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[platform/kernel/linux-starfive.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.ibm.com>
7     Will Deacon <will.deacon@arm.com>
8     Peter Zijlstra <peterz@infradead.org>
9
10 ==========
11 DISCLAIMER
12 ==========
13
14 This document is not a specification; it is intentionally (for the sake of
15 brevity) and unintentionally (due to being human) incomplete. This document is
16 meant as a guide to using the various memory barriers provided by Linux, but
17 in case of any doubt (and there are many) please ask.  Some doubts may be
18 resolved by referring to the formal memory consistency model and related
19 documentation at tools/memory-model/.  Nevertheless, even this memory
20 model should be viewed as the collective opinion of its maintainers rather
21 than as an infallible oracle.
22
23 To repeat, this document is not a specification of what Linux expects from
24 hardware.
25
26 The purpose of this document is twofold:
27
28  (1) to specify the minimum functionality that one can rely on for any
29      particular barrier, and
30
31  (2) to provide a guide as to how to use the barriers that are available.
32
33 Note that an architecture can provide more than the minimum requirement
34 for any particular barrier, but if the architecture provides less than
35 that, that architecture is incorrect.
36
37 Note also that it is possible that a barrier may be a no-op for an
38 architecture because the way that arch works renders an explicit barrier
39 unnecessary in that case.
40
41
42 ========
43 CONTENTS
44 ========
45
46  (*) Abstract memory access model.
47
48      - Device operations.
49      - Guarantees.
50
51  (*) What are memory barriers?
52
53      - Varieties of memory barrier.
54      - What may not be assumed about memory barriers?
55      - Address-dependency barriers (historical).
56      - Control dependencies.
57      - SMP barrier pairing.
58      - Examples of memory barrier sequences.
59      - Read memory barriers vs load speculation.
60      - Multicopy atomicity.
61
62  (*) Explicit kernel barriers.
63
64      - Compiler barrier.
65      - CPU memory barriers.
66
67  (*) Implicit kernel memory barriers.
68
69      - Lock acquisition functions.
70      - Interrupt disabling functions.
71      - Sleep and wake-up functions.
72      - Miscellaneous functions.
73
74  (*) Inter-CPU acquiring barrier effects.
75
76      - Acquires vs memory accesses.
77
78  (*) Where are memory barriers needed?
79
80      - Interprocessor interaction.
81      - Atomic operations.
82      - Accessing devices.
83      - Interrupts.
84
85  (*) Kernel I/O barrier effects.
86
87  (*) Assumed minimum execution ordering model.
88
89  (*) The effects of the cpu cache.
90
91      - Cache coherency.
92      - Cache coherency vs DMA.
93      - Cache coherency vs MMIO.
94
95  (*) The things CPUs get up to.
96
97      - And then there's the Alpha.
98      - Virtual Machine Guests.
99
100  (*) Example uses.
101
102      - Circular buffers.
103
104  (*) References.
105
106
107 ============================
108 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
109 ============================
110
111 Consider the following abstract model of the system:
112
113                             :                :
114                             :                :
115                             :                :
116                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
117                 |       |   :   |        |   :   |       |
118                 |       |   :   |        |   :   |       |
119                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
120                 |       |   :   |        |   :   |       |
121                 |       |   :   |        |   :   |       |
122                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
123                     ^       :       ^        :       ^
124                     |       :       |        :       |
125                     |       :       |        :       |
126                     |       :       v        :       |
127                     |       :   +--------+   :       |
128                     |       :   |        |   :       |
129                     |       :   |        |   :       |
130                     +---------->| Device |<----------+
131                             :   |        |   :
132                             :   |        |   :
133                             :   +--------+   :
134                             :                :
135
136 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
137 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
138 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
139 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
140 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
141 apparent operation of the program.
142
143 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
144 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
145 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
146
147
148 For example, consider the following sequence of events:
149
150         CPU 1           CPU 2
151         =============== ===============
152         { A == 1; B == 2 }
153         A = 3;          x = B;
154         B = 4;          y = A;
155
156 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
157 in 24 different combinations:
158
159         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
160         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD B->4,    y=LOAD A->3
161         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    STORE B=4,      x=LOAD B->4
162         STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->2,    STORE B=4
163         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    STORE B=4,      y=LOAD A->3
164         STORE A=3,      x=LOAD B->2,    y=LOAD A->3,    STORE B=4
165         STORE B=4,      STORE A=3,      y=LOAD A->3,    x=LOAD B->4
166         STORE B=4, ...
167         ...
168
169 and can thus result in four different combinations of values:
170
171         x == 2, y == 1
172         x == 2, y == 3
173         x == 4, y == 1
174         x == 4, y == 3
175
176
177 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
178 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
179 committed.
180
181
182 As a further example, consider this sequence of events:
183
184         CPU 1           CPU 2
185         =============== ===============
186         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
187         B = 4;          Q = P;
188         P = &B;         D = *Q;
189
190 There is an obvious address dependency here, as the value loaded into D depends
191 on the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of
192 the following results are possible:
193
194         (Q == &A) and (D == 1)
195         (Q == &B) and (D == 2)
196         (Q == &B) and (D == 4)
197
198 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
199 into Q before issuing the load of *Q.
200
201
202 DEVICE OPERATIONS
203 -----------------
204
205 Some devices present their control interfaces as collections of memory
206 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
207 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
208 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
209 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
210 be used:
211
212         *A = 5;
213         x = *D;
214
215 but this might show up as either of the following two sequences:
216
217         STORE *A = 5, x = LOAD *D
218         x = LOAD *D, STORE *A = 5
219
220 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
221 the address _after_ attempting to read the register.
222
223
224 GUARANTEES
225 ----------
226
227 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
228
229  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
230      respect to itself.  This means that for:
231
232         Q = READ_ONCE(P); D = READ_ONCE(*Q);
233
234      the CPU will issue the following memory operations:
235
236         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
237
238      and always in that order.  However, on DEC Alpha, READ_ONCE() also
239      emits a memory-barrier instruction, so that a DEC Alpha CPU will
240      instead issue the following memory operations:
241
242         Q = LOAD P, MEMORY_BARRIER, D = LOAD *Q, MEMORY_BARRIER
243
244      Whether on DEC Alpha or not, the READ_ONCE() also prevents compiler
245      mischief.
246
247  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
248      ordered within that CPU.  This means that for:
249
250         a = READ_ONCE(*X); WRITE_ONCE(*X, b);
251
252      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
253
254         a = LOAD *X, STORE *X = b
255
256      And for:
257
258         WRITE_ONCE(*X, c); d = READ_ONCE(*X);
259
260      the CPU will only issue:
261
262         STORE *X = c, d = LOAD *X
263
264      (Loads and stores overlap if they are targeted at overlapping pieces of
265      memory).
266
267 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
268
269  (*) It _must_not_ be assumed that the compiler will do what you want
270      with memory references that are not protected by READ_ONCE() and
271      WRITE_ONCE().  Without them, the compiler is within its rights to
272      do all sorts of "creative" transformations, which are covered in
273      the COMPILER BARRIER section.
274
275  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
276      in the order given.  This means that for:
277
278         X = *A; Y = *B; *D = Z;
279
280      we may get any of the following sequences:
281
282         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
283         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
284         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
285         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
286         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
287         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
288
289  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
290      discarded.  This means that for:
291
292         X = *A; Y = *(A + 4);
293
294      we may get any one of the following sequences:
295
296         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
297         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
298         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
299
300      And for:
301
302         *A = X; *(A + 4) = Y;
303
304      we may get any of:
305
306         STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
307         STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
308         STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
309
310 And there are anti-guarantees:
311
312  (*) These guarantees do not apply to bitfields, because compilers often
313      generate code to modify these using non-atomic read-modify-write
314      sequences.  Do not attempt to use bitfields to synchronize parallel
315      algorithms.
316
317  (*) Even in cases where bitfields are protected by locks, all fields
318      in a given bitfield must be protected by one lock.  If two fields
319      in a given bitfield are protected by different locks, the compiler's
320      non-atomic read-modify-write sequences can cause an update to one
321      field to corrupt the value of an adjacent field.
322
323  (*) These guarantees apply only to properly aligned and sized scalar
324      variables.  "Properly sized" currently means variables that are
325      the same size as "char", "short", "int" and "long".  "Properly
326      aligned" means the natural alignment, thus no constraints for
327      "char", two-byte alignment for "short", four-byte alignment for
328      "int", and either four-byte or eight-byte alignment for "long",
329      on 32-bit and 64-bit systems, respectively.  Note that these
330      guarantees were introduced into the C11 standard, so beware when
331      using older pre-C11 compilers (for example, gcc 4.6).  The portion
332      of the standard containing this guarantee is Section 3.14, which
333      defines "memory location" as follows:
334
335         memory location
336                 either an object of scalar type, or a maximal sequence
337                 of adjacent bit-fields all having nonzero width
338
339                 NOTE 1: Two threads of execution can update and access
340                 separate memory locations without interfering with
341                 each other.
342
343                 NOTE 2: A bit-field and an adjacent non-bit-field member
344                 are in separate memory locations. The same applies
345                 to two bit-fields, if one is declared inside a nested
346                 structure declaration and the other is not, or if the two
347                 are separated by a zero-length bit-field declaration,
348                 or if they are separated by a non-bit-field member
349                 declaration. It is not safe to concurrently update two
350                 bit-fields in the same structure if all members declared
351                 between them are also bit-fields, no matter what the
352                 sizes of those intervening bit-fields happen to be.
353
354
355 =========================
356 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
357 =========================
358
359 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
360 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
361 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
362 CPU to restrict the order.
363
364 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
365 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
366
367 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
368 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
369 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
370 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
371 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
372 interaction of multiple CPUs and/or devices.
373
374
375 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
376 ---------------------------
377
378 Memory barriers come in four basic varieties:
379
380  (1) Write (or store) memory barriers.
381
382      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
383      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
384      operations specified after the barrier with respect to the other
385      components of the system.
386
387      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
388      to have any effect on loads.
389
390      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
391      memory system as time progresses.  All stores _before_ a write barrier
392      will occur _before_ all the stores after the write barrier.
393
394      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or
395      address-dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
396
397
398  (2) Address-dependency barriers (historical).
399
400      An address-dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the
401      case where two loads are performed such that the second depends on the
402      result of the first (eg: the first load retrieves the address to which
403      the second load will be directed), an address-dependency barrier would
404      be required to make sure that the target of the second load is updated
405      after the address obtained by the first load is accessed.
406
407      An address-dependency barrier is a partial ordering on interdependent
408      loads only; it is not required to have any effect on stores, independent
409      loads or overlapping loads.
