Documentation/pi-futex.txt

   1 ======================
   2 Lightweight PI-futexes
   3 ======================
   4
   5 We are calling them lightweight for 3 reasons:
   6
   7  - in the user-space fastpath a PI-enabled futex involves no kernel work
   8    (or any other PI complexity) at all. No registration, no extra kernel
   9    calls - just pure fast atomic ops in userspace.
  10
  11  - even in the slowpath, the system call and scheduling pattern is very
  12    similar to normal futexes.
  13
  14  - the in-kernel PI implementation is streamlined around the mutex
  15    abstraction, with strict rules that keep the implementation
  16    relatively simple: only a single owner may own a lock (i.e. no
  17    read-write lock support), only the owner may unlock a lock, no
  18    recursive locking, etc.
  19
  20 Priority Inheritance - why?
  21 ---------------------------
  22
  23 The short reply: user-space PI helps achieving/improving determinism for
  24 user-space applications. In the best-case, it can help achieve
  25 determinism and well-bound latencies. Even in the worst-case, PI will
  26 improve the statistical distribution of locking related application
  27 delays.
  28
  29 The longer reply
  30 ----------------
  31
  32 Firstly, sharing locks between multiple tasks is a common programming
  33 technique that often cannot be replaced with lockless algorithms. As we
  34 can see it in the kernel [which is a quite complex program in itself],
  35 lockless structures are rather the exception than the norm - the current
  36 ratio of lockless vs. locky code for shared data structures is somewhere
  37 between 1:10 and 1:100. Lockless is hard, and the complexity of lockless
  38 algorithms often endangers to ability to do robust reviews of said code.
  39 I.e. critical RT apps often choose lock structures to protect critical
  40 data structures, instead of lockless algorithms. Furthermore, there are
  41 cases (like shared hardware, or other resource limits) where lockless
  42 access is mathematically impossible.
  43
  44 Media players (such as Jack) are an example of reasonable application
  45 design with multiple tasks (with multiple priority levels) sharing
  46 short-held locks: for example, a highprio audio playback thread is
  47 combined with medium-prio construct-audio-data threads and low-prio
  48 display-colory-stuff threads. Add video and decoding to the mix and
  49 we've got even more priority levels.
  50
  51 So once we accept that synchronization objects (locks) are an
  52 unavoidable fact of life, and once we accept that multi-task userspace
  53 apps have a very fair expectation of being able to use locks, we've got
  54 to think about how to offer the option of a deterministic locking
  55 implementation to user-space.
  56
  57 Most of the technical counter-arguments against doing priority
  58 inheritance only apply to kernel-space locks. But user-space locks are
  59 different, there we cannot disable interrupts or make the task
  60 non-preemptible in a critical section, so the 'use spinlocks' argument
  61 does not apply (user-space spinlocks have the same priority inversion
  62 problems as other user-space locking constructs). Fact is, pretty much
  63 the only technique that currently enables good determinism for userspace
  64 locks (such as futex-based pthread mutexes) is priority inheritance:
  65
  66 Currently (without PI), if a high-prio and a low-prio task shares a lock
  67 [this is a quite common scenario for most non-trivial RT applications],
  68 even if all critical sections are coded carefully to be deterministic
  69 (i.e. all critical sections are short in duration and only execute a
  70 limited number of instructions), the kernel cannot guarantee any
  71 deterministic execution of the high-prio task: any medium-priority task
  72 could preempt the low-prio task while it holds the shared lock and
  73 executes the critical section, and could delay it indefinitely.
  74
  75 Implementation
  76 --------------
  77
  78 As mentioned before, the userspace fastpath of PI-enabled pthread
  79 mutexes involves no kernel work at all - they behave quite similarly to
  80 normal futex-based locks: a 0 value means unlocked, and a value==TID
  81 means locked. (This is the same method as used by list-based robust
  82 futexes.) Userspace uses atomic ops to lock/unlock these mutexes without
  83 entering the kernel.
  84
  85 To handle the slowpath, we have added two new futex ops:
  86
  87   - FUTEX_LOCK_PI
  88   - FUTEX_UNLOCK_PI
  89
  90 If the lock-acquire fastpath fails, [i.e. an atomic transition from 0 to
  91 TID fails], then FUTEX_LOCK_PI is called. The kernel does all the
  92 remaining work: if there is no futex-queue attached to the futex address
  93 yet then the code looks up the task that owns the futex [it has put its
  94 own TID into the futex value], and attaches a 'PI state' structure to
  95 the futex-queue. The pi_state includes an rt-mutex, which is a PI-aware,
  96 kernel-based synchronization object. The 'other' task is made the owner
  97 of the rt-mutex, and the FUTEX_WAITERS bit is atomically set in the
  98 futex value. Then this task tries to lock the rt-mutex, on which it
  99 blocks. Once it returns, it has the mutex acquired, and it sets the
 100 futex value to its own TID and returns. Userspace has no other work to
 101 perform - it now owns the lock, and futex value contains
 102 FUTEX_WAITERS|TID.
 103
 104 If the unlock side fastpath succeeds, [i.e. userspace manages to do a
 105 TID -> 0 atomic transition of the futex value], then no kernel work is
 106 triggered.
 107
 108 If the unlock fastpath fails (because the FUTEX_WAITERS bit is set),
 109 then FUTEX_UNLOCK_PI is called, and the kernel unlocks the futex on the
 110 behalf of userspace - and it also unlocks the attached
 111 pi_state->rt_mutex and thus wakes up any potential waiters.
 112
 113 Note that under this approach, contrary to previous PI-futex approaches,
 114 there is no prior 'registration' of a PI-futex. [which is not quite
 115 possible anyway, due to existing ABI properties of pthread mutexes.]
 116
 117 Also, under this scheme, 'robustness' and 'PI' are two orthogonal
 118 properties of futexes, and all four combinations are possible: futex,
 119 robust-futex, PI-futex, robust+PI-futex.
 120
 121 More details about priority inheritance can be found in
 122 Documentation/locking/rt-mutex.rst.