tools/memory-model/linux-kernel.cat

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
   2 (*
   3  * Copyright (C) 2015 Jade Alglave <j.alglave@ucl.ac.uk>,
   4  * Copyright (C) 2016 Luc Maranget <luc.maranget@inria.fr> for Inria
   5  * Copyright (C) 2017 Alan Stern <stern@rowland.harvard.edu>,
   6  *                    Andrea Parri <parri.andrea@gmail.com>
   7  *
   8  * An earlier version of this file appeared in the companion webpage for
   9  * "Frightening small children and disconcerting grown-ups: Concurrency
  10  * in the Linux kernel" by Alglave, Maranget, McKenney, Parri, and Stern,
  11  * which appeared in ASPLOS 2018.
  12  *)
  13
  14 "Linux-kernel memory consistency model"
  15
  16 (*
  17  * File "lock.cat" handles locks and is experimental.
  18  * It can be replaced by include "cos.cat" for tests that do not use locks.
  19  *)
  20
  21 include "lock.cat"
  22
  23 (*******************)
  24 (* Basic relations *)
  25 (*******************)
  26
  27 (* Release Acquire *)
  28 let acq-po = [Acquire] ; po ; [M]
  29 let po-rel = [M] ; po ; [Release]
  30 let po-unlock-lock-po = po ; [UL] ; (po|rf) ; [LKR] ; po
  31
  32 (* Fences *)
  33 let R4rmb = R \ Noreturn        (* Reads for which rmb works *)
  34 let rmb = [R4rmb] ; fencerel(Rmb) ; [R4rmb]
  35 let wmb = [W] ; fencerel(Wmb) ; [W]
  36 let mb = ([M] ; fencerel(Mb) ; [M]) |
  37         ([M] ; fencerel(Before-atomic) ; [RMW] ; po? ; [M]) |
  38         ([M] ; po? ; [RMW] ; fencerel(After-atomic) ; [M]) |
  39         ([M] ; po? ; [LKW] ; fencerel(After-spinlock) ; [M]) |
  40         ([M] ; po ; [UL] ; (co | po) ; [LKW] ;
  41                 fencerel(After-unlock-lock) ; [M])
  42 let gp = po ; [Sync-rcu | Sync-srcu] ; po?
  43 let strong-fence = mb | gp
  44
  45 let nonrw-fence = strong-fence | po-rel | acq-po
  46 let fence = nonrw-fence | wmb | rmb
  47 let barrier = fencerel(Barrier | Rmb | Wmb | Mb | Sync-rcu | Sync-srcu |
  48                 Before-atomic | After-atomic | Acquire | Release |
  49                 Rcu-lock | Rcu-unlock | Srcu-lock | Srcu-unlock) |
  50         (po ; [Release]) | ([Acquire] ; po)
  51
  52 (**********************************)
  53 (* Fundamental coherence ordering *)
  54 (**********************************)
  55
  56 (* Sequential Consistency Per Variable *)
  57 let com = rf | co | fr
  58 acyclic po-loc | com as coherence
  59
  60 (* Atomic Read-Modify-Write *)
  61 empty rmw & (fre ; coe) as atomic
  62
  63 (**********************************)
  64 (* Instruction execution ordering *)
  65 (**********************************)
  66
  67 (* Preserved Program Order *)
  68 let dep = addr | data
  69 let rwdep = (dep | ctrl) ; [W]
  70 let overwrite = co | fr
  71 let to-w = rwdep | (overwrite & int) | (addr ; [Plain] ; wmb)
  72 let to-r = addr | (dep ; [Marked] ; rfi)
  73 let ppo = to-r | to-w | fence | (po-unlock-lock-po & int)
  74
  75 (* Propagation: Ordering from release operations and strong fences. *)
  76 let A-cumul(r) = (rfe ; [Marked])? ; r
  77 let rmw-sequence = (rf ; rmw)*
  78 let cumul-fence = [Marked] ; (A-cumul(strong-fence | po-rel) | wmb |
  79         po-unlock-lock-po) ; [Marked] ; rmw-sequence
  80 let prop = [Marked] ; (overwrite & ext)? ; cumul-fence* ;
  81         [Marked] ; rfe? ; [Marked]
  82
  83 (*
  84  * Happens Before: Ordering from the passage of time.
  85  * No fences needed here for prop because relation confined to one process.
  86  *)
  87 let hb = [Marked] ; (ppo | rfe | ((prop \ id) & int)) ; [Marked]
  88 acyclic hb as happens-before
  89
  90 (****************************************)
  91 (* Write and fence propagation ordering *)
  92 (****************************************)
  93
  94 (* Propagation: Each non-rf link needs a strong fence. *)
  95 let pb = prop ; strong-fence ; hb* ; [Marked]
  96 acyclic pb as propagation
  97
  98 (*******)
  99 (* RCU *)
 100 (*******)
 101
 102 (*
 103  * Effects of read-side critical sections proceed from the rcu_read_unlock()
 104  * or srcu_read_unlock() backwards on the one hand, and from the
 105  * rcu_read_lock() or srcu_read_lock() forwards on the other hand.
 106  *
 107  * In the definition of rcu-fence below, the po term at the left-hand side
 108  * of each disjunct and the po? term at the right-hand end have been factored
 109  * out.  They have been moved into the definitions of rcu-link and rb.
