dt-bindings: phy: g12a-usb3-pcie-phy: fix compatible string documentation
[platform/kernel/linux-starfive.git] / Documentation / RCU / rcu_dereference.rst
1 .. _rcu_dereference_doc:
2
3 PROPER CARE AND FEEDING OF RETURN VALUES FROM rcu_dereference()
4 ===============================================================
5
6 Most of the time, you can use values from rcu_dereference() or one of
7 the similar primitives without worries.  Dereferencing (prefix "*"),
8 field selection ("->"), assignment ("="), address-of ("&"), addition and
9 subtraction of constants, and casts all work quite naturally and safely.
10
11 It is nevertheless possible to get into trouble with other operations.
12 Follow these rules to keep your RCU code working properly:
13
14 -       You must use one of the rcu_dereference() family of primitives
15         to load an RCU-protected pointer, otherwise CONFIG_PROVE_RCU
16         will complain.  Worse yet, your code can see random memory-corruption
17         bugs due to games that compilers and DEC Alpha can play.
18         Without one of the rcu_dereference() primitives, compilers
19         can reload the value, and won't your code have fun with two
20         different values for a single pointer!  Without rcu_dereference(),
21         DEC Alpha can load a pointer, dereference that pointer, and
22         return data preceding initialization that preceded the store of
23         the pointer.
24
25         In addition, the volatile cast in rcu_dereference() prevents the
26         compiler from deducing the resulting pointer value.  Please see
27         the section entitled "EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH"
28         for an example where the compiler can in fact deduce the exact
29         value of the pointer, and thus cause misordering.
30
31 -       In the special case where data is added but is never removed
32         while readers are accessing the structure, READ_ONCE() may be used
33         instead of rcu_dereference().  In this case, use of READ_ONCE()
34         takes on the role of the lockless_dereference() primitive that
35         was removed in v4.15.
36
37 -       You are only permitted to use rcu_dereference on pointer values.
38         The compiler simply knows too much about integral values to
39         trust it to carry dependencies through integer operations.
40         There are a very few exceptions, namely that you can temporarily
41         cast the pointer to uintptr_t in order to:
42
43         -       Set bits and clear bits down in the must-be-zero low-order
44                 bits of that pointer.  This clearly means that the pointer
45                 must have alignment constraints, for example, this does
46                 *not* work in general for char* pointers.
47
48         -       XOR bits to translate pointers, as is done in some
49                 classic buddy-allocator algorithms.
50
51         It is important to cast the value back to pointer before
52         doing much of anything else with it.
53
54 -       Avoid cancellation when using the "+" and "-" infix arithmetic
55         operators.  For example, for a given variable "x", avoid
56         "(x-(uintptr_t)x)" for char* pointers.  The compiler is within its
57         rights to substitute zero for this sort of expression, so that
58         subsequent accesses no longer depend on the rcu_dereference(),
59         again possibly resulting in bugs due to misordering.
60
61         Of course, if "p" is a pointer from rcu_dereference(), and "a"
62         and "b" are integers that happen to be equal, the expression
63         "p+a-b" is safe because its value still necessarily depends on
64         the rcu_dereference(), thus maintaining proper ordering.
65
66 -       If you are using RCU to protect JITed functions, so that the
67         "()" function-invocation operator is applied to a value obtained
68         (directly or indirectly) from rcu_dereference(), you may need to
69         interact directly with the hardware to flush instruction caches.
70         This issue arises on some systems when a newly JITed function is
71         using the same memory that was used by an earlier JITed function.
72
73 -       Do not use the results from relational operators ("==", "!=",
74         ">", ">=", "<", or "<=") when dereferencing.  For example,
75         the following (quite strange) code is buggy::
76
77                 int *p;
78                 int *q;
79
80                 ...
81
82                 p = rcu_dereference(gp)
83                 q = &global_q;
84                 q += p > &oom_p;
85                 r1 = *q;  /* BUGGY!!! */
86
87         As before, the reason this is buggy is that relational operators
88         are often compiled using branches.  And as before, although
89         weak-memory machines such as ARM or PowerPC do order stores
90         after such branches, but can speculate loads, which can again
91         result in misordering bugs.
