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[linux.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.vnet.ibm.com>
7
8 Contents:
9
10  (*) Abstract memory access model.
11
12      - Device operations.
13      - Guarantees.
14
15  (*) What are memory barriers?
16
17      - Varieties of memory barrier.
18      - What may not be assumed about memory barriers?
19      - Data dependency barriers.
20      - Control dependencies.
21      - SMP barrier pairing.
22      - Examples of memory barrier sequences.
23      - Read memory barriers vs load speculation.
24      - Transitivity
25
26  (*) Explicit kernel barriers.
27
28      - Compiler barrier.
29      - CPU memory barriers.
30      - MMIO write barrier.
31
32  (*) Implicit kernel memory barriers.
33
34      - Locking functions.
35      - Interrupt disabling functions.
36      - Sleep and wake-up functions.
37      - Miscellaneous functions.
38
39  (*) Inter-CPU locking barrier effects.
40
41      - Locks vs memory accesses.
42      - Locks vs I/O accesses.
43
44  (*) Where are memory barriers needed?
45
46      - Interprocessor interaction.
47      - Atomic operations.
48      - Accessing devices.
49      - Interrupts.
50
51  (*) Kernel I/O barrier effects.
52
53  (*) Assumed minimum execution ordering model.
54
55  (*) The effects of the cpu cache.
56
57      - Cache coherency.
58      - Cache coherency vs DMA.
59      - Cache coherency vs MMIO.
60
61  (*) The things CPUs get up to.
62
63      - And then there's the Alpha.
64
65  (*) Example uses.
66
67      - Circular buffers.
68
69  (*) References.
70
71
72 ============================
73 ABSTRACT MEMORY ACCESS MODEL
74 ============================
75
76 Consider the following abstract model of the system:
77
78                             :                :
79                             :                :
80                             :                :
81                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
82                 |       |   :   |        |   :   |       |
83                 |       |   :   |        |   :   |       |
84                 | CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 |
85                 |       |   :   |        |   :   |       |
86                 |       |   :   |        |   :   |       |
87                 +-------+   :   +--------+   :   +-------+
88                     ^       :       ^        :       ^
89                     |       :       |        :       |
90                     |       :       |        :       |
91                     |       :       v        :       |
92                     |       :   +--------+   :       |
93                     |       :   |        |   :       |
94                     |       :   |        |   :       |
95                     +---------->| Device |<----------+
96                             :   |        |   :
97                             :   |        |   :
98                             :   +--------+   :
99                             :                :
100
101 Each CPU executes a program that generates memory access operations.  In the
102 abstract CPU, memory operation ordering is very relaxed, and a CPU may actually
103 perform the memory operations in any order it likes, provided program causality
104 appears to be maintained.  Similarly, the compiler may also arrange the
105 instructions it emits in any order it likes, provided it doesn't affect the
106 apparent operation of the program.
107
108 So in the above diagram, the effects of the memory operations performed by a
109 CPU are perceived by the rest of the system as the operations cross the
110 interface between the CPU and rest of the system (the dotted lines).
111
112
113 For example, consider the following sequence of events:
114
115         CPU 1           CPU 2
116         =============== ===============
117         { A == 1; B == 2 }
118         A = 3;          x = A;
119         B = 4;          y = B;
120
121 The set of accesses as seen by the memory system in the middle can be arranged
122 in 24 different combinations:
123
124         STORE A=3,      STORE B=4,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
125         STORE A=3,      STORE B=4,      y=LOAD B->4,    x=LOAD A->3
126         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    STORE B=4,      y=LOAD B->4
127         STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->2,    STORE B=4
128         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    STORE B=4,      x=LOAD A->3
129         STORE A=3,      y=LOAD B->2,    x=LOAD A->3,    STORE B=4
130         STORE B=4,      STORE A=3,      x=LOAD A->3,    y=LOAD B->4
131         STORE B=4, ...
132         ...
133
134 and can thus result in four different combinations of values:
135
136         x == 1, y == 2
137         x == 1, y == 4
138         x == 3, y == 2
139         x == 3, y == 4
140
141
142 Furthermore, the stores committed by a CPU to the memory system may not be
143 perceived by the loads made by another CPU in the same order as the stores were
144 committed.
145
146
147 As a further example, consider this sequence of events:
148
149         CPU 1           CPU 2
150         =============== ===============
151         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
152         B = 4;          Q = P;
153         P = &B          D = *Q;
154
155 There is an obvious data dependency here, as the value loaded into D depends on
156 the address retrieved from P by CPU 2.  At the end of the sequence, any of the
157 following results are possible:
158
159         (Q == &A) and (D == 1)
160         (Q == &B) and (D == 2)
161         (Q == &B) and (D == 4)
162
163 Note that CPU 2 will never try and load C into D because the CPU will load P
164 into Q before issuing the load of *Q.
165
166
167 DEVICE OPERATIONS
168 -----------------
169
170 Some devices present their control interfaces as collections of memory
171 locations, but the order in which the control registers are accessed is very
172 important.  For instance, imagine an ethernet card with a set of internal
173 registers that are accessed through an address port register (A) and a data
174 port register (D).  To read internal register 5, the following code might then
175 be used:
176
177         *A = 5;
178         x = *D;
179
180 but this might show up as either of the following two sequences:
181
182         STORE *A = 5, x = LOAD *D
183         x = LOAD *D, STORE *A = 5
184
185 the second of which will almost certainly result in a malfunction, since it set
186 the address _after_ attempting to read the register.
187
188
189 GUARANTEES
190 ----------
191
192 There are some minimal guarantees that may be expected of a CPU:
193
194  (*) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with
195      respect to itself.  This means that for:
196
197         ACCESS_ONCE(Q) = P; smp_read_barrier_depends(); D = ACCESS_ONCE(*Q);
198
199      the CPU will issue the following memory operations:
200
201         Q = LOAD P, D = LOAD *Q
202
203      and always in that order.  On most systems, smp_read_barrier_depends()
204      does nothing, but it is required for DEC Alpha.  The ACCESS_ONCE()
205      is required to prevent compiler mischief.  Please note that you
206      should normally use something like rcu_dereference() instead of
207      open-coding smp_read_barrier_depends().
