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[platform/adaptation/renesas_rcar/renesas_kernel.git] / Documentation / memory-barriers.txt
1                          ============================
2                          LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
3                          ============================
4
5 By: David Howells <dhowells@redhat.com>
6     Paul E. McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
7
8 Contents:
9
10  (*) Abstract memory access model.
11
12      - Device operations.
13      - Guarantees.
14
15  (*) What are memory barriers?
16
17      - Varieties of memory barrier.
18      - What may not be assumed about memory barriers?
19      - Data dependency barriers.
20      - Control dependencies.
21      - SMP barrier pairing.
22      - Examples of memory barrier sequences.
23      - Read memory barriers vs load speculation.
24      - Transitivity
25
26  (*) Explicit kernel barriers.
27
28      - Compiler barrier.
29      - CPU memory barriers.
30      - MMIO write barrier.
31
32  (*) Implicit kernel memory barriers.
33
34      - Locking functions.
35      - Interrupt disabling functions.
36      - Sleep and wake-up functions.
37      - Miscellaneous functions.
38
39  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
40
41      - Locks vs memory accesses.
42      - Locks vs I/O accesses.
43
44  (*) Where are memory barriers needed?
45
46      - Interprocessor interaction.
47      - Atomic operations.
48      - Accessing devices.
49      - Interrupts.
50
51  (*) Kernel I/O barrier effects.
52
53  (*) Assumed minimum execution ordering model.
54
55  (*) The effects of the cpu cache.
56
57      - Cache coherency.
58      - Cache coherency vs DMA.
59      - Cache coherency vs MMIO.
60
61  (*) The things CPUs get up to.
62
63      - And then there's the Alpha.
64
65  (*) Example uses.
66
67      - Circular buffers.
68
69  (*) References.
70
71
72 ============================
73 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
74 ============================
75
76 Consider the following abstract model of the system:
77
78                             :                :
79                             :                :
80                             :                :
81                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
82                 |       |   :   |        |   :   |       |
83                 |       |   :   |        |   :   |       |
84                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
85                 |       |   :   |        |   :   |       |
86                 |       |   :   |        |   :   |       |
87                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
88                     ^       :       ^        :       ^
89                     |       :       |        :       |
90                     |       :       |        :       |
91                     |       :       v        :       |
92                     |       :   +--------+   :       |
93                     |       :   |        |   :       |
94                     |       :   |        |   :       |
95                     +---------->| Device |<----------+
96                             :   |        |   :
97                             :   |        |   :
98                             :   +--------+   :
99                             :                :
100
101 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
102 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
103 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
104 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
105 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
106 apparent operation of the program.
107
108 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
109 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
110 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
111
112
113 For example, consider the following sequence of events:
114
115         CPU 1           CPU 2
116         =============== ===============
117         { A == 1; B == 2 }
118         A = 3;          x = A;
119         B = 4;          y = B;
120
121 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
122 in 24 different combinations:
123
124         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
125         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD B->4,    x=LOAD A->3
126         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    STORE B=4,      y=LOAD B->4
127         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->2,    STORE B=4
128         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    STORE B=4,      x=LOAD A->3
129         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    x=LOAD A->3,    STORE B=4
130         STORE B=4,      STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
131         STORE B=4, ...
132         ...
133
134 and can thus result in four different combinations of values:
135
136         x == 1, y == 2
137         x == 1, y == 4
138         x == 3, y == 2
139         x == 3, y == 4
140
141
142 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
143 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
144 committed.
145
146
147 As a further example, consider this sequence of events:
148
149         CPU 1           CPU 2
150         =============== ===============
151         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
152         B = 4;          Q = P;
153         P = &B          D = *Q;
154
155 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
156 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
157 following results are possible:
158
159         (Q == &A) and (D == 1)
160         (Q == &B) and (D == 2)
161         (Q == &B) and (D == 4)
162
163 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
164 into Q before issuing the load of *Q.
165
166
167 DEVICE OPERATIONS
168 -----------------
169
170 Some devices present their control interfaces as collections of memory
171 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
172 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
173 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
174 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
175 be used:
176
177         *A = 5;
178         x = *D;
179
180 but this might show up as either of the following two sequences:
181
182         STORE *A = 5, x = LOAD *D
183         x = LOAD *D, STORE *A = 5
184
185 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
186 the address _after_ attempting to read the register.
187
188
189 GUARANTEES
190 ----------
191
192 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
193
194  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
195      respect to itself.  This means that for:
196
197         Q = P; D = *Q;
198
199      the CPU will issue the following memory operations:
200
201         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
202
203      and always in that order.
204
205  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
206      ordered within that CPU.  This means that for:
207
208         a = *X; *X = b;
209
210      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
211
212         a = LOAD *X, STORE *X = b
213
214      And for:
215
216         *X = c; d = *X;
217
218      the CPU will only issue:
219
220         STORE *X = c, d = LOAD *X
221
222      (Loads and stores overlap if they are targeted at overlapping pieces of
223      memory).
224
225 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
226
227  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
228      in the order given.  This means that for:
229
230         X = *A; Y = *B; *D = Z;
231
232      we may get any of the following sequences:
233
234         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
235         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
236         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
237         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
238         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
239         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
240
241  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
242      discarded.  This means that for:
243
244         X = *A; Y = *(A + 4);
245
246      we may get any one of the following sequences:
247
248         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
249         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
250         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
251
252      And for:
253
254         *A = X; *(A + 4) = Y;
255
256      we may get any of:
257
258         STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
259         STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
260         STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
261
262
263 =========================
264 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
265 =========================
266
267 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
268 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
269 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
270 CPU to restrict the order.
271
272 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
273 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
274
275 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
276 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
277 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
278 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
279 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
280 interaction of multiple CPUs and/or devices.
281
282
283 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
284 ---------------------------
285
286 Memory barriers come in four basic varieties:
287
288  (1) Write (or store) memory barriers.
289
290      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
291      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
292      operations specified after the barrier with respect to the other
293      components of the system.
294
295      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
296      to have any effect on loads.
297
298      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
299      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
300      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
301
302      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
303      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
304
305
306  (2) Data dependency barriers.
307
308      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
309      where two loads are performed such that the second depends on the result
310      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
311      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
312      make sure that the target of the second load is updated before the address
313      obtained by the first load is accessed.