410
411      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
412      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
413      considered can then perceive.  An address-dependency barrier issued by
414      the CPU under consideration guarantees that for any load preceding it,
415      if that load touches one of a sequence of stores from another CPU, then
416      by the time the barrier completes, the effects of all the stores prior to
417      that touched by the load will be perceptible to any loads issued after
418      the address-dependency barrier.
419
420      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
421      showing the ordering constraints.
422
423      [!] Note that the first load really has to have an _address_ dependency and
424      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
425      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
426      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
427      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
428      subsection for more information.
429
430      [!] Note that address-dependency barriers should normally be paired with
431      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
432
433      [!] Kernel release v5.9 removed kernel APIs for explicit address-
434      dependency barriers.  Nowadays, APIs for marking loads from shared
435      variables such as READ_ONCE() and rcu_dereference() provide implicit
436      address-dependency barriers.
437
438  (3) Read (or load) memory barriers.
439
440      A read barrier is an address-dependency barrier plus a guarantee that all
441      the LOAD operations specified before the barrier will appear to happen
442      before all the LOAD operations specified after the barrier with respect to
443      the other components of the system.
444
445      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
446      have any effect on stores.
447
448      Read memory barriers imply address-dependency barriers, and so can
449      substitute for them.
450
451      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
452      see the "SMP barrier pairing" subsection.
453
454
455  (4) General memory barriers.
456
457      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
458      operations specified before the barrier will appear to happen before all
459      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
460      the other components of the system.
461
462      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
463
464      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
465      can substitute for either.
466
467
468 And a couple of implicit varieties:
469
470  (5) ACQUIRE operations.
471
472      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
473      operations after the ACQUIRE operation will appear to happen after the
474      ACQUIRE operation with respect to the other components of the system.
475      ACQUIRE operations include LOCK operations and both smp_load_acquire()
476      and smp_cond_load_acquire() operations.
477
478      Memory operations that occur before an ACQUIRE operation may appear to
479      happen after it completes.
480
481      An ACQUIRE operation should almost always be paired with a RELEASE
482      operation.
483
484
485  (6) RELEASE operations.
486
487      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
488      memory operations before the RELEASE operation will appear to happen
489      before the RELEASE operation with respect to the other components of the
490      system. RELEASE operations include UNLOCK operations and
491      smp_store_release() operations.
492
493      Memory operations that occur after a RELEASE operation may appear to
494      happen before it completes.
495
496      The use of ACQUIRE and RELEASE operations generally precludes the need
497      for other sorts of memory barrier.  In addition, a RELEASE+ACQUIRE pair is
498      -not- guaranteed to act as a full memory barrier.  However, after an
499      ACQUIRE on a given variable, all memory accesses preceding any prior
500      RELEASE on that same variable are guaranteed to be visible.  In other
501      words, within a given variable's critical section, all accesses of all
502      previous critical sections for that variable are guaranteed to have
503      completed.
504
505      This means that ACQUIRE acts as a minimal "acquire" operation and
506      RELEASE acts as a minimal "release" operation.
507
508 A subset of the atomic operations described in atomic_t.txt have ACQUIRE and
509 RELEASE variants in addition to fully-ordered and relaxed (no barrier
510 semantics) definitions.  For compound atomics performing both a load and a
511 store, ACQUIRE semantics apply only to the load and RELEASE semantics apply
512 only to the store portion of the operation.
513
514 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
515 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
516 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
517 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
518
519
520 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
521 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
522 specific code.
523
524
525 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
526 ----------------------------------------------
527
528 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
529
530  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
531      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
532      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
533      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
534
535  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
536      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
537      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
538      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
539
540  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
541      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
542      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
543      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
544
545  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
546      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
547      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
548      between CPUs, but might not do so in order.
549
550         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
551
552             Documentation/driver-api/pci/pci.rst
553             Documentation/core-api/dma-api-howto.rst
554             Documentation/core-api/dma-api.rst
555
556
557 ADDRESS-DEPENDENCY BARRIERS (HISTORICAL)
558 ----------------------------------------
559
560 As of v4.15 of the Linux kernel, an smp_mb() was added to READ_ONCE() for
561 DEC Alpha, which means that about the only people who need to pay attention
562 to this section are those working on DEC Alpha architecture-specific code
563 and those working on READ_ONCE() itself.  For those who need it, and for
564 those who are interested in the history, here is the story of
565 address-dependency barriers.
566
567 [!] While address dependencies are observed in both load-to-load and
568 load-to-store relations, address-dependency barriers are not necessary
569 for load-to-store situations.
570
571 The requirement of address-dependency barriers is a little subtle, and
572 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
573 following sequence of events:
574
575         CPU 1                 CPU 2
576         ===============       ===============
577         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
578         B = 4;
579         <write barrier>
580         WRITE_ONCE(P, &B);
581                               Q = READ_ONCE_OLD(P);
582                               D = *Q;
583
584 [!] READ_ONCE_OLD() corresponds to READ_ONCE() of pre-4.15 kernel, which
585 doesn't imply an address-dependency barrier.
586
587 There's a clear address dependency here, and it would seem that by the end of
588 the sequence, Q must be either &A or &B, and that:
589
590         (Q == &A) implies (D == 1)
591         (Q == &B) implies (D == 4)
592
593 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
594 leading to the following situation:
595
596         (Q == &B) and (D == 2) ????
597
598 While this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
599 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
600 Alpha).
601
602 To deal with this, READ_ONCE() provides an implicit address-dependency barrier
603 since kernel release v4.15:
604
605         CPU 1                 CPU 2
606         ===============       ===============
607         { A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
608         B = 4;
609         <write barrier>
610         WRITE_ONCE(P, &B);
611                               Q = READ_ONCE(P);
612                               <implicit address-dependency barrier>
613                               D = *Q;
614
615 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
616 third possibility from arising.
617
618
619 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
620 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
621 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
622 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
623 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
624 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
625 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
626 but the old value of the variable B (2).
627
628
629 An address-dependency barrier is not required to order dependent writes
630 because the CPUs that the Linux kernel supports don't do writes until they
631 are certain (1) that the write will actually happen, (2) of the location of
632 the write, and (3) of the value to be written.
633 But please carefully read the "CONTROL DEPENDENCIES" section and the
634 Documentation/RCU/rcu_dereference.rst file:  The compiler can and does break
635 dependencies in a great many highly creative ways.
636
637         CPU 1                 CPU 2
638         ===============       ===============
639         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
640         B = 4;
641         <write barrier>
642         WRITE_ONCE(P, &B);
643                               Q = READ_ONCE_OLD(P);
644                               WRITE_ONCE(*Q, 5);
645
646 Therefore, no address-dependency barrier is required to order the read into
647 Q with the store into *Q.  In other words, this outcome is prohibited,
648 even without an implicit address-dependency barrier of modern READ_ONCE():
649
650         (Q == &B) && (B == 4)
651
652 Please note that this pattern should be rare.  After all, the whole point
653 of dependency ordering is to -prevent- writes to the data structure, along
654 with the expensive cache misses associated with those writes.  This pattern
655 can be used to record rare error conditions and the like, and the CPUs'
656 naturally occurring ordering prevents such records from being lost.
657
658
659 Note well that the ordering provided by an address dependency is local to
660 the CPU containing it.  See the section on "Multicopy atomicity" for
661 more information.
662
663
664 The address-dependency barrier is very important to the RCU system,
665 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
666 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
667 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
668 target appearing to be incompletely initialised.
669
670 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
671
672
673 CONTROL DEPENDENCIES
674 --------------------
675
676 Control dependencies can be a bit tricky because current compilers do
677 not understand them.  The purpose of this section is to help you prevent
678 the compiler's ignorance from breaking your code.
679
680 A load-load control dependency requires a full read memory barrier, not
681 simply an (implicit) address-dependency barrier to make it work correctly.
682 Consider the following bit of code:
683
684         q = READ_ONCE(a);
685         <implicit address-dependency barrier>
686         if (q) {
687                 /* BUG: No address dependency!!! */
688                 p = READ_ONCE(b);
689         }
690
691 This will not have the desired effect because there is no actual address
692 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
693 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
694 the load from b as having happened before the load from a.  In such a case
695 what's actually required is:
696
697         q = READ_ONCE(a);
698         if (q) {
699                 <read barrier>
700                 p = READ_ONCE(b);
701         }
702
703 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
704 for load-store control dependencies, as in the following example:
705
706         q = READ_ONCE(a);
707         if (q) {
708                 WRITE_ONCE(b, 1);
709         }
710
711 Control dependencies pair normally with other types of barriers.
712 That said, please note that neither READ_ONCE() nor WRITE_ONCE()
713 are optional! Without the READ_ONCE(), the compiler might combine the
714 load from 'a' with other loads from 'a'.  Without the WRITE_ONCE(),
715 the compiler might combine the store to 'b' with other stores to 'b'.
716 Either can result in highly counterintuitive effects on ordering.
717
718 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
719 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
720 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
721 as follows:
722
723         q = a;
724         b = 1;  /* BUG: Compiler and CPU can both reorder!!! */
725
726 So don't leave out the READ_ONCE().
727
728 It is tempting to try to enforce ordering on identical stores on both
729 branches of the "if" statement as follows:
730
731         q = READ_ONCE(a);
732         if (q) {
733                 barrier();
734                 WRITE_ONCE(b, 1);
735                 do_something();
736         } else {
737                 barrier();
738                 WRITE_ONCE(b, 1);
739                 do_something_else();
740         }
741
742 Unfortunately, current compilers will transform this as follows at high
743 optimization levels:
744
745         q = READ_ONCE(a);
746         barrier();
747         WRITE_ONCE(b, 1);  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
748         if (q) {
749                 /* WRITE_ONCE(b, 1); -- moved up, BUG!!! */
750                 do_something();
751         } else {
752                 /* WRITE_ONCE(b, 1); -- moved up, BUG!!! */
753                 do_something_else();
754         }
755
756 Now there is no conditional between the load from 'a' and the store to
757 'b', which means that the CPU is within its rights to reorder them:
758 The conditional is absolutely required, and must be present in the
759 assembly code even after all compiler optimizations have been applied.
760 Therefore, if you need ordering in this example, you need explicit
761 memory barriers, for example, smp_store_release():
762
763         q = READ_ONCE(a);
764         if (q) {
765                 smp_store_release(&b, 1);
766                 do_something();
767         } else {
768                 smp_store_release(&b, 1);
769                 do_something_else();
770         }
771
772 In contrast, without explicit memory barriers, two-legged-if control
773 ordering is guaranteed only when the stores differ, for example:
774
775         q = READ_ONCE(a);
776         if (q) {
777                 WRITE_ONCE(b, 1);
778                 do_something();
779         } else {
780                 WRITE_ONCE(b, 2);
781                 do_something_else();
782         }
783
784 The initial READ_ONCE() is still required to prevent the compiler from
785 proving the value of 'a'.
