Merge branch 'tracing/sysprof' into auto-ftrace-next
[linux-2.6] / Documentation / DocBook / kernel-locking.tmpl
1 <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
2 <!DOCTYPE book PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.1.2//EN"
3         "http://www.oasis-open.org/docbook/xml/4.1.2/docbookx.dtd" []>
4
5 <book id="LKLockingGuide">
6  <bookinfo>
7   <title>Unreliable Guide To Locking</title>
8   
9   <authorgroup>
10    <author>
11     <firstname>Rusty</firstname>
12     <surname>Russell</surname>
13     <affiliation>
14      <address>
15       <email>rusty@rustcorp.com.au</email>
16      </address>
17     </affiliation>
18    </author>
19   </authorgroup>
20
21   <copyright>
22    <year>2003</year>
23    <holder>Rusty Russell</holder>
24   </copyright>
25
26   <legalnotice>
27    <para>
28      This documentation is free software; you can redistribute
29      it and/or modify it under the terms of the GNU General Public
30      License as published by the Free Software Foundation; either
31      version 2 of the License, or (at your option) any later
32      version.
33    </para>
34       
35    <para>
36      This program is distributed in the hope that it will be
37      useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied
38      warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
39      See the GNU General Public License for more details.
40    </para>
41       
42    <para>
43      You should have received a copy of the GNU General Public
44      License along with this program; if not, write to the Free
45      Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston,
46      MA 02111-1307 USA
47    </para>
48       
49    <para>
50      For more details see the file COPYING in the source
51      distribution of Linux.
52    </para>
53   </legalnotice>
54  </bookinfo>
55
56  <toc></toc>
57   <chapter id="intro">
58    <title>Introduction</title>
59    <para>
60      Welcome, to Rusty's Remarkably Unreliable Guide to Kernel
61      Locking issues.  This document describes the locking systems in
62      the Linux Kernel in 2.6.
63    </para>
64    <para>
65      With the wide availability of HyperThreading, and <firstterm
66      linkend="gloss-preemption">preemption </firstterm> in the Linux
67      Kernel, everyone hacking on the kernel needs to know the
68      fundamentals of concurrency and locking for
69      <firstterm linkend="gloss-smp"><acronym>SMP</acronym></firstterm>.
70    </para>
71   </chapter>
72
73    <chapter id="races">
74     <title>The Problem With Concurrency</title>
75     <para>
76       (Skip this if you know what a Race Condition is).
77     </para>
78     <para>
79       In a normal program, you can increment a counter like so:
80     </para>
81     <programlisting>
82       very_important_count++;
83     </programlisting>
84
85     <para>
86       This is what they would expect to happen:
87     </para>
88
89     <table>
90      <title>Expected Results</title>
91
92      <tgroup cols="2" align="left">
93
94       <thead>
95        <row>
96         <entry>Instance 1</entry>
97         <entry>Instance 2</entry>
98        </row>
99       </thead>
100
101       <tbody>
102        <row>
103         <entry>read very_important_count (5)</entry>
104         <entry></entry>
105        </row>
106        <row>
107         <entry>add 1 (6)</entry>
108         <entry></entry>
109        </row>
110        <row>
111         <entry>write very_important_count (6)</entry>
112         <entry></entry>
113        </row>
114        <row>
115         <entry></entry>
116         <entry>read very_important_count (6)</entry>
117        </row>
118        <row>
119         <entry></entry>
120         <entry>add 1 (7)</entry>
121        </row>
122        <row>
123         <entry></entry>
124         <entry>write very_important_count (7)</entry>
125        </row>
126       </tbody>
127
128      </tgroup>
129     </table>
130
131     <para>
132      This is what might happen:
133     </para>
134
135     <table>
136      <title>Possible Results</title>
137
138      <tgroup cols="2" align="left">
139       <thead>
140        <row>
141         <entry>Instance 1</entry>
142         <entry>Instance 2</entry>
143        </row>
144       </thead>
145
146       <tbody>
147        <row>
148         <entry>read very_important_count (5)</entry>
149         <entry></entry>
150        </row>
151        <row>
152         <entry></entry>
153         <entry>read very_important_count (5)</entry>
154        </row>
155        <row>
156         <entry>add 1 (6)</entry>
157         <entry></entry>
158        </row>
159        <row>
160         <entry></entry>
161         <entry>add 1 (6)</entry>
162        </row>
163        <row>
164         <entry>write very_important_count (6)</entry>
165         <entry></entry>
166        </row>
167        <row>
168         <entry></entry>
169         <entry>write very_important_count (6)</entry>
170        </row>
171       </tbody>
172      </tgroup>
173     </table>
174
175     <sect1 id="race-condition">
176     <title>Race Conditions and Critical Regions</title>
177     <para>
178       This overlap, where the result depends on the
179       relative timing of multiple tasks, is called a <firstterm>race condition</firstterm>.
180       The piece of code containing the concurrency issue is called a
181       <firstterm>critical region</firstterm>.  And especially since Linux starting running
182       on SMP machines, they became one of the major issues in kernel
183       design and implementation.
184     </para>
185     <para>
186       Preemption can have the same effect, even if there is only one
187       CPU: by preempting one task during the critical region, we have
188       exactly the same race condition.  In this case the thread which
189       preempts might run the critical region itself.
190     </para>
191     <para>
192       The solution is to recognize when these simultaneous accesses
193       occur, and use locks to make sure that only one instance can
194       enter the critical region at any time.  There are many
195       friendly primitives in the Linux kernel to help you do this.
196       And then there are the unfriendly primitives, but I'll pretend
197       they don't exist.
198     </para>
199     </sect1>
200   </chapter>
201
202   <chapter id="locks">
203    <title>Locking in the Linux Kernel</title>
204
205    <para>
206      If I could give you one piece of advice: never sleep with anyone
207      crazier than yourself.  But if I had to give you advice on
208      locking: <emphasis>keep it simple</emphasis>.
209    </para>
210
211    <para>
212      Be reluctant to introduce new locks.
213    </para>
214
215    <para>
216      Strangely enough, this last one is the exact reverse of my advice when
217      you <emphasis>have</emphasis> slept with someone crazier than yourself.
218      And you should think about getting a big dog.
219    </para>
220
221    <sect1 id="lock-intro">
222    <title>Three Main Types of Kernel Locks: Spinlocks, Mutexes and Semaphores</title>
223
224    <para>
225      There are three main types of kernel locks.  The fundamental type
226      is the spinlock 
227      (<filename class="headerfile">include/asm/spinlock.h</filename>),
228      which is a very simple single-holder lock: if you can't get the 
229      spinlock, you keep trying (spinning) until you can.  Spinlocks are 
230      very small and fast, and can be used anywhere.
231    </para>
232    <para>
233      The second type is a mutex
234      (<filename class="headerfile">include/linux/mutex.h</filename>): it
235      is like a spinlock, but you may block holding a mutex.
236      If you can't lock a mutex, your task will suspend itself, and be woken
237      up when the mutex is released.  This means the CPU can do something
238      else while you are waiting.  There are many cases when you simply
239      can't sleep (see <xref linkend="sleeping-things"/>), and so have to
240      use a spinlock instead.
241    </para>
242    <para>
243      The third type is a semaphore
244      (<filename class="headerfile">include/linux/semaphore.h</filename>): it
245      can have more than one holder at any time (the number decided at
246      initialization time), although it is most commonly used as a
247      single-holder lock (a mutex).  If you can't get a semaphore, your
248      task will be suspended and later on woken up - just like for mutexes.
249    </para>
250    <para>
251      Neither type of lock is recursive: see
252      <xref linkend="deadlock"/>.
253    </para>
254    </sect1>
255  
256    <sect1 id="uniprocessor">
257     <title>Locks and Uniprocessor Kernels</title>
258
259     <para>
260       For kernels compiled without <symbol>CONFIG_SMP</symbol>, and
261       without <symbol>CONFIG_PREEMPT</symbol> spinlocks do not exist at
262       all.  This is an excellent design decision: when no-one else can
263       run at the same time, there is no reason to have a lock.
264     </para>
265
266     <para>
267       If the kernel is compiled without <symbol>CONFIG_SMP</symbol>,
268       but <symbol>CONFIG_PREEMPT</symbol> is set, then spinlocks
269       simply disable preemption, which is sufficient to prevent any
270       races.  For most purposes, we can think of preemption as
271       equivalent to SMP, and not worry about it separately.
272     </para>
273
274     <para>
275       You should always test your locking code with <symbol>CONFIG_SMP</symbol>
276       and <symbol>CONFIG_PREEMPT</symbol> enabled, even if you don't have an SMP test box, because it
277       will still catch some kinds of locking bugs.
278     </para>
279
280     <para>
281       Semaphores still exist, because they are required for
282       synchronization between <firstterm linkend="gloss-usercontext">user 
283       contexts</firstterm>, as we will see below.
284     </para>
285    </sect1>
286
287     <sect1 id="usercontextlocking">
288      <title>Locking Only In User Context</title>
289
290      <para>
291        If you have a data structure which is only ever accessed from
292        user context, then you can use a simple semaphore
293        (<filename>linux/linux/semaphore.h</filename>) to protect it.  This
294        is the most trivial case: you initialize the semaphore to the number 
295        of resources available (usually 1), and call
296        <function>down_interruptible()</function> to grab the semaphore, and 
297        <function>up()</function> to release it.  There is also a 
298        <function>down()</function>, which should be avoided, because it 
299        will not return if a signal is received.