314
315      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
316      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
317      or overlapping loads.
318
319      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
320      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
321      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
322      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
323      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
324      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
325      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
326      dependency barrier.
327
328      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
329      showing the ordering constraints.
330
331      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
332      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
333      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
334      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
335      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
336      subsection for more information.
337
338      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
339      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
340
341
342  (3) Read (or load) memory barriers.
343
344      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
345      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
346      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
347      other components of the system.
348
349      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
350      have any effect on stores.
351
352      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
353      for them.
354
355      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
356      see the "SMP barrier pairing" subsection.
357
358
359  (4) General memory barriers.
360
361      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
362      operations specified before the barrier will appear to happen before all
363      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
364      the other components of the system.
365
366      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
367
368      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
369      can substitute for either.
370
371
372 And a couple of implicit varieties:
373
374  (5) LOCK operations.
375
376      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
377      operations after the LOCK operation will appear to happen after the LOCK
378      operation with respect to the other components of the system.
379
380      Memory operations that occur before a LOCK operation may appear to happen
381      after it completes.
382
383      A LOCK operation should almost always be paired with an UNLOCK operation.
384
385
386  (6) UNLOCK operations.
387
388      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
389      memory operations before the UNLOCK operation will appear to happen before
390      the UNLOCK operation with respect to the other components of the system.
391
392      Memory operations that occur after an UNLOCK operation may appear to
393      happen before it completes.
394
395      LOCK and UNLOCK operations are guaranteed to appear with respect to each
396      other strictly in the order specified.
397
398      The use of LOCK and UNLOCK operations generally precludes the need for
399      other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in the
400      subsection "MMIO write barrier").
401
402
403 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
404 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
405 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
406 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
407
408
409 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
410 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
411 specific code.
412
413
414 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
415 ----------------------------------------------
416
417 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
418
419  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
420      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
421      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
422      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
423
424  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
425      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
426      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
427      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
428
429  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
430      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
431      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
432      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
433
434  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
435      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
436      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
437      between CPUs, but might not do so in order.
438
439         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
440
441             Documentation/PCI/pci.txt
442             Documentation/DMA-API-HOWTO.txt
443             Documentation/DMA-API.txt
444
445
446 DATA DEPENDENCY BARRIERS
447 ------------------------
448
449 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
450 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
451 following sequence of events:
452
453         CPU 1           CPU 2
454         =============== ===============
455         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
456         B = 4;
457         <write barrier>
458         P = &B
459                         Q = P;
460                         D = *Q;
461
462 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
463 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
464
465         (Q == &A) implies (D == 1)
466         (Q == &B) implies (D == 4)
467
468 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
469 leading to the following situation:
470
471         (Q == &B) and (D == 2) ????
472
473 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
474 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
475 Alpha).
476
477 To deal with this, a data dependency barrier or better must be inserted
478 between the address load and the data load:
479
480         CPU 1           CPU 2
481         =============== ===============
482         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
483         B = 4;
484         <write barrier>
485         P = &B
486                         Q = P;
487                         <data dependency barrier>
488                         D = *Q;
489
490 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
491 third possibility from arising.
492
493 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
494 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
495 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
496 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
497 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
498 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
499 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
500 but the old value of the variable B (2).
501
502
503 Another example of where data dependency barriers might by required is where a
504 number is read from memory and then used to calculate the index for an array
505 access:
506
507         CPU 1           CPU 2
508         =============== ===============
509         { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
510         M[1] = 4;
511         <write barrier>
512         P = 1
513                         Q = P;
514                         <data dependency barrier>
515                         D = M[Q];
516
517
518 The data dependency barrier is very important to the RCU system, for example.
519 See rcu_dereference() in include/linux/rcupdate.h.  This permits the current
520 target of an RCU'd pointer to be replaced with a new modified target, without
521 the replacement target appearing to be incompletely initialised.
522
523 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
524
525
526 CONTROL DEPENDENCIES
527 --------------------
528
529 A control dependency requires a full read memory barrier, not simply a data
530 dependency barrier to make it work correctly.  Consider the following bit of
531 code:
532
533         q = &a;
534         if (p)
535                 q = &b;
536         <data dependency barrier>
537         x = *q;
538
539 This will not have the desired effect because there is no actual data
540 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit by
541 attempting to predict the outcome in advance.  In such a case what's actually
542 required is:
543
544         q = &a;
545         if (p)
546                 q = &b;
547         <read barrier>
548         x = *q;
549
550
551 SMP BARRIER PAIRING
552 -------------------
553
554 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
555 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
556
557 A write barrier should always be paired with a data dependency barrier or read
558 barrier, though a general barrier would also be viable.  Similarly a read
559 barrier or a data dependency barrier should always be paired with at least an
560 write barrier, though, again, a general barrier is viable:
561
562         CPU 1           CPU 2
563         =============== ===============
564         a = 1;
565         <write barrier>
566         b = 2;          x = b;
567                         <read barrier>
568                         y = a;
569
570 Or:
571
572         CPU 1           CPU 2
573         =============== ===============================
574         a = 1;
575         <write barrier>
576         b = &a;         x = b;
577                         <data dependency barrier>
578                         y = *x;
579
580 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
581 the "weaker" type.