786
787 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
788 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
789 the needed conditional.  For example:
790
791         q = READ_ONCE(a);
792         if (q % MAX) {
793                 WRITE_ONCE(b, 1);
794                 do_something();
795         } else {
796                 WRITE_ONCE(b, 2);
797                 do_something_else();
798         }
799
800 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
801 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
802 transform the above code into the following:
803
804         q = READ_ONCE(a);
805         WRITE_ONCE(b, 2);
806         do_something_else();
807
808 Given this transformation, the CPU is not required to respect the ordering
809 between the load from variable 'a' and the store to variable 'b'.  It is
810 tempting to add a barrier(), but this does not help.  The conditional
811 is gone, and the barrier won't bring it back.  Therefore, if you are
812 relying on this ordering, you should make sure that MAX is greater than
813 one, perhaps as follows:
814
815         q = READ_ONCE(a);
816         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
817         if (q % MAX) {
818                 WRITE_ONCE(b, 1);
819                 do_something();
820         } else {
821                 WRITE_ONCE(b, 2);
822                 do_something_else();
823         }
824
825 Please note once again that the stores to 'b' differ.  If they were
826 identical, as noted earlier, the compiler could pull this store outside
827 of the 'if' statement.
828
829 You must also be careful not to rely too much on boolean short-circuit
830 evaluation.  Consider this example:
831
832         q = READ_ONCE(a);
833         if (q || 1 > 0)
834                 WRITE_ONCE(b, 1);
835
836 Because the first condition cannot fault and the second condition is
837 always true, the compiler can transform this example as following,
838 defeating control dependency:
839
840         q = READ_ONCE(a);
841         WRITE_ONCE(b, 1);
842
843 This example underscores the need to ensure that the compiler cannot
844 out-guess your code.  More generally, although READ_ONCE() does force
845 the compiler to actually emit code for a given load, it does not force
846 the compiler to use the results.
847
848 In addition, control dependencies apply only to the then-clause and
849 else-clause of the if-statement in question.  In particular, it does
850 not necessarily apply to code following the if-statement:
851
852         q = READ_ONCE(a);
853         if (q) {
854                 WRITE_ONCE(b, 1);
855         } else {
856                 WRITE_ONCE(b, 2);
857         }
858         WRITE_ONCE(c, 1);  /* BUG: No ordering against the read from 'a'. */
859
860 It is tempting to argue that there in fact is ordering because the
861 compiler cannot reorder volatile accesses and also cannot reorder
862 the writes to 'b' with the condition.  Unfortunately for this line
863 of reasoning, the compiler might compile the two writes to 'b' as
864 conditional-move instructions, as in this fanciful pseudo-assembly
865 language:
866
867         ld r1,a
868         cmp r1,$0
869         cmov,ne r4,$1
870         cmov,eq r4,$2
871         st r4,b
872         st $1,c
873
874 A weakly ordered CPU would have no dependency of any sort between the load
875 from 'a' and the store to 'c'.  The control dependencies would extend
876 only to the pair of cmov instructions and the store depending on them.
877 In short, control dependencies apply only to the stores in the then-clause
878 and else-clause of the if-statement in question (including functions
879 invoked by those two clauses), not to code following that if-statement.
880
881
882 Note well that the ordering provided by a control dependency is local
883 to the CPU containing it.  See the section on "Multicopy atomicity"
884 for more information.
885
886
887 In summary:
888
889   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
890       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
891       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
892       later anything.  If you need these other forms of ordering,
893       use smp_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
894       later loads, smp_mb().
895
896   (*) If both legs of the "if" statement begin with identical stores to
897       the same variable, then those stores must be ordered, either by
898       preceding both of them with smp_mb() or by using smp_store_release()
899       to carry out the stores.  Please note that it is -not- sufficient
900       to use barrier() at beginning of each leg of the "if" statement
901       because, as shown by the example above, optimizing compilers can
902       destroy the control dependency while respecting the letter of the
903       barrier() law.
904
905   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
906       between the prior load and the subsequent store, and this
907       conditional must involve the prior load.  If the compiler is able
908       to optimize the conditional away, it will have also optimized
909       away the ordering.  Careful use of READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
910       can help to preserve the needed conditional.
911
912   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
913       dependency into nonexistence.  Careful use of READ_ONCE() or
914       atomic{,64}_read() can help to preserve your control dependency.
915       Please see the COMPILER BARRIER section for more information.
916
917   (*) Control dependencies apply only to the then-clause and else-clause
918       of the if-statement containing the control dependency, including
919       any functions that these two clauses call.  Control dependencies
920       do -not- apply to code following the if-statement containing the
921       control dependency.
922
923   (*) Control dependencies pair normally with other types of barriers.
924
925   (*) Control dependencies do -not- provide multicopy atomicity.  If you
926       need all the CPUs to see a given store at the same time, use smp_mb().
927
928   (*) Compilers do not understand control dependencies.  It is therefore
929       your job to ensure that they do not break your code.
930
931
932 SMP BARRIER PAIRING
933 -------------------
934
935 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
936 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
937
938 General barriers pair with each other, though they also pair with most
939 other types of barriers, albeit without multicopy atomicity.  An acquire
940 barrier pairs with a release barrier, but both may also pair with other
941 barriers, including of course general barriers.  A write barrier pairs
942 with an address-dependency barrier, a control dependency, an acquire barrier,
943 a release barrier, a read barrier, or a general barrier.  Similarly a
944 read barrier, control dependency, or an address-dependency barrier pairs
945 with a write barrier, an acquire barrier, a release barrier, or a
946 general barrier:
947
948         CPU 1                 CPU 2
949         ===============       ===============
950         WRITE_ONCE(a, 1);
951         <write barrier>
952         WRITE_ONCE(b, 2);     x = READ_ONCE(b);
953                               <read barrier>
954                               y = READ_ONCE(a);
955
956 Or:
957
958         CPU 1                 CPU 2
959         ===============       ===============================
960         a = 1;
961         <write barrier>
962         WRITE_ONCE(b, &a);    x = READ_ONCE(b);
963                               <implicit address-dependency barrier>
964                               y = *x;
965
966 Or even:
967
968         CPU 1                 CPU 2
969         ===============       ===============================
970         r1 = READ_ONCE(y);
971         <general barrier>
972         WRITE_ONCE(x, 1);     if (r2 = READ_ONCE(x)) {
973                                  <implicit control dependency>
974                                  WRITE_ONCE(y, 1);
975                               }
976
977         assert(r1 == 0 || r2 == 0);
978
979 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
980 the "weaker" type.
981
982 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
983 match the loads after the read barrier or the address-dependency barrier, and
984 vice versa:
985
986         CPU 1                               CPU 2
987         ===================                 ===================
988         WRITE_ONCE(a, 1);    }----   --->{  v = READ_ONCE(c);
989         WRITE_ONCE(b, 2);    }    \ /    {  w = READ_ONCE(d);
990         <write barrier>            \        <read barrier>
991         WRITE_ONCE(c, 3);    }    / \    {  x = READ_ONCE(a);
992         WRITE_ONCE(d, 4);    }----   --->{  y = READ_ONCE(b);
993
994
995 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
996 ------------------------------------
997
998 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
999 Consider the following sequence of events:
1000
1001         CPU 1
1002         =======================
1003         STORE A = 1
1004         STORE B = 2
1005         STORE C = 3
1006         <write barrier>
1007         STORE D = 4
1008         STORE E = 5
1009
1010 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
1011 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
1012 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
1013 }:
1014
1015         +-------+       :      :
1016         |       |       +------+
1017         |       |------>| C=3  |     }     /\
1018         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
1019         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
1020         |       |  :    +------+     }
1021         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
1022         |       |       +------+     }
1023         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
1024         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
1025         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
1026         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
1027         |       |------>| D=4  |     }
1028         |       |       +------+
1029         +-------+       :      :
1030                            |
1031                            | Sequence in which stores are committed to the
1032                            | memory system by CPU 1
1033                            V
1034
1035
1036 Secondly, address-dependency barriers act as partial orderings on address-
1037 dependent loads.  Consider the following sequence of events:
1038
1039         CPU 1                   CPU 2
1040         ======================= =======================
1041                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
1042         STORE A = 1
1043         STORE B = 2
1044         <write barrier>
1045         STORE C = &B            LOAD X
1046         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
1047                                 LOAD *C (reads B)
1048
1049 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
1050 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1051
1052         +-------+       :      :                :       :
1053         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
1054         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
1055         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
1056         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
1057         |       |       +------+       |        +-------+
1058         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1059         |       |       +------+       |        :       :
1060         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1061         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1062         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1063         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1064         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1065                                        |        :       :       |       |
1066                                        |        :       :       | CPU 2 |
1067                                        |        +-------+       |       |
1068             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
1069             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
1070                                        |        :       :       |       |
1071                                        |        +-------+       |       |
1072             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
1073             up the maintenance           \      +-------+       |       |
1074             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
1075                                                 +-------+
1076                                                 :       :
1077
1078
1079 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
1080 (which would be B) coming after the LOAD of C.