208
209  (*) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be
210      ordered within that CPU.  This means that for:
211
212         a = ACCESS_ONCE(*X); ACCESS_ONCE(*X) = b;
213
214      the CPU will only issue the following sequence of memory operations:
215
216         a = LOAD *X, STORE *X = b
217
218      And for:
219
220         ACCESS_ONCE(*X) = c; d = ACCESS_ONCE(*X);
221
222      the CPU will only issue:
223
224         STORE *X = c, d = LOAD *X
225
226      (Loads and stores overlap if they are targeted at overlapping pieces of
227      memory).
228
229 And there are a number of things that _must_ or _must_not_ be assumed:
230
231  (*) It _must_not_ be assumed that the compiler will do what you want with
232      memory references that are not protected by ACCESS_ONCE().  Without
233      ACCESS_ONCE(), the compiler is within its rights to do all sorts
234      of "creative" transformations, which are covered in the Compiler
235      Barrier section.
236
237  (*) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued
238      in the order given.  This means that for:
239
240         X = *A; Y = *B; *D = Z;
241
242      we may get any of the following sequences:
243
244         X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
245         X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
246         Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
247         Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
248         STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
249         STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
250
251  (*) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or
252      discarded.  This means that for:
253
254         X = *A; Y = *(A + 4);
255
256      we may get any one of the following sequences:
257
258         X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
259         Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
260         {X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
261
262      And for:
263
264         *A = X; *(A + 4) = Y;
265
266      we may get any of:
267
268         STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
269         STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
270         STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
271
272
273 =========================
274 WHAT ARE MEMORY BARRIERS?
275 =========================
276
277 As can be seen above, independent memory operations are effectively performed
278 in random order, but this can be a problem for CPU-CPU interaction and for I/O.
279 What is required is some way of intervening to instruct the compiler and the
280 CPU to restrict the order.
281
282 Memory barriers are such interventions.  They impose a perceived partial
283 ordering over the memory operations on either side of the barrier.
284
285 Such enforcement is important because the CPUs and other devices in a system
286 can use a variety of tricks to improve performance, including reordering,
287 deferral and combination of memory operations; speculative loads; speculative
288 branch prediction and various types of caching.  Memory barriers are used to
289 override or suppress these tricks, allowing the code to sanely control the
290 interaction of multiple CPUs and/or devices.
291
292
293 VARIETIES OF MEMORY BARRIER
294 ---------------------------
295
296 Memory barriers come in four basic varieties:
297
298  (1) Write (or store) memory barriers.
299
300      A write memory barrier gives a guarantee that all the STORE operations
301      specified before the barrier will appear to happen before all the STORE
302      operations specified after the barrier with respect to the other
303      components of the system.
304
305      A write barrier is a partial ordering on stores only; it is not required
306      to have any effect on loads.
307
308      A CPU can be viewed as committing a sequence of store operations to the
309      memory system as time progresses.  All stores before a write barrier will
310      occur in the sequence _before_ all the stores after the write barrier.
311
312      [!] Note that write barriers should normally be paired with read or data
313      dependency barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
314
315
316  (2) Data dependency barriers.
317
318      A data dependency barrier is a weaker form of read barrier.  In the case
319      where two loads are performed such that the second depends on the result
320      of the first (eg: the first load retrieves the address to which the second
321      load will be directed), a data dependency barrier would be required to
322      make sure that the target of the second load is updated before the address
323      obtained by the first load is accessed.
324
325      A data dependency barrier is a partial ordering on interdependent loads
326      only; it is not required to have any effect on stores, independent loads
327      or overlapping loads.
328
329      As mentioned in (1), the other CPUs in the system can be viewed as
330      committing sequences of stores to the memory system that the CPU being
331      considered can then perceive.  A data dependency barrier issued by the CPU
332      under consideration guarantees that for any load preceding it, if that
333      load touches one of a sequence of stores from another CPU, then by the
334      time the barrier completes, the effects of all the stores prior to that
335      touched by the load will be perceptible to any loads issued after the data
336      dependency barrier.
337
338      See the "Examples of memory barrier sequences" subsection for diagrams
339      showing the ordering constraints.
340
341      [!] Note that the first load really has to have a _data_ dependency and
342      not a control dependency.  If the address for the second load is dependent
343      on the first load, but the dependency is through a conditional rather than
344      actually loading the address itself, then it's a _control_ dependency and
345      a full read barrier or better is required.  See the "Control dependencies"
346      subsection for more information.
347
348      [!] Note that data dependency barriers should normally be paired with
349      write barriers; see the "SMP barrier pairing" subsection.
350
351
352  (3) Read (or load) memory barriers.
353
354      A read barrier is a data dependency barrier plus a guarantee that all the
355      LOAD operations specified before the barrier will appear to happen before
356      all the LOAD operations specified after the barrier with respect to the
357      other components of the system.
358
359      A read barrier is a partial ordering on loads only; it is not required to
360      have any effect on stores.
361
362      Read memory barriers imply data dependency barriers, and so can substitute
363      for them.
364
365      [!] Note that read barriers should normally be paired with write barriers;
366      see the "SMP barrier pairing" subsection.
367
368
369  (4) General memory barriers.
370
371      A general memory barrier gives a guarantee that all the LOAD and STORE
372      operations specified before the barrier will appear to happen before all
373      the LOAD and STORE operations specified after the barrier with respect to
374      the other components of the system.
375
376      A general memory barrier is a partial ordering over both loads and stores.
377
378      General memory barriers imply both read and write memory barriers, and so
379      can substitute for either.
380
381
382 And a couple of implicit varieties:
383
384  (5) LOCK operations.
385
386      This acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all memory
387      operations after the LOCK operation will appear to happen after the LOCK
388      operation with respect to the other components of the system.
389
390      Memory operations that occur before a LOCK operation may appear to happen
391      after it completes.
392
393      A LOCK operation should almost always be paired with an UNLOCK operation.
394
395
396  (6) UNLOCK operations.
397
398      This also acts as a one-way permeable barrier.  It guarantees that all
399      memory operations before the UNLOCK operation will appear to happen before
400      the UNLOCK operation with respect to the other components of the system.
401
402      Memory operations that occur after an UNLOCK operation may appear to
403      happen before it completes.
404
405      LOCK and UNLOCK operations are guaranteed to appear with respect to each
406      other strictly in the order specified.
