2322
2323 or even:
2324
2325         rtemp = x;
2326         p = rcu_dereference(ptr);
2327         if (p == &x)
2328                 r = rtemp;
2329
2330 which would invalidate the memory model's assumption, since the CPU
2331 could now perform the load of x before the load of ptr (there might be
2332 a control dependency but no address dependency at the machine level).
2333
2334 Finally, it turns out there is a situation in which a plain write does
2335 not need to be w-post-bounded: when it is separated from the other
2336 race-candidate access by a fence.  At first glance this may seem
2337 impossible.  After all, to be race candidates the two accesses must
2338 be on different CPUs, and fences don't link events on different CPUs.
2339 Well, normal fences don't -- but rcu-fence can!  Here's an example:
2340
2341         int x, y;
2342
2343         P0()
2344         {
2345                 WRITE_ONCE(x, 1);
2346                 synchronize_rcu();
2347                 y = 3;
2348         }
2349
2350         P1()
2351         {
2352                 rcu_read_lock();
2353                 if (READ_ONCE(x) == 0)
2354                         y = 2;
2355                 rcu_read_unlock();
2356         }
2357
2358 Do the plain stores to y race?  Clearly not if P1 reads a non-zero
2359 value for x, so let's assume the READ_ONCE(x) does obtain 0.  This
2360 means that the read-side critical section in P1 must finish executing
2361 before the grace period in P0 does, because RCU's Grace-Period
2362 Guarantee says that otherwise P0's store to x would have propagated to
2363 P1 before the critical section started and so would have been visible
2364 to the READ_ONCE().  (Another way of putting it is that the fre link
2365 from the READ_ONCE() to the WRITE_ONCE() gives rise to an rcu-link
2366 between those two events.)
2367
2368 This means there is an rcu-fence link from P1's "y = 2" store to P0's
2369 "y = 3" store, and consequently the first must propagate from P1 to P0
2370 before the second can execute.  Therefore the two stores cannot be
2371 concurrent and there is no race, even though P1's plain store to y
2372 isn't w-post-bounded by any marked accesses.
2373
2374 Putting all this material together yields the following picture.  For
2375 race-candidate stores W and W', where W ->co W', the LKMM says the
2376 stores don't race if W can be linked to W' by a
2377
2378         w-post-bounded ; vis ; w-pre-bounded
2379
2380 sequence.  If W is plain then they also have to be linked by an
2381
2382         r-post-bounded ; xb* ; w-pre-bounded
2383
2384 sequence, and if W' is plain then they also have to be linked by a
2385
2386         w-post-bounded ; vis ; r-pre-bounded
2387
2388 sequence.  For race-candidate load R and store W, the LKMM says the
2389 two accesses don't race if R can be linked to W by an
2390
2391         r-post-bounded ; xb* ; w-pre-bounded
2392
2393 sequence or if W can be linked to R by a
2394
2395         w-post-bounded ; vis ; r-pre-bounded
2396
2397 sequence.  For the cases involving a vis link, the LKMM also accepts
2398 sequences in which W is linked to W' or R by a
2399
2400         strong-fence ; xb* ; {w and/or r}-pre-bounded
2401
2402 sequence with no post-bounding, and in every case the LKMM also allows
2403 the link simply to be a fence with no bounding at all.  If no sequence
2404 of the appropriate sort exists, the LKMM says that the accesses race.
2405
2406 There is one more part of the LKMM related to plain accesses (although
2407 not to data races) we should discuss.  Recall that many relations such
2408 as hb are limited to marked accesses only.  As a result, the
2409 happens-before, propagates-before, and rcu axioms (which state that
2410 various relation must not contain a cycle) doesn't apply to plain
2411 accesses.  Nevertheless, we do want to rule out such cycles, because
2412 they don't make sense even for plain accesses.
2413
2414 To this end, the LKMM imposes three extra restrictions, together
2415 called the "plain-coherence" axiom because of their resemblance to the
2416 rules used by the operational model to ensure cache coherence (that
2417 is, the rules governing the memory subsystem's choice of a store to
2418 satisfy a load request and its determination of where a store will
2419 fall in the coherence order):
2420
2421         If R and W are race candidates and it is possible to link R to
2422         W by one of the xb* sequences listed above, then W ->rfe R is
2423         not allowed (i.e., a load cannot read from a store that it
2424         executes before, even if one or both is plain).
2425
2426         If W and R are race candidates and it is possible to link W to
2427         R by one of the vis sequences listed above, then R ->fre W is
2428         not allowed (i.e., if a store is visible to a load then the
2429         load must read from that store or one coherence-after it).
2430
2431         If W and W' are race candidates and it is possible to link W
2432         to W' by one of the vis sequences listed above, then W' ->co W
2433         is not allowed (i.e., if one store is visible to a second then
2434         the second must come after the first in the coherence order).
2435
2436 This is the extent to which the LKMM deals with plain accesses.
2437 Perhaps it could say more (for example, plain accesses might
2438 contribute to the ppo relation), but at the moment it seems that this
2439 minimal, conservative approach is good enough.
