4fe8d8ad439642fc6d0d75a32b4bc3692302d90b
[platform/kernel/linux-starfive.git] / kernel / locking / rwsem-xadd.c
1 /* rwsem.c: R/W semaphores: contention handling functions
2  *
3  * Written by David Howells (dhowells@redhat.com).
4  * Derived from arch/i386/kernel/semaphore.c
5  *
6  * Writer lock-stealing by Alex Shi <alex.shi@intel.com>
7  * and Michel Lespinasse <walken@google.com>
8  *
9  * Optimistic spinning by Tim Chen <tim.c.chen@intel.com>
10  * and Davidlohr Bueso <davidlohr@hp.com>. Based on mutexes.
11  */
12 #include <linux/rwsem.h>
13 #include <linux/init.h>
14 #include <linux/export.h>
15 #include <linux/sched.h>
16 #include <linux/sched/rt.h>
17 #include <linux/sched/wake_q.h>
18 #include <linux/osq_lock.h>
19
20 #include "rwsem.h"
21
22 /*
23  * Guide to the rw_semaphore's count field for common values.
24  * (32-bit case illustrated, similar for 64-bit)
25  *
26  * 0x0000000X   (1) X readers active or attempting lock, no writer waiting
27  *                  X = #active_readers + #readers attempting to lock
28  *                  (X*ACTIVE_BIAS)
29  *
30  * 0x00000000   rwsem is unlocked, and no one is waiting for the lock or
31  *              attempting to read lock or write lock.
32  *
33  * 0xffff000X   (1) X readers active or attempting lock, with waiters for lock
34  *                  X = #active readers + # readers attempting lock
35  *                  (X*ACTIVE_BIAS + WAITING_BIAS)
36  *              (2) 1 writer attempting lock, no waiters for lock
37  *                  X-1 = #active readers + #readers attempting lock
38  *                  ((X-1)*ACTIVE_BIAS + ACTIVE_WRITE_BIAS)
39  *              (3) 1 writer active, no waiters for lock
40  *                  X-1 = #active readers + #readers attempting lock
41  *                  ((X-1)*ACTIVE_BIAS + ACTIVE_WRITE_BIAS)
42  *
43  * 0xffff0001   (1) 1 reader active or attempting lock, waiters for lock
44  *                  (WAITING_BIAS + ACTIVE_BIAS)
45  *              (2) 1 writer active or attempting lock, no waiters for lock
46  *                  (ACTIVE_WRITE_BIAS)
47  *
48  * 0xffff0000   (1) There are writers or readers queued but none active
49  *                  or in the process of attempting lock.
50  *                  (WAITING_BIAS)
51  *              Note: writer can attempt to steal lock for this count by adding
52  *              ACTIVE_WRITE_BIAS in cmpxchg and checking the old count
53  *
54  * 0xfffe0001   (1) 1 writer active, or attempting lock. Waiters on queue.
55  *                  (ACTIVE_WRITE_BIAS + WAITING_BIAS)
56  *
57  * Note: Readers attempt to lock by adding ACTIVE_BIAS in down_read and checking
58  *       the count becomes more than 0 for successful lock acquisition,
59  *       i.e. the case where there are only readers or nobody has lock.
60  *       (1st and 2nd case above).
61  *
62  *       Writers attempt to lock by adding ACTIVE_WRITE_BIAS in down_write and
63  *       checking the count becomes ACTIVE_WRITE_BIAS for successful lock
64  *       acquisition (i.e. nobody else has lock or attempts lock).  If
65  *       unsuccessful, in rwsem_down_write_failed, we'll check to see if there
66  *       are only waiters but none active (5th case above), and attempt to
67  *       steal the lock.