407
408      The use of LOCK and UNLOCK operations generally precludes the need for
409      other sorts of memory barrier (but note the exceptions mentioned in the
410      subsection "MMIO write barrier").
411
412
413 Memory barriers are only required where there's a possibility of interaction
414 between two CPUs or between a CPU and a device.  If it can be guaranteed that
415 there won't be any such interaction in any particular piece of code, then
416 memory barriers are unnecessary in that piece of code.
417
418
419 Note that these are the _minimum_ guarantees.  Different architectures may give
420 more substantial guarantees, but they may _not_ be relied upon outside of arch
421 specific code.
422
423
424 WHAT MAY NOT BE ASSUMED ABOUT MEMORY BARRIERS?
425 ----------------------------------------------
426
427 There are certain things that the Linux kernel memory barriers do not guarantee:
428
429  (*) There is no guarantee that any of the memory accesses specified before a
430      memory barrier will be _complete_ by the completion of a memory barrier
431      instruction; the barrier can be considered to draw a line in that CPU's
432      access queue that accesses of the appropriate type may not cross.
433
434  (*) There is no guarantee that issuing a memory barrier on one CPU will have
435      any direct effect on another CPU or any other hardware in the system.  The
436      indirect effect will be the order in which the second CPU sees the effects
437      of the first CPU's accesses occur, but see the next point:
438
439  (*) There is no guarantee that a CPU will see the correct order of effects
440      from a second CPU's accesses, even _if_ the second CPU uses a memory
441      barrier, unless the first CPU _also_ uses a matching memory barrier (see
442      the subsection on "SMP Barrier Pairing").
443
444  (*) There is no guarantee that some intervening piece of off-the-CPU
445      hardware[*] will not reorder the memory accesses.  CPU cache coherency
446      mechanisms should propagate the indirect effects of a memory barrier
447      between CPUs, but might not do so in order.
448
449         [*] For information on bus mastering DMA and coherency please read:
450
451             Documentation/PCI/pci.txt
452             Documentation/DMA-API-HOWTO.txt
453             Documentation/DMA-API.txt
454
455
456 DATA DEPENDENCY BARRIERS
457 ------------------------
458
459 The usage requirements of data dependency barriers are a little subtle, and
460 it's not always obvious that they're needed.  To illustrate, consider the
461 following sequence of events:
462
463         CPU 1                 CPU 2
464         ===============       ===============
465         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
466         B = 4;
467         <write barrier>
468         ACCESS_ONCE(P) = &B
469                               Q = ACCESS_ONCE(P);
470                               D = *Q;
471
472 There's a clear data dependency here, and it would seem that by the end of the
473 sequence, Q must be either &A or &B, and that:
474
475         (Q == &A) implies (D == 1)
476         (Q == &B) implies (D == 4)
477
478 But!  CPU 2's perception of P may be updated _before_ its perception of B, thus
479 leading to the following situation:
480
481         (Q == &B) and (D == 2) ????
482
483 Whilst this may seem like a failure of coherency or causality maintenance, it
484 isn't, and this behaviour can be observed on certain real CPUs (such as the DEC
485 Alpha).
486
487 To deal with this, a data dependency barrier or better must be inserted
488 between the address load and the data load:
489
490         CPU 1                 CPU 2
491         ===============       ===============
492         { A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
493         B = 4;
494         <write barrier>
495         ACCESS_ONCE(P) = &B
496                               Q = ACCESS_ONCE(P);
497                               <data dependency barrier>
498                               D = *Q;
499
500 This enforces the occurrence of one of the two implications, and prevents the
501 third possibility from arising.
502
503 [!] Note that this extremely counterintuitive situation arises most easily on
504 machines with split caches, so that, for example, one cache bank processes
505 even-numbered cache lines and the other bank processes odd-numbered cache
506 lines.  The pointer P might be stored in an odd-numbered cache line, and the
507 variable B might be stored in an even-numbered cache line.  Then, if the
508 even-numbered bank of the reading CPU's cache is extremely busy while the
509 odd-numbered bank is idle, one can see the new value of the pointer P (&B),
510 but the old value of the variable B (2).
511
512
513 Another example of where data dependency barriers might be required is where a
514 number is read from memory and then used to calculate the index for an array
515 access:
516
517         CPU 1                 CPU 2
518         ===============       ===============
519         { M[0] == 1, M[1] == 2, M[3] = 3, P == 0, Q == 3 }
520         M[1] = 4;
521         <write barrier>
522         ACCESS_ONCE(P) = 1
523                               Q = ACCESS_ONCE(P);
524                               <data dependency barrier>
525                               D = M[Q];
526
527
528 The data dependency barrier is very important to the RCU system,
529 for example.  See rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() in
530 include/linux/rcupdate.h.  This permits the current target of an RCU'd
531 pointer to be replaced with a new modified target, without the replacement
532 target appearing to be incompletely initialised.
533
534 See also the subsection on "Cache Coherency" for a more thorough example.
535
536
537 CONTROL DEPENDENCIES
538 --------------------
539
540 A control dependency requires a full read memory barrier, not simply a data
541 dependency barrier to make it work correctly.  Consider the following bit of
542 code:
543
544         q = ACCESS_ONCE(a);
545         if (q) {
546                 <data dependency barrier>  /* BUG: No data dependency!!! */
547                 p = ACCESS_ONCE(b);
548         }
549
550 This will not have the desired effect because there is no actual data
551 dependency, but rather a control dependency that the CPU may short-circuit
552 by attempting to predict the outcome in advance, so that other CPUs see
553 the load from b as having happened before the load from a.  In such a
554 case what's actually required is:
555
556         q = ACCESS_ONCE(a);
557         if (q) {
558                 <read barrier>
559                 p = ACCESS_ONCE(b);
560         }
561
562 However, stores are not speculated.  This means that ordering -is- provided
563 in the following example:
564
565         q = ACCESS_ONCE(a);
566         if (ACCESS_ONCE(q)) {
567                 ACCESS_ONCE(b) = p;
568         }
569
570 Please note that ACCESS_ONCE() is not optional!  Without the ACCESS_ONCE(),
571 the compiler is within its rights to transform this example:
572
573         q = a;
574         if (q) {
575                 b = p;  /* BUG: Compiler can reorder!!! */
576                 do_something();
577         } else {
578                 b = p;  /* BUG: Compiler can reorder!!! */
579                 do_something_else();
580         }
581
582 into this, which of course defeats the ordering:
583
584         b = p;
585         q = a;
586         if (q)
587                 do_something();
588         else
589                 do_something_else();
590
591 Worse yet, if the compiler is able to prove (say) that the value of
592 variable 'a' is always non-zero, it would be well within its rights
593 to optimize the original example by eliminating the "if" statement
594 as follows:
595
596         q = a;
597         b = p;  /* BUG: Compiler can reorder!!! */
598         do_something();
599
600 The solution is again ACCESS_ONCE(), which preserves the ordering between
601 the load from variable 'a' and the store to variable 'b':
602
603         q = ACCESS_ONCE(a);
604         if (q) {
605                 ACCESS_ONCE(b) = p;
606                 do_something();
607         } else {
608                 ACCESS_ONCE(b) = p;
609                 do_something_else();
610         }
611
612 You could also use barrier() to prevent the compiler from moving
613 the stores to variable 'b', but barrier() would not prevent the
614 compiler from proving to itself that a==1 always, so ACCESS_ONCE()
615 is also needed.