300      </para>
301
302      <para>
303        Example: <filename>linux/net/core/netfilter.c</filename> allows 
304        registration of new <function>setsockopt()</function> and 
305        <function>getsockopt()</function> calls, with
306        <function>nf_register_sockopt()</function>.  Registration and 
307        de-registration are only done on module load and unload (and boot 
308        time, where there is no concurrency), and the list of registrations 
309        is only consulted for an unknown <function>setsockopt()</function>
310        or <function>getsockopt()</function> system call.  The 
311        <varname>nf_sockopt_mutex</varname> is perfect to protect this,
312        especially since the setsockopt and getsockopt calls may well
313        sleep.
314      </para>
315    </sect1>
316
317    <sect1 id="lock-user-bh">
318     <title>Locking Between User Context and Softirqs</title>
319
320     <para>
321       If a <firstterm linkend="gloss-softirq">softirq</firstterm> shares
322       data with user context, you have two problems.  Firstly, the current 
323       user context can be interrupted by a softirq, and secondly, the
324       critical region could be entered from another CPU.  This is where
325       <function>spin_lock_bh()</function> 
326       (<filename class="headerfile">include/linux/spinlock.h</filename>) is
327       used.  It disables softirqs on that CPU, then grabs the lock.
328       <function>spin_unlock_bh()</function> does the reverse.  (The
329       '_bh' suffix is a historical reference to "Bottom Halves", the
330       old name for software interrupts.  It should really be
331       called spin_lock_softirq()' in a perfect world).
332     </para>
333
334     <para>
335       Note that you can also use <function>spin_lock_irq()</function>
336       or <function>spin_lock_irqsave()</function> here, which stop
337       hardware interrupts as well: see <xref linkend="hardirq-context"/>.
338     </para>
339
340     <para>
341       This works perfectly for <firstterm linkend="gloss-up"><acronym>UP
342       </acronym></firstterm> as well: the spin lock vanishes, and this macro 
343       simply becomes <function>local_bh_disable()</function>
344       (<filename class="headerfile">include/linux/interrupt.h</filename>), which
345       protects you from the softirq being run.
346     </para>
347    </sect1>
348
349    <sect1 id="lock-user-tasklet">
350     <title>Locking Between User Context and Tasklets</title>
351
352     <para>
353       This is exactly the same as above, because <firstterm
354       linkend="gloss-tasklet">tasklets</firstterm> are actually run
355       from a softirq.
356     </para>
357    </sect1>
358
359    <sect1 id="lock-user-timers">
360     <title>Locking Between User Context and Timers</title>
361
362     <para>
363       This, too, is exactly the same as above, because <firstterm
364       linkend="gloss-timers">timers</firstterm> are actually run from
365       a softirq.  From a locking point of view, tasklets and timers
366       are identical.
367     </para>
368    </sect1>
369
370    <sect1 id="lock-tasklets">
371     <title>Locking Between Tasklets/Timers</title>
372
373     <para>
374       Sometimes a tasklet or timer might want to share data with
375       another tasklet or timer.
376     </para>
377
378     <sect2 id="lock-tasklets-same">
379      <title>The Same Tasklet/Timer</title>
380      <para>
381        Since a tasklet is never run on two CPUs at once, you don't
382        need to worry about your tasklet being reentrant (running
383        twice at once), even on SMP.
384      </para>
385     </sect2>
386
387     <sect2 id="lock-tasklets-different">
388      <title>Different Tasklets/Timers</title>
389      <para>
390        If another tasklet/timer wants
391        to share data with your tasklet or timer , you will both need to use
392        <function>spin_lock()</function> and
393        <function>spin_unlock()</function> calls.  
394        <function>spin_lock_bh()</function> is
395        unnecessary here, as you are already in a tasklet, and
396        none will be run on the same CPU.
397      </para>
398     </sect2>
399    </sect1>
400
401    <sect1 id="lock-softirqs">
402     <title>Locking Between Softirqs</title>
403
404     <para>
405       Often a softirq might
406       want to share data with itself or a tasklet/timer.
407     </para>
408
409     <sect2 id="lock-softirqs-same">
410      <title>The Same Softirq</title>
411
412      <para>
413        The same softirq can run on the other CPUs: you can use a
414        per-CPU array (see <xref linkend="per-cpu"/>) for better
415        performance.  If you're going so far as to use a softirq,
416        you probably care about scalable performance enough
417        to justify the extra complexity.
418      </para>
419
420      <para>
421        You'll need to use <function>spin_lock()</function> and 
422        <function>spin_unlock()</function> for shared data.
423      </para>
424     </sect2>
425
426     <sect2 id="lock-softirqs-different">
427      <title>Different Softirqs</title>
428
429      <para>
430        You'll need to use <function>spin_lock()</function> and
431        <function>spin_unlock()</function> for shared data, whether it
432        be a timer, tasklet, different softirq or the same or another
433        softirq: any of them could be running on a different CPU.
434      </para>
435     </sect2>
436    </sect1>
437   </chapter>
438
439   <chapter id="hardirq-context">
440    <title>Hard IRQ Context</title>
441
442    <para>
443      Hardware interrupts usually communicate with a
444      tasklet or softirq.  Frequently this involves putting work in a
445      queue, which the softirq will take out.
446    </para>
447
448    <sect1 id="hardirq-softirq">
449     <title>Locking Between Hard IRQ and Softirqs/Tasklets</title>
450
451     <para>
452       If a hardware irq handler shares data with a softirq, you have
453       two concerns.  Firstly, the softirq processing can be
454       interrupted by a hardware interrupt, and secondly, the
455       critical region could be entered by a hardware interrupt on
456       another CPU.  This is where <function>spin_lock_irq()</function> is 
457       used.  It is defined to disable interrupts on that cpu, then grab 
458       the lock. <function>spin_unlock_irq()</function> does the reverse.
459     </para>
460
461     <para>
462       The irq handler does not to use
463       <function>spin_lock_irq()</function>, because the softirq cannot
464       run while the irq handler is running: it can use
465       <function>spin_lock()</function>, which is slightly faster.  The
466       only exception would be if a different hardware irq handler uses
467       the same lock: <function>spin_lock_irq()</function> will stop
468       that from interrupting us.
469     </para>
470
471     <para>
472       This works perfectly for UP as well: the spin lock vanishes,
473       and this macro simply becomes <function>local_irq_disable()</function>
474       (<filename class="headerfile">include/asm/smp.h</filename>), which
475       protects you from the softirq/tasklet/BH being run.
476     </para>
477
478     <para>
479       <function>spin_lock_irqsave()</function> 
480       (<filename>include/linux/spinlock.h</filename>) is a variant
481       which saves whether interrupts were on or off in a flags word,
482       which is passed to <function>spin_unlock_irqrestore()</function>.  This
483       means that the same code can be used inside an hard irq handler (where
484       interrupts are already off) and in softirqs (where the irq
485       disabling is required).
486     </para>
487
488     <para>
489       Note that softirqs (and hence tasklets and timers) are run on
490       return from hardware interrupts, so
491       <function>spin_lock_irq()</function> also stops these.  In that
492       sense, <function>spin_lock_irqsave()</function> is the most
493       general and powerful locking function.
494     </para>
495
496    </sect1>
497    <sect1 id="hardirq-hardirq">
498     <title>Locking Between Two Hard IRQ Handlers</title>
499     <para>
500       It is rare to have to share data between two IRQ handlers, but
501       if you do, <function>spin_lock_irqsave()</function> should be
502       used: it is architecture-specific whether all interrupts are
503       disabled inside irq handlers themselves.
504     </para>
505    </sect1>
506
507   </chapter>
508
509   <chapter id="cheatsheet">
510    <title>Cheat Sheet For Locking</title>
511    <para>
512      Pete Zaitcev gives the following summary:
513    </para>
514    <itemizedlist>
515       <listitem>
516         <para>
517           If you are in a process context (any syscall) and want to
518         lock other process out, use a semaphore.  You can take a semaphore
519         and sleep (<function>copy_from_user*(</function> or
520         <function>kmalloc(x,GFP_KERNEL)</function>).
521       </para>
522       </listitem>
523       <listitem>
524         <para>
525         Otherwise (== data can be touched in an interrupt), use
526         <function>spin_lock_irqsave()</function> and
527         <function>spin_unlock_irqrestore()</function>.
528         </para>
529       </listitem>
530       <listitem>
531         <para>
532         Avoid holding spinlock for more than 5 lines of code and
533         across any function call (except accessors like
534         <function>readb</function>).
535         </para>
536       </listitem>
537     </itemizedlist>
538
539    <sect1 id="minimum-lock-reqirements">
540    <title>Table of Minimum Requirements</title>
541
542    <para> The following table lists the <emphasis>minimum</emphasis>
543         locking requirements between various contexts.  In some cases,
544         the same context can only be running on one CPU at a time, so
545         no locking is required for that context (eg. a particular
546         thread can only run on one CPU at a time, but if it needs
547         shares data with another thread, locking is required).