1081
1082 If, however, an address-dependency barrier were to be placed between the load
1083 of C and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
1084
1085         CPU 1                   CPU 2
1086         ======================= =======================
1087                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
1088         STORE A = 1
1089         STORE B = 2
1090         <write barrier>
1091         STORE C = &B            LOAD X
1092         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
1093                                 <address-dependency barrier>
1094                                 LOAD *C (reads B)
1095
1096 then the following will occur:
1097
1098         +-------+       :      :                :       :
1099         |       |       +------+                +-------+
1100         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
1101         |       |  :    +------+     \          +-------+
1102         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
1103         |       |       +------+       |        +-------+
1104         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1105         |       |       +------+       |        :       :
1106         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1107         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1108         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1109         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
1110         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
1111                                        |        :       :       |       |
1112                                        |        :       :       | CPU 2 |
1113                                        |        +-------+       |       |
1114                                        |        | X->9  |------>|       |
1115                                        |        +-------+       |       |
1116           Makes sure all effects --->   \   aaaaaaaaaaaaaaaaa   |       |
1117           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
1118           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
1119           subsequent loads                      +-------+       |       |
1120                                                 :       :       +-------+
1121
1122
1123 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
1124 following sequence of events:
1125
1126         CPU 1                   CPU 2
1127         ======================= =======================
1128                 { A = 0, B = 9 }
1129         STORE A=1
1130         <write barrier>
1131         STORE B=2
1132                                 LOAD B
1133                                 LOAD A
1134
1135 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
1136 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
1137
1138         +-------+       :      :                :       :
1139         |       |       +------+                +-------+
1140         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1141         |       |       +------+      \         +-------+
1142         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1143         |       |       +------+        |       +-------+
1144         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1145         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1146         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1147                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1148                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1149                                         |       | A->0  |------>|       |
1150                                         |       +-------+       |       |
1151                                         |       :       :       +-------+
1152                                          \      :       :
1153                                           \     +-------+
1154                                            ---->| A->1  |
1155                                                 +-------+
1156                                                 :       :
1157
1158
1159 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
1160 load of A on CPU 2:
1161
1162         CPU 1                   CPU 2
1163         ======================= =======================
1164                 { A = 0, B = 9 }
1165         STORE A=1
1166         <write barrier>
1167         STORE B=2
1168                                 LOAD B
1169                                 <read barrier>
1170                                 LOAD A
1171
1172 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
1173 2:
1174
1175         +-------+       :      :                :       :
1176         |       |       +------+                +-------+
1177         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1178         |       |       +------+      \         +-------+
1179         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1180         |       |       +------+        |       +-------+
1181         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1182         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1183         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1184                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1185                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1186                                         |       :       :       |       |
1187                                         |       :       :       |       |
1188           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1189           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1190           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
1191           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1192                                                 :       :       +-------+
1193
1194
1195 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
1196 contained a load of A either side of the read barrier:
1197
1198         CPU 1                   CPU 2
1199         ======================= =======================
1200                 { A = 0, B = 9 }
1201         STORE A=1
1202         <write barrier>
1203         STORE B=2
1204                                 LOAD B
1205                                 LOAD A [first load of A]
1206                                 <read barrier>
1207                                 LOAD A [second load of A]
1208
1209 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
1210 come up with different values:
1211
1212         +-------+       :      :                :       :
1213         |       |       +------+                +-------+
1214         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1215         |       |       +------+      \         +-------+
1216         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1217         |       |       +------+        |       +-------+
1218         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1219         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1220         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1221                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1222                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1223                                         |       :       :       |       |
1224                                         |       :       :       |       |
1225                                         |       +-------+       |       |
1226                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1227                                         |       +-------+       |       |
1228           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1229           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1230           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1231           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1232                                                 :       :       +-------+
1233
1234
1235 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1236 before the read barrier completes anyway:
1237
1238         +-------+       :      :                :       :
1239         |       |       +------+                +-------+
1240         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1241         |       |       +------+      \         +-------+
1242         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1243         |       |       +------+        |       +-------+
1244         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1245         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1246         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1247                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1248                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1249                                         |       :       :       |       |
1250                                          \      :       :       |       |
1251                                           \     +-------+       |       |
1252                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1253                                                 +-------+       |       |
1254                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1255                                                 +-------+       |       |
1256                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1257                                                 +-------+       |       |
1258                                                 :       :       +-------+
1259
1260
1261 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1262 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1263 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1264
1265
1266 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1267 ----------------------------------------
1268
1269 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1270 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1271 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1272 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1273 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1274 already has the value to hand.
1275
1276 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1277 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1278 cache it for later use.
1279
1280 Consider:
1281
1282         CPU 1                   CPU 2
1283         ======================= =======================
1284                                 LOAD B
1285                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1286                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1287                                 LOAD A
1288
1289 Which might appear as this:
1290
1291                                                 :       :       +-------+
1292                                                 +-------+       |       |
1293                                             --->| B->2  |------>|       |
1294                                                 +-------+       | CPU 2 |
1295                                                 :       :DIVIDE |       |
1296                                                 +-------+       |       |
1297         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1298         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1299         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1300                                                 :       :DIVIDE |       |
1301                                                 :       :   ~   |       |
1302         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1303         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1304         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1305
1306
1307 Placing a read barrier or an address-dependency barrier just before the second
1308 load:
1309
1310         CPU 1                   CPU 2
1311         ======================= =======================
1312                                 LOAD B
1313                                 DIVIDE
1314                                 DIVIDE
1315                                 <read barrier>
1316                                 LOAD A
1317
1318 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1319 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1320 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1321
1322                                                 :       :       +-------+
1323                                                 +-------+       |       |
1324                                             --->| B->2  |------>|       |
1325                                                 +-------+       | CPU 2 |
1326                                                 :       :DIVIDE |       |
1327                                                 +-------+       |       |
1328         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1329         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1330         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1331                                                 :       :DIVIDE |       |
1332                                                 :       :   ~   |       |
1333                                                 :       :   ~   |       |
1334                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1335                                                 :       :   ~   |       |
1336                                                 :       :   ~-->|       |
1337                                                 :       :       |       |
1338                                                 :       :       +-------+
1339
1340
1341 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1342 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1343
1344                                                 :       :       +-------+
1345                                                 +-------+       |       |
1346                                             --->| B->2  |------>|       |
1347                                                 +-------+       | CPU 2 |
1348                                                 :       :DIVIDE |       |
1349                                                 +-------+       |       |
1350         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1351         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1352         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1353                                                 :       :DIVIDE |       |
1354                                                 :       :   ~   |       |
1355                                                 :       :   ~   |       |
1356                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1357                                                 +-------+       |       |
1358         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1359         and an updated value is                 +-------+       |       |
1360         retrieved                               :       :       +-------+
1361
1362
1363 MULTICOPY ATOMICITY
1364 --------------------
1365
1366 Multicopy atomicity is a deeply intuitive notion about ordering that is
1367 not always provided by real computer systems, namely that a given store
1368 becomes visible at the same time to all CPUs, or, alternatively, that all
1369 CPUs agree on the order in which all stores become visible.  However,
1370 support of full multicopy atomicity would rule out valuable hardware
1371 optimizations, so a weaker form called ``other multicopy atomicity''
1372 instead guarantees only that a given store becomes visible at the same
1373 time to all -other- CPUs.  The remainder of this document discusses this
1374 weaker form, but for brevity will call it simply ``multicopy atomicity''.
1375
1376 The following example demonstrates multicopy atomicity:
1377
1378         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1379         ======================= ======================= =======================
1380                 { X = 0, Y = 0 }
1381         STORE X=1               r1=LOAD X (reads 1)     LOAD Y (reads 1)
1382                                 <general barrier>       <read barrier>
1383                                 STORE Y=r1              LOAD X
1384
1385 Suppose that CPU 2's load from X returns 1, which it then stores to Y,
1386 and CPU 3's load from Y returns 1.  This indicates that CPU 1's store
1387 to X precedes CPU 2's load from X and that CPU 2's store to Y precedes
1388 CPU 3's load from Y.  In addition, the memory barriers guarantee that
1389 CPU 2 executes its load before its store, and CPU 3 loads from Y before
1390 it loads from X.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1391
1392 Because CPU 3's load from X in some sense comes after CPU 2's load, it
1393 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1394 This expectation follows from multicopy atomicity: if a load executing
1395 on CPU B follows a load from the same variable executing on CPU A (and
1396 CPU A did not originally store the value which it read), then on
1397 multicopy-atomic systems, CPU B's load must return either the same value
1398 that CPU A's load did or some later value.  However, the Linux kernel
1399 does not require systems to be multicopy atomic.
1400
1401 The use of a general memory barrier in the example above compensates
1402 for any lack of multicopy atomicity.  In the example, if CPU 2's load
1403 from X returns 1 and CPU 3's load from Y returns 1, then CPU 3's load
1404 from X must indeed also return 1.
1405
1406 However, dependencies, read barriers, and write barriers are not always
1407 able to compensate for non-multicopy atomicity.  For example, suppose
1408 that CPU 2's general barrier is removed from the above example, leaving
1409 only the data dependency shown below:
1410
1411         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1412         ======================= ======================= =======================
1413                 { X = 0, Y = 0 }
1414         STORE X=1               r1=LOAD X (reads 1)     LOAD Y (reads 1)
1415                                 <data dependency>       <read barrier>
1416                                 STORE Y=r1              LOAD X (reads 0)
1417
1418 This substitution allows non-multicopy atomicity to run rampant: in
1419 this example, it is perfectly legal for CPU 2's load from X to return 1,
1420 CPU 3's load from Y to return 1, and its load from X to return 0.
1421
1422 The key point is that although CPU 2's data dependency orders its load
1423 and store, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Thus, if this
1424 example runs on a non-multicopy-atomic system where CPUs 1 and 2 share a
1425 store buffer or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's
1426 writes.  General barriers are therefore required to ensure that all CPUs
1427 agree on the combined order of multiple accesses.
1428
1429 General barriers can compensate not only for non-multicopy atomicity,
1430 but can also generate additional ordering that can ensure that -all-
1431 CPUs will perceive the same order of -all- operations.  In contrast, a
1432 chain of release-acquire pairs do not provide this additional ordering,
1433 which means that only those CPUs on the chain are guaranteed to agree
1434 on the combined order of the accesses.  For example, switching to C code
1435 in deference to the ghost of Herman Hollerith:
1436
1437         int u, v, x, y, z;
1438
1439         void cpu0(void)
1440         {
1441                 r0 = smp_load_acquire(&x);
1442                 WRITE_ONCE(u, 1);
1443                 smp_store_release(&y, 1);
1444         }
1445
1446         void cpu1(void)
1447         {
1448                 r1 = smp_load_acquire(&y);
1449                 r4 = READ_ONCE(v);
1450                 r5 = READ_ONCE(u);
1451                 smp_store_release(&z, 1);
1452         }
1453
1454         void cpu2(void)
1455         {
1456                 r2 = smp_load_acquire(&z);
1457                 smp_store_release(&x, 1);
1458         }
1459
1460         void cpu3(void)
1461         {
1462                 WRITE_ONCE(v, 1);
1463                 smp_mb();
1464                 r3 = READ_ONCE(u);
1465         }
1466
1467 Because cpu0(), cpu1(), and cpu2() participate in a chain of
1468 smp_store_release()/smp_load_acquire() pairs, the following outcome
1469 is prohibited:
1470
1471         r0 == 1 && r1 == 1 && r2 == 1
1472
1473 Furthermore, because of the release-acquire relationship between cpu0()
1474 and cpu1(), cpu1() must see cpu0()'s writes, so that the following
1475 outcome is prohibited:
1476
1477         r1 == 1 && r5 == 0
1478
1479 However, the ordering provided by a release-acquire chain is local
1480 to the CPUs participating in that chain and does not apply to cpu3(),
1481 at least aside from stores.  Therefore, the following outcome is possible:
1482
1483         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0
1484
1485 As an aside, the following outcome is also possible:
1486
1487         r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 && r5 == 1
1488
1489 Although cpu0(), cpu1(), and cpu2() will see their respective reads and
1490 writes in order, CPUs not involved in the release-acquire chain might
1491 well disagree on the order.  This disagreement stems from the fact that
1492 the weak memory-barrier instructions used to implement smp_load_acquire()
1493 and smp_store_release() are not required to order prior stores against
1494 subsequent loads in all cases.  This means that cpu3() can see cpu0()'s
1495 store to u as happening -after- cpu1()'s load from v, even though
1496 both cpu0() and cpu1() agree that these two operations occurred in the
1497 intended order.