616
617 It is important to note that control dependencies absolutely require a
618 a conditional.  For example, the following "optimized" version of
619 the above example breaks ordering:
620
621         q = ACCESS_ONCE(a);
622         ACCESS_ONCE(b) = p;  /* BUG: No ordering vs. load from a!!! */
623         if (q) {
624                 /* ACCESS_ONCE(b) = p; -- moved up, BUG!!! */
625                 do_something();
626         } else {
627                 /* ACCESS_ONCE(b) = p; -- moved up, BUG!!! */
628                 do_something_else();
629         }
630
631 It is of course legal for the prior load to be part of the conditional,
632 for example, as follows:
633
634         if (ACCESS_ONCE(a) > 0) {
635                 ACCESS_ONCE(b) = q / 2;
636                 do_something();
637         } else {
638                 ACCESS_ONCE(b) = q / 3;
639                 do_something_else();
640         }
641
642 This will again ensure that the load from variable 'a' is ordered before the
643 stores to variable 'b'.
644
645 In addition, you need to be careful what you do with the local variable 'q',
646 otherwise the compiler might be able to guess the value and again remove
647 the needed conditional.  For example:
648
649         q = ACCESS_ONCE(a);
650         if (q % MAX) {
651                 ACCESS_ONCE(b) = p;
652                 do_something();
653         } else {
654                 ACCESS_ONCE(b) = p;
655                 do_something_else();
656         }
657
658 If MAX is defined to be 1, then the compiler knows that (q % MAX) is
659 equal to zero, in which case the compiler is within its rights to
660 transform the above code into the following:
661
662         q = ACCESS_ONCE(a);
663         ACCESS_ONCE(b) = p;
664         do_something_else();
665
666 This transformation loses the ordering between the load from variable 'a'
667 and the store to variable 'b'.  If you are relying on this ordering, you
668 should do something like the following:
669
670         q = ACCESS_ONCE(a);
671         BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Order load from a with store to b. */
672         if (q % MAX) {
673                 ACCESS_ONCE(b) = p;
674                 do_something();
675         } else {
676                 ACCESS_ONCE(b) = p;
677                 do_something_else();
678         }
679
680 Finally, control dependencies do -not- provide transitivity.  This is
681 demonstrated by two related examples:
682
683         CPU 0                     CPU 1
684         =====================     =====================
685         r1 = ACCESS_ONCE(x);      r2 = ACCESS_ONCE(y);
686         if (r1 >= 0)              if (r2 >= 0)
687           ACCESS_ONCE(y) = 1;       ACCESS_ONCE(x) = 1;
688
689         assert(!(r1 == 1 && r2 == 1));
690
691 The above two-CPU example will never trigger the assert().  However,
692 if control dependencies guaranteed transitivity (which they do not),
693 then adding the following two CPUs would guarantee a related assertion:
694
695         CPU 2                     CPU 3
696         =====================     =====================
697         ACCESS_ONCE(x) = 2;       ACCESS_ONCE(y) = 2;
698
699         assert(!(r1 == 2 && r2 == 2 && x == 1 && y == 1)); /* FAILS!!! */
700
701 But because control dependencies do -not- provide transitivity, the
702 above assertion can fail after the combined four-CPU example completes.
703 If you need the four-CPU example to provide ordering, you will need
704 smp_mb() between the loads and stores in the CPU 0 and CPU 1 code fragments.
705
706 In summary:
707
708   (*) Control dependencies can order prior loads against later stores.
709       However, they do -not- guarantee any other sort of ordering:
710       Not prior loads against later loads, nor prior stores against
711       later anything.  If you need these other forms of ordering,
712       use smb_rmb(), smp_wmb(), or, in the case of prior stores and
713       later loads, smp_mb().
714
715   (*) Control dependencies require at least one run-time conditional
716       between the prior load and the subsequent store.  If the compiler
717       is able to optimize the conditional away, it will have also
718       optimized away the ordering.  Careful use of ACCESS_ONCE() can
719       help to preserve the needed conditional.
720
721   (*) Control dependencies require that the compiler avoid reordering the
722       dependency into nonexistence.  Careful use of ACCESS_ONCE() or
723       barrier() can help to preserve your control dependency.  Please
724       see the Compiler Barrier section for more information.
725
726   (*) Control dependencies do -not- provide transitivity.  If you
727       need transitivity, use smp_mb().
728
729
730 SMP BARRIER PAIRING
731 -------------------
732
733 When dealing with CPU-CPU interactions, certain types of memory barrier should
734 always be paired.  A lack of appropriate pairing is almost certainly an error.
735
736 A write barrier should always be paired with a data dependency barrier or read
737 barrier, though a general barrier would also be viable.  Similarly a read
738 barrier or a data dependency barrier should always be paired with at least an
739 write barrier, though, again, a general barrier is viable:
740
741         CPU 1                 CPU 2
742         ===============       ===============
743         ACCESS_ONCE(a) = 1;
744         <write barrier>
745         ACCESS_ONCE(b) = 2;   x = ACCESS_ONCE(b);
746                               <read barrier>
747                               y = ACCESS_ONCE(a);
748
749 Or:
750
751         CPU 1                 CPU 2
752         ===============       ===============================
753         a = 1;
754         <write barrier>
755         ACCESS_ONCE(b) = &a;  x = ACCESS_ONCE(b);
756                               <data dependency barrier>
757                               y = *x;
758
759 Basically, the read barrier always has to be there, even though it can be of
760 the "weaker" type.
