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[linux-2.6] / Documentation / memory-barriers.txt
1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
4
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6
7 Contents:
8
9  (*) Abstract memory access model.
10
11      - Device operations.
12      - Guarantees.
13
14  (*) What are memory barriers?
15
16      - Varieties of memory barrier.
17      - What may not be assumed about memory barriers?
18      - Data dependency barriers.
19      - Control dependencies.
20      - SMP barrier pairing.
21      - Examples of memory barrier sequences.
22
23  (*) Explicit kernel barriers.
24
25      - Compiler barrier.
26      - The CPU memory barriers.
27      - MMIO write barrier.
28
29  (*) Implicit kernel memory barriers.
30
31      - Locking functions.
32      - Interrupt disabling functions.
33      - Miscellaneous functions.
34
35  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
36
37      - Locks vs memory accesses.
38      - Locks vs I/O accesses.
39
40  (*) Where are memory barriers needed?
41
42      - Interprocessor interaction.
43      - Atomic operations.
44      - Accessing devices.
45      - Interrupts.
46
47  (*) Kernel I/O barrier effects.
48
49  (*) Assumed minimum execution ordering model.
50
51  (*) The effects of the cpu cache.
52
53      - Cache coherency.
54      - Cache coherency vs DMA.
55      - Cache coherency vs MMIO.
56
57  (*) The things CPUs get up to.
58
59      - And then there's the Alpha.
60
61  (*) References.
62
63
64 ============================
65 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
66 ============================
67
68 Consider the following abstract model of the system:
69
70                             :                :
71                             :                :
72                             :                :
73                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
74                 |       |   :   |        |   :   |       |
75                 |       |   :   |        |   :   |       |
76                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
77                 |       |   :   |        |   :   |       |
78                 |       |   :   |        |   :   |       |
79                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
80                     ^       :       ^        :       ^
81                     |       :       |        :       |
82                     |       :       |        :       |
83                     |       :       v        :       |
84                     |       :   +--------+   :       |
85                     |       :   |        |   :       |
86                     |       :   |        |   :       |
87                     +---------->| Device |<----------+
88                             :   |        |   :
89                             :   |        |   :
90                             :   +--------+   :
91                             :                :
92
93 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
94 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
95 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
96 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
97 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
98 apparent operation of the program.
99
100 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
101 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
102 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
103
104
105 For example, consider the following sequence of events:
106
107         CPU 1           CPU 2
108         =============== ===============
109         { A == 1; B == 2 }
110         A = 3;          x = A;
111         B = 4;          y = B;
112
113 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
114 in 24 different combinations:
115
116         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
117         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD B->4,    x=LOAD A->3
118         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    STORE B=4,      y=LOAD B->4
119         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->2,    STORE B=4
120         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    STORE B=4,      x=LOAD A->3
121         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    x=LOAD A->3,    STORE B=4
122         STORE B=4,      STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
123         STORE B=4, ...
124         ...
125
126 and can thus result in four different combinations of values:
127
128         x == 1, y == 2
129         x == 1, y == 4
130         x == 3, y == 2
131         x == 3, y == 4
132
133
134 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
135 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
136 committed.
137
138
139 As a further example, consider this sequence of events:
140
141         CPU 1           CPU 2
142         =============== ===============
143         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
144         B = 4;          Q = P;
145         P = &B          D = *Q;
146
147 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
148 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
149 following results are possible:
150
151         (Q == &A) and (D == 1)
152         (Q == &B) and (D == 2)
153         (Q == &B) and (D == 4)
154
155 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
156 into Q before issuing the load of *Q.
157
158
159 DEVICE OPERATIONS
160 -----------------
161
162 Some devices present their control interfaces as collections of memory
163 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
164 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
165 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
166 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
167 be used:
168
169         *A = 5;
170         x = *D;
171
172 but this might show up as either of the following two sequences:
173
174         STORE *A = 5, x = LOAD *D
175         x = LOAD *D, STORE *A = 5
176
177 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
178 the address _after_ attempting to read the register.
179
180
181 GUARANTEES
182 ----------
183
184 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
185
186  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
187      respect to itself.  This means that for:
188
189         Q = P; D = *Q;
190
191      the CPU will issue the following memory operations:
192
193         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
194
195      and always in that order.
196
197  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
198      ordered within that CPU.  This means that for:
199
200         a = *X; *X = b;
201
202      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
203
204         a = LOAD *X, STORE *X = b
205
206      And for:
207
208         *X = c; d = *X;
209
210      the CPU will only issue:
211
212         STORE *X = c, d = LOAD *X
213
214      (Loads and stores overlap if they are targetted at overlapping pieces of
215      memory).
216
217 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
218
219  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
220      in the order given.  This means that for:
221
222         X = *A; Y = *B; *D = Z;
223
224      we may get any of the following sequences:
225
226         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
227         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
228         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
229         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
230         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
231         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
232
233  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
234      discarded.  This means that for:
235
236         X = *A; Y = *(A + 4);
237
238      we may get any one of the following sequences:
239
240         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
241         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
242         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
243
244      And for:
245
246         *A = X; Y = *A;
247
248      we may get either of:
249
250         STORE *A = X; Y = LOAD *A;
251         STORE *A = Y;
252
253
254 =========================
255 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
256 =========================
257
258 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
259 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
260 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
261 CPU to restrict the order.
262
263 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
264 ordering between the memory operations specified on either side of the barrier.