548    </para>
549    <para>
550         Remember the advice above: you can always use
551         <function>spin_lock_irqsave()</function>, which is a superset
552         of all other spinlock primitives.
553    </para>
554
555    <table>
556 <title>Table of Locking Requirements</title>
557 <tgroup cols="11">
558 <tbody>
559
560 <row>
561 <entry></entry>
562 <entry>IRQ Handler A</entry>
563 <entry>IRQ Handler B</entry>
564 <entry>Softirq A</entry>
565 <entry>Softirq B</entry>
566 <entry>Tasklet A</entry>
567 <entry>Tasklet B</entry>
568 <entry>Timer A</entry>
569 <entry>Timer B</entry>
570 <entry>User Context A</entry>
571 <entry>User Context B</entry>
572 </row>
573
574 <row>
575 <entry>IRQ Handler A</entry>
576 <entry>None</entry>
577 </row>
578
579 <row>
580 <entry>IRQ Handler B</entry>
581 <entry>SLIS</entry>
582 <entry>None</entry>
583 </row>
584
585 <row>
586 <entry>Softirq A</entry>
587 <entry>SLI</entry>
588 <entry>SLI</entry>
589 <entry>SL</entry>
590 </row>
591
592 <row>
593 <entry>Softirq B</entry>
594 <entry>SLI</entry>
595 <entry>SLI</entry>
596 <entry>SL</entry>
597 <entry>SL</entry>
598 </row>
599
600 <row>
601 <entry>Tasklet A</entry>
602 <entry>SLI</entry>
603 <entry>SLI</entry>
604 <entry>SL</entry>
605 <entry>SL</entry>
606 <entry>None</entry>
607 </row>
608
609 <row>
610 <entry>Tasklet B</entry>
611 <entry>SLI</entry>
612 <entry>SLI</entry>
613 <entry>SL</entry>
614 <entry>SL</entry>
615 <entry>SL</entry>
616 <entry>None</entry>
617 </row>
618
619 <row>
620 <entry>Timer A</entry>
621 <entry>SLI</entry>
622 <entry>SLI</entry>
623 <entry>SL</entry>
624 <entry>SL</entry>
625 <entry>SL</entry>
626 <entry>SL</entry>
627 <entry>None</entry>
628 </row>
629
630 <row>
631 <entry>Timer B</entry>
632 <entry>SLI</entry>
633 <entry>SLI</entry>
634 <entry>SL</entry>
635 <entry>SL</entry>
636 <entry>SL</entry>
637 <entry>SL</entry>
638 <entry>SL</entry>
639 <entry>None</entry>
640 </row>
641
642 <row>
643 <entry>User Context A</entry>
644 <entry>SLI</entry>
645 <entry>SLI</entry>
646 <entry>SLBH</entry>
647 <entry>SLBH</entry>
648 <entry>SLBH</entry>
649 <entry>SLBH</entry>
650 <entry>SLBH</entry>
651 <entry>SLBH</entry>
652 <entry>None</entry>
653 </row>
654
655 <row>
656 <entry>User Context B</entry>
657 <entry>SLI</entry>
658 <entry>SLI</entry>
659 <entry>SLBH</entry>
660 <entry>SLBH</entry>
661 <entry>SLBH</entry>
662 <entry>SLBH</entry>
663 <entry>SLBH</entry>
664 <entry>SLBH</entry>
665 <entry>DI</entry>
666 <entry>None</entry>
667 </row>
668
669 </tbody>
670 </tgroup>
671 </table>
672
673    <table>
674 <title>Legend for Locking Requirements Table</title>
675 <tgroup cols="2">
676 <tbody>
677
678 <row>
679 <entry>SLIS</entry>
680 <entry>spin_lock_irqsave</entry>
681 </row>
682 <row>
683 <entry>SLI</entry>
684 <entry>spin_lock_irq</entry>
685 </row>
686 <row>
687 <entry>SL</entry>
688 <entry>spin_lock</entry>
689 </row>
690 <row>
691 <entry>SLBH</entry>
692 <entry>spin_lock_bh</entry>
693 </row>
694 <row>
695 <entry>DI</entry>
696 <entry>down_interruptible</entry>
697 </row>
698
699 </tbody>
700 </tgroup>
701 </table>
702
703 </sect1>
704 </chapter>
705
706 <chapter id="trylock-functions">
707  <title>The trylock Functions</title>
708   <para>
709    There are functions that try to acquire a lock only once and immediately
710    return a value telling about success or failure to acquire the lock.
711    They can be used if you need no access to the data protected with the lock
712    when some other thread is holding the lock. You should acquire the lock
713    later if you then need access to the data protected with the lock.
714   </para>
715
716   <para>
717     <function>spin_trylock()</function> does not spin but returns non-zero if
718     it acquires the spinlock on the first try or 0 if not. This function can
719     be used in all contexts like <function>spin_lock</function>: you must have
720     disabled the contexts that might interrupt you and acquire the spin lock.
721   </para>
722
723   <para>
724     <function>mutex_trylock()</function> does not suspend your task
725     but returns non-zero if it could lock the mutex on the first try
726     or 0 if not. This function cannot be safely used in hardware or software
727     interrupt contexts despite not sleeping.
728   </para>
729 </chapter>
730
731   <chapter id="Examples">
732    <title>Common Examples</title>
733     <para>
734 Let's step through a simple example: a cache of number to name
735 mappings.  The cache keeps a count of how often each of the objects is
736 used, and when it gets full, throws out the least used one.
737
738     </para>
739
740    <sect1 id="examples-usercontext">
741     <title>All In User Context</title>
742     <para>
743 For our first example, we assume that all operations are in user
744 context (ie. from system calls), so we can sleep.  This means we can
745 use a mutex to protect the cache and all the objects within
746 it.  Here's the code:
747     </para>
748
749     <programlisting>
750 #include &lt;linux/list.h&gt;
751 #include &lt;linux/slab.h&gt;
752 #include &lt;linux/string.h&gt;
753 #include &lt;linux/mutex.h&gt;
754 #include &lt;asm/errno.h&gt;
755
756 struct object
757 {
758         struct list_head list;
759         int id;
760         char name[32];
761         int popularity;
762 };
763
764 /* Protects the cache, cache_num, and the objects within it */
765 static DEFINE_MUTEX(cache_lock);
766 static LIST_HEAD(cache);
767 static unsigned int cache_num = 0;
768 #define MAX_CACHE_SIZE 10
769
770 /* Must be holding cache_lock */
771 static struct object *__cache_find(int id)
772 {
773         struct object *i;
774
775         list_for_each_entry(i, &amp;cache, list)
776                 if (i-&gt;id == id) {
777                         i-&gt;popularity++;
778                         return i;
779                 }
780         return NULL;
781 }
782
783 /* Must be holding cache_lock */
784 static void __cache_delete(struct object *obj)
785 {
786         BUG_ON(!obj);
787         list_del(&amp;obj-&gt;list);
788         kfree(obj);
789         cache_num--;
790 }
791
792 /* Must be holding cache_lock */
793 static void __cache_add(struct object *obj)
794 {
795         list_add(&amp;obj-&gt;list, &amp;cache);
796         if (++cache_num > MAX_CACHE_SIZE) {
797                 struct object *i, *outcast = NULL;
798                 list_for_each_entry(i, &amp;cache, list) {
799                         if (!outcast || i-&gt;popularity &lt; outcast-&gt;popularity)
800                                 outcast = i;
801                 }
802                 __cache_delete(outcast);
803         }
804 }
805
806 int cache_add(int id, const char *name)
807 {
808         struct object *obj;
809
810         if ((obj = kmalloc(sizeof(*obj), GFP_KERNEL)) == NULL)
811                 return -ENOMEM;
812
813         strlcpy(obj-&gt;name, name, sizeof(obj-&gt;name));
814         obj-&gt;id = id;
815         obj-&gt;popularity = 0;
816
817         mutex_lock(&amp;cache_lock);
818         __cache_add(obj);
819         mutex_unlock(&amp;cache_lock);
820         return 0;
821 }
822
823 void cache_delete(int id)
824 {
825         mutex_lock(&amp;cache_lock);
826         __cache_delete(__cache_find(id));
827         mutex_unlock(&amp;cache_lock);
828 }
829
830 int cache_find(int id, char *name)
831 {
832         struct object *obj;
833         int ret = -ENOENT;
834
835         mutex_lock(&amp;cache_lock);
836         obj = __cache_find(id);
837         if (obj) {
838                 ret = 0;
839                 strcpy(name, obj-&gt;name);
840         }
841         mutex_unlock(&amp;cache_lock);
842         return ret;
843 }
844 </programlisting>
845
846     <para>
847 Note that we always make sure we have the cache_lock when we add,
848 delete, or look up the cache: both the cache infrastructure itself and
849 the contents of the objects are protected by the lock.  In this case
850 it's easy, since we copy the data for the user, and never let them
851 access the objects directly.
852     </para>
853     <para>
854 There is a slight (and common) optimization here: in
855 <function>cache_add</function> we set up the fields of the object
856 before grabbing the lock.  This is safe, as no-one else can access it
857 until we put it in cache.