761
762 [!] Note that the stores before the write barrier would normally be expected to
763 match the loads after the read barrier or the data dependency barrier, and vice
764 versa:
765
766         CPU 1                               CPU 2
767         ===================                 ===================
768         ACCESS_ONCE(a) = 1;  }----   --->{  v = ACCESS_ONCE(c);
769         ACCESS_ONCE(b) = 2;  }    \ /    {  w = ACCESS_ONCE(d);
770         <write barrier>            \        <read barrier>
771         ACCESS_ONCE(c) = 3;  }    / \    {  x = ACCESS_ONCE(a);
772         ACCESS_ONCE(d) = 4;  }----   --->{  y = ACCESS_ONCE(b);
773
774
775 EXAMPLES OF MEMORY BARRIER SEQUENCES
776 ------------------------------------
777
778 Firstly, write barriers act as partial orderings on store operations.
779 Consider the following sequence of events:
780
781         CPU 1
782         =======================
783         STORE A = 1
784         STORE B = 2
785         STORE C = 3
786         <write barrier>
787         STORE D = 4
788         STORE E = 5
789
790 This sequence of events is committed to the memory coherence system in an order
791 that the rest of the system might perceive as the unordered set of { STORE A,
792 STORE B, STORE C } all occurring before the unordered set of { STORE D, STORE E
793 }:
794
795         +-------+       :      :
796         |       |       +------+
797         |       |------>| C=3  |     }     /\
798         |       |  :    +------+     }-----  \  -----> Events perceptible to
799         |       |  :    | A=1  |     }        \/       the rest of the system
800         |       |  :    +------+     }
801         | CPU 1 |  :    | B=2  |     }
802         |       |       +------+     }
803         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- At this point the write barrier
804         |       |       +------+     }        requires all stores prior to the
805         |       |  :    | E=5  |     }        barrier to be committed before
806         |       |  :    +------+     }        further stores may take place
807         |       |------>| D=4  |     }
808         |       |       +------+
809         +-------+       :      :
810                            |
811                            | Sequence in which stores are committed to the
812                            | memory system by CPU 1
813                            V
814
815
816 Secondly, data dependency barriers act as partial orderings on data-dependent
817 loads.  Consider the following sequence of events:
818
819         CPU 1                   CPU 2
820         ======================= =======================
821                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
822         STORE A = 1
823         STORE B = 2
824         <write barrier>
825         STORE C = &B            LOAD X
826         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
827                                 LOAD *C (reads B)
828
829 Without intervention, CPU 2 may perceive the events on CPU 1 in some
830 effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
831
832         +-------+       :      :                :       :
833         |       |       +------+                +-------+  | Sequence of update
834         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | of perception on
835         |       |  :    +------+     \          +-------+  | CPU 2
836         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
837         |       |       +------+       |        +-------+
838         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
839         |       |       +------+       |        :       :
840         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
841         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
842         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
843         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
844         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
845                                        |        :       :       |       |
846                                        |        :       :       | CPU 2 |
847                                        |        +-------+       |       |
848             Apparently incorrect --->  |        | B->7  |------>|       |
849             perception of B (!)        |        +-------+       |       |
850                                        |        :       :       |       |
851                                        |        +-------+       |       |
852             The load of X holds --->    \       | X->9  |------>|       |
853             up the maintenance           \      +-------+       |       |
854             of coherence of B             ----->| B->2  |       +-------+
855                                                 +-------+
856                                                 :       :
857
858
859 In the above example, CPU 2 perceives that B is 7, despite the load of *C
860 (which would be B) coming after the LOAD of C.
861
862 If, however, a data dependency barrier were to be placed between the load of C
863 and the load of *C (ie: B) on CPU 2:
864
865         CPU 1                   CPU 2
866         ======================= =======================
867                 { B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
868         STORE A = 1
869         STORE B = 2
870         <write barrier>
871         STORE C = &B            LOAD X
872         STORE D = 4             LOAD C (gets &B)
873                                 <data dependency barrier>
874                                 LOAD *C (reads B)
875
876 then the following will occur:
877
878         +-------+       :      :                :       :
879         |       |       +------+                +-------+
880         |       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
881         |       |  :    +------+     \          +-------+
882         | CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
883         |       |       +------+       |        +-------+
884         |       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
885         |       |       +------+       |        :       :
886         |       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
887         |       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
888         |       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
889         |       |       +------+       |        +-------+       |       |
890         +-------+       :      :       |        :       :       |       |
891                                        |        :       :       |       |
892                                        |        :       :       | CPU 2 |
893                                        |        +-------+       |       |
894                                        |        | X->9  |------>|       |
895                                        |        +-------+       |       |
896           Makes sure all effects --->   \   ddddddddddddddddd   |       |
897           prior to the store of C        \      +-------+       |       |
898           are perceptible to              ----->| B->2  |------>|       |
899           subsequent loads                      +-------+       |       |
900                                                 :       :       +-------+
901
902
903 And thirdly, a read barrier acts as a partial order on loads.  Consider the
904 following sequence of events:
905
906         CPU 1                   CPU 2
907         ======================= =======================
908                 { A = 0, B = 9 }
909         STORE A=1
910         <write barrier>
911         STORE B=2
912                                 LOAD B
913                                 LOAD A
914
915 Without intervention, CPU 2 may then choose to perceive the events on CPU 1 in
916 some effectively random order, despite the write barrier issued by CPU 1:
917
918         +-------+       :      :                :       :
919         |       |       +------+                +-------+
920         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
921         |       |       +------+      \         +-------+
922         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
923         |       |       +------+        |       +-------+
924         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
925         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
926         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
927                                      ---------->| B->2  |------>|       |
928                                         |       +-------+       | CPU 2 |
929                                         |       | A->0  |------>|       |
930                                         |       +-------+       |       |
931                                         |       :       :       +-------+
932                                          \      :       :
933                                           \     +-------+
934                                            ---->| A->1  |
935                                                 +-------+
936                                                 :       :
937
938
939 If, however, a read barrier were to be placed between the load of B and the
940 load of A on CPU 2:
941
942         CPU 1                   CPU 2
943         ======================= =======================
944                 { A = 0, B = 9 }
945         STORE A=1
946         <write barrier>
947         STORE B=2
948                                 LOAD B
949                                 <read barrier>
950                                 LOAD A
951
952 then the partial ordering imposed by CPU 1 will be perceived correctly by CPU
953 2:
954
955         +-------+       :      :                :       :
956         |       |       +------+                +-------+
957         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
958         |       |       +------+      \         +-------+
959         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
960         |       |       +------+        |       +-------+
961         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
962         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
963         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
964                                      ---------->| B->2  |------>|       |
965                                         |       +-------+       | CPU 2 |
966                                         |       :       :       |       |
967                                         |       :       :       |       |
968           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
969           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