1498
1499 However, please keep in mind that smp_load_acquire() is not magic.
1500 In particular, it simply reads from its argument with ordering.  It does
1501 -not- ensure that any particular value will be read.  Therefore, the
1502 following outcome is possible:
1503
1504         r0 == 0 && r1 == 0 && r2 == 0 && r5 == 0
1505
1506 Note that this outcome can happen even on a mythical sequentially
1507 consistent system where nothing is ever reordered.
1508
1509 To reiterate, if your code requires full ordering of all operations,
1510 use general barriers throughout.
1511
1512
1513 ========================
1514 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1515 ========================
1516
1517 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1518 levels:
1519
1520   (*) Compiler barrier.
1521
1522   (*) CPU memory barriers.
1523
1524
1525 COMPILER BARRIER
1526 ----------------
1527
1528 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1529 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1530
1531         barrier();
1532
1533 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write
1534 variants of barrier().  However, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() can be
1535 thought of as weak forms of barrier() that affect only the specific
1536 accesses flagged by the READ_ONCE() or WRITE_ONCE().
1537
1538 The barrier() function has the following effects:
1539
1540  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1541      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1542      One example use for this property is to ease communication between
1543      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1544
1545  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1546      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1547
1548 The READ_ONCE() and WRITE_ONCE() functions can prevent any number of
1549 optimizations that, while perfectly safe in single-threaded code, can
1550 be fatal in concurrent code.  Here are some examples of these sorts
1551 of optimizations:
1552
1553  (*) The compiler is within its rights to reorder loads and stores
1554      to the same variable, and in some cases, the CPU is within its
1555      rights to reorder loads to the same variable.  This means that
1556      the following code:
1557
1558         a[0] = x;
1559         a[1] = x;
1560
1561      Might result in an older value of x stored in a[1] than in a[0].
1562      Prevent both the compiler and the CPU from doing this as follows:
1563
1564         a[0] = READ_ONCE(x);
1565         a[1] = READ_ONCE(x);
1566
1567      In short, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() provide cache coherence for
1568      accesses from multiple CPUs to a single variable.
1569
1570  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1571      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1572      the following code:
1573
1574         while (tmp = a)
1575                 do_something_with(tmp);
1576
1577      into the following code, which, although in some sense legitimate
1578      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1579      intended:
1580
1581         if (tmp = a)
1582                 for (;;)
1583                         do_something_with(tmp);
1584
1585      Use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1586
1587         while (tmp = READ_ONCE(a))
1588                 do_something_with(tmp);
1589
1590  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1591      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1592      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1593      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1594
1595         while (tmp = a)
1596                 do_something_with(tmp);
1597
1598      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1599      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1600
1601         while (a)
1602                 do_something_with(a);
1603
1604      For example, the optimized version of this code could result in
1605      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1606      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1607      the call to do_something_with().
1608
1609      Again, use READ_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1610
1611         while (tmp = READ_ONCE(a))
1612                 do_something_with(tmp);
1613
1614      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1615      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1616      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1617      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1618      where it is not safe.
1619
1620  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1621      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1622      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1623
1624         while (tmp = a)
1625                 do_something_with(tmp);
1626
1627      Into this:
1628
1629         do { } while (0);
1630
1631      This transformation is a win for single-threaded code because it
1632      gets rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler
1633      will carry out its proof assuming that the current CPU is the only
1634      one updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the
1635      compiler's proof will be erroneous.  Use READ_ONCE() to tell the
1636      compiler that it doesn't know as much as it thinks it does:
1637
1638         while (tmp = READ_ONCE(a))
1639                 do_something_with(tmp);
1640
1641      But please note that the compiler is also closely watching what you
1642      do with the value after the READ_ONCE().  For example, suppose you
1643      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1644
1645         while ((tmp = READ_ONCE(a)) % MAX)
1646                 do_something_with(tmp);
1647
1648      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1649      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1650      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1651      variable 'a'.)
1652
1653  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1654      if it knows that the variable already has the value being stored.
1655      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1656      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1657      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1658      the following:
1659
1660         a = 0;
1661         ... Code that does not store to variable a ...
1662         a = 0;
1663
1664      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1665      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1666      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1667      meantime.
1668
1669      Use WRITE_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1670      wrong guess:
1671
1672         WRITE_ONCE(a, 0);
1673         ... Code that does not store to variable a ...
1674         WRITE_ONCE(a, 0);
1675
1676  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1677      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1678      between process-level code and an interrupt handler:
1679
1680         void process_level(void)
1681         {
1682                 msg = get_message();
1683                 flag = true;
1684         }
1685
1686         void interrupt_handler(void)
1687         {
1688                 if (flag)
1689                         process_message(msg);
1690         }
1691
1692      There is nothing to prevent the compiler from transforming
1693      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1694      win for single-threaded code:
1695
1696         void process_level(void)
1697         {
1698                 flag = true;
1699                 msg = get_message();
1700         }
1701
1702      If the interrupt occurs between these two statement, then
1703      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use WRITE_ONCE()
1704      to prevent this as follows:
1705
1706         void process_level(void)
1707         {
1708                 WRITE_ONCE(msg, get_message());
1709                 WRITE_ONCE(flag, true);
1710         }
1711
1712         void interrupt_handler(void)
1713         {
1714                 if (READ_ONCE(flag))
1715                         process_message(READ_ONCE(msg));
1716         }
1717
1718      Note that the READ_ONCE() and WRITE_ONCE() wrappers in
1719      interrupt_handler() are needed if this interrupt handler can itself
1720      be interrupted by something that also accesses 'flag' and 'msg',
1721      for example, a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, READ_ONCE()
1722      and WRITE_ONCE() are not needed in interrupt_handler() other than
1723      for documentation purposes.  (Note also that nested interrupts
1724      do not typically occur in modern Linux kernels, in fact, if an
1725      interrupt handler returns with interrupts enabled, you will get a
1726      WARN_ONCE() splat.)
1727
1728      You should assume that the compiler can move READ_ONCE() and
1729      WRITE_ONCE() past code not containing READ_ONCE(), WRITE_ONCE(),
1730      barrier(), or similar primitives.
1731
1732      This effect could also be achieved using barrier(), but READ_ONCE()
1733      and WRITE_ONCE() are more selective:  With READ_ONCE() and
1734      WRITE_ONCE(), the compiler need only forget the contents of the
1735      indicated memory locations, while with barrier() the compiler must
1736      discard the value of all memory locations that it has currently
1737      cached in any machine registers.  Of course, the compiler must also
1738      respect the order in which the READ_ONCE()s and WRITE_ONCE()s occur,
1739      though the CPU of course need not do so.
1740
1741  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1742      as in the following example:
1743
1744         if (a)
1745                 b = a;
1746         else
1747                 b = 42;
1748
1749      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1750
1751         b = 42;
1752         if (a)
1753                 b = a;
1754
1755      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1756      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1757      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1758      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1759      Use WRITE_ONCE() to prevent this as follows:
1760
1761         if (a)
1762                 WRITE_ONCE(b, a);
1763         else
1764                 WRITE_ONCE(b, 42);
1765
1766      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1767      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1768      poor performance and scalability.  Use READ_ONCE() to prevent
1769      invented loads.
1770
1771  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1772      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1773      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1774      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1775      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1776      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1777      implement the following 32-bit store:
1778
1779         p = 0x00010002;
1780
1781      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1782      which is not surprising given that it would likely take more
1783      than two instructions to build the constant and then store it.
1784      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1785      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1786      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1787      use of WRITE_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1788
1789         WRITE_ONCE(p, 0x00010002);
1790
1791      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1792      as in this example:
1793
1794         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1795                 short a;
1796                 int b;
1797                 short c;
1798         };
1799         struct foo foo1, foo2;
1800         ...
1801
1802         foo2.a = foo1.a;
1803         foo2.b = foo1.b;
1804         foo2.c = foo1.c;
1805
1806      Because there are no READ_ONCE() or WRITE_ONCE() wrappers and no
1807      volatile markings, the compiler would be well within its rights to
1808      implement these three assignment statements as a pair of 32-bit
1809      loads followed by a pair of 32-bit stores.  This would result in
1810      load tearing on 'foo1.b' and store tearing on 'foo2.b'.  READ_ONCE()
1811      and WRITE_ONCE() again prevent tearing in this example:
1812
1813         foo2.a = foo1.a;
1814         WRITE_ONCE(foo2.b, READ_ONCE(foo1.b));
1815         foo2.c = foo1.c;
1816
1817 All that aside, it is never necessary to use READ_ONCE() and
1818 WRITE_ONCE() on a variable that has been marked volatile.  For example,
1819 because 'jiffies' is marked volatile, it is never necessary to
1820 say READ_ONCE(jiffies).  The reason for this is that READ_ONCE() and
1821 WRITE_ONCE() are implemented as volatile casts, which has no effect when
1822 its argument is already marked volatile.
1823
1824 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1825 which may then reorder things however it wishes.
1826
1827
1828 CPU MEMORY BARRIERS
1829 -------------------
1830
1831 The Linux kernel has seven basic CPU memory barriers:
1832
1833         TYPE                    MANDATORY       SMP CONDITIONAL
1834         ======================= =============== ===============
1835         GENERAL                 mb()            smp_mb()
1836         WRITE                   wmb()           smp_wmb()
1837         READ                    rmb()           smp_rmb()
1838         ADDRESS DEPENDENCY                      READ_ONCE()
1839
1840
1841 All memory barriers except the address-dependency barriers imply a compiler
1842 barrier.  Address dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1843
1844 Aside: In the case of address dependencies, the compiler would be expected
1845 to issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load
1846 the value of b before loading a[b]), however there is no guarantee in
1847 the C specification that the compiler may not speculate the value of b
1848 (eg. is equal to 1) and load a[b] before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1)
1849 tmp = a[b]; ).  There is also the problem of a compiler reloading b after
1850 having loaded a[b], thus having a newer copy of b than a[b].  A consensus
1851 has not yet been reached about these problems, however the READ_ONCE()
1852 macro is a good place to start looking.