265 They request that the sequence of memory events generated appears to other
266 parts of the system as if the barrier is effective on that CPU.
267
268
269 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
270 ---------------------------
271
272 Memory barriers come in four basic varieties:
273
274  (1) Write (or store) memory barriers.
275
276      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
277      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
278      operations specified after the barrier with respect to the other
279      components of the system.
280
281      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
282      to have any effect on loads.
283
284      A CPU can be viewed as as commiting a sequence of store operations to the
285      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
286      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
287
288      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
289      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
290
291
292  (2) Data dependency barriers.
293
294      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
295      where two loads are performed such that the second depends on the result
296      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
297      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
298      make sure that the target of the second load is updated before the address
299      obtained by the first load is accessed.
300
301      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
302      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
303      or overlapping loads.
304
305      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
306      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
307      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
308      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
309      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
310      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
311      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
312      dependency barrier.
313
314      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
315      showing the ordering constraints.
316
317      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
318      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
319      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
320      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
321      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
322      subsection for more information.
323
324      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
325      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
326
327
328  (3) Read (or load) memory barriers.
329
330      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
331      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
332      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
333      other components of the system.
334
335      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
336      have any effect on stores.
337
338      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
339      for them.
340
341      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
342      see the "SMP barrier pairing" subsection.
343
344
345  (4) General memory barriers.
346
347      A general memory barrier is a combination of both a read memory barrier
348      and a write memory barrier.  It is a partial ordering over both loads and
349      stores.
350
351      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
352      can substitute for either.
353
354
355 And a couple of implicit varieties:
356
357  (5) LOCK operations.
358
359      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
360      operations after the LOCK operation will appear to happen after the LOCK
361      operation with respect to the other components of the system.
362
363      Memory operations that occur before a LOCK operation may appear to happen
364      after it completes.
365
366      A LOCK operation should almost always be paired with an UNLOCK operation.
367
368
369  (6) UNLOCK operations.
370
371      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
372      memory operations before the UNLOCK operation will appear to happen before
373      the UNLOCK operation with respect to the other components of the system.
374
375      Memory operations that occur after an UNLOCK operation may appear to
376      happen before it completes.
377
378      LOCK and UNLOCK operations are guaranteed to appear with respect to each
379      other strictly in the order specified.
380
381      The use of LOCK and UNLOCK operations generally precludes the need for
382      other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in the
383      subsection "MMIO write barrier").
384
385
386 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
387 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
388 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
389 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
390
391
392 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
393 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
394 specific code.
395
396
397 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
398 ----------------------------------------------
399
400 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
401
402  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
403      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
404      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
405      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
406
407  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
408      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
409      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
410      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
411
412  (*) There is no guarantee that the a CPU will see the correct order of effects
413      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
414      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
415      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
416
417  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
418      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
419      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
420      between CPUs, but might not do so in order.
421
422         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
423
424             Documentation/pci.txt
425             Documentation/DMA-mapping.txt
426             Documentation/DMA-API.txt
427
428
429 DATA DEPENDENCY BARRIERS
430 ------------------------
431
432 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
433 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
434 following sequence of events:
435
436         CPU 1           CPU 2
437         =============== ===============
438         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
439         B = 4;
440         <write barrier>
441         P = &B
442                         Q = P;
443                         D = *Q;
444
445 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
446 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
447
448         (Q == &A) implies (D == 1)
449         (Q == &B) implies (D == 4)
450
451 But! CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
452 leading to the following situation:
453
454         (Q == &B) and (D == 2) ????
455
456 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
457 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
458 Alpha).
459
460 To deal with this, a data dependency barrier must be inserted between the
461 address load and the data load:
462
463         CPU 1           CPU 2
464         =============== ===============
465         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
466         B = 4;
467         <write barrier>
468         P = &B
469                         Q = P;
470                         <data dependency barrier>
471                         D = *Q;
472
473 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
474 third possibility from arising.
475
476 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
477 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
478 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
479 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
480 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
481 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
482 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
483 but the old value of the variable B (1).
484
485
486 Another example of where data dependency barriers might by required is where a
487 number is read from memory and then used to calculate the index for an array
488 access:
489
490         CPU 1           CPU 2
491         =============== ===============
492         { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
493         M[1] = 4;
494         <write barrier>
495         P = 1
496                         Q = P;
497                         <data dependency barrier>
498                         D = M[Q];
499
500
501 The data dependency barrier is very important to the RCU system, for example.
502 See rcu_dereference() in include/linux/rcupdate.h.  This permits the current
503 target of an RCU'd pointer to be replaced with a new modified target, without
504 the replacement target appearing to be incompletely initialised.
505
506 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
507
508
509 CONTROL DEPENDENCIES
510 --------------------
511
512 A control dependency requires a full read memory barrier, not simply a data
513 dependency barrier to make it work correctly.  Consider the following bit of
514 code:
515
516         q = &a;
517         if (p)
518                 q = &b;
519         <data dependency barrier>
520         x = *q;
521
522 This will not have the desired effect because there is no actual data
523 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit by
524 attempting to predict the outcome in advance.  In such a case what's actually
525 required is:
526
527         q = &a;
528         if (p)
529                 q = &b;
530         <read barrier>
531         x = *q;
532
533
534 SMP BARRIER PAIRING
535 -------------------
536
537 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
538 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
539
540 A write barrier should always be paired with a data dependency barrier or read
541 barrier, though a general barrier would also be viable.  Similarly a read
542 barrier or a data dependency barrier should always be paired with at least an
543 write barrier, though, again, a general barrier is viable:
544
545         CPU 1           CPU 2
546         =============== ===============
547         a = 1;
548         <write barrier>
549         b = 2;          x = a;
550                         <read barrier>
551                         y = b;
552
553 Or:
554
555         CPU 1           CPU 2
556         =============== ===============================
557         a = 1;
558         <write barrier>
559         b = &a;         x = b;
560                         <data dependency barrier>
561                         y = *x;
562
563 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
564 the "weaker" type.