970           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>|       |
971           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
972                                                 :       :       +-------+
973
974
975 To illustrate this more completely, consider what could happen if the code
976 contained a load of A either side of the read barrier:
977
978         CPU 1                   CPU 2
979         ======================= =======================
980                 { A = 0, B = 9 }
981         STORE A=1
982         <write barrier>
983         STORE B=2
984                                 LOAD B
985                                 LOAD A [first load of A]
986                                 <read barrier>
987                                 LOAD A [second load of A]
988
989 Even though the two loads of A both occur after the load of B, they may both
990 come up with different values:
991
992         +-------+       :      :                :       :
993         |       |       +------+                +-------+
994         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
995         |       |       +------+      \         +-------+
996         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
997         |       |       +------+        |       +-------+
998         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
999         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1000         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1001                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1002                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1003                                         |       :       :       |       |
1004                                         |       :       :       |       |
1005                                         |       +-------+       |       |
1006                                         |       | A->0  |------>| 1st   |
1007                                         |       +-------+       |       |
1008           At this point the read ---->   \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1009           barrier causes all effects      \     +-------+       |       |
1010           prior to the storage of B        ---->| A->1  |------>| 2nd   |
1011           to be perceptible to CPU 2            +-------+       |       |
1012                                                 :       :       +-------+
1013
1014
1015 But it may be that the update to A from CPU 1 becomes perceptible to CPU 2
1016 before the read barrier completes anyway:
1017
1018         +-------+       :      :                :       :
1019         |       |       +------+                +-------+
1020         |       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1021         |       |       +------+      \         +-------+
1022         | CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1023         |       |       +------+        |       +-------+
1024         |       |------>| B=2  |---     |       :       :
1025         |       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1026         +-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1027                                      ---------->| B->2  |------>|       |
1028                                         |       +-------+       | CPU 2 |
1029                                         |       :       :       |       |
1030                                          \      :       :       |       |
1031                                           \     +-------+       |       |
1032                                            ---->| A->1  |------>| 1st   |
1033                                                 +-------+       |       |
1034                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1035                                                 +-------+       |       |
1036                                                 | A->1  |------>| 2nd   |
1037                                                 +-------+       |       |
1038                                                 :       :       +-------+
1039
1040
1041 The guarantee is that the second load will always come up with A == 1 if the
1042 load of B came up with B == 2.  No such guarantee exists for the first load of
1043 A; that may come up with either A == 0 or A == 1.
1044
1045
1046 READ MEMORY BARRIERS VS LOAD SPECULATION
1047 ----------------------------------------
1048
1049 Many CPUs speculate with loads: that is they see that they will need to load an
1050 item from memory, and they find a time where they're not using the bus for any
1051 other loads, and so do the load in advance - even though they haven't actually
1052 got to that point in the instruction execution flow yet.  This permits the
1053 actual load instruction to potentially complete immediately because the CPU
1054 already has the value to hand.
1055
1056 It may turn out that the CPU didn't actually need the value - perhaps because a
1057 branch circumvented the load - in which case it can discard the value or just
1058 cache it for later use.
1059
1060 Consider:
1061
1062         CPU 1                   CPU 2
1063         ======================= =======================
1064                                 LOAD B
1065                                 DIVIDE          } Divide instructions generally
1066                                 DIVIDE          } take a long time to perform
1067                                 LOAD A
1068
1069 Which might appear as this:
1070
1071                                                 :       :       +-------+
1072                                                 +-------+       |       |
1073                                             --->| B->2  |------>|       |
1074                                                 +-------+       | CPU 2 |
1075                                                 :       :DIVIDE |       |
1076                                                 +-------+       |       |
1077         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1078         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1079         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1080                                                 :       :DIVIDE |       |
1081                                                 :       :   ~   |       |
1082         Once the divisions are complete -->     :       :   ~-->|       |
1083         the CPU can then perform the            :       :       |       |
1084         LOAD with immediate effect              :       :       +-------+
1085
1086
1087 Placing a read barrier or a data dependency barrier just before the second
1088 load:
1089
1090         CPU 1                   CPU 2
1091         ======================= =======================
1092                                 LOAD B
1093                                 DIVIDE
1094                                 DIVIDE
1095                                 <read barrier>
1096                                 LOAD A
1097
1098 will force any value speculatively obtained to be reconsidered to an extent
1099 dependent on the type of barrier used.  If there was no change made to the
1100 speculated memory location, then the speculated value will just be used:
1101
1102                                                 :       :       +-------+
1103                                                 +-------+       |       |
1104                                             --->| B->2  |------>|       |
1105                                                 +-------+       | CPU 2 |
1106                                                 :       :DIVIDE |       |
1107                                                 +-------+       |       |
1108         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1109         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1110         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1111                                                 :       :DIVIDE |       |
1112                                                 :       :   ~   |       |
1113                                                 :       :   ~   |       |
1114                                             rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1115                                                 :       :   ~   |       |
1116                                                 :       :   ~-->|       |
1117                                                 :       :       |       |
1118                                                 :       :       +-------+
1119
1120
1121 but if there was an update or an invalidation from another CPU pending, then
1122 the speculation will be cancelled and the value reloaded:
1123
1124                                                 :       :       +-------+
1125                                                 +-------+       |       |
1126                                             --->| B->2  |------>|       |
1127                                                 +-------+       | CPU 2 |
1128                                                 :       :DIVIDE |       |
1129                                                 +-------+       |       |
1130         The CPU being busy doing a --->     --->| A->0  |~~~~   |       |
1131         division speculates on the              +-------+   ~   |       |
1132         LOAD of A                               :       :   ~   |       |
1133                                                 :       :DIVIDE |       |
1134                                                 :       :   ~   |       |
1135                                                 :       :   ~   |       |
1136                                             rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1137                                                 +-------+       |       |
1138         The speculation is discarded --->   --->| A->1  |------>|       |
1139         and an updated value is                 +-------+       |       |
1140         retrieved                               :       :       +-------+
1141
1142
1143 TRANSITIVITY
1144 ------------
1145
1146 Transitivity is a deeply intuitive notion about ordering that is not
1147 always provided by real computer systems.  The following example
1148 demonstrates transitivity (also called "cumulativity"):
1149
1150         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1151         ======================= ======================= =======================
1152                 { X = 0, Y = 0 }
1153         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1154                                 <general barrier>       <general barrier>
