Documentation/this_cpu_ops.txt

   1 ===================
   2 this_cpu operations
   3 ===================
   4
   5 :Author: Christoph Lameter, August 4th, 2014
   6 :Author: Pranith Kumar, Aug 2nd, 2014
   7
   8 this_cpu operations are a way of optimizing access to per cpu
   9 variables associated with the *currently* executing processor. This is
  10 done through the use of segment registers (or a dedicated register where
  11 the cpu permanently stored the beginning of the per cpu area for a
  12 specific processor).
  13
  14 this_cpu operations add a per cpu variable offset to the processor
  15 specific per cpu base and encode that operation in the instruction
  16 operating on the per cpu variable.
  17
  18 This means that there are no atomicity issues between the calculation of
  19 the offset and the operation on the data. Therefore it is not
  20 necessary to disable preemption or interrupts to ensure that the
  21 processor is not changed between the calculation of the address and
  22 the operation on the data.
  23
  24 Read-modify-write operations are of particular interest. Frequently
  25 processors have special lower latency instructions that can operate
  26 without the typical synchronization overhead, but still provide some
  27 sort of relaxed atomicity guarantees. The x86, for example, can execute
  28 RMW (Read Modify Write) instructions like inc/dec/cmpxchg without the
  29 lock prefix and the associated latency penalty.
  30
  31 Access to the variable without the lock prefix is not synchronized but
  32 synchronization is not necessary since we are dealing with per cpu
  33 data specific to the currently executing processor. Only the current
  34 processor should be accessing that variable and therefore there are no
  35 concurrency issues with other processors in the system.
  36
  37 Please note that accesses by remote processors to a per cpu area are
  38 exceptional situations and may impact performance and/or correctness
  39 (remote write operations) of local RMW operations via this_cpu_*.
  40
  41 The main use of the this_cpu operations has been to optimize counter
  42 operations.
  43
  44 The following this_cpu() operations with implied preemption protection
  45 are defined. These operations can be used without worrying about
  46 preemption and interrupts::
  47
  48         this_cpu_read(pcp)
  49         this_cpu_write(pcp, val)
  50         this_cpu_add(pcp, val)
  51         this_cpu_and(pcp, val)
  52         this_cpu_or(pcp, val)
  53         this_cpu_add_return(pcp, val)
  54         this_cpu_xchg(pcp, nval)
  55         this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
  56         this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
  57         this_cpu_sub(pcp, val)
  58         this_cpu_inc(pcp)
  59         this_cpu_dec(pcp)
  60         this_cpu_sub_return(pcp, val)
  61         this_cpu_inc_return(pcp)
  62         this_cpu_dec_return(pcp)
  63
  64
  65 Inner working of this_cpu operations
  66 ------------------------------------
  67
  68 On x86 the fs: or the gs: segment registers contain the base of the
  69 per cpu area. It is then possible to simply use the segment override
  70 to relocate a per cpu relative address to the proper per cpu area for
  71 the processor. So the relocation to the per cpu base is encoded in the
  72 instruction via a segment register prefix.
  73
  74 For example::
  75
  76         DEFINE_PER_CPU(int, x);
  77         int z;
  78
  79         z = this_cpu_read(x);
  80
  81 results in a single instruction::
  82
  83         mov ax, gs:[x]
  84
  85 instead of a sequence of calculation of the address and then a fetch
  86 from that address which occurs with the per cpu operations. Before
  87 this_cpu_ops such sequence also required preempt disable/enable to
  88 prevent the kernel from moving the thread to a different processor
  89 while the calculation is performed.
  90
  91 Consider the following this_cpu operation::
  92
  93         this_cpu_inc(x)
  94
  95 The above results in the following single instruction (no lock prefix!)::
  96
  97         inc gs:[x]
  98
  99 instead of the following operations required if there is no segment
 100 register::
 101
 102         int *y;
 103         int cpu;
 104
 105         cpu = get_cpu();
 106         y = per_cpu_ptr(&x, cpu);
 107         (*y)++;
 108         put_cpu();
 109
 110 Note that these operations can only be used on per cpu data that is
 111 reserved for a specific processor. Without disabling preemption in the
 112 surrounding code this_cpu_inc() will only guarantee that one of the
 113 per cpu counters is correctly incremented. However, there is no
 114 guarantee that the OS will not move the process directly before or
 115 after the this_cpu instruction is executed. In general this means that
 116 the value of the individual counters for each processor are
 117 meaningless. The sum of all the per cpu counters is the only value
 118 that is of interest.