565
566
567 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
568 ------------------------------------
569
570 Firstly, write barriers act as a partial orderings on store operations.
571 Consider the following sequence of events:
572
573         CPU 1
574         =======================
575         STORE A = 1
576         STORE B = 2
577         STORE C = 3
578         <write barrier>
579         STORE D = 4
580         STORE E = 5
581
582 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
583 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
584 STORE B, STORE C } all occuring before the unordered set of { STORE D, STORE E
585 }:
586
587         +-------+       :      :
588         |       |       +------+
589         |       |------>| C=3  |     }     /\
590         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible
591         |       |  :    | A=1  |     }        \/       to rest of system
592         |       |  :    +------+     }
593         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
594         |       |       +------+     }
595         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
596         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
597         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
598         |       |  :    +------+     }        further stores may be take place.
599         |       |------>| D=4  |     }
600         |       |       +------+
601         +-------+       :      :
602                            |
603                            | Sequence in which stores committed to memory system
604                            | by CPU 1
605                            V
606
607
608 Secondly, data dependency barriers act as a partial orderings on data-dependent
609 loads.  Consider the following sequence of events:
610
611         CPU 1                   CPU 2
612         ======================= =======================
613                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
614         STORE A = 1
615         STORE B = 2
616         <write barrier>
617         STORE C = &B            LOAD X
618         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
619                                 LOAD *C (reads B)
620
621 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
622 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
623
624         +-------+       :      :                :       :
625         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
626         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
627         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
628         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
629         |       |       +------+       |        +-------+
630         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
631         |       |       +------+       |        :       :
632         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
633         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
634         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
635         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
636         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
637                                        |        :       :       |       |
638                                        |        :       :       | CPU 2 |
639                                        |        +-------+       |       |
640             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
641             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
642                                        |        :       :       |       |
643                                        |        +-------+       |       |
644             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
645             up the maintenance           \      +-------+       |       |
646             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
647                                                 +-------+
648                                                 :       :
649
650
651 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
652 (which would be B) coming after the the LOAD of C.
653
654 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
655 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
656
657         CPU 1                   CPU 2
658         ======================= =======================
659                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
660         STORE A = 1
661         STORE B = 2
662         <write barrier>
663         STORE C = &B            LOAD X
664         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
665                                 <data dependency barrier>
666                                 LOAD *C (reads B)
667
668 then the following will occur:
669
670         +-------+       :      :                :       :
671         |       |       +------+                +-------+
672         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
673         |       |  :    +------+     \          +-------+
674         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
675         |       |       +------+       |        +-------+
676         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
677         |       |       +------+       |        :       :
678         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
679         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
680         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
681         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
682         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
683                                        |        :       :       |       |
684                                        |        :       :       | CPU 2 |
685                                        |        +-------+       |       |
686                                         \       | X->9  |------>|       |
687                                          \      +-------+       |       |
688                                           ----->| B->2  |       |       |
689                                                 +-------+       |       |
690              Makes sure all effects --->    ddddddddddddddddd   |       |
691              prior to the store of C            +-------+       |       |
692              are perceptible to                 | B->2  |------>|       |
693              successive loads                   +-------+       |       |
694                                                 :       :       +-------+
695
696
697 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
698 following sequence of events:
699
700         CPU 1                   CPU 2
701         ======================= =======================
702         STORE A=1
703         STORE B=2
704         STORE C=3
705         <write barrier>
706         STORE D=4
707         STORE E=5
708                                 LOAD A
709                                 LOAD B
710                                 LOAD C
711                                 LOAD D
712                                 LOAD E
713
714 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
715 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
716
717         +-------+       :      :
718         |       |       +------+
719         |       |------>| C=3  | }
720         |       |  :    +------+ }
721         |       |  :    | A=1  | }
722         |       |  :    +------+ }
723         | CPU 1 |  :    | B=2  | }---
724         |       |       +------+ }   \
725         |       |   wwwwwwwwwwwww}    \
726         |       |       +------+ }     \          :       :       +-------+
727         |       |  :    | E=5  | }      \         +-------+       |       |
728         |       |  :    +------+ }       \      { | C->3  |------>|       |
729         |       |------>| D=4  | }        \     { +-------+    :  |       |
730         |       |       +------+           \    { | E->5  |    :  |       |
731         +-------+       :      :            \   { +-------+    :  |       |
732                                    Transfer  -->{ | A->1  |    :  | CPU 2 |
733                                   from CPU 1    { +-------+    :  |       |
734                                    to CPU 2     { | D->4  |    :  |       |
735                                                 { +-------+    :  |       |
736                                                 { | B->2  |------>|       |
737                                                   +-------+       |       |
738                                                   :       :       +-------+
739
740
741 If, however, a read barrier were to be placed between the load of C and the
742 load of D on CPU 2, then the partial ordering imposed by CPU 1 will be
743 perceived correctly by CPU 2.