1155                                 LOAD Y                  LOAD X
1156
1157 Suppose that CPU 2's load from X returns 1 and its load from Y returns 0.
1158 This indicates that CPU 2's load from X in some sense follows CPU 1's
1159 store to X and that CPU 2's load from Y in some sense preceded CPU 3's
1160 store to Y.  The question is then "Can CPU 3's load from X return 0?"
1161
1162 Because CPU 2's load from X in some sense came after CPU 1's store, it
1163 is natural to expect that CPU 3's load from X must therefore return 1.
1164 This expectation is an example of transitivity: if a load executing on
1165 CPU A follows a load from the same variable executing on CPU B, then
1166 CPU A's load must either return the same value that CPU B's load did,
1167 or must return some later value.
1168
1169 In the Linux kernel, use of general memory barriers guarantees
1170 transitivity.  Therefore, in the above example, if CPU 2's load from X
1171 returns 1 and its load from Y returns 0, then CPU 3's load from X must
1172 also return 1.
1173
1174 However, transitivity is -not- guaranteed for read or write barriers.
1175 For example, suppose that CPU 2's general barrier in the above example
1176 is changed to a read barrier as shown below:
1177
1178         CPU 1                   CPU 2                   CPU 3
1179         ======================= ======================= =======================
1180                 { X = 0, Y = 0 }
1181         STORE X=1               LOAD X                  STORE Y=1
1182                                 <read barrier>          <general barrier>
1183                                 LOAD Y                  LOAD X
1184
1185 This substitution destroys transitivity: in this example, it is perfectly
1186 legal for CPU 2's load from X to return 1, its load from Y to return 0,
1187 and CPU 3's load from X to return 0.
1188
1189 The key point is that although CPU 2's read barrier orders its pair
1190 of loads, it does not guarantee to order CPU 1's store.  Therefore, if
1191 this example runs on a system where CPUs 1 and 2 share a store buffer
1192 or a level of cache, CPU 2 might have early access to CPU 1's writes.
1193 General barriers are therefore required to ensure that all CPUs agree
1194 on the combined order of CPU 1's and CPU 2's accesses.
1195
1196 To reiterate, if your code requires transitivity, use general barriers
1197 throughout.
1198
1199
1200 ========================
1201 EXPLICIT KERNEL BARRIERS
1202 ========================
1203
1204 The Linux kernel has a variety of different barriers that act at different
1205 levels:
1206
1207   (*) Compiler barrier.
1208
1209   (*) CPU memory barriers.
1210
1211   (*) MMIO write barrier.
1212
1213
1214 COMPILER BARRIER
1215 ----------------
1216
1217 The Linux kernel has an explicit compiler barrier function that prevents the
1218 compiler from moving the memory accesses either side of it to the other side:
1219
1220         barrier();
1221
1222 This is a general barrier -- there are no read-read or write-write variants
1223 of barrier().  However, ACCESS_ONCE() can be thought of as a weak form
1224 for barrier() that affects only the specific accesses flagged by the
1225 ACCESS_ONCE().
1226
1227 The barrier() function has the following effects:
1228
1229  (*) Prevents the compiler from reordering accesses following the
1230      barrier() to precede any accesses preceding the barrier().
1231      One example use for this property is to ease communication between
1232      interrupt-handler code and the code that was interrupted.
1233
1234  (*) Within a loop, forces the compiler to load the variables used
1235      in that loop's conditional on each pass through that loop.
1236
1237 The ACCESS_ONCE() function can prevent any number of optimizations that,
1238 while perfectly safe in single-threaded code, can be fatal in concurrent
1239 code.  Here are some examples of these sorts of optimizations:
1240
1241  (*) The compiler is within its rights to merge successive loads from
1242      the same variable.  Such merging can cause the compiler to "optimize"
1243      the following code:
1244
1245         while (tmp = a)
1246                 do_something_with(tmp);
1247
1248      into the following code, which, although in some sense legitimate
1249      for single-threaded code, is almost certainly not what the developer
1250      intended:
1251
1252         if (tmp = a)
1253                 for (;;)
1254                         do_something_with(tmp);
1255
1256      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this to you:
1257
1258         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1259                 do_something_with(tmp);
1260
1261  (*) The compiler is within its rights to reload a variable, for example,
1262      in cases where high register pressure prevents the compiler from
1263      keeping all data of interest in registers.  The compiler might
1264      therefore optimize the variable 'tmp' out of our previous example:
1265
1266         while (tmp = a)
1267                 do_something_with(tmp);
1268
1269      This could result in the following code, which is perfectly safe in
1270      single-threaded code, but can be fatal in concurrent code:
1271
1272         while (a)
1273                 do_something_with(a);
1274
1275      For example, the optimized version of this code could result in
1276      passing a zero to do_something_with() in the case where the variable
1277      a was modified by some other CPU between the "while" statement and
1278      the call to do_something_with().
1279
1280      Again, use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from doing this:
1281
1282         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1283                 do_something_with(tmp);
1284
1285      Note that if the compiler runs short of registers, it might save
1286      tmp onto the stack.  The overhead of this saving and later restoring
1287      is why compilers reload variables.  Doing so is perfectly safe for
1288      single-threaded code, so you need to tell the compiler about cases
1289      where it is not safe.