858     </para>
859     </sect1>
860
861    <sect1 id="examples-interrupt">
862     <title>Accessing From Interrupt Context</title>
863     <para>
864 Now consider the case where <function>cache_find</function> can be
865 called from interrupt context: either a hardware interrupt or a
866 softirq.  An example would be a timer which deletes object from the
867 cache.
868     </para>
869     <para>
870 The change is shown below, in standard patch format: the
871 <symbol>-</symbol> are lines which are taken away, and the
872 <symbol>+</symbol> are lines which are added.
873     </para>
874 <programlisting>
875 --- cache.c.usercontext 2003-12-09 13:58:54.000000000 +1100
876 +++ cache.c.interrupt   2003-12-09 14:07:49.000000000 +1100
877 @@ -12,7 +12,7 @@
878          int popularity;
879  };
880
881 -static DEFINE_MUTEX(cache_lock);
882 +static DEFINE_SPINLOCK(cache_lock);
883  static LIST_HEAD(cache);
884  static unsigned int cache_num = 0;
885  #define MAX_CACHE_SIZE 10
886 @@ -55,6 +55,7 @@
887  int cache_add(int id, const char *name)
888  {
889          struct object *obj;
890 +        unsigned long flags;
891
892          if ((obj = kmalloc(sizeof(*obj), GFP_KERNEL)) == NULL)
893                  return -ENOMEM;
894 @@ -63,30 +64,33 @@
895          obj-&gt;id = id;
896          obj-&gt;popularity = 0;
897
898 -        mutex_lock(&amp;cache_lock);
899 +        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
900          __cache_add(obj);
901 -        mutex_unlock(&amp;cache_lock);
902 +        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
903          return 0;
904  }
905
906  void cache_delete(int id)
907  {
908 -        mutex_lock(&amp;cache_lock);
909 +        unsigned long flags;
910 +
911 +        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
912          __cache_delete(__cache_find(id));
913 -        mutex_unlock(&amp;cache_lock);
914 +        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
915  }
916
917  int cache_find(int id, char *name)
918  {
919          struct object *obj;
920          int ret = -ENOENT;
921 +        unsigned long flags;
922
923 -        mutex_lock(&amp;cache_lock);
924 +        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
925          obj = __cache_find(id);
926          if (obj) {
927                  ret = 0;
928                  strcpy(name, obj-&gt;name);
929          }
930 -        mutex_unlock(&amp;cache_lock);
931 +        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
932          return ret;
933  }
934 </programlisting>
935
936     <para>
937 Note that the <function>spin_lock_irqsave</function> will turn off
938 interrupts if they are on, otherwise does nothing (if we are already
939 in an interrupt handler), hence these functions are safe to call from
940 any context.
941     </para>
942     <para>
943 Unfortunately, <function>cache_add</function> calls
944 <function>kmalloc</function> with the <symbol>GFP_KERNEL</symbol>
945 flag, which is only legal in user context.  I have assumed that
946 <function>cache_add</function> is still only called in user context,
947 otherwise this should become a parameter to
948 <function>cache_add</function>.
949     </para>
950   </sect1>
951    <sect1 id="examples-refcnt">
952     <title>Exposing Objects Outside This File</title>
953     <para>
954 If our objects contained more information, it might not be sufficient
955 to copy the information in and out: other parts of the code might want
956 to keep pointers to these objects, for example, rather than looking up
957 the id every time.  This produces two problems.
958     </para>
959     <para>
960 The first problem is that we use the <symbol>cache_lock</symbol> to
961 protect objects: we'd need to make this non-static so the rest of the
962 code can use it.  This makes locking trickier, as it is no longer all
963 in one place.
964     </para>
965     <para>
966 The second problem is the lifetime problem: if another structure keeps
967 a pointer to an object, it presumably expects that pointer to remain
968 valid.  Unfortunately, this is only guaranteed while you hold the
969 lock, otherwise someone might call <function>cache_delete</function>
970 and even worse, add another object, re-using the same address.
971     </para>
972     <para>
973 As there is only one lock, you can't hold it forever: no-one else would
974 get any work done.
975     </para>
976     <para>
977 The solution to this problem is to use a reference count: everyone who
978 has a pointer to the object increases it when they first get the
979 object, and drops the reference count when they're finished with it.
980 Whoever drops it to zero knows it is unused, and can actually delete it.
981     </para>
982     <para>
983 Here is the code:
984     </para>
985
986 <programlisting>
987 --- cache.c.interrupt   2003-12-09 14:25:43.000000000 +1100
988 +++ cache.c.refcnt      2003-12-09 14:33:05.000000000 +1100
989 @@ -7,6 +7,7 @@
990  struct object
991  {
992          struct list_head list;
993 +        unsigned int refcnt;
994          int id;
995          char name[32];
996          int popularity;
997 @@ -17,6 +18,35 @@
998  static unsigned int cache_num = 0;
999  #define MAX_CACHE_SIZE 10
1000
1001 +static void __object_put(struct object *obj)
1002 +{
1003 +        if (--obj-&gt;refcnt == 0)
1004 +                kfree(obj);
1005 +}
1006 +
1007 +static void __object_get(struct object *obj)
1008 +{
1009 +        obj-&gt;refcnt++;
1010 +}
1011 +
1012 +void object_put(struct object *obj)
1013 +{
1014 +        unsigned long flags;
1015 +
1016 +        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1017 +        __object_put(obj);
1018 +        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1019 +}
1020 +
1021 +void object_get(struct object *obj)
1022 +{
1023 +        unsigned long flags;
1024 +
1025 +        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1026 +        __object_get(obj);
1027 +        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1028 +}
1029 +
1030  /* Must be holding cache_lock */
1031  static struct object *__cache_find(int id)
1032  {
1033 @@ -35,6 +65,7 @@
1034  {
1035          BUG_ON(!obj);
1036          list_del(&amp;obj-&gt;list);
1037 +        __object_put(obj);
1038          cache_num--;
1039  }
1040
1041 @@ -63,6 +94,7 @@
1042          strlcpy(obj-&gt;name, name, sizeof(obj-&gt;name));
1043          obj-&gt;id = id;
1044          obj-&gt;popularity = 0;
1045 +        obj-&gt;refcnt = 1; /* The cache holds a reference */
1046
1047          spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1048          __cache_add(obj);
1049 @@ -79,18 +111,15 @@
1050          spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1051  }
1052
1053 -int cache_find(int id, char *name)
1054 +struct object *cache_find(int id)
1055  {
1056          struct object *obj;
1057 -        int ret = -ENOENT;
1058          unsigned long flags;
1059
1060          spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1061          obj = __cache_find(id);
1062 -        if (obj) {
1063 -                ret = 0;
1064 -                strcpy(name, obj-&gt;name);
1065 -        }
1066 +        if (obj)
1067 +                __object_get(obj);
1068          spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1069 -        return ret;
1070 +        return obj;
1071  }
1072 </programlisting>
1073
1074 <para>
1075 We encapsulate the reference counting in the standard 'get' and 'put'
1076 functions.  Now we can return the object itself from
1077 <function>cache_find</function> which has the advantage that the user
1078 can now sleep holding the object (eg. to
1079 <function>copy_to_user</function> to name to userspace).
1080 </para>
1081 <para>
1082 The other point to note is that I said a reference should be held for
1083 every pointer to the object: thus the reference count is 1 when first
1084 inserted into the cache.  In some versions the framework does not hold
1085 a reference count, but they are more complicated.
1086 </para>
1087
1088    <sect2 id="examples-refcnt-atomic">
1089     <title>Using Atomic Operations For The Reference Count</title>
1090 <para>
1091 In practice, <type>atomic_t</type> would usually be used for
1092 <structfield>refcnt</structfield>.  There are a number of atomic
1093 operations defined in
1094
1095 <filename class="headerfile">include/asm/atomic.h</filename>: these are
1096 guaranteed to be seen atomically from all CPUs in the system, so no
1097 lock is required.  In this case, it is simpler than using spinlocks,
1098 although for anything non-trivial using spinlocks is clearer.  The
1099 <function>atomic_inc</function> and
1100 <function>atomic_dec_and_test</function> are used instead of the
1101 standard increment and decrement operators, and the lock is no longer
1102 used to protect the reference count itself.