68  *
69  */
70
71 /*
72  * Initialize an rwsem:
73  */
74 void __init_rwsem(struct rw_semaphore *sem, const char *name,
75                   struct lock_class_key *key)
76 {
77 #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
78         /*
79          * Make sure we are not reinitializing a held semaphore:
80          */
81         debug_check_no_locks_freed((void *)sem, sizeof(*sem));
82         lockdep_init_map(&sem->dep_map, name, key, 0);
83 #endif
84         atomic_long_set(&sem->count, RWSEM_UNLOCKED_VALUE);
85         raw_spin_lock_init(&sem->wait_lock);
86         INIT_LIST_HEAD(&sem->wait_list);
87 #ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
88         sem->owner = NULL;
89         osq_lock_init(&sem->osq);
90 #endif
91 }
92
93 EXPORT_SYMBOL(__init_rwsem);
94
95 enum rwsem_waiter_type {
96         RWSEM_WAITING_FOR_WRITE,
97         RWSEM_WAITING_FOR_READ
98 };
99
100 struct rwsem_waiter {
101         struct list_head list;
102         struct task_struct *task;
103         enum rwsem_waiter_type type;
104 };
105
106 enum rwsem_wake_type {
107         RWSEM_WAKE_ANY,         /* Wake whatever's at head of wait list */
108         RWSEM_WAKE_READERS,     /* Wake readers only */
109         RWSEM_WAKE_READ_OWNED   /* Waker thread holds the read lock */
110 };
111
112 /*
113  * handle the lock release when processes blocked on it that can now run
114  * - if we come here from up_xxxx(), then:
115  *   - the 'active part' of count (&0x0000ffff) reached 0 (but may have changed)
116  *   - the 'waiting part' of count (&0xffff0000) is -ve (and will still be so)
117  * - there must be someone on the queue
118  * - the wait_lock must be held by the caller
119  * - tasks are marked for wakeup, the caller must later invoke wake_up_q()
120  *   to actually wakeup the blocked task(s) and drop the reference count,
121  *   preferably when the wait_lock is released
122  * - woken process blocks are discarded from the list after having task zeroed
123  * - writers are only marked woken if downgrading is false
124  */
125 static void __rwsem_mark_wake(struct rw_semaphore *sem,
126                               enum rwsem_wake_type wake_type,
127                               struct wake_q_head *wake_q)
128 {
129         struct rwsem_waiter *waiter, *tmp;
130         long oldcount, woken = 0, adjustment = 0;
131
132         /*
133          * Take a peek at the queue head waiter such that we can determine
134          * the wakeup(s) to perform.
135          */
136         waiter = list_first_entry(&sem->wait_list, struct rwsem_waiter, list);
137
138         if (waiter->type == RWSEM_WAITING_FOR_WRITE) {
139                 if (wake_type == RWSEM_WAKE_ANY) {
140                         /*
141                          * Mark writer at the front of the queue for wakeup.
142                          * Until the task is actually later awoken later by
143                          * the caller, other writers are able to steal it.
144                          * Readers, on the other hand, will block as they
145                          * will notice the queued writer.
146                          */
147                         wake_q_add(wake_q, waiter->task);
148                 }
149
150                 return;
151         }
152
153         /*
154          * Writers might steal the lock before we grant it to the next reader.
155          * We prefer to do the first reader grant before counting readers
156          * so we can bail out early if a writer stole the lock.
157          */
158         if (wake_type != RWSEM_WAKE_READ_OWNED) {
159                 adjustment = RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS;
160  try_reader_grant:
161                 oldcount = atomic_long_fetch_add(adjustment, &sem->count);
162                 if (unlikely(oldcount < RWSEM_WAITING_BIAS)) {
163                         /*
164                          * If the count is still less than RWSEM_WAITING_BIAS
165                          * after removing the adjustment, it is assumed that
166                          * a writer has stolen the lock. We have to undo our
167                          * reader grant.
168                          */
169                         if (atomic_long_add_return(-adjustment, &sem->count) <
170                             RWSEM_WAITING_BIAS)
171                                 return;
172
173                         /* Last active locker left. Retry waking readers. */
174                         goto try_reader_grant;
175                 }
176                 /*
177                  * It is not really necessary to set it to reader-owned here,
178                  * but it gives the spinners an early indication that the
179                  * readers now have the lock.
180                  */
181                 rwsem_set_reader_owned(sem);
182         }
183
184         /*
185          * Grant an infinite number of read locks to the readers at the front
186          * of the queue. We know that woken will be at least 1 as we accounted
187          * for above. Note we increment the 'active part' of the count by the
188          * number of readers before waking any processes up.
189          */
190         list_for_each_entry_safe(waiter, tmp, &sem->wait_list, list) {
191                 struct task_struct *tsk;
192
193                 if (waiter->type == RWSEM_WAITING_FOR_WRITE)
194                         break;
195
196                 woken++;
197                 tsk = waiter->task;
198
199                 wake_q_add(wake_q, tsk);
200                 list_del(&waiter->list);
201                 /*
202                  * Ensure that the last operation is setting the reader
203                  * waiter to nil such that rwsem_down_read_failed() cannot
204                  * race with do_exit() by always holding a reference count
205                  * to the task to wakeup.