 119
 120 Per cpu variables are used for performance reasons. Bouncing cache
 121 lines can be avoided if multiple processors concurrently go through
 122 the same code paths.  Since each processor has its own per cpu
 123 variables no concurrent cache line updates take place. The price that
 124 has to be paid for this optimization is the need to add up the per cpu
 125 counters when the value of a counter is needed.
 126
 127
 128 Special operations
 129 ------------------
 130
 131 ::
 132
 133         y = this_cpu_ptr(&x)
 134
 135 Takes the offset of a per cpu variable (&x !) and returns the address
 136 of the per cpu variable that belongs to the currently executing
 137 processor.  this_cpu_ptr avoids multiple steps that the common
 138 get_cpu/put_cpu sequence requires. No processor number is
 139 available. Instead, the offset of the local per cpu area is simply
 140 added to the per cpu offset.
 141
 142 Note that this operation is usually used in a code segment when
 143 preemption has been disabled. The pointer is then used to
 144 access local per cpu data in a critical section. When preemption
 145 is re-enabled this pointer is usually no longer useful since it may
 146 no longer point to per cpu data of the current processor.
 147
 148
 149 Per cpu variables and offsets
 150 -----------------------------
 151
 152 Per cpu variables have *offsets* to the beginning of the per cpu
 153 area. They do not have addresses although they look like that in the
 154 code. Offsets cannot be directly dereferenced. The offset must be
 155 added to a base pointer of a per cpu area of a processor in order to
 156 form a valid address.
 157
 158 Therefore the use of x or &x outside of the context of per cpu
 159 operations is invalid and will generally be treated like a NULL
 160 pointer dereference.
 161
 162 ::
 163
 164         DEFINE_PER_CPU(int, x);
 165
 166 In the context of per cpu operations the above implies that x is a per
 167 cpu variable. Most this_cpu operations take a cpu variable.
 168
 169 ::
 170
 171         int __percpu *p = &x;
 172
 173 &x and hence p is the *offset* of a per cpu variable. this_cpu_ptr()
 174 takes the offset of a per cpu variable which makes this look a bit
 175 strange.
 176
 177
 178 Operations on a field of a per cpu structure
 179 --------------------------------------------
 180
 181 Let's say we have a percpu structure::
 182
 183         struct s {
 184                 int n,m;
 185         };
 186
 187         DEFINE_PER_CPU(struct s, p);
 188
 189
 190 Operations on these fields are straightforward::
 191
 192         this_cpu_inc(p.m)
 193
 194         z = this_cpu_cmpxchg(p.m, 0, 1);
 195
 196
 197 If we have an offset to struct s::
 198
 199         struct s __percpu *ps = &p;
 200
 201         this_cpu_dec(ps->m);
 202
 203         z = this_cpu_inc_return(ps->n);
 204
 205
 206 The calculation of the pointer may require the use of this_cpu_ptr()
 207 if we do not make use of this_cpu ops later to manipulate fields::
 208
 209         struct s *pp;
 210
 211         pp = this_cpu_ptr(&p);
 212
 213         pp->m--;
 214
 215         z = pp->n++;
 216
 217
 218 Variants of this_cpu ops
 219 ------------------------
 220
 221 this_cpu ops are interrupt safe. Some architectures do not support
 222 these per cpu local operations. In that case the operation must be
 223 replaced by code that disables interrupts, then does the operations
 224 that are guaranteed to be atomic and then re-enable interrupts. Doing
 225 so is expensive. If there are other reasons why the scheduler cannot
 226 change the processor we are executing on then there is no reason to
 227 disable interrupts. For that purpose the following __this_cpu operations
 228 are provided.