1103 </para>
1104
1105 <programlisting>
1106 --- cache.c.refcnt      2003-12-09 15:00:35.000000000 +1100
1107 +++ cache.c.refcnt-atomic       2003-12-11 15:49:42.000000000 +1100
1108 @@ -7,7 +7,7 @@
1109  struct object
1110  {
1111          struct list_head list;
1112 -        unsigned int refcnt;
1113 +        atomic_t refcnt;
1114          int id;
1115          char name[32];
1116          int popularity;
1117 @@ -18,33 +18,15 @@
1118  static unsigned int cache_num = 0;
1119  #define MAX_CACHE_SIZE 10
1120
1121 -static void __object_put(struct object *obj)
1122 -{
1123 -        if (--obj-&gt;refcnt == 0)
1124 -                kfree(obj);
1125 -}
1126 -
1127 -static void __object_get(struct object *obj)
1128 -{
1129 -        obj-&gt;refcnt++;
1130 -}
1131 -
1132  void object_put(struct object *obj)
1133  {
1134 -        unsigned long flags;
1135 -
1136 -        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1137 -        __object_put(obj);
1138 -        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1139 +        if (atomic_dec_and_test(&amp;obj-&gt;refcnt))
1140 +                kfree(obj);
1141  }
1142
1143  void object_get(struct object *obj)
1144  {
1145 -        unsigned long flags;
1146 -
1147 -        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1148 -        __object_get(obj);
1149 -        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1150 +        atomic_inc(&amp;obj-&gt;refcnt);
1151  }
1152
1153  /* Must be holding cache_lock */
1154 @@ -65,7 +47,7 @@
1155  {
1156          BUG_ON(!obj);
1157          list_del(&amp;obj-&gt;list);
1158 -        __object_put(obj);
1159 +        object_put(obj);
1160          cache_num--;
1161  }
1162
1163 @@ -94,7 +76,7 @@
1164          strlcpy(obj-&gt;name, name, sizeof(obj-&gt;name));
1165          obj-&gt;id = id;
1166          obj-&gt;popularity = 0;
1167 -        obj-&gt;refcnt = 1; /* The cache holds a reference */
1168 +        atomic_set(&amp;obj-&gt;refcnt, 1); /* The cache holds a reference */
1169
1170          spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1171          __cache_add(obj);
1172 @@ -119,7 +101,7 @@
1173          spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1174          obj = __cache_find(id);
1175          if (obj)
1176 -                __object_get(obj);
1177 +                object_get(obj);
1178          spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1179          return obj;
1180  }
1181 </programlisting>
1182 </sect2>
1183 </sect1>
1184
1185    <sect1 id="examples-lock-per-obj">
1186     <title>Protecting The Objects Themselves</title>
1187     <para>
1188 In these examples, we assumed that the objects (except the reference
1189 counts) never changed once they are created.  If we wanted to allow
1190 the name to change, there are three possibilities:
1191     </para>
1192     <itemizedlist>
1193       <listitem>
1194         <para>
1195 You can make <symbol>cache_lock</symbol> non-static, and tell people
1196 to grab that lock before changing the name in any object.
1197         </para>
1198       </listitem>
1199       <listitem>
1200         <para>
1201 You can provide a <function>cache_obj_rename</function> which grabs
1202 this lock and changes the name for the caller, and tell everyone to
1203 use that function.
1204         </para>
1205       </listitem>
1206       <listitem>
1207         <para>
1208 You can make the <symbol>cache_lock</symbol> protect only the cache
1209 itself, and use another lock to protect the name.
1210         </para>
1211       </listitem>
1212     </itemizedlist>
1213
1214       <para>
1215 Theoretically, you can make the locks as fine-grained as one lock for
1216 every field, for every object.  In practice, the most common variants
1217 are:
1218 </para>
1219     <itemizedlist>
1220       <listitem>
1221         <para>
1222 One lock which protects the infrastructure (the <symbol>cache</symbol>
1223 list in this example) and all the objects.  This is what we have done
1224 so far.
1225         </para>
1226       </listitem>
1227       <listitem>
1228         <para>
1229 One lock which protects the infrastructure (including the list
1230 pointers inside the objects), and one lock inside the object which
1231 protects the rest of that object.
1232         </para>
1233       </listitem>
1234       <listitem>
1235         <para>
1236 Multiple locks to protect the infrastructure (eg. one lock per hash
1237 chain), possibly with a separate per-object lock.
1238         </para>
1239       </listitem>
1240     </itemizedlist>
1241
1242 <para>
1243 Here is the "lock-per-object" implementation:
1244 </para>
1245 <programlisting>
1246 --- cache.c.refcnt-atomic       2003-12-11 15:50:54.000000000 +1100
1247 +++ cache.c.perobjectlock       2003-12-11 17:15:03.000000000 +1100
1248 @@ -6,11 +6,17 @@
1249
1250  struct object
1251  {
1252 +        /* These two protected by cache_lock. */
1253          struct list_head list;
1254 +        int popularity;
1255 +
1256          atomic_t refcnt;
1257 +
1258 +        /* Doesn't change once created. */
1259          int id;
1260 +
1261 +        spinlock_t lock; /* Protects the name */
1262          char name[32];
1263 -        int popularity;
1264  };
1265
1266  static DEFINE_SPINLOCK(cache_lock);
1267 @@ -77,6 +84,7 @@
1268          obj-&gt;id = id;
1269          obj-&gt;popularity = 0;
1270          atomic_set(&amp;obj-&gt;refcnt, 1); /* The cache holds a reference */
1271 +        spin_lock_init(&amp;obj-&gt;lock);
1272
1273          spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1274          __cache_add(obj);
1275 </programlisting>
1276
1277 <para>
1278 Note that I decide that the <structfield>popularity</structfield>
1279 count should be protected by the <symbol>cache_lock</symbol> rather
1280 than the per-object lock: this is because it (like the
1281 <structname>struct list_head</structname> inside the object) is
1282 logically part of the infrastructure.  This way, I don't need to grab
1283 the lock of every object in <function>__cache_add</function> when
1284 seeking the least popular.
1285 </para>
1286
1287 <para>
1288 I also decided that the <structfield>id</structfield> member is
1289 unchangeable, so I don't need to grab each object lock in
1290 <function>__cache_find()</function> to examine the
1291 <structfield>id</structfield>: the object lock is only used by a
1292 caller who wants to read or write the <structfield>name</structfield>
1293 field.
1294 </para>
1295
1296 <para>
1297 Note also that I added a comment describing what data was protected by
1298 which locks.  This is extremely important, as it describes the runtime
1299 behavior of the code, and can be hard to gain from just reading.  And
1300 as Alan Cox says, <quote>Lock data, not code</quote>.
1301 </para>
1302 </sect1>
1303 </chapter>
1304
1305    <chapter id="common-problems">
1306     <title>Common Problems</title>
1307     <sect1 id="deadlock">
1308     <title>Deadlock: Simple and Advanced</title>
1309
1310     <para>
1311       There is a coding bug where a piece of code tries to grab a
1312       spinlock twice: it will spin forever, waiting for the lock to
1313       be released (spinlocks, rwlocks and semaphores are not
1314       recursive in Linux).  This is trivial to diagnose: not a
1315       stay-up-five-nights-talk-to-fluffy-code-bunnies kind of
1316       problem.
1317     </para>
1318
1319     <para>
1320       For a slightly more complex case, imagine you have a region
1321       shared by a softirq and user context.  If you use a
1322       <function>spin_lock()</function> call to protect it, it is 
1323       possible that the user context will be interrupted by the softirq
1324       while it holds the lock, and the softirq will then spin
1325       forever trying to get the same lock.
1326     </para>
1327
1328     <para>
1329       Both of these are called deadlock, and as shown above, it can
1330       occur even with a single CPU (although not on UP compiles,
1331       since spinlocks vanish on kernel compiles with 
1332       <symbol>CONFIG_SMP</symbol>=n. You'll still get data corruption 
1333       in the second example).
1334     </para>
1335
1336     <para>
1337       This complete lockup is easy to diagnose: on SMP boxes the
1338       watchdog timer or compiling with <symbol>DEBUG_SPINLOCKS</symbol> set
1339       (<filename>include/linux/spinlock.h</filename>) will show this up 
1340       immediately when it happens.
1341     </para>
1342
1343     <para>
1344       A more complex problem is the so-called 'deadly embrace',
1345       involving two or more locks.  Say you have a hash table: each
1346       entry in the table is a spinlock, and a chain of hashed
1347       objects.  Inside a softirq handler, you sometimes want to
1348       alter an object from one place in the hash to another: you
1349       grab the spinlock of the old hash chain and the spinlock of
1350       the new hash chain, and delete the object from the old one,
1351       and insert it in the new one.
1352     </para>
1353
1354     <para>
1355       There are two problems here.  First, if your code ever
1356       tries to move the object to the same chain, it will deadlock
1357       with itself as it tries to lock it twice.  Secondly, if the
1358       same softirq on another CPU is trying to move another object
1359       in the reverse direction, the following could happen:
1360     </para>
1361
1362     <table>
1363      <title>Consequences</title>
1364
1365      <tgroup cols="2" align="left">
1366
1367       <thead>
1368        <row>
1369         <entry>CPU 1</entry>
1370         <entry>CPU 2</entry>
1371        </row>
1372       </thead>
1373
1374       <tbody>
1375        <row>
1376         <entry>Grab lock A -&gt; OK</entry>
1377         <entry>Grab lock B -&gt; OK</entry>
1378        </row>
1379        <row>
1380         <entry>Grab lock B -&gt; spin</entry>
1381         <entry>Grab lock A -&gt; spin</entry>
1382        </row>
1383       </tbody>
1384      </tgroup>
1385     </table>
1386
1387     <para>
1388       The two CPUs will spin forever, waiting for the other to give up
1389       their lock.  It will look, smell, and feel like a crash.
1390     </para>
1391     </sect1>
1392
1393     <sect1 id="techs-deadlock-prevent">
1394      <title>Preventing Deadlock</title>
1395
1396      <para>
1397        Textbooks will tell you that if you always lock in the same
1398        order, you will never get this kind of deadlock.  Practice
1399        will tell you that this approach doesn't scale: when I
1400        create a new lock, I don't understand enough of the kernel
1401        to figure out where in the 5000 lock hierarchy it will fit.