582
583 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
584 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
585 versa:
586
587         CPU 1                           CPU 2
588         ===============                 ===============
589         a = 1;           }----   --->{  v = c
590         b = 2;           }    \ /    {  w = d
591         <write barrier>        \        <read barrier>
592         c = 3;           }    / \    {  x = a;
593         d = 4;           }----   --->{  y = b;
594
595
596 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
597 ------------------------------------
598
599 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
600 Consider the following sequence of events:
601
602         CPU 1
603         =======================
604         STORE A = 1
605         STORE B = 2
606         STORE C = 3
607         <write barrier>
608         STORE D = 4
609         STORE E = 5
610
611 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
612 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
613 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
614 }:
615
616         +-------+       :      :
617         |       |       +------+
618         |       |------>| C=3  |     }     /\
619         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
620         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
621         |       |  :    +------+     }
622         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
623         |       |       +------+     }
624         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
625         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
626         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
627         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
628         |       |------>| D=4  |     }
629         |       |       +------+
630         +-------+       :      :
631                            |
632                            | Sequence in which stores are committed to the
633                            | memory system by CPU 1
634                            V
635
636
637 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
638 loads.  Consider the following sequence of events:
639
640         CPU 1                   CPU 2
641         ======================= =======================
642                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
643         STORE A = 1
644         STORE B = 2
645         <write barrier>
646         STORE C = &B            LOAD X
647         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
648                                 LOAD *C (reads B)
649
650 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
651 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
652
653         +-------+       :      :                :       :
654         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
655         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
656         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
657         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
658         |       |       +------+       |        +-------+
659         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
660         |       |       +------+       |        :       :
661         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
662         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
663         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
664         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
665         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
666                                        |        :       :       |       |
667                                        |        :       :       | CPU 2 |
668                                        |        +-------+       |       |
669             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
670             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
671                                        |        :       :       |       |
672                                        |        +-------+       |       |
673             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
674             up the maintenance           \      +-------+       |       |
675             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
676                                                 +-------+
677                                                 :       :
678
679
680 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
681 (which would be B) coming after the LOAD of C.
682
683 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
684 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
685
686         CPU 1                   CPU 2
687         ======================= =======================
688                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
689         STORE A = 1
690         STORE B = 2
691         <write barrier>
692         STORE C = &B            LOAD X
693         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
694                                 <data dependency barrier>
695                                 LOAD *C (reads B)
696
697 then the following will occur:
698
699         +-------+       :      :                :       :
700         |       |       +------+                +-------+
701         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
702         |       |  :    +------+     \          +-------+
703         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
704         |       |       +------+       |        +-------+
705         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
706         |       |       +------+       |        :       :
707         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
708         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
709         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
710         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
711         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
712                                        |        :       :       |       |
713                                        |        :       :       | CPU 2 |
714                                        |        +-------+       |       |
715                                        |        | X->9  |------>|       |
716                                        |        +-------+       |       |
717           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
718           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
719           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
720           subsequent loads                      +-------+       |       |
721                                                 :       :       +-------+
722
723
724 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
725 following sequence of events:
726
727         CPU 1                   CPU 2
728         ======================= =======================
729                 { A = 0, B = 9 }
730         STORE A=1
731         <write barrier>
732         STORE B=2
733                                 LOAD B
734                                 LOAD A
735
736 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
737 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
738
739         +-------+       :      :                :       :
740         |       |       +------+                +-------+
741         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
742         |       |       +------+      \         +-------+
743         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
744         |       |       +------+        |       +-------+
745         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
746         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
747         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
748                                      ---------->| B->2  |------>|       |
749                                         |       +-------+       | CPU 2 |
750                                         |       | A->0  |------>|       |
751                                         |       +-------+       |       |
752                                         |       :       :       +-------+
753                                          \      :       :
754                                           \     +-------+
755                                            ---->| A->1  |
756                                                 +-------+
757                                                 :       :
758
759
760 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
761 load of A on CPU 2:
762
763         CPU 1                   CPU 2
764         ======================= =======================
765                 { A = 0, B = 9 }
766         STORE A=1
767         <write barrier>
768         STORE B=2
769                                 LOAD B
770                                 <read barrier>
771                                 LOAD A
772
773 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
774 2:
775
776         +-------+       :      :                :       :
777         |       |       +------+                +-------+
778         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
779         |       |       +------+      \         +-------+
780         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
781         |       |       +------+        |       +-------+
782         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
783         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
784         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
785                                      ---------->| B->2  |------>|       |
786                                         |       +-------+       | CPU 2 |
787                                         |       :       :       |       |
788                                         |       :       :       |       |
789           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
790           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
791           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
792           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
793                                                 :       :       +-------+
794
795
796 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
797 contained a load of A either side of the read barrier:
798
799         CPU 1                   CPU 2
800         ======================= =======================
801                 { A = 0, B = 9 }
802         STORE A=1
803         <write barrier>
804         STORE B=2
805                                 LOAD B
806                                 LOAD A [first load of A]
807                                 <read barrier>
808                                 LOAD A [second load of A]
809
810 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
811 come up with different values:
812
813         +-------+       :      :                :       :
814         |       |       +------+                +-------+
815         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
816         |       |       +------+      \         +-------+
817         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
818         |       |       +------+        |       +-------+
819         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
820         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
821         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
822                                      ---------->| B->2  |------>|       |
823                                         |       +-------+       | CPU 2 |
824                                         |       :       :       |       |
825                                         |       :       :       |       |
826                                         |       +-------+       |       |
827                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
828                                         |       +-------+       |       |
829           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
830           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
831           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
832           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
833                                                 :       :       +-------+
834
835
836 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
837 before the read barrier completes anyway:
838
839         +-------+       :      :                :       :
840         |       |       +------+                +-------+
841         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
842         |       |       +------+      \         +-------+
843         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
844         |       |       +------+        |       +-------+
845         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
846         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
847         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
848                                      ---------->| B->2  |------>|       |
849                                         |       +-------+       | CPU 2 |
850                                         |       :       :       |       |
851                                          \      :       :       |       |
852                                           \     +-------+       |       |
853                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
854                                                 +-------+       |       |
855                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
856                                                 +-------+       |       |
857                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
858                                                 +-------+       |       |
859                                                 :       :       +-------+
860
861
862 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
863 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
864 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
865
866
867 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
868 ----------------------------------------
869
870 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
871 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
872 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
873 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
874 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
875 already has the value to hand.
876
877 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
878 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
879 cache it for later use.