206                  */
207                 smp_store_release(&waiter->task, NULL);
208         }
209
210         adjustment = woken * RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS - adjustment;
211         if (list_empty(&sem->wait_list)) {
212                 /* hit end of list above */
213                 adjustment -= RWSEM_WAITING_BIAS;
214         }
215
216         if (adjustment)
217                 atomic_long_add(adjustment, &sem->count);
218 }
219
220 /*
221  * Wait for the read lock to be granted
222  */
223 __visible
224 struct rw_semaphore __sched *rwsem_down_read_failed(struct rw_semaphore *sem)
225 {
226         long count, adjustment = -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS;
227         struct rwsem_waiter waiter;
228         DEFINE_WAKE_Q(wake_q);
229
230         waiter.task = current;
231         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_READ;
232
233         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
234         if (list_empty(&sem->wait_list))
235                 adjustment += RWSEM_WAITING_BIAS;
236         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
237
238         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
239         count = atomic_long_add_return(adjustment, &sem->count);
240
241         /*
242          * If there are no active locks, wake the front queued process(es).
243          *
244          * If there are no writers and we are first in the queue,
245          * wake our own waiter to join the existing active readers !
246          */
247         if (count == RWSEM_WAITING_BIAS ||
248             (count > RWSEM_WAITING_BIAS &&
249              adjustment != -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS))
250                 __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
251
252         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
253         wake_up_q(&wake_q);
254
255         /* wait to be given the lock */
256         while (true) {
257                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
258                 if (!waiter.task)
259                         break;
260                 schedule();
261         }
262
263         __set_current_state(TASK_RUNNING);
264         return sem;
265 }
266 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_read_failed);
267
268 /*
269  * This function must be called with the sem->wait_lock held to prevent
270  * race conditions between checking the rwsem wait list and setting the
271  * sem->count accordingly.
272  */
273 static inline bool rwsem_try_write_lock(long count, struct rw_semaphore *sem)
274 {
275         /*
276          * Avoid trying to acquire write lock if count isn't RWSEM_WAITING_BIAS.
277          */
278         if (count != RWSEM_WAITING_BIAS)
279                 return false;
280
281         /*
282          * Acquire the lock by trying to set it to ACTIVE_WRITE_BIAS. If there
283          * are other tasks on the wait list, we need to add on WAITING_BIAS.
284          */
285         count = list_is_singular(&sem->wait_list) ?
286                         RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS :
287                         RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS + RWSEM_WAITING_BIAS;
288
289         if (atomic_long_cmpxchg_acquire(&sem->count, RWSEM_WAITING_BIAS, count)
290                                                         == RWSEM_WAITING_BIAS) {
291                 rwsem_set_owner(sem);
292                 return true;
293         }
294
295         return false;
296 }
297
298 #ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
299 /*
300  * Try to acquire write lock before the writer has been put on wait queue.
301  */
302 static inline bool rwsem_try_write_lock_unqueued(struct rw_semaphore *sem)
303 {
304         long old, count = atomic_long_read(&sem->count);
305
306         while (true) {
307                 if (!(count == 0 || count == RWSEM_WAITING_BIAS))
308                         return false;
309
310                 old = atomic_long_cmpxchg_acquire(&sem->count, count,
311                                       count + RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS);
312                 if (old == count) {
313                         rwsem_set_owner(sem);
314                         return true;
315                 }
316
317                 count = old;
318         }
319 }
320
321 static inline bool rwsem_can_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem)
322 {
323         struct task_struct *owner;
324         bool ret = true;
325
326         if (need_resched())
327                 return false;
328
329         rcu_read_lock();
330         owner = READ_ONCE(sem->owner);
331         if (!rwsem_owner_is_writer(owner)) {
332                 /*
333                  * Don't spin if the rwsem is readers owned.
334                  */
335                 ret = !rwsem_owner_is_reader(owner);
336                 goto done;
337         }
338
339         /*
340          * As lock holder preemption issue, we both skip spinning if task is not
341          * on cpu or its cpu is preempted
342          */
343         ret = owner->on_cpu && !vcpu_is_preempted(task_cpu(owner));
344 done:
345         rcu_read_unlock();
346         return ret;
347 }
348
349 /*
350  * Return true only if we can still spin on the owner field of the rwsem.