744
745         +-------+       :      :
746         |       |       +------+
747         |       |------>| C=3  | }
748         |       |  :    +------+ }
749         |       |  :    | A=1  | }---
750         |       |  :    +------+ }   \
751         | CPU 1 |  :    | B=2  | }    \
752         |       |       +------+       \
753         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww    \
754         |       |       +------+         \        :       :       +-------+
755         |       |  :    | E=5  | }        \       +-------+       |       |
756         |       |  :    +------+ }---      \    { | C->3  |------>|       |
757         |       |------>| D=4  | }   \      \   { +-------+    :  |       |
758         |       |       +------+      \      -->{ | B->2  |    :  |       |
759         +-------+       :      :       \        { +-------+    :  |       |
760                                         \       { | A->1  |    :  | CPU 2 |
761                                          \        +-------+       |       |
762            At this point the read ---->   \   rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
763            barrier causes all effects      \      +-------+       |       |
764            prior to the storage of C        \   { | E->5  |    :  |       |
765            to be perceptible to CPU 2        -->{ +-------+    :  |       |
766                                                 { | D->4  |------>|       |
767                                                   +-------+       |       |
768                                                   :       :       +-------+
769
770
771 ========================
772 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
773 ========================
774
775 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
776 levels:
777
778   (*) Compiler barrier.
779
780   (*) CPU memory barriers.
781
782   (*) MMIO write barrier.
783
784
785 COMPILER BARRIER
786 ----------------
787
788 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
789 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
790
791         barrier();
792
793 This a general barrier - lesser varieties of compiler barrier do not exist.
794
795 The compiler barrier has no direct effect on the CPU, which may then reorder
796 things however it wishes.
797
798
799 CPU MEMORY BARRIERS
800 -------------------
801
802 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
803
804         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
805         =============== ======================= ===========================
806         GENERAL         mb()                    smp_mb()
807         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
808         READ            rmb()                   smp_rmb()
809         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
810
811
812 All CPU memory barriers unconditionally imply compiler barriers.
813
814 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
815 systems because it is assumed that a CPU will be appear to be self-consistent,
816 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
817
818 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
819 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
820 is sufficient.
821
822 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
823 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
824 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
825 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
826 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
827 CPU from reordering them.
828
829
830 There are some more advanced barrier functions:
831
832  (*) set_mb(var, value)
833  (*) set_wmb(var, value)
834
835      These assign the value to the variable and then insert at least a write
836      barrier after it, depending on the function.  They aren't guaranteed to
837      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
838
839
840  (*) smp_mb__before_atomic_dec();
841  (*) smp_mb__after_atomic_dec();
842  (*) smp_mb__before_atomic_inc();
843  (*) smp_mb__after_atomic_inc();
844
845      These are for use with atomic add, subtract, increment and decrement
846      functions that don't return a value, especially when used for reference
847      counting.  These functions do not imply memory barriers.
848
849      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
850      and then decrements the object's reference count:
851
852         obj->dead = 1;
853         smp_mb__before_atomic_dec();
854         atomic_dec(&obj->ref_count);
855
856      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
857      *before* the reference counter is decremented.
858
859      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
860      operations" subsection for information on where to use these.
861
862
863  (*) smp_mb__before_clear_bit(void);
864  (*) smp_mb__after_clear_bit(void);
865
866      These are for use similar to the atomic inc/dec barriers.  These are
867      typically used for bitwise unlocking operations, so care must be taken as
868      there are no implicit memory barriers here either.
869
870      Consider implementing an unlock operation of some nature by clearing a
871      locking bit.  The clear_bit() would then need to be barriered like this:
872
873         smp_mb__before_clear_bit();
874         clear_bit( ... );
875
876      This prevents memory operations before the clear leaking to after it.  See
877      the subsection on "Locking Functions" with reference to UNLOCK operation
878      implications.
879
880      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
881      operations" subsection for information on where to use these.
882
883
884 MMIO WRITE BARRIER
885 ------------------
886
887 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
888 writes:
889
890         mmiowb();
891
892 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
893 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
894 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
895
896 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
897
898
899 ===============================
900 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
901 ===============================
902
903 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
904 which are locking, scheduling and memory allocation functions.
905
906 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
907 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
908 of arch specific code.
909
910
911 LOCKING FUNCTIONS
912 -----------------
913
914 The Linux kernel has a number of locking constructs:
915
916  (*) spin locks
917  (*) R/W spin locks
918  (*) mutexes
919  (*) semaphores
920  (*) R/W semaphores
921  (*) RCU
922
923 In all cases there are variants on "LOCK" operations and "UNLOCK" operations
924 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
925
926  (1) LOCK operation implication:
927
928      Memory operations issued after the LOCK will be completed after the LOCK
929      operation has completed.
930
931      Memory operations issued before the LOCK may be completed after the LOCK
932      operation has completed.
933
934  (2) UNLOCK operation implication:
935
936      Memory operations issued before the UNLOCK will be completed before the
937      UNLOCK operation has completed.
938
939      Memory operations issued after the UNLOCK may be completed before the
940      UNLOCK operation has completed.
941
942  (3) LOCK vs LOCK implication:
943
944      All LOCK operations issued before another LOCK operation will be completed
945      before that LOCK operation.
946
947  (4) LOCK vs UNLOCK implication:
948
949      All LOCK operations issued before an UNLOCK operation will be completed
950      before the UNLOCK operation.
951
952      All UNLOCK operations issued before a LOCK operation will be completed
953      before the LOCK operation.