 229
 230 These operations have no guarantee against concurrent interrupts or
 231 preemption. If a per cpu variable is not used in an interrupt context
 232 and the scheduler cannot preempt, then they are safe. If any interrupts
 233 still occur while an operation is in progress and if the interrupt too
 234 modifies the variable, then RMW actions can not be guaranteed to be
 235 safe::
 236
 237         __this_cpu_read(pcp)
 238         __this_cpu_write(pcp, val)
 239         __this_cpu_add(pcp, val)
 240         __this_cpu_and(pcp, val)
 241         __this_cpu_or(pcp, val)
 242         __this_cpu_add_return(pcp, val)
 243         __this_cpu_xchg(pcp, nval)
 244         __this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
 245         __this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
 246         __this_cpu_sub(pcp, val)
 247         __this_cpu_inc(pcp)
 248         __this_cpu_dec(pcp)
 249         __this_cpu_sub_return(pcp, val)
 250         __this_cpu_inc_return(pcp)
 251         __this_cpu_dec_return(pcp)
 252
 253
 254 Will increment x and will not fall-back to code that disables
 255 interrupts on platforms that cannot accomplish atomicity through
 256 address relocation and a Read-Modify-Write operation in the same
 257 instruction.
 258
 259
 260 &this_cpu_ptr(pp)->n vs this_cpu_ptr(&pp->n)
 261 --------------------------------------------
 262
 263 The first operation takes the offset and forms an address and then
 264 adds the offset of the n field. This may result in two add
 265 instructions emitted by the compiler.
 266
 267 The second one first adds the two offsets and then does the
 268 relocation.  IMHO the second form looks cleaner and has an easier time
 269 with (). The second form also is consistent with the way
 270 this_cpu_read() and friends are used.
 271
 272
 273 Remote access to per cpu data
 274 ------------------------------
 275
 276 Per cpu data structures are designed to be used by one cpu exclusively.
 277 If you use the variables as intended, this_cpu_ops() are guaranteed to
 278 be "atomic" as no other CPU has access to these data structures.
 279
 280 There are special cases where you might need to access per cpu data
 281 structures remotely. It is usually safe to do a remote read access
 282 and that is frequently done to summarize counters. Remote write access
 283 something which could be problematic because this_cpu ops do not
 284 have lock semantics. A remote write may interfere with a this_cpu
 285 RMW operation.
 286
 287 Remote write accesses to percpu data structures are highly discouraged
 288 unless absolutely necessary. Please consider using an IPI to wake up
 289 the remote CPU and perform the update to its per cpu area.
 290
 291 To access per-cpu data structure remotely, typically the per_cpu_ptr()
 292 function is used::
 293
 294
 295         DEFINE_PER_CPU(struct data, datap);
 296
 297         struct data *p = per_cpu_ptr(&datap, cpu);
 298
 299 This makes it explicit that we are getting ready to access a percpu
 300 area remotely.
 301
 302 You can also do the following to convert the datap offset to an address::
 303
 304         struct data *p = this_cpu_ptr(&datap);
 305
 306 but, passing of pointers calculated via this_cpu_ptr to other cpus is
 307 unusual and should be avoided.
 308
 309 Remote access are typically only for reading the status of another cpus
 310 per cpu data. Write accesses can cause unique problems due to the
 311 relaxed synchronization requirements for this_cpu operations.
 312
 313 One example that illustrates some concerns with write operations is
 314 the following scenario that occurs because two per cpu variables
 315 share a cache-line but the relaxed synchronization is applied to
 316 only one process updating the cache-line.
 317
 318 Consider the following example::
 319
 320
 321         struct test {
 322                 atomic_t a;
 323                 int b;
 324         };
 325
 326         DEFINE_PER_CPU(struct test, onecacheline);
 327
 328 There is some concern about what would happen if the field 'a' is updated
 329 remotely from one processor and the local processor would use this_cpu ops
 330 to update field b. Care should be taken that such simultaneous accesses to
 331 data within the same cache line are avoided. Also costly synchronization
 332 may be necessary. IPIs are generally recommended in such scenarios instead
 333 of a remote write to the per cpu area of another processor.
 334
 335 Even in cases where the remote writes are rare, please bear in
 336 mind that a remote write will evict the cache line from the processor
 337 that most likely will access it. If the processor wakes up and finds a
 338 missing local cache line of a per cpu area, its performance and hence
 339 the wake up times will be affected.