1402      </para>
1403
1404      <para>
1405        The best locks are encapsulated: they never get exposed in
1406        headers, and are never held around calls to non-trivial
1407        functions outside the same file.  You can read through this
1408        code and see that it will never deadlock, because it never
1409        tries to grab another lock while it has that one.  People
1410        using your code don't even need to know you are using a
1411        lock.
1412      </para>
1413
1414      <para>
1415        A classic problem here is when you provide callbacks or
1416        hooks: if you call these with the lock held, you risk simple
1417        deadlock, or a deadly embrace (who knows what the callback
1418        will do?).  Remember, the other programmers are out to get
1419        you, so don't do this.
1420      </para>
1421
1422     <sect2 id="techs-deadlock-overprevent">
1423      <title>Overzealous Prevention Of Deadlocks</title>
1424
1425      <para>
1426        Deadlocks are problematic, but not as bad as data
1427        corruption.  Code which grabs a read lock, searches a list,
1428        fails to find what it wants, drops the read lock, grabs a
1429        write lock and inserts the object has a race condition.
1430      </para>
1431
1432      <para>
1433        If you don't see why, please stay the fuck away from my code.
1434      </para>
1435     </sect2>
1436     </sect1>
1437
1438    <sect1 id="racing-timers">
1439     <title>Racing Timers: A Kernel Pastime</title>
1440
1441     <para>
1442       Timers can produce their own special problems with races.
1443       Consider a collection of objects (list, hash, etc) where each
1444       object has a timer which is due to destroy it.
1445     </para>
1446
1447     <para>
1448       If you want to destroy the entire collection (say on module
1449       removal), you might do the following:
1450     </para>
1451
1452     <programlisting>
1453         /* THIS CODE BAD BAD BAD BAD: IF IT WAS ANY WORSE IT WOULD USE
1454            HUNGARIAN NOTATION */
1455         spin_lock_bh(&amp;list_lock);
1456
1457         while (list) {
1458                 struct foo *next = list-&gt;next;
1459                 del_timer(&amp;list-&gt;timer);
1460                 kfree(list);
1461                 list = next;
1462         }
1463
1464         spin_unlock_bh(&amp;list_lock);
1465     </programlisting>
1466
1467     <para>
1468       Sooner or later, this will crash on SMP, because a timer can
1469       have just gone off before the <function>spin_lock_bh()</function>,
1470       and it will only get the lock after we
1471       <function>spin_unlock_bh()</function>, and then try to free
1472       the element (which has already been freed!).
1473     </para>
1474
1475     <para>
1476       This can be avoided by checking the result of
1477       <function>del_timer()</function>: if it returns
1478       <returnvalue>1</returnvalue>, the timer has been deleted.
1479       If <returnvalue>0</returnvalue>, it means (in this
1480       case) that it is currently running, so we can do:
1481     </para>
1482
1483     <programlisting>
1484         retry:
1485                 spin_lock_bh(&amp;list_lock);
1486
1487                 while (list) {
1488                         struct foo *next = list-&gt;next;
1489                         if (!del_timer(&amp;list-&gt;timer)) {
1490                                 /* Give timer a chance to delete this */
1491                                 spin_unlock_bh(&amp;list_lock);
1492                                 goto retry;
1493                         }
1494                         kfree(list);
1495                         list = next;
1496                 }
1497
1498                 spin_unlock_bh(&amp;list_lock);
1499     </programlisting>
1500
1501     <para>
1502       Another common problem is deleting timers which restart
1503       themselves (by calling <function>add_timer()</function> at the end
1504       of their timer function).  Because this is a fairly common case
1505       which is prone to races, you should use <function>del_timer_sync()</function>
1506       (<filename class="headerfile">include/linux/timer.h</filename>)
1507       to handle this case.  It returns the number of times the timer
1508       had to be deleted before we finally stopped it from adding itself back
1509       in.
1510     </para>
1511    </sect1>
1512
1513   </chapter>
1514
1515  <chapter id="Efficiency">
1516     <title>Locking Speed</title>
1517
1518     <para>
1519 There are three main things to worry about when considering speed of
1520 some code which does locking.  First is concurrency: how many things
1521 are going to be waiting while someone else is holding a lock.  Second
1522 is the time taken to actually acquire and release an uncontended lock.
1523 Third is using fewer, or smarter locks.  I'm assuming that the lock is
1524 used fairly often: otherwise, you wouldn't be concerned about
1525 efficiency.
1526 </para>
1527     <para>
1528 Concurrency depends on how long the lock is usually held: you should
1529 hold the lock for as long as needed, but no longer.  In the cache
1530 example, we always create the object without the lock held, and then
1531 grab the lock only when we are ready to insert it in the list.
1532 </para>
1533     <para>
1534 Acquisition times depend on how much damage the lock operations do to
1535 the pipeline (pipeline stalls) and how likely it is that this CPU was
1536 the last one to grab the lock (ie. is the lock cache-hot for this
1537 CPU): on a machine with more CPUs, this likelihood drops fast.
1538 Consider a 700MHz Intel Pentium III: an instruction takes about 0.7ns,
1539 an atomic increment takes about 58ns, a lock which is cache-hot on
1540 this CPU takes 160ns, and a cacheline transfer from another CPU takes
1541 an additional 170 to 360ns.  (These figures from Paul McKenney's
1542 <ulink url="http://www.linuxjournal.com/article.php?sid=6993"> Linux
1543 Journal RCU article</ulink>).
1544 </para>
1545     <para>
1546 These two aims conflict: holding a lock for a short time might be done
1547 by splitting locks into parts (such as in our final per-object-lock
1548 example), but this increases the number of lock acquisitions, and the
1549 results are often slower than having a single lock.  This is another
1550 reason to advocate locking simplicity.
1551 </para>
1552     <para>
1553 The third concern is addressed below: there are some methods to reduce
1554 the amount of locking which needs to be done.
1555 </para>
1556
1557   <sect1 id="efficiency-rwlocks">
1558    <title>Read/Write Lock Variants</title>
1559
1560    <para>
1561       Both spinlocks and semaphores have read/write variants:
1562       <type>rwlock_t</type> and <structname>struct rw_semaphore</structname>.
1563       These divide users into two classes: the readers and the writers.  If
1564       you are only reading the data, you can get a read lock, but to write to
1565       the data you need the write lock.  Many people can hold a read lock,
1566       but a writer must be sole holder.
1567     </para>
1568
1569    <para>
1570       If your code divides neatly along reader/writer lines (as our
1571       cache code does), and the lock is held by readers for
1572       significant lengths of time, using these locks can help.  They
1573       are slightly slower than the normal locks though, so in practice
1574       <type>rwlock_t</type> is not usually worthwhile.
1575     </para>
1576    </sect1>
1577
1578    <sect1 id="efficiency-read-copy-update">
1579     <title>Avoiding Locks: Read Copy Update</title>
1580
1581     <para>
1582       There is a special method of read/write locking called Read Copy
1583       Update.  Using RCU, the readers can avoid taking a lock
1584       altogether: as we expect our cache to be read more often than
1585       updated (otherwise the cache is a waste of time), it is a
1586       candidate for this optimization.
1587     </para>
1588
1589     <para>
1590       How do we get rid of read locks?  Getting rid of read locks
1591       means that writers may be changing the list underneath the
1592       readers.  That is actually quite simple: we can read a linked
1593       list while an element is being added if the writer adds the
1594       element very carefully.  For example, adding
1595       <symbol>new</symbol> to a single linked list called
1596       <symbol>list</symbol>:
1597     </para>
1598
1599     <programlisting>
1600         new-&gt;next = list-&gt;next;
1601         wmb();
1602         list-&gt;next = new;
1603     </programlisting>
1604
1605     <para>
1606       The <function>wmb()</function> is a write memory barrier.  It
1607       ensures that the first operation (setting the new element's
1608       <symbol>next</symbol> pointer) is complete and will be seen by
1609       all CPUs, before the second operation is (putting the new
1610       element into the list).  This is important, since modern
1611       compilers and modern CPUs can both reorder instructions unless
1612       told otherwise: we want a reader to either not see the new
1613       element at all, or see the new element with the
1614       <symbol>next</symbol> pointer correctly pointing at the rest of
1615       the list.
1616     </para>
1617     <para>
1618       Fortunately, there is a function to do this for standard
1619       <structname>struct list_head</structname> lists:
1620       <function>list_add_rcu()</function>
1621       (<filename>include/linux/list.h</filename>).
1622     </para>
1623     <para>
1624       Removing an element from the list is even simpler: we replace
1625       the pointer to the old element with a pointer to its successor,
1626       and readers will either see it, or skip over it.
1627     </para>
1628     <programlisting>
1629         list-&gt;next = old-&gt;next;
1630     </programlisting>
1631     <para>
1632       There is <function>list_del_rcu()</function>
1633       (<filename>include/linux/list.h</filename>) which does this (the
1634       normal version poisons the old object, which we don't want).