880
881 Consider:
882
883         CPU 1                   CPU 2
884         ======================= =======================
885                                 LOAD B
886                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
887                                 DIVIDE          } take a long time to perform
888                                 LOAD A
889
890 Which might appear as this:
891
892                                                 :       :       +-------+
893                                                 +-------+       |       |
894                                             --->| B->2  |------>|       |
895                                                 +-------+       | CPU 2 |
896                                                 :       :DIVIDE |       |
897                                                 +-------+       |       |
898         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
899         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
900         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
901                                                 :       :DIVIDE |       |
902                                                 :       :   ~   |       |
903         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
904         the CPU can then perform the            :       :       |       |
905         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
906
907
908 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
909 load:
910
911         CPU 1                   CPU 2
912         ======================= =======================
913                                 LOAD B
914                                 DIVIDE
915                                 DIVIDE
916                                 <read barrier>
917                                 LOAD A
918
919 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
920 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
921 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
922
923                                                 :       :       +-------+
924                                                 +-------+       |       |
925                                             --->| B->2  |------>|       |
926                                                 +-------+       | CPU 2 |
927                                                 :       :DIVIDE |       |
928                                                 +-------+       |       |
929         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
930         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
931         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
932                                                 :       :DIVIDE |       |
933                                                 :       :   ~   |       |
934                                                 :       :   ~   |       |
935                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
936                                                 :       :   ~   |       |
937                                                 :       :   ~-->|       |
938                                                 :       :       |       |
939                                                 :       :       +-------+
940
941
942 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
943 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
944
945                                                 :       :       +-------+
946                                                 +-------+       |       |
947                                             --->| B->2  |------>|       |
948                                                 +-------+       | CPU 2 |
949                                                 :       :DIVIDE |       |
950                                                 +-------+       |       |
951         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
952         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
953         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
954                                                 :       :DIVIDE |       |
955                                                 :       :   ~   |       |
956                                                 :       :   ~   |       |
957                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
958                                                 +-------+       |       |
959         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
960         and an updated value is                 +-------+       |       |
961         retrieved                               :       :       +-------+
962
963
964 TRANSITIVITY
965 ------------
966
967 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
968 always provided by real computer systems.  The following example
969 demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
970
971         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
972         ======================= ======================= =======================
973                 { X = 0, Y = 0 }
974         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
975                                 <general barrier>       <general barrier>
976                                 LOAD Y                  LOAD X
977
978 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
979 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
980 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
981 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
982
983 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
984 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
985 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
986 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
987 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
988 or must return some later value.
989
990 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
991 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
992 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
993 also return 1.
994
995 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
996 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
997 is changed to a read barrier as shown below:
998
999         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1000         ======================= ======================= =======================
1001                 { X = 0, Y = 0 }
1002         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1003                                 <read barrier>          <general barrier>
1004                                 LOAD Y                  LOAD X
1005
1006 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1007 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1008 and CPU 3's load from X to return 0.
1009
1010 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1011 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1012 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1013 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1014 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1015 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1016
1017 To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
1018 throughout.
1019
1020
1021 ========================
1022 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1023 ========================
1024
1025 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1026 levels:
1027
1028   (*) Compiler barrier.
1029
1030   (*) CPU memory barriers.
1031
1032   (*) MMIO write barrier.
1033
1034
1035 COMPILER BARRIER
1036 ----------------
1037
1038 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1039 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1040
1041         barrier();
1042
1043 This is a general barrier - lesser varieties of compiler barrier do not exist.
1044
1045 The compiler barrier has no direct effect on the CPU, which may then reorder
1046 things however it wishes.
1047
1048
1049 CPU MEMORY BARRIERS
1050 -------------------
1051
1052 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1053
1054         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1055         =============== ======================= ===========================
1056         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1057         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1058         READ            rmb()                   smp_rmb()
1059         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1060
1061
1062 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1063 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1064
1065 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected to
1066 issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load the value
1067 of b before loading a[b]), however there is no guarantee in the C specification
1068 that the compiler may not speculate the value of b (eg. is equal to 1) and load
1069 a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ). There is also the
1070 problem of a compiler reloading b after having loaded a[b], thus having a newer
1071 copy of b than a[b]. A consensus has not yet been reached about these problems,
1072 however the ACCESS_ONCE macro is a good place to start looking.
1073
1074 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1075 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1076 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1077
1078 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1079 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1080 is sufficient.
1081
1082 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1083 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
1084 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
1085 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
1086 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
1087 CPU from reordering them.
1088
1089
1090 There are some more advanced barrier functions:
1091
1092  (*) set_mb(var, value)
1093
1094      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1095      barrier after it, depending on the function.  It isn't guaranteed to
1096      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
1097
1098
1099  (*) smp_mb__before_atomic_dec();
1100  (*) smp_mb__after_atomic_dec();
1101  (*) smp_mb__before_atomic_inc();
1102  (*) smp_mb__after_atomic_inc();
1103
1104      These are for use with atomic add, subtract, increment and decrement
1105      functions that don't return a value, especially when used for reference
1106      counting.  These functions do not imply memory barriers.
1107
1108      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1109      and then decrements the object's reference count:
1110
1111         obj->dead = 1;
1112         smp_mb__before_atomic_dec();
1113         atomic_dec(&obj->ref_count);
1114
1115      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1116      *before* the reference counter is decremented.
1117
1118      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1119      operations" subsection for information on where to use these.
1120
1121
1122  (*) smp_mb__before_clear_bit(void);
1123  (*) smp_mb__after_clear_bit(void);
1124
1125      These are for use similar to the atomic inc/dec barriers.  These are
1126      typically used for bitwise unlocking operations, so care must be taken as
1127      there are no implicit memory barriers here either.
1128
1129      Consider implementing an unlock operation of some nature by clearing a
1130      locking bit.  The clear_bit() would then need to be barriered like this:
1131
1132         smp_mb__before_clear_bit();
1133         clear_bit( ... );
1134
1135      This prevents memory operations before the clear leaking to after it.  See
1136      the subsection on "Locking Functions" with reference to UNLOCK operation
1137      implications.
1138
1139      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1140      operations" subsection for information on where to use these.
1141
1142
1143 MMIO WRITE BARRIER
1144 ------------------
1145
1146 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1147 writes:
1148
1149         mmiowb();
1150
1151 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1152 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1153 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1154
1155 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1156
1157
1158 ===============================
1159 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1160 ===============================
1161
1162 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1163 which are locking and scheduling functions.
1164
1165 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1166 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1167 of arch specific code.
1168
1169
1170 LOCKING FUNCTIONS
1171 -----------------
1172
1173 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1174
1175  (*) spin locks
1176  (*) R/W spin locks
1177  (*) mutexes
1178  (*) semaphores
1179  (*) R/W semaphores
1180  (*) RCU
1181
1182 In all cases there are variants on "LOCK" operations and "UNLOCK" operations
1183 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1184
1185  (1) LOCK operation implication:
1186
1187      Memory operations issued after the LOCK will be completed after the LOCK
1188      operation has completed.