351  */
352 static noinline bool rwsem_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem)
353 {
354         struct task_struct *owner = READ_ONCE(sem->owner);
355
356         if (!rwsem_owner_is_writer(owner))
357                 goto out;
358
359         rcu_read_lock();
360         while (sem->owner == owner) {
361                 /*
362                  * Ensure we emit the owner->on_cpu, dereference _after_
363                  * checking sem->owner still matches owner, if that fails,
364                  * owner might point to free()d memory, if it still matches,
365                  * the rcu_read_lock() ensures the memory stays valid.
366                  */
367                 barrier();
368
369                 /*
370                  * abort spinning when need_resched or owner is not running or
371                  * owner's cpu is preempted.
372                  */
373                 if (!owner->on_cpu || need_resched() ||
374                                 vcpu_is_preempted(task_cpu(owner))) {
375                         rcu_read_unlock();
376                         return false;
377                 }
378
379                 cpu_relax();
380         }
381         rcu_read_unlock();
382 out:
383         /*
384          * If there is a new owner or the owner is not set, we continue
385          * spinning.
386          */
387         return !rwsem_owner_is_reader(READ_ONCE(sem->owner));
388 }
389
390 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
391 {
392         bool taken = false;
393
394         preempt_disable();
395
396         /* sem->wait_lock should not be held when doing optimistic spinning */
397         if (!rwsem_can_spin_on_owner(sem))
398                 goto done;
399
400         if (!osq_lock(&sem->osq))
401                 goto done;
402
403         /*
404          * Optimistically spin on the owner field and attempt to acquire the
405          * lock whenever the owner changes. Spinning will be stopped when:
406          *  1) the owning writer isn't running; or
407          *  2) readers own the lock as we can't determine if they are
408          *     actively running or not.
409          */
410         while (rwsem_spin_on_owner(sem)) {
411                 /*
412                  * Try to acquire the lock
413                  */
414                 if (rwsem_try_write_lock_unqueued(sem)) {
415                         taken = true;
416                         break;
417                 }
418
419                 /*
420                  * When there's no owner, we might have preempted between the
421                  * owner acquiring the lock and setting the owner field. If
422                  * we're an RT task that will live-lock because we won't let
423                  * the owner complete.
424                  */
425                 if (!sem->owner && (need_resched() || rt_task(current)))
426                         break;
427
428                 /*
429                  * The cpu_relax() call is a compiler barrier which forces
430                  * everything in this loop to be re-loaded. We don't need
431                  * memory barriers as we'll eventually observe the right
432                  * values at the cost of a few extra spins.
433                  */
434                 cpu_relax();
435         }
436         osq_unlock(&sem->osq);
437 done:
438         preempt_enable();
439         return taken;
440 }
441
442 /*
443  * Return true if the rwsem has active spinner
444  */
445 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
446 {
447         return osq_is_locked(&sem->osq);
448 }
449
450 #else
451 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
452 {
453         return false;
454 }
455
456 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
457 {
458         return false;
459 }
460 #endif
461
462 /*
463  * Wait until we successfully acquire the write lock
464  */
465 static inline struct rw_semaphore *
466 __rwsem_down_write_failed_common(struct rw_semaphore *sem, int state)
467 {
468         long count;
469         bool waiting = true; /* any queued threads before us */
470         struct rwsem_waiter waiter;
471         struct rw_semaphore *ret = sem;
472         DEFINE_WAKE_Q(wake_q);
473
474         /* undo write bias from down_write operation, stop active locking */
475         count = atomic_long_sub_return(RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS, &sem->count);
476
477         /* do optimistic spinning and steal lock if possible */
478         if (rwsem_optimistic_spin(sem))
479                 return sem;
480
481         /*
482          * Optimistic spinning failed, proceed to the slowpath
483          * and block until we can acquire the sem.
484          */
485         waiter.task = current;
486         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_WRITE;
487
488         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
489
490         /* account for this before adding a new element to the list */
491         if (list_empty(&sem->wait_list))
492                 waiting = false;
493
494         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
495
496         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
497         if (waiting) {
498                 count = atomic_long_read(&sem->count);
499
500                 /*
501                  * If there were already threads queued before us and there are
502                  * no active writers, the lock must be read owned; so we try to
503                  * wake any read locks that were queued ahead of us.
504                  */
505                 if (count > RWSEM_WAITING_BIAS) {
506                         __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READERS, &wake_q);
507                         /*
508                          * The wakeup is normally called _after_ the wait_lock
509                          * is released, but given that we are proactively waking
510                          * readers we can deal with the wake_q overhead as it is
511                          * similar to releasing and taking the wait_lock again
512                          * for attempting rwsem_try_write_lock().