92
93 -       Be very careful about comparing pointers obtained from
94         rcu_dereference() against non-NULL values.  As Linus Torvalds
95         explained, if the two pointers are equal, the compiler could
96         substitute the pointer you are comparing against for the pointer
97         obtained from rcu_dereference().  For example::
98
99                 p = rcu_dereference(gp);
100                 if (p == &default_struct)
101                         do_default(p->a);
102
103         Because the compiler now knows that the value of "p" is exactly
104         the address of the variable "default_struct", it is free to
105         transform this code into the following::
106
107                 p = rcu_dereference(gp);
108                 if (p == &default_struct)
109                         do_default(default_struct.a);
110
111         On ARM and Power hardware, the load from "default_struct.a"
112         can now be speculated, such that it might happen before the
113         rcu_dereference().  This could result in bugs due to misordering.
114
115         However, comparisons are OK in the following cases:
116
117         -       The comparison was against the NULL pointer.  If the
118                 compiler knows that the pointer is NULL, you had better
119                 not be dereferencing it anyway.  If the comparison is
120                 non-equal, the compiler is none the wiser.  Therefore,
121                 it is safe to compare pointers from rcu_dereference()
122                 against NULL pointers.
123
124         -       The pointer is never dereferenced after being compared.
125                 Since there are no subsequent dereferences, the compiler
126                 cannot use anything it learned from the comparison
127                 to reorder the non-existent subsequent dereferences.
128                 This sort of comparison occurs frequently when scanning
129                 RCU-protected circular linked lists.
130
131                 Note that if the pointer comparison is done outside
132                 of an RCU read-side critical section, and the pointer
133                 is never dereferenced, rcu_access_pointer() should be
134                 used in place of rcu_dereference().  In most cases,
135                 it is best to avoid accidental dereferences by testing
136                 the rcu_access_pointer() return value directly, without
137                 assigning it to a variable.
138
139                 Within an RCU read-side critical section, there is little
140                 reason to use rcu_access_pointer().
141
142         -       The comparison is against a pointer that references memory
143                 that was initialized "a long time ago."  The reason
144                 this is safe is that even if misordering occurs, the
145                 misordering will not affect the accesses that follow
146                 the comparison.  So exactly how long ago is "a long
147                 time ago"?  Here are some possibilities:
148
149                 -       Compile time.
150
151                 -       Boot time.
152
153                 -       Module-init time for module code.
154
155                 -       Prior to kthread creation for kthread code.
156
157                 -       During some prior acquisition of the lock that
158                         we now hold.
159
160                 -       Before mod_timer() time for a timer handler.
161
162                 There are many other possibilities involving the Linux
163                 kernel's wide array of primitives that cause code to
164                 be invoked at a later time.
165
166         -       The pointer being compared against also came from
167                 rcu_dereference().  In this case, both pointers depend
168                 on one rcu_dereference() or another, so you get proper
169                 ordering either way.
170
171                 That said, this situation can make certain RCU usage
172                 bugs more likely to happen.  Which can be a good thing,
173                 at least if they happen during testing.  An example
174                 of such an RCU usage bug is shown in the section titled
175                 "EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG".
176
177         -       All of the accesses following the comparison are stores,
178                 so that a control dependency preserves the needed ordering.
179                 That said, it is easy to get control dependencies wrong.
180                 Please see the "CONTROL DEPENDENCIES" section of
181                 Documentation/memory-barriers.txt for more details.
182
183         -       The pointers are not equal *and* the compiler does
184                 not have enough information to deduce the value of the
185                 pointer.  Note that the volatile cast in rcu_dereference()
186                 will normally prevent the compiler from knowing too much.
187
188                 However, please note that if the compiler knows that the
189                 pointer takes on only one of two values, a not-equal
190                 comparison will provide exactly the information that the
191                 compiler needs to deduce the value of the pointer.
192
193 -       Disable any value-speculation optimizations that your compiler
194         might provide, especially if you are making use of feedback-based
195         optimizations that take data collected from prior runs.  Such
196         value-speculation optimizations reorder operations by design.
197
198         There is one exception to this rule:  Value-speculation
199         optimizations that leverage the branch-prediction hardware are
200         safe on strongly ordered systems (such as x86), but not on weakly
201         ordered systems (such as ARM or Power).  Choose your compiler
202         command-line options wisely!