1189
1190      Memory operations issued before the LOCK may be completed after the LOCK
1191      operation has completed.
1192
1193  (2) UNLOCK operation implication:
1194
1195      Memory operations issued before the UNLOCK will be completed before the
1196      UNLOCK operation has completed.
1197
1198      Memory operations issued after the UNLOCK may be completed before the
1199      UNLOCK operation has completed.
1200
1201  (3) LOCK vs LOCK implication:
1202
1203      All LOCK operations issued before another LOCK operation will be completed
1204      before that LOCK operation.
1205
1206  (4) LOCK vs UNLOCK implication:
1207
1208      All LOCK operations issued before an UNLOCK operation will be completed
1209      before the UNLOCK operation.
1210
1211      All UNLOCK operations issued before a LOCK operation will be completed
1212      before the LOCK operation.
1213
1214  (5) Failed conditional LOCK implication:
1215
1216      Certain variants of the LOCK operation may fail, either due to being
1217      unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1218      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1219      locks do not imply any sort of barrier.
1220
1221 Therefore, from (1), (2) and (4) an UNLOCK followed by an unconditional LOCK is
1222 equivalent to a full barrier, but a LOCK followed by an UNLOCK is not.
1223
1224 [!] Note: one of the consequences of LOCKs and UNLOCKs being only one-way
1225     barriers is that the effects of instructions outside of a critical section
1226     may seep into the inside of the critical section.
1227
1228 A LOCK followed by an UNLOCK may not be assumed to be full memory barrier
1229 because it is possible for an access preceding the LOCK to happen after the
1230 LOCK, and an access following the UNLOCK to happen before the UNLOCK, and the
1231 two accesses can themselves then cross:
1232
1233         *A = a;
1234         LOCK
1235         UNLOCK
1236         *B = b;
1237
1238 may occur as:
1239
1240         LOCK, STORE *B, STORE *A, UNLOCK
1241
1242 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1243 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1244 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1245 with interrupt disabling operations.
1246
1247 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1248
1249
1250 As an example, consider the following:
1251
1252         *A = a;
1253         *B = b;
1254         LOCK
1255         *C = c;
1256         *D = d;
1257         UNLOCK
1258         *E = e;
1259         *F = f;
1260
1261 The following sequence of events is acceptable:
1262
1263         LOCK, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, UNLOCK
1264
1265         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
1266
1267 But none of the following are:
1268
1269         {*F,*A}, *B,    LOCK, *C, *D,   UNLOCK, *E
1270         *A, *B, *C,     LOCK, *D,       UNLOCK, *E, *F
1271         *A, *B,         LOCK, *C,       UNLOCK, *D, *E, *F
1272         *B,             LOCK, *C, *D,   UNLOCK, {*F,*A}, *E
1273
1274
1275
1276 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1277 -----------------------------
1278
1279 Functions that disable interrupts (LOCK equivalent) and enable interrupts
1280 (UNLOCK equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1281 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1282 other means.
1283
1284
1285 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
1286 ---------------------------
1287
1288 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
1289 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
1290 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
1291 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
1292 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
1293 barriers.
1294
1295 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
1296
1297         for (;;) {
1298                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1299                 if (event_indicated)
1300                         break;
1301                 schedule();
1302         }
1303
1304 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
1305 after it has altered the task state:
1306
1307         CPU 1
1308         ===============================
1309         set_current_state();
1310           set_mb();
1311             STORE current->state
1312             <general barrier>
1313         LOAD event_indicated
1314
1315 set_current_state() may be wrapped by:
1316
1317         prepare_to_wait();
1318         prepare_to_wait_exclusive();
1319
1320 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
1321 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
1322 interpolate the memory barrier in the right place:
1323
1324         wait_event();
1325         wait_event_interruptible();
1326         wait_event_interruptible_exclusive();
1327         wait_event_interruptible_timeout();
1328         wait_event_killable();
1329         wait_event_timeout();
1330         wait_on_bit();
1331         wait_on_bit_lock();
1332
1333
1334 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
1335
1336         event_indicated = 1;
1337         wake_up(&event_wait_queue);
1338
1339 or:
1340
1341         event_indicated = 1;
1342         wake_up_process(event_daemon);
1343
1344 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
1345 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
1346 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
1347
1348         CPU 1                           CPU 2
1349         =============================== ===============================
1350         set_current_state();            STORE event_indicated
1351           set_mb();                     wake_up();
1352             STORE current->state          <write barrier>
1353             <general barrier>             STORE current->state
1354         LOAD event_indicated
1355
1356 The available waker functions include:
1357
1358         complete();
1359         wake_up();
1360         wake_up_all();
1361         wake_up_bit();
1362         wake_up_interruptible();
1363         wake_up_interruptible_all();
1364         wake_up_interruptible_nr();
1365         wake_up_interruptible_poll();
1366         wake_up_interruptible_sync();
1367         wake_up_interruptible_sync_poll();
1368         wake_up_locked();
1369         wake_up_locked_poll();
1370         wake_up_nr();
1371         wake_up_poll();
1372         wake_up_process();
1373
1374
1375 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
1376 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
1377 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
1378 sleeper does:
1379
1380         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1381         if (event_indicated)
1382                 break;
1383         __set_current_state(TASK_RUNNING);
1384         do_something(my_data);
1385
1386 and the waker does:
1387
1388         my_data = value;
1389         event_indicated = 1;
1390         wake_up(&event_wait_queue);
1391
1392 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
1393 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
1394 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
1395 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
1396
1397         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1398         if (event_indicated) {
1399                 smp_rmb();
1400                 do_something(my_data);
1401         }
1402
1403 and the waker should do:
1404
1405         my_data = value;
1406         smp_wmb();
1407         event_indicated = 1;
1408         wake_up(&event_wait_queue);
1409
1410
1411 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
1412 -----------------------
1413
1414 Other functions that imply barriers:
1415
1416  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1417
1418
1419 =================================
1420 INTER-CPU LOCKING BARRIER EFFECTS
1421 =================================
1422
1423 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
1424 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
1425 conflict on any particular lock.