1853
1854 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1855 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1856 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1857 However, see the subsection on "Virtual Machine Guests" below.
1858
1859 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1860 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1861 is sufficient.
1862
1863 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1864 barriers impose unnecessary overhead on both SMP and UP systems. They may,
1865 however, be used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O
1866 windows.  These barriers are required even on non-SMP systems as they affect
1867 the order in which memory operations appear to a device by prohibiting both the
1868 compiler and the CPU from reordering them.
1869
1870
1871 There are some more advanced barrier functions:
1872
1873  (*) smp_store_mb(var, value)
1874
1875      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1876      barrier after it.  It isn't guaranteed to insert anything more than a
1877      compiler barrier in a UP compilation.
1878
1879
1880  (*) smp_mb__before_atomic();
1881  (*) smp_mb__after_atomic();
1882
1883      These are for use with atomic RMW functions that do not imply memory
1884      barriers, but where the code needs a memory barrier. Examples for atomic
1885      RMW functions that do not imply a memory barrier are e.g. add,
1886      subtract, (failed) conditional operations, _relaxed functions,
1887      but not atomic_read or atomic_set. A common example where a memory
1888      barrier may be required is when atomic ops are used for reference
1889      counting.
1890
1891      These are also used for atomic RMW bitop functions that do not imply a
1892      memory barrier (such as set_bit and clear_bit).
1893
1894      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1895      and then decrements the object's reference count:
1896
1897         obj->dead = 1;
1898         smp_mb__before_atomic();
1899         atomic_dec(&obj->ref_count);
1900
1901      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1902      *before* the reference counter is decremented.
1903
1904      See Documentation/atomic_{t,bitops}.txt for more information.
1905
1906
1907  (*) dma_wmb();
1908  (*) dma_rmb();
1909  (*) dma_mb();
1910
1911      These are for use with consistent memory to guarantee the ordering
1912      of writes or reads of shared memory accessible to both the CPU and a
1913      DMA capable device.
1914
1915      For example, consider a device driver that shares memory with a device
1916      and uses a descriptor status value to indicate if the descriptor belongs
1917      to the device or the CPU, and a doorbell to notify it when new
1918      descriptors are available:
1919
1920         if (desc->status != DEVICE_OWN) {
1921                 /* do not read data until we own descriptor */
1922                 dma_rmb();
1923
1924                 /* read/modify data */
1925                 read_data = desc->data;
1926                 desc->data = write_data;
1927
1928                 /* flush modifications before status update */
1929                 dma_wmb();
1930
1931                 /* assign ownership */
1932                 desc->status = DEVICE_OWN;
1933
1934                 /* notify device of new descriptors */
1935                 writel(DESC_NOTIFY, doorbell);
1936         }
1937
1938      The dma_rmb() allows us guarantee the device has released ownership
1939      before we read the data from the descriptor, and the dma_wmb() allows
1940      us to guarantee the data is written to the descriptor before the device
1941      can see it now has ownership.  The dma_mb() implies both a dma_rmb() and
1942      a dma_wmb().  Note that, when using writel(), a prior wmb() is not needed
1943      to guarantee that the cache coherent memory writes have completed before
1944      writing to the MMIO region.  The cheaper writel_relaxed() does not provide
1945      this guarantee and must not be used here.
1946
1947      See the subsection "Kernel I/O barrier effects" for more information on
1948      relaxed I/O accessors and the Documentation/core-api/dma-api.rst file for
1949      more information on consistent memory.
1950
1951  (*) pmem_wmb();
1952
1953      This is for use with persistent memory to ensure that stores for which
1954      modifications are written to persistent storage reached a platform
1955      durability domain.
1956
1957      For example, after a non-temporal write to pmem region, we use pmem_wmb()
1958      to ensure that stores have reached a platform durability domain. This ensures
1959      that stores have updated persistent storage before any data access or
1960      data transfer caused by subsequent instructions is initiated. This is
1961      in addition to the ordering done by wmb().
1962
1963      For load from persistent memory, existing read memory barriers are sufficient
1964      to ensure read ordering.
1965
1966  (*) io_stop_wc();
1967
1968      For memory accesses with write-combining attributes (e.g. those returned
1969      by ioremap_wc(), the CPU may wait for prior accesses to be merged with
1970      subsequent ones. io_stop_wc() can be used to prevent the merging of
1971      write-combining memory accesses before this macro with those after it when
1972      such wait has performance implications.
1973
1974 ===============================
1975 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1976 ===============================
1977
1978 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1979 which are locking and scheduling functions.
1980
1981 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1982 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1983 of arch specific code.
1984
1985
1986 LOCK ACQUISITION FUNCTIONS
1987 --------------------------
1988
1989 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1990
1991  (*) spin locks
1992  (*) R/W spin locks
1993  (*) mutexes
1994  (*) semaphores
1995  (*) R/W semaphores
1996
1997 In all cases there are variants on "ACQUIRE" operations and "RELEASE" operations
1998 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1999
2000  (1) ACQUIRE operation implication:
2001
2002      Memory operations issued after the ACQUIRE will be completed after the
2003      ACQUIRE operation has completed.
2004
2005      Memory operations issued before the ACQUIRE may be completed after
2006      the ACQUIRE operation has completed.
2007
2008  (2) RELEASE operation implication:
2009
2010      Memory operations issued before the RELEASE will be completed before the
2011      RELEASE operation has completed.
2012
2013      Memory operations issued after the RELEASE may be completed before the
2014      RELEASE operation has completed.
2015
2016  (3) ACQUIRE vs ACQUIRE implication:
2017
2018      All ACQUIRE operations issued before another ACQUIRE operation will be
2019      completed before that ACQUIRE operation.
2020
2021  (4) ACQUIRE vs RELEASE implication:
2022
2023      All ACQUIRE operations issued before a RELEASE operation will be
2024      completed before the RELEASE operation.
2025
2026  (5) Failed conditional ACQUIRE implication:
2027
2028      Certain locking variants of the ACQUIRE operation may fail, either due to
2029      being unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
2030      signal while asleep waiting for the lock to become available.  Failed
2031      locks do not imply any sort of barrier.
2032
2033 [!] Note: one of the consequences of lock ACQUIREs and RELEASEs being only
2034 one-way barriers is that the effects of instructions outside of a critical
2035 section may seep into the inside of the critical section.
2036
2037 An ACQUIRE followed by a RELEASE may not be assumed to be full memory barrier
2038 because it is possible for an access preceding the ACQUIRE to happen after the
2039 ACQUIRE, and an access following the RELEASE to happen before the RELEASE, and
2040 the two accesses can themselves then cross:
2041
2042         *A = a;
2043         ACQUIRE M
2044         RELEASE M
2045         *B = b;
2046
2047 may occur as:
2048
2049         ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
2050
2051 When the ACQUIRE and RELEASE are a lock acquisition and release,
2052 respectively, this same reordering can occur if the lock's ACQUIRE and
2053 RELEASE are to the same lock variable, but only from the perspective of
2054 another CPU not holding that lock.  In short, a ACQUIRE followed by an
2055 RELEASE may -not- be assumed to be a full memory barrier.
2056
2057 Similarly, the reverse case of a RELEASE followed by an ACQUIRE does
2058 not imply a full memory barrier.  Therefore, the CPU's execution of the
2059 critical sections corresponding to the RELEASE and the ACQUIRE can cross,
2060 so that:
2061
2062         *A = a;
2063         RELEASE M
2064         ACQUIRE N
2065         *B = b;
2066
2067 could occur as:
2068
2069         ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
2070
2071 It might appear that this reordering could introduce a deadlock.
2072 However, this cannot happen because if such a deadlock threatened,
2073 the RELEASE would simply complete, thereby avoiding the deadlock.
2074
2075         Why does this work?
2076
2077         One key point is that we are only talking about the CPU doing
2078         the reordering, not the compiler.  If the compiler (or, for
2079         that matter, the developer) switched the operations, deadlock
2080         -could- occur.
2081
2082         But suppose the CPU reordered the operations.  In this case,
2083         the unlock precedes the lock in the assembly code.  The CPU
2084         simply elected to try executing the later lock operation first.
2085         If there is a deadlock, this lock operation will simply spin (or
2086         try to sleep, but more on that later).  The CPU will eventually
2087         execute the unlock operation (which preceded the lock operation
2088         in the assembly code), which will unravel the potential deadlock,
2089         allowing the lock operation to succeed.
2090
2091         But what if the lock is a sleeplock?  In that case, the code will
2092         try to enter the scheduler, where it will eventually encounter
2093         a memory barrier, which will force the earlier unlock operation
2094         to complete, again unraveling the deadlock.  There might be
2095         a sleep-unlock race, but the locking primitive needs to resolve
2096         such races properly in any case.
2097
2098 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
2099 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
2100 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
2101 with interrupt disabling operations.
2102
2103 See also the section on "Inter-CPU acquiring barrier effects".
2104
2105
2106 As an example, consider the following:
2107
2108         *A = a;
2109         *B = b;
2110         ACQUIRE
2111         *C = c;
2112         *D = d;
2113         RELEASE
2114         *E = e;
2115         *F = f;
2116
2117 The following sequence of events is acceptable:
2118
2119         ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
2120
2121         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
2122
2123 But none of the following are:
2124
2125         {*F,*A}, *B,    ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, *E
2126         *A, *B, *C,     ACQUIRE, *D,            RELEASE, *E, *F
2127         *A, *B,         ACQUIRE, *C,            RELEASE, *D, *E, *F
2128         *B,             ACQUIRE, *C, *D,        RELEASE, {*F,*A}, *E
2129
2130
2131
2132 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
2133 -----------------------------
2134
2135 Functions that disable interrupts (ACQUIRE equivalent) and enable interrupts
2136 (RELEASE equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
2137 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
2138 other means.
2139
2140
2141 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
2142 ---------------------------
2143
2144 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
2145 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
2146 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
2147 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
2148 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
2149 barriers.