954
955  (5) Failed conditional LOCK implication:
956
957      Certain variants of the LOCK operation may fail, either due to being
958      unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
959      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
960      locks do not imply any sort of barrier.
961
962 Therefore, from (1), (2) and (4) an UNLOCK followed by an unconditional LOCK is
963 equivalent to a full barrier, but a LOCK followed by an UNLOCK is not.
964
965 [!] Note: one of the consequence of LOCKs and UNLOCKs being only one-way
966     barriers is that the effects instructions outside of a critical section may
967     seep into the inside of the critical section.
968
969 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
970 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
971 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
972 with interrupt disabling operations.
973
974 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
975
976
977 As an example, consider the following:
978
979         *A = a;
980         *B = b;
981         LOCK
982         *C = c;
983         *D = d;
984         UNLOCK
985         *E = e;
986         *F = f;
987
988 The following sequence of events is acceptable:
989
990         LOCK, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, UNLOCK
991
992         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
993
994 But none of the following are:
995
996         {*F,*A}, *B,    LOCK, *C, *D,   UNLOCK, *E
997         *A, *B, *C,     LOCK, *D,       UNLOCK, *E, *F
998         *A, *B,         LOCK, *C,       UNLOCK, *D, *E, *F
999         *B,             LOCK, *C, *D,   UNLOCK, {*F,*A}, *E
1000
1001
1002
1003 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1004 -----------------------------
1005
1006 Functions that disable interrupts (LOCK equivalent) and enable interrupts
1007 (UNLOCK equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1008 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1009 other means.
1010
1011
1012 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
1013 -----------------------
1014
1015 Other functions that imply barriers:
1016
1017  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1018
1019  (*) Memory allocation and release functions imply full memory barriers.
1020
1021
1022 =================================
1023 INTER-CPU LOCKING BARRIER EFFECTS
1024 =================================
1025
1026 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
1027 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
1028 conflict on any particular lock.
1029
1030
1031 LOCKS VS MEMORY ACCESSES
1032 ------------------------
1033
1034 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (N) and (Q), and
1035 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
1036
1037         CPU 1                           CPU 2
1038         =============================== ===============================
1039         *A = a;                         *E = e;
1040         LOCK M                          LOCK Q
1041         *B = b;                         *F = f;
1042         *C = c;                         *G = g;
1043         UNLOCK M                        UNLOCK Q
1044         *D = d;                         *H = h;
1045
1046 Then there is no guarantee as to what order CPU #3 will see the accesses to *A
1047 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
1048 on the separate CPUs. It might, for example, see:
1049
1050         *E, LOCK M, LOCK Q, *G, *C, *F, *A, *B, UNLOCK Q, *D, *H, UNLOCK M
1051
1052 But it won't see any of:
1053
1054         *B, *C or *D preceding LOCK M
1055         *A, *B or *C following UNLOCK M
1056         *F, *G or *H preceding LOCK Q
1057         *E, *F or *G following UNLOCK Q
1058
1059
1060 However, if the following occurs:
1061
1062         CPU 1                           CPU 2
1063         =============================== ===============================
1064         *A = a;
1065         LOCK M          [1]
1066         *B = b;
1067         *C = c;
1068         UNLOCK M        [1]
1069         *D = d;                         *E = e;
1070                                         LOCK M          [2]
1071                                         *F = f;
1072                                         *G = g;
1073                                         UNLOCK M        [2]
1074                                         *H = h;
1075
1076 CPU #3 might see:
1077
1078         *E, LOCK M [1], *C, *B, *A, UNLOCK M [1],
1079                 LOCK M [2], *H, *F, *G, UNLOCK M [2], *D
1080
1081 But assuming CPU #1 gets the lock first, it won't see any of:
1082
1083         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding LOCK M [1]
1084         *A, *B or *C following UNLOCK M [1]
1085         *F, *G or *H preceding LOCK M [2]
1086         *A, *B, *C, *E, *F or *G following UNLOCK M [2]
1087
1088
1089 LOCKS VS I/O ACCESSES
1090 ---------------------
1091
1092 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
1093 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
1094 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
1095 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
1096 read memory barriers.
1097
1098 For example:
1099
1100         CPU 1                           CPU 2
1101         =============================== ===============================
1102         spin_lock(Q)
1103         writel(0, ADDR)
1104         writel(1, DATA);
1105         spin_unlock(Q);
1106                                         spin_lock(Q);
1107                                         writel(4, ADDR);
1108                                         writel(5, DATA);
1109                                         spin_unlock(Q);
1110
1111 may be seen by the PCI bridge as follows:
1112
1113         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
1114
1115 which would probably cause the hardware to malfunction.
1116
1117
1118 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
1119 spinlock, for example:
1120
1121         CPU 1                           CPU 2
1122         =============================== ===============================
1123         spin_lock(Q)
1124         writel(0, ADDR)
1125         writel(1, DATA);
1126         mmiowb();
1127         spin_unlock(Q);
1128                                         spin_lock(Q);
1129                                         writel(4, ADDR);
1130                                         writel(5, DATA);
1131                                         mmiowb();
1132                                         spin_unlock(Q);
1133
1134 this will ensure that the two stores issued on CPU #1 appear at the PCI bridge
1135 before either of the stores issued on CPU #2.