1426
1427
1428 LOCKS VS MEMORY ACCESSES
1429 ------------------------
1430
1431 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
1432 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
1433
1434         CPU 1                           CPU 2
1435         =============================== ===============================
1436         *A = a;                         *E = e;
1437         LOCK M                          LOCK Q
1438         *B = b;                         *F = f;
1439         *C = c;                         *G = g;
1440         UNLOCK M                        UNLOCK Q
1441         *D = d;                         *H = h;
1442
1443 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
1444 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
1445 on the separate CPUs. It might, for example, see:
1446
1447         *E, LOCK M, LOCK Q, *G, *C, *F, *A, *B, UNLOCK Q, *D, *H, UNLOCK M
1448
1449 But it won't see any of:
1450
1451         *B, *C or *D preceding LOCK M
1452         *A, *B or *C following UNLOCK M
1453         *F, *G or *H preceding LOCK Q
1454         *E, *F or *G following UNLOCK Q
1455
1456
1457 However, if the following occurs:
1458
1459         CPU 1                           CPU 2
1460         =============================== ===============================
1461         *A = a;
1462         LOCK M          [1]
1463         *B = b;
1464         *C = c;
1465         UNLOCK M        [1]
1466         *D = d;                         *E = e;
1467                                         LOCK M          [2]
1468                                         *F = f;
1469                                         *G = g;
1470                                         UNLOCK M        [2]
1471                                         *H = h;
1472
1473 CPU 3 might see:
1474
1475         *E, LOCK M [1], *C, *B, *A, UNLOCK M [1],
1476                 LOCK M [2], *H, *F, *G, UNLOCK M [2], *D
1477
1478 But assuming CPU 1 gets the lock first, CPU 3 won't see any of:
1479
1480         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding LOCK M [1]
1481         *A, *B or *C following UNLOCK M [1]
1482         *F, *G or *H preceding LOCK M [2]
1483         *A, *B, *C, *E, *F or *G following UNLOCK M [2]
1484
1485
1486 LOCKS VS I/O ACCESSES
1487 ---------------------
1488
1489 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
1490 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
1491 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
1492 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
1493 read memory barriers.
1494
1495 For example:
1496
1497         CPU 1                           CPU 2
1498         =============================== ===============================
1499         spin_lock(Q)
1500         writel(0, ADDR)
1501         writel(1, DATA);
1502         spin_unlock(Q);
1503                                         spin_lock(Q);
1504                                         writel(4, ADDR);
1505                                         writel(5, DATA);
1506                                         spin_unlock(Q);
1507
1508 may be seen by the PCI bridge as follows:
1509
1510         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
1511
1512 which would probably cause the hardware to malfunction.
1513
1514
1515 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
1516 spinlock, for example:
1517
1518         CPU 1                           CPU 2
1519         =============================== ===============================
1520         spin_lock(Q)
1521         writel(0, ADDR)
1522         writel(1, DATA);
1523         mmiowb();
1524         spin_unlock(Q);
1525                                         spin_lock(Q);
1526                                         writel(4, ADDR);
1527                                         writel(5, DATA);
1528                                         mmiowb();
1529                                         spin_unlock(Q);
1530
1531 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
1532 before either of the stores issued on CPU 2.
1533
1534
1535 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
1536 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
1537 is performed:
1538
1539         CPU 1                           CPU 2
1540         =============================== ===============================
1541         spin_lock(Q)
1542         writel(0, ADDR)
1543         a = readl(DATA);
1544         spin_unlock(Q);
1545                                         spin_lock(Q);
1546                                         writel(4, ADDR);
1547                                         b = readl(DATA);
1548                                         spin_unlock(Q);
1549
1550
1551 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1552
1553
1554 =================================
1555 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
1556 =================================
1557
1558 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
1559 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
1560 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
1561 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
1562
1563  (*) Interprocessor interaction.
1564
1565  (*) Atomic operations.
1566
1567  (*) Accessing devices.
1568
1569  (*) Interrupts.
1570
1571
1572 INTERPROCESSOR INTERACTION
1573 --------------------------
1574
1575 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
1576 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
1577 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
1578 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
1579 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
1580 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
1581 a malfunction.
1582
1583 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
1584 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
1585 the semaphore's list of waiting processes:
1586
1587         struct rw_semaphore {
1588                 ...
1589                 spinlock_t lock;
1590                 struct list_head waiters;
1591         };
1592
1593         struct rwsem_waiter {
1594                 struct list_head list;
1595                 struct task_struct *task;
1596         };
1597
1598 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
1599
1600  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
1601      next waiter record is;
1602
1603  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
1604
1605  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
1606
1607  (4) call wake_up_process() on the task; and
1608
1609  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
1610
1611 In other words, it has to perform this sequence of events:
1612
1613         LOAD waiter->list.next;
1614         LOAD waiter->task;
1615         STORE waiter->task;
1616         CALL wakeup
1617         RELEASE task
1618
1619 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
1620 malfunction.
1621
1622 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
1623 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
1624 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
1625 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
1626 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
1627 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
1628
1629 Consider then what might happen to the above sequence of events:
1630
1631         CPU 1                           CPU 2
1632         =============================== ===============================
1633                                         down_xxx()
1634                                         Queue waiter
1635                                         Sleep
1636         up_yyy()
1637         LOAD waiter->task;
1638         STORE waiter->task;
1639                                         Woken up by other event
1640         <preempt>
1641                                         Resume processing
1642                                         down_xxx() returns
1643                                         call foo()
1644                                         foo() clobbers *waiter
1645         </preempt>
1646         LOAD waiter->list.next;
1647         --- OOPS ---
1648
1649 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
1650 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
1651
1652 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
1653
1654         LOAD waiter->list.next;
1655         LOAD waiter->task;
1656         smp_mb();
1657         STORE waiter->task;
1658         CALL wakeup
1659         RELEASE task
1660
1661 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
1662 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
1663 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
1664 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
1665 instruction itself is complete.
1666
1667 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
1668 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
1669 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
1670 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
1671
1672
1673 ATOMIC OPERATIONS
1674 -----------------
1675
1676 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
1677 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
1678 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
1679 kernel.