1635     </para>
1636     <para>
1637       The reader must also be careful: some CPUs can look through the
1638       <symbol>next</symbol> pointer to start reading the contents of
1639       the next element early, but don't realize that the pre-fetched
1640       contents is wrong when the <symbol>next</symbol> pointer changes
1641       underneath them.  Once again, there is a
1642       <function>list_for_each_entry_rcu()</function>
1643       (<filename>include/linux/list.h</filename>) to help you.  Of
1644       course, writers can just use
1645       <function>list_for_each_entry()</function>, since there cannot
1646       be two simultaneous writers.
1647     </para>
1648     <para>
1649       Our final dilemma is this: when can we actually destroy the
1650       removed element?  Remember, a reader might be stepping through
1651       this element in the list right now: if we free this element and
1652       the <symbol>next</symbol> pointer changes, the reader will jump
1653       off into garbage and crash.  We need to wait until we know that
1654       all the readers who were traversing the list when we deleted the
1655       element are finished.  We use <function>call_rcu()</function> to
1656       register a callback which will actually destroy the object once
1657       the readers are finished.
1658     </para>
1659     <para>
1660       But how does Read Copy Update know when the readers are
1661       finished?  The method is this: firstly, the readers always
1662       traverse the list inside
1663       <function>rcu_read_lock()</function>/<function>rcu_read_unlock()</function>
1664       pairs: these simply disable preemption so the reader won't go to
1665       sleep while reading the list.
1666     </para>
1667     <para>
1668       RCU then waits until every other CPU has slept at least once:
1669       since readers cannot sleep, we know that any readers which were
1670       traversing the list during the deletion are finished, and the
1671       callback is triggered.  The real Read Copy Update code is a
1672       little more optimized than this, but this is the fundamental
1673       idea.
1674     </para>
1675
1676 <programlisting>
1677 --- cache.c.perobjectlock       2003-12-11 17:15:03.000000000 +1100
1678 +++ cache.c.rcupdate    2003-12-11 17:55:14.000000000 +1100
1679 @@ -1,15 +1,18 @@
1680  #include &lt;linux/list.h&gt;
1681  #include &lt;linux/slab.h&gt;
1682  #include &lt;linux/string.h&gt;
1683 +#include &lt;linux/rcupdate.h&gt;
1684  #include &lt;linux/semaphore.h&gt;
1685  #include &lt;asm/errno.h&gt;
1686
1687  struct object
1688  {
1689 -        /* These two protected by cache_lock. */
1690 +        /* This is protected by RCU */
1691          struct list_head list;
1692          int popularity;
1693
1694 +        struct rcu_head rcu;
1695 +
1696          atomic_t refcnt;
1697
1698          /* Doesn't change once created. */
1699 @@ -40,7 +43,7 @@
1700  {
1701          struct object *i;
1702
1703 -        list_for_each_entry(i, &amp;cache, list) {
1704 +        list_for_each_entry_rcu(i, &amp;cache, list) {
1705                  if (i-&gt;id == id) {
1706                          i-&gt;popularity++;
1707                          return i;
1708 @@ -49,19 +52,25 @@
1709          return NULL;
1710  }
1711
1712 +/* Final discard done once we know no readers are looking. */
1713 +static void cache_delete_rcu(void *arg)
1714 +{
1715 +        object_put(arg);
1716 +}
1717 +
1718  /* Must be holding cache_lock */
1719  static void __cache_delete(struct object *obj)
1720  {
1721          BUG_ON(!obj);
1722 -        list_del(&amp;obj-&gt;list);
1723 -        object_put(obj);
1724 +        list_del_rcu(&amp;obj-&gt;list);
1725          cache_num--;
1726 +        call_rcu(&amp;obj-&gt;rcu, cache_delete_rcu, obj);
1727  }
1728
1729  /* Must be holding cache_lock */
1730  static void __cache_add(struct object *obj)
1731  {
1732 -        list_add(&amp;obj-&gt;list, &amp;cache);
1733 +        list_add_rcu(&amp;obj-&gt;list, &amp;cache);
1734          if (++cache_num > MAX_CACHE_SIZE) {
1735                  struct object *i, *outcast = NULL;
1736                  list_for_each_entry(i, &amp;cache, list) {
1737 @@ -85,6 +94,7 @@
1738          obj-&gt;popularity = 0;
1739          atomic_set(&amp;obj-&gt;refcnt, 1); /* The cache holds a reference */
1740          spin_lock_init(&amp;obj-&gt;lock);
1741 +        INIT_RCU_HEAD(&amp;obj-&gt;rcu);
1742
1743          spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1744          __cache_add(obj);
1745 @@ -104,12 +114,11 @@
1746  struct object *cache_find(int id)
1747  {
1748          struct object *obj;
1749 -        unsigned long flags;
1750
1751 -        spin_lock_irqsave(&amp;cache_lock, flags);
1752 +        rcu_read_lock();
1753          obj = __cache_find(id);
1754          if (obj)
1755                  object_get(obj);
1756 -        spin_unlock_irqrestore(&amp;cache_lock, flags);
1757 +        rcu_read_unlock();
1758          return obj;
1759  }
1760 </programlisting>
1761
1762 <para>
1763 Note that the reader will alter the
1764 <structfield>popularity</structfield> member in
1765 <function>__cache_find()</function>, and now it doesn't hold a lock.
1766 One solution would be to make it an <type>atomic_t</type>, but for
1767 this usage, we don't really care about races: an approximate result is
1768 good enough, so I didn't change it.
1769 </para>
1770
1771 <para>
1772 The result is that <function>cache_find()</function> requires no
1773 synchronization with any other functions, so is almost as fast on SMP
1774 as it would be on UP.
1775 </para>
1776
1777 <para>
1778 There is a furthur optimization possible here: remember our original
1779 cache code, where there were no reference counts and the caller simply
1780 held the lock whenever using the object?  This is still possible: if
1781 you hold the lock, noone can delete the object, so you don't need to
1782 get and put the reference count.
1783 </para>
1784
1785 <para>
1786 Now, because the 'read lock' in RCU is simply disabling preemption, a
1787 caller which always has preemption disabled between calling
1788 <function>cache_find()</function> and
1789 <function>object_put()</function> does not need to actually get and
1790 put the reference count: we could expose
1791 <function>__cache_find()</function> by making it non-static, and
1792 such callers could simply call that.
1793 </para>
1794 <para>
1795 The benefit here is that the reference count is not written to: the
1796 object is not altered in any way, which is much faster on SMP
1797 machines due to caching.
1798 </para>
1799   </sect1>
1800
1801    <sect1 id="per-cpu">
1802     <title>Per-CPU Data</title>
1803
1804     <para>
1805       Another technique for avoiding locking which is used fairly
1806       widely is to duplicate information for each CPU.  For example,
1807       if you wanted to keep a count of a common condition, you could
1808       use a spin lock and a single counter.  Nice and simple.
1809     </para>
1810
1811     <para>
1812       If that was too slow (it's usually not, but if you've got a
1813       really big machine to test on and can show that it is), you
1814       could instead use a counter for each CPU, then none of them need
1815       an exclusive lock.  See <function>DEFINE_PER_CPU()</function>,
1816       <function>get_cpu_var()</function> and
1817       <function>put_cpu_var()</function>
1818       (<filename class="headerfile">include/linux/percpu.h</filename>).
1819     </para>
1820
1821     <para>
1822       Of particular use for simple per-cpu counters is the
1823       <type>local_t</type> type, and the
1824       <function>cpu_local_inc()</function> and related functions,
1825       which are more efficient than simple code on some architectures
1826       (<filename class="headerfile">include/asm/local.h</filename>).
1827     </para>
1828
1829     <para>
1830       Note that there is no simple, reliable way of getting an exact
1831       value of such a counter, without introducing more locks.  This
1832       is not a problem for some uses.
1833     </para>
1834    </sect1>
1835
1836    <sect1 id="mostly-hardirq">
1837     <title>Data Which Mostly Used By An IRQ Handler</title>
1838
1839     <para>
1840       If data is always accessed from within the same IRQ handler, you
1841       don't need a lock at all: the kernel already guarantees that the
1842       irq handler will not run simultaneously on multiple CPUs.
1843     </para>
1844     <para>
1845       Manfred Spraul points out that you can still do this, even if
1846       the data is very occasionally accessed in user context or
1847       softirqs/tasklets.  The irq handler doesn't use a lock, and
1848       all other accesses are done as so:
1849     </para>
1850
1851 <programlisting>
1852         spin_lock(&amp;lock);
1853         disable_irq(irq);
1854         ...
1855         enable_irq(irq);
1856         spin_unlock(&amp;lock);
1857 </programlisting>
1858     <para>
1859       The <function>disable_irq()</function> prevents the irq handler
1860       from running (and waits for it to finish if it's currently
1861       running on other CPUs).  The spinlock prevents any other
1862       accesses happening at the same time.  Naturally, this is slower
1863       than just a <function>spin_lock_irq()</function> call, so it
1864       only makes sense if this type of access happens extremely
1865       rarely.
1866     </para>
1867    </sect1>
1868   </chapter>
1869
1870  <chapter id="sleeping-things">
1871     <title>What Functions Are Safe To Call From Interrupts?</title>
1872
1873     <para>
1874       Many functions in the kernel sleep (ie. call schedule())
1875       directly or indirectly: you can never call them while holding a
1876       spinlock, or with preemption disabled.  This also means you need
1877       to be in user context: calling them from an interrupt is illegal.