1136
1137
1138 Furthermore, following a store by a load to the same device obviates the need
1139 for an mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
1140 is performed:
1141
1142         CPU 1                           CPU 2
1143         =============================== ===============================
1144         spin_lock(Q)
1145         writel(0, ADDR)
1146         a = readl(DATA);
1147         spin_unlock(Q);
1148                                         spin_lock(Q);
1149                                         writel(4, ADDR);
1150                                         b = readl(DATA);
1151                                         spin_unlock(Q);
1152
1153
1154 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1155
1156
1157 =================================
1158 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
1159 =================================
1160
1161 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
1162 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
1163 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, three
1164 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
1165
1166  (*) Interprocessor interaction.
1167
1168  (*) Atomic operations.
1169
1170  (*) Accessing devices (I/O).
1171
1172  (*) Interrupts.
1173
1174
1175 INTERPROCESSOR INTERACTION
1176 --------------------------
1177
1178 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
1179 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
1180 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
1181 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
1182 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
1183 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
1184 a malfunction.
1185
1186 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
1187 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
1188 the semaphore's list of waiting processes:
1189
1190         struct rw_semaphore {
1191                 ...
1192                 spinlock_t lock;
1193                 struct list_head waiters;
1194         };
1195
1196         struct rwsem_waiter {
1197                 struct list_head list;
1198                 struct task_struct *task;
1199         };
1200
1201 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
1202
1203  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
1204      next waiter record is;
1205
1206  (4) read the pointer to the waiter's task structure;
1207
1208  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
1209
1210  (4) call wake_up_process() on the task; and
1211
1212  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
1213
1214 In otherwords, it has to perform this sequence of events:
1215
1216         LOAD waiter->list.next;
1217         LOAD waiter->task;
1218         STORE waiter->task;
1219         CALL wakeup
1220         RELEASE task
1221
1222 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
1223 malfunction.
1224
1225 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
1226 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
1227 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
1228 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
1229 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
1230 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
1231
1232 Consider then what might happen to the above sequence of events:
1233
1234         CPU 1                           CPU 2
1235         =============================== ===============================
1236                                         down_xxx()
1237                                         Queue waiter
1238                                         Sleep
1239         up_yyy()
1240         LOAD waiter->task;
1241         STORE waiter->task;
1242                                         Woken up by other event
1243         <preempt>
1244                                         Resume processing
1245                                         down_xxx() returns
1246                                         call foo()
1247                                         foo() clobbers *waiter
1248         </preempt>
1249         LOAD waiter->list.next;
1250         --- OOPS ---
1251
1252 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
1253 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
1254
1255 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
1256
1257         LOAD waiter->list.next;
1258         LOAD waiter->task;
1259         smp_mb();
1260         STORE waiter->task;
1261         CALL wakeup
1262         RELEASE task
1263
1264 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
1265 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
1266 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
1267 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
1268 instruction itself is complete.
1269
1270 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
1271 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
1272 right order without actually intervening in the CPU.  Since there there's only
1273 one CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything
1274 else.
1275
1276
1277 ATOMIC OPERATIONS
1278 -----------------
1279
1280 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
1281 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
1282 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
1283 kernel.
1284
1285 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
1286 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
1287 (smp_mb()) on each side of the actual operation.  These include:
1288
1289         xchg();
1290         cmpxchg();
1291         atomic_cmpxchg();
1292         atomic_inc_return();
1293         atomic_dec_return();
1294         atomic_add_return();
1295         atomic_sub_return();
1296         atomic_inc_and_test();
1297         atomic_dec_and_test();
1298         atomic_sub_and_test();
1299         atomic_add_negative();
1300         atomic_add_unless();
1301         test_and_set_bit();
1302         test_and_clear_bit();
1303         test_and_change_bit();
1304
1305 These are used for such things as implementing LOCK-class and UNLOCK-class
1306 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
1307 such the implicit memory barrier effects are necessary.
1308
1309
1310 The following operation are potential problems as they do _not_ imply memory
1311 barriers, but might be used for implementing such things as UNLOCK-class
1312 operations:
1313
1314         atomic_set();
1315         set_bit();
1316         clear_bit();
1317         change_bit();
1318
1319 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
1320 (smp_mb__before_clear_bit() for instance).
1321
1322
1323 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
1324 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic_dec() for
1325 instance)):
1326
1327         atomic_add();
1328         atomic_sub();
1329         atomic_inc();
1330         atomic_dec();
1331
1332 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
1333 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
1334
1335 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
1336 they probably don't need memory barriers because either the reference count
1337 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
1338 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
1339
1340 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
1341 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
1342 specific order.
1343
1344
1345 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
1346 barriers are needed or not.
1347
1348 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
1349 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
1350 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
1351 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
1352
1353 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
1354
1355
1356 ACCESSING DEVICES
1357 -----------------
1358
1359 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
1360 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
1361 make the right memory accesses in exactly the right order.
1362
1363 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
1364 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
1365 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
1366 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
1367 the device to malfunction.
1368
1369 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
1370 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
1371 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
1372 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
1373 might be needed:
1374
1375  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
1376      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
1377      issued prior to unlocking the critical section.
1378
1379  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
1380      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
1381      required to enforce ordering.
1382
1383 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1384
1385
1386 INTERRUPTS
1387 ----------
1388
1389 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
1390 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
1391 access the device.