2150
2151 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
2152
2153         for (;;) {
2154                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
2155                 if (event_indicated)
2156                         break;
2157                 schedule();
2158         }
2159
2160 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
2161 after it has altered the task state:
2162
2163         CPU 1
2164         ===============================
2165         set_current_state();
2166           smp_store_mb();
2167             STORE current->state
2168             <general barrier>
2169         LOAD event_indicated
2170
2171 set_current_state() may be wrapped by:
2172
2173         prepare_to_wait();
2174         prepare_to_wait_exclusive();
2175
2176 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
2177 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
2178 interpolate the memory barrier in the right place:
2179
2180         wait_event();
2181         wait_event_interruptible();
2182         wait_event_interruptible_exclusive();
2183         wait_event_interruptible_timeout();
2184         wait_event_killable();
2185         wait_event_timeout();
2186         wait_on_bit();
2187         wait_on_bit_lock();
2188
2189
2190 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
2191
2192         event_indicated = 1;
2193         wake_up(&event_wait_queue);
2194
2195 or:
2196
2197         event_indicated = 1;
2198         wake_up_process(event_daemon);
2199
2200 A general memory barrier is executed by wake_up() if it wakes something up.
2201 If it doesn't wake anything up then a memory barrier may or may not be
2202 executed; you must not rely on it.  The barrier occurs before the task state
2203 is accessed, in particular, it sits between the STORE to indicate the event
2204 and the STORE to set TASK_RUNNING:
2205
2206         CPU 1 (Sleeper)                 CPU 2 (Waker)
2207         =============================== ===============================
2208         set_current_state();            STORE event_indicated
2209           smp_store_mb();               wake_up();
2210             STORE current->state          ...
2211             <general barrier>             <general barrier>
2212         LOAD event_indicated              if ((LOAD task->state) & TASK_NORMAL)
2213                                             STORE task->state
2214
2215 where "task" is the thread being woken up and it equals CPU 1's "current".
2216
2217 To repeat, a general memory barrier is guaranteed to be executed by wake_up()
2218 if something is actually awakened, but otherwise there is no such guarantee.
2219 To see this, consider the following sequence of events, where X and Y are both
2220 initially zero:
2221
2222         CPU 1                           CPU 2
2223         =============================== ===============================
2224         X = 1;                          Y = 1;
2225         smp_mb();                       wake_up();
2226         LOAD Y                          LOAD X
2227
2228 If a wakeup does occur, one (at least) of the two loads must see 1.  If, on
2229 the other hand, a wakeup does not occur, both loads might see 0.
2230
2231 wake_up_process() always executes a general memory barrier.  The barrier again
2232 occurs before the task state is accessed.  In particular, if the wake_up() in
2233 the previous snippet were replaced by a call to wake_up_process() then one of
2234 the two loads would be guaranteed to see 1.
2235
2236 The available waker functions include:
2237
2238         complete();
2239         wake_up();
2240         wake_up_all();
2241         wake_up_bit();
2242         wake_up_interruptible();
2243         wake_up_interruptible_all();
2244         wake_up_interruptible_nr();
2245         wake_up_interruptible_poll();
2246         wake_up_interruptible_sync();
2247         wake_up_interruptible_sync_poll();
2248         wake_up_locked();
2249         wake_up_locked_poll();
2250         wake_up_nr();
2251         wake_up_poll();
2252         wake_up_process();
2253
2254 In terms of memory ordering, these functions all provide the same guarantees of
2255 a wake_up() (or stronger).
2256
2257 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
2258 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
2259 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
2260 sleeper does:
2261
2262         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2263         if (event_indicated)
2264                 break;
2265         __set_current_state(TASK_RUNNING);
2266         do_something(my_data);
2267
2268 and the waker does:
2269
2270         my_data = value;
2271         event_indicated = 1;
2272         wake_up(&event_wait_queue);
2273
2274 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
2275 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
2276 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
2277 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
2278
2279         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2280         if (event_indicated) {
2281                 smp_rmb();
2282                 do_something(my_data);
2283         }
2284
2285 and the waker should do:
2286
2287         my_data = value;
2288         smp_wmb();
2289         event_indicated = 1;
2290         wake_up(&event_wait_queue);
2291
2292
2293 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
2294 -----------------------
2295
2296 Other functions that imply barriers:
2297
2298  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
2299
2300
2301 ===================================
2302 INTER-CPU ACQUIRING BARRIER EFFECTS
2303 ===================================
2304
2305 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
2306 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
2307 conflict on any particular lock.
2308
2309
2310 ACQUIRES VS MEMORY ACCESSES
2311 ---------------------------
2312
2313 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
2314 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
2315
2316         CPU 1                           CPU 2
2317         =============================== ===============================
2318         WRITE_ONCE(*A, a);              WRITE_ONCE(*E, e);
2319         ACQUIRE M                       ACQUIRE Q
2320         WRITE_ONCE(*B, b);              WRITE_ONCE(*F, f);
2321         WRITE_ONCE(*C, c);              WRITE_ONCE(*G, g);
2322         RELEASE M                       RELEASE Q
2323         WRITE_ONCE(*D, d);              WRITE_ONCE(*H, h);
2324
2325 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
2326 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
2327 on the separate CPUs.  It might, for example, see:
2328
2329         *E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2330
2331 But it won't see any of:
2332
2333         *B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2334         *A, *B or *C following RELEASE M
2335         *F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2336         *E, *F or *G following RELEASE Q
2337
2338
2339 =================================
2340 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2341 =================================
2342
2343 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2344 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2345 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2346 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2347
2348  (*) Interprocessor interaction.
2349
2350  (*) Atomic operations.
2351
2352  (*) Accessing devices.
2353
2354  (*) Interrupts.
2355
2356
2357 INTERPROCESSOR INTERACTION
2358 --------------------------
2359
2360 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2361 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2362 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2363 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2364 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2365 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2366 a malfunction.
2367
2368 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2369 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2370 the semaphore's list of waiting processes:
2371
2372         struct rw_semaphore {
2373                 ...
2374                 spinlock_t lock;
2375                 struct list_head waiters;
2376         };
2377
2378         struct rwsem_waiter {
2379                 struct list_head list;
2380                 struct task_struct *task;
2381         };
2382
2383 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2384
2385  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2386      next waiter record is;
2387
2388  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2389
2390  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2391
2392  (4) call wake_up_process() on the task; and
2393
2394  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2395
2396 In other words, it has to perform this sequence of events:
2397
2398         LOAD waiter->list.next;
2399         LOAD waiter->task;
2400         STORE waiter->task;
2401         CALL wakeup
2402         RELEASE task
2403
2404 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2405 malfunction.
2406
2407 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2408 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2409 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2410 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2411 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2412 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2413
2414 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2415
2416         CPU 1                           CPU 2
2417         =============================== ===============================
2418                                         down_xxx()
2419                                         Queue waiter
2420                                         Sleep
2421         up_yyy()
2422         LOAD waiter->task;
2423         STORE waiter->task;
2424                                         Woken up by other event
2425         <preempt>
2426                                         Resume processing
2427                                         down_xxx() returns
2428                                         call foo()
2429                                         foo() clobbers *waiter
2430         </preempt>
2431         LOAD waiter->list.next;
2432         --- OOPS ---
2433
2434 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2435 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2436
2437 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2438
2439         LOAD waiter->list.next;
2440         LOAD waiter->task;
2441         smp_mb();
2442         STORE waiter->task;
2443         CALL wakeup
2444         RELEASE task
2445
2446 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2447 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2448 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2449 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2450 instruction itself is complete.
2451
2452 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2453 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2454 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2455 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2456
2457
2458 ATOMIC OPERATIONS
2459 -----------------
2460
2461 While they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2462 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2463 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2464 kernel.
2465
2466 See Documentation/atomic_t.txt for more information.
2467
2468
2469 ACCESSING DEVICES
2470 -----------------
2471
2472 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2473 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2474 make the right memory accesses in exactly the right order.
2475
2476 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2477 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2478 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2479 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2480 the device to malfunction.
2481
2482 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2483 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2484 appropriately sequential.  While this, for the most part, renders the explicit
2485 use of memory barriers unnecessary, if the accessor functions are used to refer
2486 to an I/O memory window with relaxed memory access properties, then _mandatory_
2487 memory barriers are required to enforce ordering.
2488
2489 See Documentation/driver-api/device-io.rst for more information.
2490
2491
2492 INTERRUPTS
2493 ----------
2494
2495 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2496 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2497 access the device.
2498
2499 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2500 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2501 the interrupt-disabled section in the driver.  While the driver's interrupt
2502 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2503 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2504 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2505
2506 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2507 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2508 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2509
2510         LOCAL IRQ DISABLE
2511         writew(ADDR, 3);
2512         writew(DATA, y);
2513         LOCAL IRQ ENABLE
2514         <interrupt>
2515         writew(ADDR, 4);
2516         q = readw(DATA);
2517         </interrupt>
2518
2519 The store to the data register might happen after the second store to the
2520 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2521
2522         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2523
2524
2525 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2526 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2527 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2528 explicit barriers are used.
2529
2530 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2531 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2532 registers that form implicit I/O barriers.
2533
2534
2535 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2536 running on separate CPUs that communicate with each other.  If such a case is
2537 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2538
2539
2540 ==========================
2541 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2542 ==========================
2543
2544 Interfacing with peripherals via I/O accesses is deeply architecture and device
2545 specific. Therefore, drivers which are inherently non-portable may rely on
2546 specific behaviours of their target systems in order to achieve synchronization
2547 in the most lightweight manner possible. For drivers intending to be portable
2548 between multiple architectures and bus implementations, the kernel offers a
2549 series of accessor functions that provide various degrees of ordering
2550 guarantees:
2551
2552  (*) readX(), writeX():
2553
2554         The readX() and writeX() MMIO accessors take a pointer to the
2555         peripheral being accessed as an __iomem * parameter. For pointers
2556         mapped with the default I/O attributes (e.g. those returned by
2557         ioremap()), the ordering guarantees are as follows:
2558
2559         1. All readX() and writeX() accesses to the same peripheral are ordered
2560            with respect to each other. This ensures that MMIO register accesses
2561            by the same CPU thread to a particular device will arrive in program
2562            order.
2563
2564         2. A writeX() issued by a CPU thread holding a spinlock is ordered
2565            before a writeX() to the same peripheral from another CPU thread
2566            issued after a later acquisition of the same spinlock. This ensures
2567            that MMIO register writes to a particular device issued while holding
2568            a spinlock will arrive in an order consistent with acquisitions of
2569            the lock.
2570
2571         3. A writeX() by a CPU thread to the peripheral will first wait for the
2572            completion of all prior writes to memory either issued by, or
2573            propagated to, the same thread. This ensures that writes by the CPU
2574            to an outbound DMA buffer allocated by dma_alloc_coherent() will be
2575            visible to a DMA engine when the CPU writes to its MMIO control
2576            register to trigger the transfer.