203
204
205 EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG
206 ----------------------------------
207
208 Because updaters can run concurrently with RCU readers, RCU readers can
209 see stale and/or inconsistent values.  If RCU readers need fresh or
210 consistent values, which they sometimes do, they need to take proper
211 precautions.  To see this, consider the following code fragment::
212
213         struct foo {
214                 int a;
215                 int b;
216                 int c;
217         };
218         struct foo *gp1;
219         struct foo *gp2;
220
221         void updater(void)
222         {
223                 struct foo *p;
224
225                 p = kmalloc(...);
226                 if (p == NULL)
227                         deal_with_it();
228                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
229                 p->b = 43;
230                 p->c = 44;
231                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
232                 p->b = 143;
233                 p->c = 144;
234                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
235         }
236
237         void reader(void)
238         {
239                 struct foo *p;
240                 struct foo *q;
241                 int r1, r2;
242
243                 p = rcu_dereference(gp2);
244                 if (p == NULL)
245                         return;
246                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
247                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
248                 if (p == q) {
249                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
250                         r2 = p->c; /* Could get 44 on weakly order system. */
251                 }
252                 do_something_with(r1, r2);
253         }
254
255 You might be surprised that the outcome (r1 == 143 && r2 == 44) is possible,
256 but you should not be.  After all, the updater might have been invoked
257 a second time between the time reader() loaded into "r1" and the time
258 that it loaded into "r2".  The fact that this same result can occur due
259 to some reordering from the compiler and CPUs is beside the point.
260
261 But suppose that the reader needs a consistent view?
262
263 Then one approach is to use locking, for example, as follows::
264
265         struct foo {
266                 int a;
267                 int b;
268                 int c;
269                 spinlock_t lock;
270         };
271         struct foo *gp1;
272         struct foo *gp2;
273
274         void updater(void)
275         {
276                 struct foo *p;
277
278                 p = kmalloc(...);
279                 if (p == NULL)
280                         deal_with_it();
281                 spin_lock(&p->lock);
282                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
283                 p->b = 43;
284                 p->c = 44;
285                 spin_unlock(&p->lock);
286                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
287                 spin_lock(&p->lock);
288                 p->b = 143;
289                 p->c = 144;
290                 spin_unlock(&p->lock);
291                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
292         }
293
294         void reader(void)
295         {
296                 struct foo *p;
297                 struct foo *q;
298                 int r1, r2;
299
300                 p = rcu_dereference(gp2);
301                 if (p == NULL)
302                         return;
303                 spin_lock(&p->lock);
304                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
305                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
306                 if (p == q) {
307                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
308                         r2 = p->c; /* Locking guarantees r2 == 144. */
309                 }
310                 spin_unlock(&p->lock);
311                 do_something_with(r1, r2);
312         }
313
314 As always, use the right tool for the job!
315
316
317 EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH
318 -----------------------------------------
319
320 If a pointer obtained from rcu_dereference() compares not-equal to some
321 other pointer, the compiler normally has no clue what the value of the
322 first pointer might be.  This lack of knowledge prevents the compiler
323 from carrying out optimizations that otherwise might destroy the ordering
324 guarantees that RCU depends on.  And the volatile cast in rcu_dereference()
325 should prevent the compiler from guessing the value.
326
327 But without rcu_dereference(), the compiler knows more than you might
328 expect.  Consider the following code fragment::
329
330         struct foo {
331                 int a;
332                 int b;
333         };
334         static struct foo variable1;
335         static struct foo variable2;
336         static struct foo *gp = &variable1;
337
338         void updater(void)
339         {
340                 initialize_foo(&variable2);
341                 rcu_assign_pointer(gp, &variable2);
342                 /*
343                  * The above is the only store to gp in this translation unit,
344                  * and the address of gp is not exported in any way.
345                  */
346         }
347
348         int reader(void)
349         {
350                 struct foo *p;
351
352                 p = gp;
353                 barrier();
354                 if (p == &variable1)
355                         return p->a; /* Must be variable1.a. */
356                 else
357                         return p->b; /* Must be variable2.b. */
358         }
359
360 Because the compiler can see all stores to "gp", it knows that the only
361 possible values of "gp" are "variable1" on the one hand and "variable2"
362 on the other.  The comparison in reader() therefore tells the compiler
363 the exact value of "p" even in the not-equals case.  This allows the
364 compiler to make the return values independent of the load from "gp",
365 in turn destroying the ordering between this load and the loads of the
366 return values.  This can result in "p->b" returning pre-initialization
367 garbage values.
368
369 In short, rcu_dereference() is *not* optional when you are going to
370 dereference the resulting pointer.