1878     </para>
1879
1880    <sect1 id="sleeping">
1881     <title>Some Functions Which Sleep</title>
1882
1883     <para>
1884       The most common ones are listed below, but you usually have to
1885       read the code to find out if other calls are safe.  If everyone
1886       else who calls it can sleep, you probably need to be able to
1887       sleep, too.  In particular, registration and deregistration
1888       functions usually expect to be called from user context, and can
1889       sleep.
1890     </para>
1891
1892     <itemizedlist>
1893      <listitem>
1894       <para>
1895         Accesses to 
1896         <firstterm linkend="gloss-userspace">userspace</firstterm>:
1897       </para>
1898       <itemizedlist>
1899        <listitem>
1900         <para>
1901           <function>copy_from_user()</function>
1902         </para>
1903        </listitem>
1904        <listitem>
1905         <para>
1906           <function>copy_to_user()</function>
1907         </para>
1908        </listitem>
1909        <listitem>
1910         <para>
1911           <function>get_user()</function>
1912         </para>
1913        </listitem>
1914        <listitem>
1915         <para>
1916           <function> put_user()</function>
1917         </para>
1918        </listitem>
1919       </itemizedlist>
1920      </listitem>
1921
1922      <listitem>
1923       <para>
1924         <function>kmalloc(GFP_KERNEL)</function>
1925       </para>
1926      </listitem>
1927
1928      <listitem>
1929       <para>
1930       <function>down_interruptible()</function> and
1931       <function>down()</function>
1932       </para>
1933       <para>
1934        There is a <function>down_trylock()</function> which can be
1935        used inside interrupt context, as it will not sleep.
1936        <function>up()</function> will also never sleep.
1937       </para>
1938      </listitem>
1939     </itemizedlist>
1940    </sect1>
1941
1942    <sect1 id="dont-sleep">
1943     <title>Some Functions Which Don't Sleep</title>
1944
1945     <para>
1946      Some functions are safe to call from any context, or holding
1947      almost any lock.
1948     </para>
1949
1950     <itemizedlist>
1951      <listitem>
1952       <para>
1953         <function>printk()</function>
1954       </para>
1955      </listitem>
1956      <listitem>
1957       <para>
1958         <function>kfree()</function>
1959       </para>
1960      </listitem>
1961      <listitem>
1962       <para>
1963         <function>add_timer()</function> and <function>del_timer()</function>
1964       </para>
1965      </listitem>
1966     </itemizedlist>
1967    </sect1>
1968   </chapter>
1969
1970   <chapter id="references">
1971    <title>Further reading</title>
1972
1973    <itemizedlist>
1974     <listitem>
1975      <para>
1976        <filename>Documentation/spinlocks.txt</filename>: 
1977        Linus Torvalds' spinlocking tutorial in the kernel sources.
1978      </para>
1979     </listitem>
1980
1981     <listitem>
1982      <para>
1983        Unix Systems for Modern Architectures: Symmetric
1984        Multiprocessing and Caching for Kernel Programmers:
1985      </para>
1986
1987      <para>
1988        Curt Schimmel's very good introduction to kernel level
1989        locking (not written for Linux, but nearly everything
1990        applies).  The book is expensive, but really worth every
1991        penny to understand SMP locking. [ISBN: 0201633388]
1992      </para>
1993     </listitem>
1994    </itemizedlist>
1995   </chapter>
1996
1997   <chapter id="thanks">
1998     <title>Thanks</title>
1999
2000     <para>
2001       Thanks to Telsa Gwynne for DocBooking, neatening and adding
2002       style.
2003     </para>
2004
2005     <para>
2006       Thanks to Martin Pool, Philipp Rumpf, Stephen Rothwell, Paul
2007       Mackerras, Ruedi Aschwanden, Alan Cox, Manfred Spraul, Tim
2008       Waugh, Pete Zaitcev, James Morris, Robert Love, Paul McKenney,
2009       John Ashby for proofreading, correcting, flaming, commenting.
2010     </para>
2011
2012     <para>
2013       Thanks to the cabal for having no influence on this document.
2014     </para>
2015   </chapter>
2016
2017   <glossary id="glossary">
2018    <title>Glossary</title>
2019
2020    <glossentry id="gloss-preemption">
2021     <glossterm>preemption</glossterm>
2022      <glossdef>
2023       <para>
2024         Prior to 2.5, or when <symbol>CONFIG_PREEMPT</symbol> is
2025         unset, processes in user context inside the kernel would not
2026         preempt each other (ie. you had that CPU until you have it up,
2027         except for interrupts).  With the addition of
2028         <symbol>CONFIG_PREEMPT</symbol> in 2.5.4, this changed: when
2029         in user context, higher priority tasks can "cut in": spinlocks
2030         were changed to disable preemption, even on UP.
2031      </para>
2032     </glossdef>
2033    </glossentry>
2034
2035    <glossentry id="gloss-bh">
2036     <glossterm>bh</glossterm>
2037      <glossdef>
2038       <para>
2039         Bottom Half: for historical reasons, functions with
2040         '_bh' in them often now refer to any software interrupt, e.g.
2041         <function>spin_lock_bh()</function> blocks any software interrupt 
2042         on the current CPU.  Bottom halves are deprecated, and will 
2043         eventually be replaced by tasklets.  Only one bottom half will be 
2044         running at any time.
2045      </para>
2046     </glossdef>
2047    </glossentry>
2048
2049    <glossentry id="gloss-hwinterrupt">
2050     <glossterm>Hardware Interrupt / Hardware IRQ</glossterm>
2051     <glossdef>
2052      <para>
2053        Hardware interrupt request.  <function>in_irq()</function> returns 
2054        <returnvalue>true</returnvalue> in a hardware interrupt handler.
2055      </para>
2056     </glossdef>
2057    </glossentry>
2058
2059    <glossentry id="gloss-interruptcontext">
2060     <glossterm>Interrupt Context</glossterm>
2061     <glossdef>
2062      <para>
2063        Not user context: processing a hardware irq or software irq.
2064        Indicated by the <function>in_interrupt()</function> macro 
2065        returning <returnvalue>true</returnvalue>.
2066      </para>
2067     </glossdef>
2068    </glossentry>
2069
2070    <glossentry id="gloss-smp">
2071     <glossterm><acronym>SMP</acronym></glossterm>
2072     <glossdef>
2073      <para>
2074        Symmetric Multi-Processor: kernels compiled for multiple-CPU
2075        machines.  (CONFIG_SMP=y).
2076      </para>
2077     </glossdef>
2078    </glossentry>
2079
2080    <glossentry id="gloss-softirq">
2081     <glossterm>Software Interrupt / softirq</glossterm>
2082     <glossdef>
2083      <para>
2084        Software interrupt handler.  <function>in_irq()</function> returns
2085        <returnvalue>false</returnvalue>; <function>in_softirq()</function>
2086        returns <returnvalue>true</returnvalue>.  Tasklets and softirqs
2087         both fall into the category of 'software interrupts'.
2088      </para>
2089      <para>
2090        Strictly speaking a softirq is one of up to 32 enumerated software
2091        interrupts which can run on multiple CPUs at once.
2092        Sometimes used to refer to tasklets as
2093        well (ie. all software interrupts).
2094      </para>
2095     </glossdef>
2096    </glossentry>
2097
2098    <glossentry id="gloss-tasklet">
2099     <glossterm>tasklet</glossterm>
2100     <glossdef>
2101      <para>
2102        A dynamically-registrable software interrupt,
2103        which is guaranteed to only run on one CPU at a time.
2104      </para>
2105     </glossdef>
2106    </glossentry>
2107
2108    <glossentry id="gloss-timers">
2109     <glossterm>timer</glossterm>
2110     <glossdef>
2111      <para>
2112        A dynamically-registrable software interrupt, which is run at
2113        (or close to) a given time.  When running, it is just like a
2114        tasklet (in fact, they are called from the TIMER_SOFTIRQ).
2115      </para>
2116     </glossdef>
2117    </glossentry>
2118
2119    <glossentry id="gloss-up">
2120     <glossterm><acronym>UP</acronym></glossterm>
2121     <glossdef>
2122      <para>
2123        Uni-Processor: Non-SMP.  (CONFIG_SMP=n).
2124      </para>
2125     </glossdef>
2126    </glossentry>
2127
2128    <glossentry id="gloss-usercontext">
2129     <glossterm>User Context</glossterm>
2130     <glossdef>
2131      <para>
2132        The kernel executing on behalf of a particular process (ie. a
2133        system call or trap) or kernel thread.  You can tell which
2134        process with the <symbol>current</symbol> macro.)  Not to
2135        be confused with userspace.  Can be interrupted by software or
2136        hardware interrupts.
2137      </para>
2138     </glossdef>
2139    </glossentry>
2140
2141    <glossentry id="gloss-userspace">
2142     <glossterm>Userspace</glossterm>
2143     <glossdef>
2144      <para>
2145        A process executing its own code outside the kernel.
2146      </para>
2147     </glossdef>
2148    </glossentry>      
2149
2150   </glossary>
2151 </book>
2152