 110  * This was necessary in order to apply the "& loc" tests correctly.
 111  *)
 112 let rcu-gp = [Sync-rcu]         (* Compare with gp *)
 113 let srcu-gp = [Sync-srcu]
 114 let rcu-rscsi = rcu-rscs^-1
 115 let srcu-rscsi = srcu-rscs^-1
 116
 117 (*
 118  * The synchronize_rcu() strong fence is special in that it can order not
 119  * one but two non-rf relations, but only in conjunction with an RCU
 120  * read-side critical section.
 121  *)
 122 let rcu-link = po? ; hb* ; pb* ; prop ; po
 123
 124 (*
 125  * Any sequence containing at least as many grace periods as RCU read-side
 126  * critical sections (joined by rcu-link) induces order like a generalized
 127  * inter-CPU strong fence.
 128  * Likewise for SRCU grace periods and read-side critical sections, provided
 129  * the synchronize_srcu() and srcu_read_[un]lock() calls refer to the same
 130  * struct srcu_struct location.
 131  *)
 132 let rec rcu-order = rcu-gp | srcu-gp |
 133         (rcu-gp ; rcu-link ; rcu-rscsi) |
 134         ((srcu-gp ; rcu-link ; srcu-rscsi) & loc) |
 135         (rcu-rscsi ; rcu-link ; rcu-gp) |
 136         ((srcu-rscsi ; rcu-link ; srcu-gp) & loc) |
 137         (rcu-gp ; rcu-link ; rcu-order ; rcu-link ; rcu-rscsi) |
 138         ((srcu-gp ; rcu-link ; rcu-order ; rcu-link ; srcu-rscsi) & loc) |
 139         (rcu-rscsi ; rcu-link ; rcu-order ; rcu-link ; rcu-gp) |
 140         ((srcu-rscsi ; rcu-link ; rcu-order ; rcu-link ; srcu-gp) & loc) |
 141         (rcu-order ; rcu-link ; rcu-order)
 142 let rcu-fence = po ; rcu-order ; po?
 143 let fence = fence | rcu-fence
 144 let strong-fence = strong-fence | rcu-fence
 145
 146 (* rb orders instructions just as pb does *)
 147 let rb = prop ; rcu-fence ; hb* ; pb* ; [Marked]
 148
 149 irreflexive rb as rcu
 150
 151 (*
 152  * The happens-before, propagation, and rcu constraints are all
 153  * expressions of temporal ordering.  They could be replaced by
 154  * a single constraint on an "executes-before" relation, xb:
 155  *
 156  * let xb = hb | pb | rb
 157  * acyclic xb as executes-before
 158  *)
 159
 160 (*********************************)
 161 (* Plain accesses and data races *)
 162 (*********************************)
 163
 164 (* Warn about plain writes and marked accesses in the same region *)
 165 let mixed-accesses = ([Plain & W] ; (po-loc \ barrier) ; [Marked]) |
 166         ([Marked] ; (po-loc \ barrier) ; [Plain & W])
 167 flag ~empty mixed-accesses as mixed-accesses
 168
 169 (* Executes-before and visibility *)
 170 let xbstar = (hb | pb | rb)*
 171 let vis = cumul-fence* ; rfe? ; [Marked] ;
 172         ((strong-fence ; [Marked] ; xbstar) | (xbstar & int))
 173
 174 (* Boundaries for lifetimes of plain accesses *)
 175 let w-pre-bounded = [Marked] ; (addr | fence)?
 176 let r-pre-bounded = [Marked] ; (addr | nonrw-fence |
 177         ([R4rmb] ; fencerel(Rmb) ; [~Noreturn]))?
 178 let w-post-bounded = fence? ; [Marked] ; rmw-sequence
 179 let r-post-bounded = (nonrw-fence | ([~Noreturn] ; fencerel(Rmb) ; [R4rmb]))? ;
 180         [Marked]
 181
 182 (* Visibility and executes-before for plain accesses *)
 183 let ww-vis = fence | (strong-fence ; xbstar ; w-pre-bounded) |
 184         (w-post-bounded ; vis ; w-pre-bounded)
 185 let wr-vis = fence | (strong-fence ; xbstar ; r-pre-bounded) |
 186         (w-post-bounded ; vis ; r-pre-bounded)
 187 let rw-xbstar = fence | (r-post-bounded ; xbstar ; w-pre-bounded)
 188
 189 (* Potential races *)
 190 let pre-race = ext & ((Plain * M) | ((M \ IW) * Plain))
 191
 192 (* Coherence requirements for plain accesses *)
 193 let wr-incoh = pre-race & rf & rw-xbstar^-1
 194 let rw-incoh = pre-race & fr & wr-vis^-1
 195 let ww-incoh = pre-race & co & ww-vis^-1
 196 empty (wr-incoh | rw-incoh | ww-incoh) as plain-coherence
 197
 198 (* Actual races *)
 199 let ww-nonrace = ww-vis & ((Marked * W) | rw-xbstar) & ((W * Marked) | wr-vis)
 200 let ww-race = (pre-race & co) \ ww-nonrace
 201 let wr-race = (pre-race & (co? ; rf)) \ wr-vis \ rw-xbstar^-1
 202 let rw-race = (pre-race & fr) \ rw-xbstar
 203
 204 flag ~empty (ww-race | wr-race | rw-race) as data-race