371
372
373 WHICH MEMBER OF THE rcu_dereference() FAMILY SHOULD YOU USE?
374 ------------------------------------------------------------
375
376 First, please avoid using rcu_dereference_raw() and also please avoid
377 using rcu_dereference_check() and rcu_dereference_protected() with a
378 second argument with a constant value of 1 (or true, for that matter).
379 With that caution out of the way, here is some guidance for which
380 member of the rcu_dereference() to use in various situations:
381
382 1.      If the access needs to be within an RCU read-side critical
383         section, use rcu_dereference().  With the new consolidated
384         RCU flavors, an RCU read-side critical section is entered
385         using rcu_read_lock(), anything that disables bottom halves,
386         anything that disables interrupts, or anything that disables
387         preemption.
388
389 2.      If the access might be within an RCU read-side critical section
390         on the one hand, or protected by (say) my_lock on the other,
391         use rcu_dereference_check(), for example::
392
393                 p1 = rcu_dereference_check(p->rcu_protected_pointer,
394                                            lockdep_is_held(&my_lock));
395
396
397 3.      If the access might be within an RCU read-side critical section
398         on the one hand, or protected by either my_lock or your_lock on
399         the other, again use rcu_dereference_check(), for example::
400
401                 p1 = rcu_dereference_check(p->rcu_protected_pointer,
402                                            lockdep_is_held(&my_lock) ||
403                                            lockdep_is_held(&your_lock));
404
405 4.      If the access is on the update side, so that it is always protected
406         by my_lock, use rcu_dereference_protected()::
407
408                 p1 = rcu_dereference_protected(p->rcu_protected_pointer,
409                                                lockdep_is_held(&my_lock));
410
411         This can be extended to handle multiple locks as in #3 above,
412         and both can be extended to check other conditions as well.
413
414 5.      If the protection is supplied by the caller, and is thus unknown
415         to this code, that is the rare case when rcu_dereference_raw()
416         is appropriate.  In addition, rcu_dereference_raw() might be
417         appropriate when the lockdep expression would be excessively
418         complex, except that a better approach in that case might be to
419         take a long hard look at your synchronization design.  Still,
420         there are data-locking cases where any one of a very large number
421         of locks or reference counters suffices to protect the pointer,
422         so rcu_dereference_raw() does have its place.
423
424         However, its place is probably quite a bit smaller than one
425         might expect given the number of uses in the current kernel.
426         Ditto for its synonym, rcu_dereference_check( ... , 1), and
427         its close relative, rcu_dereference_protected(... , 1).
428
429
430 SPARSE CHECKING OF RCU-PROTECTED POINTERS
431 -----------------------------------------
432
433 The sparse static-analysis tool checks for direct access to RCU-protected
434 pointers, which can result in "interesting" bugs due to compiler
435 optimizations involving invented loads and perhaps also load tearing.
436 For example, suppose someone mistakenly does something like this::
437
438         p = q->rcu_protected_pointer;
439         do_something_with(p->a);
440         do_something_else_with(p->b);
441
442 If register pressure is high, the compiler might optimize "p" out
443 of existence, transforming the code to something like this::
444
445         do_something_with(q->rcu_protected_pointer->a);
446         do_something_else_with(q->rcu_protected_pointer->b);
447
448 This could fatally disappoint your code if q->rcu_protected_pointer
449 changed in the meantime.  Nor is this a theoretical problem:  Exactly
450 this sort of bug cost Paul E. McKenney (and several of his innocent
451 colleagues) a three-day weekend back in the early 1990s.
452
453 Load tearing could of course result in dereferencing a mashup of a pair
454 of pointers, which also might fatally disappoint your code.
455
456 These problems could have been avoided simply by making the code instead
457 read as follows::
458
459         p = rcu_dereference(q->rcu_protected_pointer);
460         do_something_with(p->a);
461         do_something_else_with(p->b);
462
463 Unfortunately, these sorts of bugs can be extremely hard to spot during
464 review.  This is where the sparse tool comes into play, along with the
465 "__rcu" marker.  If you mark a pointer declaration, whether in a structure
466 or as a formal parameter, with "__rcu", which tells sparse to complain if
467 this pointer is accessed directly.  It will also cause sparse to complain
468 if a pointer not marked with "__rcu" is accessed using rcu_dereference()
469 and friends.  For example, ->rcu_protected_pointer might be declared as
470 follows::
471
472         struct foo __rcu *rcu_protected_pointer;
473
474 Use of "__rcu" is opt-in.  If you choose not to use it, then you should
475 ignore the sparse warnings.