1392
1393 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
1394 form of locking), such that the critical operations are all contained within
1395 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
1396 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
1397 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
1398 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
1399
1400 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
1401 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
1402 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
1403
1404         LOCAL IRQ DISABLE
1405         writew(ADDR, 3);
1406         writew(DATA, y);
1407         LOCAL IRQ ENABLE
1408         <interrupt>
1409         writew(ADDR, 4);
1410         q = readw(DATA);
1411         </interrupt>
1412
1413 The store to the data register might happen after the second store to the
1414 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
1415
1416         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
1417
1418
1419 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
1420 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
1421 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
1422 explicit barriers are used.
1423
1424 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
1425 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
1426 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
1427 mmiowb() may need to be used explicitly.
1428
1429
1430 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
1431 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
1432 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
1433
1434
1435 ==========================
1436 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
1437 ==========================
1438
1439 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
1440 functions:
1441
1442  (*) inX(), outX():
1443
1444      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
1445      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
1446      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
1447      CPUs don't have such a concept.
1448
1449      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept - which on such
1450      CPUs as i386 and x86_64 cpus readily maps to the CPU's concept of I/O
1451      space.  However, it may also mapped as a virtual I/O space in the CPU's
1452      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate
1453      I/O spaces.
1454
1455      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
1456      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
1457      that.
1458
1459      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
1460
1461      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
1462      memory and I/O operation.
1463
1464  (*) readX(), writeX():
1465
1466      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
1467      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
1468      defined for the memory window through which they're accessing. On later
1469      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
1470      MTRR registers.
1471
1472      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,,
1473      provided they're not accessing a prefetchable device.
1474
1475      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
1476      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
1477      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
1478      space should suffice for PCI.
1479
1480      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
1481          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
1482          example.
1483
1484      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
1485      force stores to be ordered.
1486
1487      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
1488      between PCI transactions.
1489
1490  (*) readX_relaxed()
1491
1492      These are similar to readX(), but are not guaranteed to be ordered in any
1493      way. Be aware that there is no I/O read barrier available.
1494
1495  (*) ioreadX(), iowriteX()
1496
1497      These will perform as appropriate for the type of access they're actually
1498      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
1499
1500
1501 ========================================
1502 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
1503 ========================================
1504
1505 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
1506 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
1507 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
1508 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
1509 of arch-specific code.
1510
1511 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
1512 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
1513 instruction in the stream depends on the an earlier instruction, then that
1514 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
1515 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
1516 causality is maintained.
1517
1518  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
1519      condition codes, changing registers or changing memory - and different
1520      instructions may depend on different effects.
1521
1522 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
1523 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
1524 immediate value into the same register, the first may be discarded.
1525
1526
1527 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
1528 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
1529 maintained.
1530
1531
1532 ============================
1533 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
1534 ============================
1535
1536 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
1537 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
1538 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
1539
1540 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
1541 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
1542 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
1543 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
1544
1545             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
1546                                   :
1547         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1548         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1549         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
1550         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1551         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
1552         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1553         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1554                                   :                 | Cache     |    +--------+
1555                                   :                 | Coherency |
1556                                   :                 | Mechanism |    +--------+
1557         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1558         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1559         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
1560         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1561         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
1562         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1563         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1564                                   :
1565                                   :
1566
1567 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
1568 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
1569 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
1570 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
1571 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
1572
1573 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
1574 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
1575 generate load and store operations which then go into the queue of memory
1576 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
1577 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
1578 to complete.
1579
1580 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
1581 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
1582 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
1583 in the system.
1584
1585 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
1586 their own loads and stores as if they had happened in program order.
1587
1588 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
1589 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
1590 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
1591
1592
1593 CACHE COHERENCY
1594 ---------------
1595
1596 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
1597 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
1598 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
1599 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
1600 become apparent in the same order on those other CPUs.
1601
1602
1603 Consider dealing with a system that has pair of CPUs (1 & 2), each of which has
1604 a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
1605
1606                     :
1607                     :                          +--------+
1608                     :      +---------+         |        |
1609         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
1610         |        |  : |    +---------+         |        |
1611         |  CPU 1 |<---+                        |        |
1612         |        |  : |    +---------+         |        |
1613         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
1614                     :      +---------+         |        |
1615                     :                          | Memory |
1616                     :      +---------+         | System |
1617         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
1618         |        |  : |    +---------+         |        |
1619         |  CPU 2 |<---+                        |        |
1620         |        |  : |    +---------+         |        |
1621         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
1622                     :      +---------+         |        |
1623                     :                          +--------+
1624                     :
1625
1626 Imagine the system has the following properties:
1627
1628  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
1629      resident in memory;
1630
1631  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
1632      resident in memory;
1633
1634  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
1635      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
1636      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
1637
1638  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
1639      to maintain coherency with the rest of the system;
1640
1641  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
1642      present in the cache, even though the contents of the queue may
1643      potentially effect those loads.
1644
1645 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
1646 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
1647 the requisite order:
1648
1649         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1650         =============== =============== =======================================
1651                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1652         v = 2;
1653         smp_wmb();                      Make sure change to v visible before
1654                                          change to p
1655         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
1656         p = &v;
1657         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
1658
1659 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
1660 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
1661 now imagine that the second CPU that wants to read those values:
1662
1663         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1664         =============== =============== =======================================
1665         ...
1666                         q = p;
1667                         x = *q;
1668
1669 The above pair of reads may then fail to happen in expected order, as the
1670 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
1671 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
1672 CPU's caches by some other cache event:
1673
1674         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1675         =============== =============== =======================================
1676                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1677         v = 2;
1678         smp_wmb();
1679         <A:modify v=2>  <C:busy>
1680                         <C:queue v=2>
1681         p = &b;         q = p;
1682                         <D:request p>
1683         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
1684                         <D:read p>
1685                         x = *q;
1686                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
1687                         <C:unbusy>
1688                         <C:commit v=2>
1689
1690 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
1691 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
1692 as that committed on CPU 1.