1680
1681 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
1682 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
1683 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
1684 explicit lock operations, described later).  These include:
1685
1686         xchg();
1687         cmpxchg();
1688         atomic_xchg();
1689         atomic_cmpxchg();
1690         atomic_inc_return();
1691         atomic_dec_return();
1692         atomic_add_return();
1693         atomic_sub_return();
1694         atomic_inc_and_test();
1695         atomic_dec_and_test();
1696         atomic_sub_and_test();
1697         atomic_add_negative();
1698         atomic_add_unless();    /* when succeeds (returns 1) */
1699         test_and_set_bit();
1700         test_and_clear_bit();
1701         test_and_change_bit();
1702
1703 These are used for such things as implementing LOCK-class and UNLOCK-class
1704 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
1705 such the implicit memory barrier effects are necessary.
1706
1707
1708 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
1709 barriers, but might be used for implementing such things as UNLOCK-class
1710 operations:
1711
1712         atomic_set();
1713         set_bit();
1714         clear_bit();
1715         change_bit();
1716
1717 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
1718 (smp_mb__before_clear_bit() for instance).
1719
1720
1721 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
1722 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic_dec() for
1723 instance):
1724
1725         atomic_add();
1726         atomic_sub();
1727         atomic_inc();
1728         atomic_dec();
1729
1730 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
1731 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
1732
1733 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
1734 they probably don't need memory barriers because either the reference count
1735 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
1736 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
1737
1738 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
1739 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
1740 specific order.
1741
1742 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
1743 barriers are needed or not.
1744
1745 The following operations are special locking primitives:
1746
1747         test_and_set_bit_lock();
1748         clear_bit_unlock();
1749         __clear_bit_unlock();
1750
1751 These implement LOCK-class and UNLOCK-class operations. These should be used in
1752 preference to other operations when implementing locking primitives, because
1753 their implementations can be optimised on many architectures.
1754
1755 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
1756 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
1757 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
1758 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
1759
1760 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
1761
1762
1763 ACCESSING DEVICES
1764 -----------------
1765
1766 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
1767 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
1768 make the right memory accesses in exactly the right order.
1769
1770 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
1771 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
1772 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
1773 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
1774 the device to malfunction.
1775
1776 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
1777 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
1778 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
1779 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
1780 might be needed:
1781
1782  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
1783      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
1784      issued prior to unlocking the critical section.
1785
1786  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
1787      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
1788      required to enforce ordering.
1789
1790 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1791
1792
1793 INTERRUPTS
1794 ----------
1795
1796 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
1797 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
1798 access the device.
1799
1800 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
1801 form of locking), such that the critical operations are all contained within
1802 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
1803 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
1804 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
1805 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
1806
1807 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
1808 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
1809 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
1810
1811         LOCAL IRQ DISABLE
1812         writew(ADDR, 3);
1813         writew(DATA, y);
1814         LOCAL IRQ ENABLE
1815         <interrupt>
1816         writew(ADDR, 4);
1817         q = readw(DATA);
1818         </interrupt>
1819
1820 The store to the data register might happen after the second store to the
1821 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
1822
1823         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
1824
1825
1826 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
1827 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
1828 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
1829 explicit barriers are used.
1830
1831 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
1832 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
1833 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
1834 mmiowb() may need to be used explicitly.
1835
1836
1837 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
1838 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
1839 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
1840
1841
1842 ==========================
1843 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
1844 ==========================
1845
1846 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
1847 functions:
1848
1849  (*) inX(), outX():
1850
1851      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
1852      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
1853      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
1854      CPUs don't have such a concept.
1855
1856      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
1857      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
1858      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
1859      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
1860      spaces.
1861
1862      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
1863      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
1864      that.
1865
1866      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
1867
1868      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
1869      memory and I/O operation.
1870
1871  (*) readX(), writeX():
1872
1873      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
1874      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
1875      defined for the memory window through which they're accessing. On later
1876      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
1877      MTRR registers.
1878
1879      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
1880      provided they're not accessing a prefetchable device.
1881
1882      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
1883      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
1884      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
1885      space should suffice for PCI.
1886
1887      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
1888          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
1889          example.
1890
1891      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
1892      force stores to be ordered.
1893
1894      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
1895      between PCI transactions.
1896
1897  (*) readX_relaxed()
1898
1899      These are similar to readX(), but are not guaranteed to be ordered in any
1900      way. Be aware that there is no I/O read barrier available.
1901
1902  (*) ioreadX(), iowriteX()
1903
1904      These will perform appropriately for the type of access they're actually
1905      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
1906
1907
1908 ========================================
1909 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
1910 ========================================
1911
1912 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
1913 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
1914 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
1915 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
1916 of arch-specific code.
1917
1918 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
1919 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
1920 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
1921 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
1922 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
1923 causality is maintained.
1924
1925  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
1926      condition codes, changing registers or changing memory - and different
1927      instructions may depend on different effects.
1928
1929 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
1930 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
1931 immediate value into the same register, the first may be discarded.
1932
1933
1934 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
1935 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
1936 maintained.
1937
1938
1939 ============================
1940 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
1941 ============================
1942
1943 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
1944 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
1945 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
1946
1947 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
1948 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
1949 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
1950 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
1951
1952             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
1953                                   :
1954         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1955         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1956         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
1957         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1958         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
1959         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1960         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1961                                   :                 | Cache     |    +--------+
1962                                   :                 | Coherency |
1963                                   :                 | Mechanism |    +--------+
1964         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
1965         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
1966         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
1967         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
1968         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
1969         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
1970         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
1971                                   :
1972                                   :
1973
1974 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
1975 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
1976 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
1977 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
1978 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
1979
1980 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
1981 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
1982 generate load and store operations which then go into the queue of memory
1983 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
1984 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
1985 to complete.
1986
1987 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
1988 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
1989 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
1990 in the system.
1991
1992 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
1993 their own loads and stores as if they had happened in program order.
1994
1995 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
1996 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
1997 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
1998
1999
2000 CACHE COHERENCY
2001 ---------------
2002
2003 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2004 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2005 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2006 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2007 become apparent in the same order on those other CPUs.