2577
2578         4. A readX() by a CPU thread from the peripheral will complete before
2579            any subsequent reads from memory by the same thread can begin. This
2580            ensures that reads by the CPU from an incoming DMA buffer allocated
2581            by dma_alloc_coherent() will not see stale data after reading from
2582            the DMA engine's MMIO status register to establish that the DMA
2583            transfer has completed.
2584
2585         5. A readX() by a CPU thread from the peripheral will complete before
2586            any subsequent delay() loop can begin execution on the same thread.
2587            This ensures that two MMIO register writes by the CPU to a peripheral
2588            will arrive at least 1us apart if the first write is immediately read
2589            back with readX() and udelay(1) is called prior to the second
2590            writeX():
2591
2592                 writel(42, DEVICE_REGISTER_0); // Arrives at the device...
2593                 readl(DEVICE_REGISTER_0);
2594                 udelay(1);
2595                 writel(42, DEVICE_REGISTER_1); // ...at least 1us before this.
2596
2597         The ordering properties of __iomem pointers obtained with non-default
2598         attributes (e.g. those returned by ioremap_wc()) are specific to the
2599         underlying architecture and therefore the guarantees listed above cannot
2600         generally be relied upon for accesses to these types of mappings.
2601
2602  (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed():
2603
2604         These are similar to readX() and writeX(), but provide weaker memory
2605         ordering guarantees. Specifically, they do not guarantee ordering with
2606         respect to locking, normal memory accesses or delay() loops (i.e.
2607         bullets 2-5 above) but they are still guaranteed to be ordered with
2608         respect to other accesses from the same CPU thread to the same
2609         peripheral when operating on __iomem pointers mapped with the default
2610         I/O attributes.
2611
2612  (*) readsX(), writesX():
2613
2614         The readsX() and writesX() MMIO accessors are designed for accessing
2615         register-based, memory-mapped FIFOs residing on peripherals that are not
2616         capable of performing DMA. Consequently, they provide only the ordering
2617         guarantees of readX_relaxed() and writeX_relaxed(), as documented above.
2618
2619  (*) inX(), outX():
2620
2621         The inX() and outX() accessors are intended to access legacy port-mapped
2622         I/O peripherals, which may require special instructions on some
2623         architectures (notably x86). The port number of the peripheral being
2624         accessed is passed as an argument.
2625
2626         Since many CPU architectures ultimately access these peripherals via an
2627         internal virtual memory mapping, the portable ordering guarantees
2628         provided by inX() and outX() are the same as those provided by readX()
2629         and writeX() respectively when accessing a mapping with the default I/O
2630         attributes.
2631
2632         Device drivers may expect outX() to emit a non-posted write transaction
2633         that waits for a completion response from the I/O peripheral before
2634         returning. This is not guaranteed by all architectures and is therefore
2635         not part of the portable ordering semantics.
2636
2637  (*) insX(), outsX():
2638
2639         As above, the insX() and outsX() accessors provide the same ordering
2640         guarantees as readsX() and writesX() respectively when accessing a
2641         mapping with the default I/O attributes.
2642
2643  (*) ioreadX(), iowriteX():
2644
2645         These will perform appropriately for the type of access they're actually
2646         doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2647
2648 With the exception of the string accessors (insX(), outsX(), readsX() and
2649 writesX()), all of the above assume that the underlying peripheral is
2650 little-endian and will therefore perform byte-swapping operations on big-endian
2651 architectures.
2652
2653
2654 ========================================
2655 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2656 ========================================
2657
2658 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2659 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2660 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2661 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2662 of arch-specific code.
2663
2664 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2665 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2666 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2667 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2668 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2669 causality is maintained.
2670
2671  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2672      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2673      instructions may depend on different effects.
2674
2675 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2676 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2677 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2678
2679
2680 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2681 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2682 maintained.
2683
2684
2685 ============================
2686 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2687 ============================
2688
2689 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2690 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2691 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2692
2693 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2694 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2695 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2696 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2697
2698             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2699                                   :
2700         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2701         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2702         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2703         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2704         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2705         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2706         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2707                                   :                 | Cache     |    +--------+
2708                                   :                 | Coherency |
2709                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2710         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2711         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2712         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2713         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2714         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2715         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2716         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2717                                   :
2718                                   :
2719
2720 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2721 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2722 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2723 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2724 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2725
2726 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2727 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2728 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2729 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2730 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2731 to complete.
2732
2733 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2734 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2735 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2736 in the system.
2737
2738 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2739 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2740
2741 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2742 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2743 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2744
2745
2746 CACHE COHERENCY VS DMA
2747 ----------------------
2748
2749 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2750 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2751 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2752 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2753 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2754 invalidate them as well).
2755
2756 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2757 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2758 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2759 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2760 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2761 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2762 cache on each CPU.
2763
2764 See Documentation/core-api/cachetlb.rst for more information on cache
2765 management.
2766
2767
2768 CACHE COHERENCY VS MMIO
2769 -----------------------
2770
2771 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2772 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2773 the usual RAM directed window.
2774
2775 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2776 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2777 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2778 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2779 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2780 any way dependent.
2781
2782
2783 =========================
2784 THE THINGS CPUS GET UP TO
2785 =========================
2786
2787 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2788 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2789 given the following piece of code to execute:
2790
2791         a = READ_ONCE(*A);
2792         WRITE_ONCE(*B, b);
2793         c = READ_ONCE(*C);
2794         d = READ_ONCE(*D);
2795         WRITE_ONCE(*E, e);
2796
2797 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2798 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2799 operations as seen by external observers in the system:
2800
2801         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2802
2803
2804 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2805 assumption doesn't hold because:
2806
2807  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2808      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2809      problem;
2810
2811  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2812      to have been unnecessary;
2813
2814  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2815      at the wrong time in the expected sequence of events;
2816
2817  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2818      of the CPU buses and caches;
2819
2820  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2821      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2822      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2823      both be able to do this); and
2824
2825  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and while cache-coherency
2826      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2827      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2828      order to other CPUs.
2829
2830 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2831 is:
2832
2833         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2834
2835         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2836
2837
2838 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2839 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2840 barrier.  For instance with the following code:
2841
2842         U = READ_ONCE(*A);
2843         WRITE_ONCE(*A, V);
2844         WRITE_ONCE(*A, W);
2845         X = READ_ONCE(*A);
2846         WRITE_ONCE(*A, Y);
2847         Z = READ_ONCE(*A);
2848
2849 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2850 the final result will appear to be:
2851
2852         U == the original value of *A
2853         X == W
2854         Z == Y
2855         *A == Y
2856
2857 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2858 accesses:
2859
2860         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2861
2862 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2863 combination of elements combined or discarded, provided the program's view
2864 of the world remains consistent.  Note that READ_ONCE() and WRITE_ONCE()
2865 are -not- optional in the above example, as there are architectures
2866 where a given CPU might reorder successive loads to the same location.
2867 On such architectures, READ_ONCE() and WRITE_ONCE() do whatever is
2868 necessary to prevent this, for example, on Itanium the volatile casts
2869 used by READ_ONCE() and WRITE_ONCE() cause GCC to emit the special ld.acq
2870 and st.rel instructions (respectively) that prevent such reordering.
2871
2872 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2873 the CPU even sees them.
2874
2875 For instance:
2876
2877         *A = V;
2878         *A = W;
2879
2880 may be reduced to:
2881
2882         *A = W;
2883
2884 since, without either a write barrier or an WRITE_ONCE(), it can be
2885 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
2886
2887         *A = Y;
2888         Z = *A;
2889
2890 may, without a memory barrier or an READ_ONCE() and WRITE_ONCE(), be
2891 reduced to:
2892
2893         *A = Y;
2894         Z = Y;
2895
2896 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2897
2898
2899 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2900 --------------------------
2901
2902 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2903 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2904 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2905 the address-dependency barrier really becomes necessary as this synchronises
2906 both caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2907 changes vs new data occur in the right order.
2908
2909 The Alpha defines the Linux kernel's memory model, although as of v4.15
2910 the Linux kernel's addition of smp_mb() to READ_ONCE() on Alpha greatly
2911 reduced its impact on the memory model.
2912
2913
2914 VIRTUAL MACHINE GUESTS
2915 ----------------------
2916
2917 Guests running within virtual machines might be affected by SMP effects even if
2918 the guest itself is compiled without SMP support.  This is an artifact of
2919 interfacing with an SMP host while running an UP kernel.  Using mandatory
2920 barriers for this use-case would be possible but is often suboptimal.
2921
2922 To handle this case optimally, low-level virt_mb() etc macros are available.
2923 These have the same effect as smp_mb() etc when SMP is enabled, but generate
2924 identical code for SMP and non-SMP systems.  For example, virtual machine guests
2925 should use virt_mb() rather than smp_mb() when synchronizing against a
2926 (possibly SMP) host.
2927
2928 These are equivalent to smp_mb() etc counterparts in all other respects,
2929 in particular, they do not control MMIO effects: to control
2930 MMIO effects, use mandatory barriers.
2931
2932
2933 ============
2934 EXAMPLE USES
2935 ============
2936
2937 CIRCULAR BUFFERS
2938 ----------------
2939
2940 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2941 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2942
2943         Documentation/core-api/circular-buffers.rst
2944
2945 for details.
2946
2947
2948 ==========
2949 REFERENCES
2950 ==========
2951
2952 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2953 Digital Press)
2954         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
2955         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
2956         Chapter 5.5: Data Sharing
2957         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
2958
2959 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
2960         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
2961         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
2962
2963 ARM Architecture Reference Manual (ARMv8, for ARMv8-A architecture profile)
2964         Chapter B2: The AArch64 Application Level Memory Model
2965
2966 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
2967 System Programming Guide
2968         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
2969         Chapter 7.2: Memory Ordering
2970         Chapter 7.4: Serializing Instructions
2971
2972 The SPARC Architecture Manual, Version 9
2973         Chapter 8: Memory Models
2974         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
2975         Appendix J: Programming with the Memory Models
2976
2977 Storage in the PowerPC (Stone and Fitzgerald)
2978
2979 UltraSPARC Programmer Reference Manual
2980         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
2981         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
2982
2983 UltraSPARC III Cu User's Manual
2984         Chapter 9: Memory Models
2985
2986 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
2987         Chapter 8: Memory Models
2988
2989 UltraSPARC Architecture 2005
2990         Chapter 9: Memory
2991         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
2992
2993 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
2994         Chapter 8: Memory Models
2995         Appendix F: Caches and Cache Coherency
2996
2997 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
2998         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
2999                         Synchronization
3000
3001 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
3002 for Kernel Programmers:
3003         Chapter 13: Other Memory Models
3004
3005 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
3006         Section 2.6: Speculation
3007         Section 4.4: Memory Access