1693
1694
1695 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
1696 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
1697 queue before processing any further requests:
1698
1699         CPU 1           CPU 2           COMMENT
1700         =============== =============== =======================================
1701                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
1702         v = 2;
1703         smp_wmb();
1704         <A:modify v=2>  <C:busy>
1705                         <C:queue v=2>
1706         p = &b;         q = p;
1707                         <D:request p>
1708         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
1709                         <D:read p>
1710                         smp_read_barrier_depends()
1711                         <C:unbusy>
1712                         <C:commit v=2>
1713                         x = *q;
1714                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
1715
1716
1717 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
1718 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
1719 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
1720 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
1721
1722 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
1723 cachelets for normal memory accesss.  The semantics of the Alpha removes the
1724 need for coordination in absence of memory barriers.
1725
1726
1727 CACHE COHERENCY VS DMA
1728 ----------------------
1729
1730 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
1731 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
1732 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
1733 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
1734 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
1735 invalidate them as well).
1736
1737 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
1738 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
1739 installed its own data, or cache lines simply present in a CPUs cache may
1740 simply obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the
1741 cacheline is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this,
1742 the appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
1743 cache on each CPU.
1744
1745 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
1746
1747
1748 CACHE COHERENCY VS MMIO
1749 -----------------------
1750
1751 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
1752 a window in the CPU's memory space that have different properties assigned than
1753 the usual RAM directed window.
1754
1755 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
1756 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
1757 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
1758 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
1759 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
1760 any way dependent.
1761
1762
1763 =========================
1764 THE THINGS CPUS GET UP TO
1765 =========================
1766
1767 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
1768 operations in exactly the order specified, so that if a CPU is, for example,
1769 given the following piece of code to execute:
1770
1771         a = *A;
1772         *B = b;
1773         c = *C;
1774         d = *D;
1775         *E = e;
1776
1777 They would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
1778 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
1779 operations as seen by external observers in the system:
1780
1781         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
1782
1783
1784 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
1785 assumption doesn't hold because:
1786
1787  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
1788      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
1789      problem;
1790
1791  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
1792      to have been unnecessary;
1793
1794  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having being
1795      fetched at the wrong time in the expected sequence of events;
1796
1797  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
1798      of the CPU buses and caches;
1799
1800  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
1801      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
1802      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
1803      both be able to do this); and
1804
1805  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
1806      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
1807      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
1808      order to other CPUs.
1809
1810 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
1811 is:
1812
1813         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
1814
1815         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
1816
1817
1818 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
1819 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
1820 barrier.  For instance with the following code:
1821
1822         U = *A;
1823         *A = V;
1824         *A = W;
1825         X = *A;
1826         *A = Y;
1827         Z = *A;
1828
1829 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
1830 the final result will appear to be:
1831
1832         U == the original value of *A
1833         X == W
1834         Z == Y
1835         *A == Y
1836
1837 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
1838 accesses:
1839
1840         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
1841
1842 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
1843 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
1844 the world remains consistent.
1845
1846 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
1847 the CPU even sees them.
1848
1849 For instance:
1850
1851         *A = V;
1852         *A = W;
1853
1854 may be reduced to:
1855
1856         *A = W;
1857
1858 since, without a write barrier, it can be assumed that the effect of the
1859 storage of V to *A is lost.  Similarly:
1860
1861         *A = Y;
1862         Z = *A;
1863
1864 may, without a memory barrier, be reduced to:
1865
1866         *A = Y;
1867         Z = Y;
1868
1869 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
1870
1871
1872 AND THEN THERE'S THE ALPHA
1873 --------------------------
1874
1875 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
1876 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
1877 two semantically related cache lines updating at separate times.  This is where
1878 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
1879 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
1880 changes vs new data occur in the right order.
1881
1882 The Alpha defines the Linux's kernel's memory barrier model.
1883
1884 See the subsection on "Cache Coherency" above.
1885
1886
1887 ==========
1888 REFERENCES
1889 ==========
1890
1891 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
1892 Digital Press)
1893         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
1894         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
1895         Chapter 5.5: Data Sharing
1896         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
1897
1898 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
1899         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
1900         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
1901
1902 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
1903 System Programming Guide
1904         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
1905         Chapter 7.2: Memory Ordering
1906         Chapter 7.4: Serializing Instructions
1907
1908 The SPARC Architecture Manual, Version 9
1909         Chapter 8: Memory Models
1910         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
1911         Appendix J: Programming with the Memory Models
1912
1913 UltraSPARC Programmer Reference Manual
1914         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
1915         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
1916
1917 UltraSPARC III Cu User's Manual
1918         Chapter 9: Memory Models
1919
1920 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
1921         Chapter 8: Memory Models
1922
1923 UltraSPARC Architecture 2005
1924         Chapter 9: Memory
1925         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
1926
1927 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
1928         Chapter 8: Memory Models
1929         Appendix F: Caches and Cache Coherency
1930
1931 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
1932         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
1933                         Synchronization
1934
1935 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
1936 for Kernel Programmers:
1937         Chapter 13: Other Memory Models
1938
1939 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
1940         Section 2.6: Speculation
1941         Section 4.4: Memory Access