2008
2009
2010 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2011 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2012
2013                     :
2014                     :                          +--------+
2015                     :      +---------+         |        |
2016         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2017         |        |  : |    +---------+         |        |
2018         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2019         |        |  : |    +---------+         |        |
2020         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2021                     :      +---------+         |        |
2022                     :                          | Memory |
2023                     :      +---------+         | System |
2024         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2025         |        |  : |    +---------+         |        |
2026         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2027         |        |  : |    +---------+         |        |
2028         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2029                     :      +---------+         |        |
2030                     :                          +--------+
2031                     :
2032
2033 Imagine the system has the following properties:
2034
2035  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2036      resident in memory;
2037
2038  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2039      resident in memory;
2040
2041  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2042      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2043      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2044
2045  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2046      to maintain coherency with the rest of the system;
2047
2048  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2049      present in the cache, even though the contents of the queue may
2050      potentially affect those loads.
2051
2052 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2053 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2054 the requisite order:
2055
2056         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2057         =============== =============== =======================================
2058                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2059         v = 2;
2060         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2061                                          change to p
2062         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2063         p = &v;
2064         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2065
2066 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2067 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2068 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2069
2070         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2071         =============== =============== =======================================
2072         ...
2073                         q = p;
2074                         x = *q;
2075
2076 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2077 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2078 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2079 CPU's caches by some other cache event:
2080
2081         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2082         =============== =============== =======================================
2083                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2084         v = 2;
2085         smp_wmb();
2086         <A:modify v=2>  <C:busy>
2087                         <C:queue v=2>
2088         p = &v;         q = p;
2089                         <D:request p>
2090         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2091                         <D:read p>
2092                         x = *q;
2093                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2094                         <C:unbusy>
2095                         <C:commit v=2>
2096
2097 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2098 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2099 as that committed on CPU 1.
2100
2101
2102 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2103 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2104 queue before processing any further requests:
2105
2106         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2107         =============== =============== =======================================
2108                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2109         v = 2;
2110         smp_wmb();
2111         <A:modify v=2>  <C:busy>
2112                         <C:queue v=2>
2113         p = &v;         q = p;
2114                         <D:request p>
2115         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2116                         <D:read p>
2117                         smp_read_barrier_depends()
2118                         <C:unbusy>
2119                         <C:commit v=2>
2120                         x = *q;
2121                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2122
2123
2124 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2125 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2126 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2127 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2128
2129 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2130 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2131 need for coordination in the absence of memory barriers.
2132
2133
2134 CACHE COHERENCY VS DMA
2135 ----------------------
2136
2137 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2138 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2139 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2140 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2141 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2142 invalidate them as well).
2143
2144 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2145 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2146 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2147 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2148 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2149 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2150 cache on each CPU.
2151
2152 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2153
2154
2155 CACHE COHERENCY VS MMIO
2156 -----------------------
2157
2158 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2159 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2160 the usual RAM directed window.
2161
2162 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2163 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2164 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2165 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2166 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2167 any way dependent.
2168
2169
2170 =========================
2171 THE THINGS CPUS GET UP TO
2172 =========================
2173
2174 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2175 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2176 given the following piece of code to execute:
2177
2178         a = *A;
2179         *B = b;
2180         c = *C;
2181         d = *D;
2182         *E = e;
2183
2184 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2185 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2186 operations as seen by external observers in the system:
2187
2188         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2189
2190
2191 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2192 assumption doesn't hold because:
2193
2194  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2195      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2196      problem;
2197
2198  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2199      to have been unnecessary;
2200
2201  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2202      at the wrong time in the expected sequence of events;
2203
2204  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2205      of the CPU buses and caches;
2206
2207  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2208      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2209      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2210      both be able to do this); and
2211
2212  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2213      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2214      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2215      order to other CPUs.
2216
2217 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2218 is:
2219
2220         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2221
2222         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2223
2224
2225 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2226 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2227 barrier.  For instance with the following code:
2228
2229         U = *A;
2230         *A = V;
2231         *A = W;
2232         X = *A;
2233         *A = Y;
2234         Z = *A;
2235
2236 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2237 the final result will appear to be:
2238
2239         U == the original value of *A
2240         X == W
2241         Z == Y
2242         *A == Y
2243
2244 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2245 accesses:
2246
2247         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2248
2249 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2250 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
2251 the world remains consistent.
2252
2253 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2254 the CPU even sees them.
2255
2256 For instance:
2257
2258         *A = V;
2259         *A = W;
2260
2261 may be reduced to:
2262
2263         *A = W;
2264
2265 since, without a write barrier, it can be assumed that the effect of the
2266 storage of V to *A is lost.  Similarly:
2267
2268         *A = Y;
2269         Z = *A;
2270
2271 may, without a memory barrier, be reduced to:
2272
2273         *A = Y;
2274         Z = Y;
2275
2276 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2277
2278
2279 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2280 --------------------------
2281
2282 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2283 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2284 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2285 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
2286 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2287 changes vs new data occur in the right order.
2288
2289 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
2290
2291 See the subsection on "Cache Coherency" above.
2292
2293
2294 ============
2295 EXAMPLE USES
2296 ============
2297
2298 CIRCULAR BUFFERS
2299 ----------------
2300
2301 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2302 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2303
2304         Documentation/circular-buffers.txt
2305
2306 for details.
2307
2308
2309 ==========
2310 REFERENCES
2311 ==========
2312
2313 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2314 Digital Press)
2315         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
2316         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
2317         Chapter 5.5: Data Sharing
2318         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
2319
2320 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
2321         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
2322         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
2323
2324 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
2325 System Programming Guide
2326         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
2327         Chapter 7.2: Memory Ordering
2328         Chapter 7.4: Serializing Instructions
2329
2330 The SPARC Architecture Manual, Version 9
2331         Chapter 8: Memory Models
2332         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
2333         Appendix J: Programming with the Memory Models
2334
2335 UltraSPARC Programmer Reference Manual
2336         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
2337         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
2338
2339 UltraSPARC III Cu User's Manual
2340         Chapter 9: Memory Models
2341
2342 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
2343         Chapter 8: Memory Models
2344
2345 UltraSPARC Architecture 2005
2346         Chapter 9: Memory
2347         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
2348
2349 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
2350         Chapter 8: Memory Models
2351         Appendix F: Caches and Cache Coherency
2352
2353 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
2354         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
2355                         Synchronization
2356
2357 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
2358 for Kernel Programmers:
2359         Chapter 13: Other Memory Models
2360
2361 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
2362         Section 2.6: Speculation
2363         Section 4.4: Memory Access