513                          */
514                         wake_up_q(&wake_q);
515
516                         /*
517                          * Reinitialize wake_q after use.
518                          */
519                         wake_q_init(&wake_q);
520                 }
521
522         } else
523                 count = atomic_long_add_return(RWSEM_WAITING_BIAS, &sem->count);
524
525         /* wait until we successfully acquire the lock */
526         set_current_state(state);
527         while (true) {
528                 if (rwsem_try_write_lock(count, sem))
529                         break;
530                 raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
531
532                 /* Block until there are no active lockers. */
533                 do {
534                         if (signal_pending_state(state, current))
535                                 goto out_nolock;
536
537                         schedule();
538                         set_current_state(state);
539                 } while ((count = atomic_long_read(&sem->count)) & RWSEM_ACTIVE_MASK);
540
541                 raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
542         }
543         __set_current_state(TASK_RUNNING);
544         list_del(&waiter.list);
545         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
546
547         return ret;
548
549 out_nolock:
550         __set_current_state(TASK_RUNNING);
551         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
552         list_del(&waiter.list);
553         if (list_empty(&sem->wait_list))
554                 atomic_long_add(-RWSEM_WAITING_BIAS, &sem->count);
555         else
556                 __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
557         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
558         wake_up_q(&wake_q);
559
560         return ERR_PTR(-EINTR);
561 }
562
563 __visible struct rw_semaphore * __sched
564 rwsem_down_write_failed(struct rw_semaphore *sem)
565 {
566         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
567 }
568 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed);
569
570 __visible struct rw_semaphore * __sched
571 rwsem_down_write_failed_killable(struct rw_semaphore *sem)
572 {
573         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_KILLABLE);
574 }
575 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed_killable);
576
577 /*
578  * handle waking up a waiter on the semaphore
579  * - up_read/up_write has decremented the active part of count if we come here
580  */
581 __visible
582 struct rw_semaphore *rwsem_wake(struct rw_semaphore *sem)
583 {
584         unsigned long flags;
585         DEFINE_WAKE_Q(wake_q);
586
587         /*
588          * If a spinner is present, it is not necessary to do the wakeup.
589          * Try to do wakeup only if the trylock succeeds to minimize
590          * spinlock contention which may introduce too much delay in the
591          * unlock operation.
592          *
593          *    spinning writer           up_write/up_read caller
594          *    ---------------           -----------------------
595          * [S]   osq_unlock()           [L]   osq
596          *       MB                           RMB
597          * [RmW] rwsem_try_write_lock() [RmW] spin_trylock(wait_lock)
598          *
599          * Here, it is important to make sure that there won't be a missed
600          * wakeup while the rwsem is free and the only spinning writer goes
601          * to sleep without taking the rwsem. Even when the spinning writer
602          * is just going to break out of the waiting loop, it will still do
603          * a trylock in rwsem_down_write_failed() before sleeping. IOW, if
604          * rwsem_has_spinner() is true, it will guarantee at least one
605          * trylock attempt on the rwsem later on.
606          */
607         if (rwsem_has_spinner(sem)) {
608                 /*
609                  * The smp_rmb() here is to make sure that the spinner
610                  * state is consulted before reading the wait_lock.
611                  */
612                 smp_rmb();
613                 if (!raw_spin_trylock_irqsave(&sem->wait_lock, flags))
614                         return sem;
615                 goto locked;
616         }
617         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
618 locked:
619
620         if (!list_empty(&sem->wait_list))
621                 __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
622
623         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
624         wake_up_q(&wake_q);
625
626         return sem;
627 }
628 EXPORT_SYMBOL(rwsem_wake);
629
630 /*
631  * downgrade a write lock into a read lock
632  * - caller incremented waiting part of count and discovered it still negative
633  * - just wake up any readers at the front of the queue
634  */
635 __visible
636 struct rw_semaphore *rwsem_downgrade_wake(struct rw_semaphore *sem)
637 {
638         unsigned long flags;
639         DEFINE_WAKE_Q(wake_q);
640
641         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
642
643         if (!list_empty(&sem->wait_list))
644                 __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READ_OWNED, &wake_q);
645
646         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
647         wake_up_q(&wake_q);
648
649         return sem;
650 }
651 EXPORT_SYMBOL(rwsem_downgrade_wake);