2440
2441
2442 ODDS AND ENDS
2443 -------------
2444
2445 This section covers material that didn't quite fit anywhere in the
2446 earlier sections.
2447
2448 The descriptions in this document don't always match the formal
2449 version of the LKMM exactly.  For example, the actual formal
2450 definition of the prop relation makes the initial coe or fre part
2451 optional, and it doesn't require the events linked by the relation to
2452 be on the same CPU.  These differences are very unimportant; indeed,
2453 instances where the coe/fre part of prop is missing are of no interest
2454 because all the other parts (fences and rfe) are already included in
2455 hb anyway, and where the formal model adds prop into hb, it includes
2456 an explicit requirement that the events being linked are on the same
2457 CPU.
2458
2459 Another minor difference has to do with events that are both memory
2460 accesses and fences, such as those corresponding to smp_load_acquire()
2461 calls.  In the formal model, these events aren't actually both reads
2462 and fences; rather, they are read events with an annotation marking
2463 them as acquires.  (Or write events annotated as releases, in the case
2464 smp_store_release().)  The final effect is the same.
2465
2466 Although we didn't mention it above, the instruction execution
2467 ordering provided by the smp_rmb() fence doesn't apply to read events
2468 that are part of a non-value-returning atomic update.  For instance,
2469 given:
2470
2471         atomic_inc(&x);
2472         smp_rmb();
2473         r1 = READ_ONCE(y);
2474
2475 it is not guaranteed that the load from y will execute after the
2476 update to x.  This is because the ARMv8 architecture allows
2477 non-value-returning atomic operations effectively to be executed off
2478 the CPU.  Basically, the CPU tells the memory subsystem to increment
2479 x, and then the increment is carried out by the memory hardware with
2480 no further involvement from the CPU.  Since the CPU doesn't ever read
2481 the value of x, there is nothing for the smp_rmb() fence to act on.
2482
2483 The LKMM defines a few extra synchronization operations in terms of
2484 things we have already covered.  In particular, rcu_dereference() is
2485 treated as READ_ONCE() and rcu_assign_pointer() is treated as
2486 smp_store_release() -- which is basically how the Linux kernel treats
2487 them.
2488
2489 Although we said that plain accesses are not linked by the ppo
2490 relation, they do contribute to it indirectly.  Namely, when there is
2491 an address dependency from a marked load R to a plain store W,
2492 followed by smp_wmb() and then a marked store W', the LKMM creates a
2493 ppo link from R to W'.  The reasoning behind this is perhaps a little
2494 shaky, but essentially it says there is no way to generate object code
2495 for this source code in which W' could execute before R.  Just as with
2496 pre-bounding by address dependencies, it is possible for the compiler
2497 to undermine this relation if sufficient care is not taken.
2498
2499 There are a few oddball fences which need special treatment:
2500 smp_mb__before_atomic(), smp_mb__after_atomic(), and
2501 smp_mb__after_spinlock().  The LKMM uses fence events with special
2502 annotations for them; they act as strong fences just like smp_mb()
2503 except for the sets of events that they order.  Instead of ordering
2504 all po-earlier events against all po-later events, as smp_mb() does,
2505 they behave as follows:
2506
2507         smp_mb__before_atomic() orders all po-earlier events against
2508         po-later atomic updates and the events following them;
2509
2510         smp_mb__after_atomic() orders po-earlier atomic updates and
2511         the events preceding them against all po-later events;
2512
2513         smp_mb_after_spinlock() orders po-earlier lock acquisition
2514         events and the events preceding them against all po-later
2515         events.
2516
2517 Interestingly, RCU and locking each introduce the possibility of
2518 deadlock.  When faced with code sequences such as:
2519
2520         spin_lock(&s);
2521         spin_lock(&s);
2522         spin_unlock(&s);
2523         spin_unlock(&s);
2524
2525 or:
2526
2527         rcu_read_lock();
2528         synchronize_rcu();
2529         rcu_read_unlock();
2530
2531 what does the LKMM have to say?  Answer: It says there are no allowed
2532 executions at all, which makes sense.  But this can also lead to
2533 misleading results, because if a piece of code has multiple possible
2534 executions, some of which deadlock, the model will report only on the
2535 non-deadlocking executions.  For example:
2536
2537         int x, y;
2538
2539         P0()
2540         {
2541                 int r0;
2542
2543                 WRITE_ONCE(x, 1);
2544                 r0 = READ_ONCE(y);
2545         }
2546
2547         P1()
2548         {
2549                 rcu_read_lock();
2550                 if (READ_ONCE(x) > 0) {
2551                         WRITE_ONCE(y, 36);
2552                         synchronize_rcu();
2553                 }
2554                 rcu_read_unlock();
2555         }
2556
2557 Is it possible to end up with r0 = 36 at the end?  The LKMM will tell
2558 you it is not, but the model won't mention that this is because P1
2559 will self-deadlock in the executions where it stores 36 in y.