1290
1291  (*) The compiler is within its rights to omit a load entirely if it knows
1292      what the value will be.  For example, if the compiler can prove that
1293      the value of variable 'a' is always zero, it can optimize this code:
1294
1295         while (tmp = a)
1296                 do_something_with(tmp);
1297
1298      Into this:
1299
1300         do { } while (0);
1301
1302      This transformation is a win for single-threaded code because it gets
1303      rid of a load and a branch.  The problem is that the compiler will
1304      carry out its proof assuming that the current CPU is the only one
1305      updating variable 'a'.  If variable 'a' is shared, then the compiler's
1306      proof will be erroneous.  Use ACCESS_ONCE() to tell the compiler
1307      that it doesn't know as much as it thinks it does:
1308
1309         while (tmp = ACCESS_ONCE(a))
1310                 do_something_with(tmp);
1311
1312      But please note that the compiler is also closely watching what you
1313      do with the value after the ACCESS_ONCE().  For example, suppose you
1314      do the following and MAX is a preprocessor macro with the value 1:
1315
1316         while ((tmp = ACCESS_ONCE(a)) % MAX)
1317                 do_something_with(tmp);
1318
1319      Then the compiler knows that the result of the "%" operator applied
1320      to MAX will always be zero, again allowing the compiler to optimize
1321      the code into near-nonexistence.  (It will still load from the
1322      variable 'a'.)
1323
1324  (*) Similarly, the compiler is within its rights to omit a store entirely
1325      if it knows that the variable already has the value being stored.
1326      Again, the compiler assumes that the current CPU is the only one
1327      storing into the variable, which can cause the compiler to do the
1328      wrong thing for shared variables.  For example, suppose you have
1329      the following:
1330
1331         a = 0;
1332         /* Code that does not store to variable a. */
1333         a = 0;
1334
1335      The compiler sees that the value of variable 'a' is already zero, so
1336      it might well omit the second store.  This would come as a fatal
1337      surprise if some other CPU might have stored to variable 'a' in the
1338      meantime.
1339
1340      Use ACCESS_ONCE() to prevent the compiler from making this sort of
1341      wrong guess:
1342
1343         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1344         /* Code that does not store to variable a. */
1345         ACCESS_ONCE(a) = 0;
1346
1347  (*) The compiler is within its rights to reorder memory accesses unless
1348      you tell it not to.  For example, consider the following interaction
1349      between process-level code and an interrupt handler:
1350
1351         void process_level(void)
1352         {
1353                 msg = get_message();
1354                 flag = true;
1355         }
1356
1357         void interrupt_handler(void)
1358         {
1359                 if (flag)
1360                         process_message(msg);
1361         }
1362
1363      There is nothing to prevent the the compiler from transforming
1364      process_level() to the following, in fact, this might well be a
1365      win for single-threaded code:
1366
1367         void process_level(void)
1368         {
1369                 flag = true;
1370                 msg = get_message();
1371         }
1372
1373      If the interrupt occurs between these two statement, then
1374      interrupt_handler() might be passed a garbled msg.  Use ACCESS_ONCE()
1375      to prevent this as follows:
1376
1377         void process_level(void)
1378         {
1379                 ACCESS_ONCE(msg) = get_message();
1380                 ACCESS_ONCE(flag) = true;
1381         }
1382
1383         void interrupt_handler(void)
1384         {
1385                 if (ACCESS_ONCE(flag))
1386                         process_message(ACCESS_ONCE(msg));
1387         }
1388
1389      Note that the ACCESS_ONCE() wrappers in interrupt_handler()
1390      are needed if this interrupt handler can itself be interrupted
1391      by something that also accesses 'flag' and 'msg', for example,
1392      a nested interrupt or an NMI.  Otherwise, ACCESS_ONCE() is not
1393      needed in interrupt_handler() other than for documentation purposes.
1394      (Note also that nested interrupts do not typically occur in modern
1395      Linux kernels, in fact, if an interrupt handler returns with
1396      interrupts enabled, you will get a WARN_ONCE() splat.)
1397
1398      You should assume that the compiler can move ACCESS_ONCE() past
1399      code not containing ACCESS_ONCE(), barrier(), or similar primitives.
1400
1401      This effect could also be achieved using barrier(), but ACCESS_ONCE()
1402      is more selective:  With ACCESS_ONCE(), the compiler need only forget
1403      the contents of the indicated memory locations, while with barrier()
1404      the compiler must discard the value of all memory locations that
1405      it has currented cached in any machine registers.  Of course,
1406      the compiler must also respect the order in which the ACCESS_ONCE()s
1407      occur, though the CPU of course need not do so.
1408
1409  (*) The compiler is within its rights to invent stores to a variable,
1410      as in the following example:
1411
1412         if (a)
1413                 b = a;
1414         else
1415                 b = 42;
1416
1417      The compiler might save a branch by optimizing this as follows:
1418
1419         b = 42;
1420         if (a)
1421                 b = a;
1422
1423      In single-threaded code, this is not only safe, but also saves
1424      a branch.  Unfortunately, in concurrent code, this optimization
1425      could cause some other CPU to see a spurious value of 42 -- even
1426      if variable 'a' was never zero -- when loading variable 'b'.
1427      Use ACCESS_ONCE() to prevent this as follows:
1428
1429         if (a)
1430                 ACCESS_ONCE(b) = a;
1431         else
1432                 ACCESS_ONCE(b) = 42;
1433
1434      The compiler can also invent loads.  These are usually less
1435      damaging, but they can result in cache-line bouncing and thus in
1436      poor performance and scalability.  Use ACCESS_ONCE() to prevent
1437      invented loads.
1438
1439  (*) For aligned memory locations whose size allows them to be accessed
1440      with a single memory-reference instruction, prevents "load tearing"
1441      and "store tearing," in which a single large access is replaced by
1442      multiple smaller accesses.  For example, given an architecture having
1443      16-bit store instructions with 7-bit immediate fields, the compiler
1444      might be tempted to use two 16-bit store-immediate instructions to
1445      implement the following 32-bit store:
1446
1447         p = 0x00010002;
1448
1449      Please note that GCC really does use this sort of optimization,
1450      which is not surprising given that it would likely take more
1451      than two instructions to build the constant and then store it.
1452      This optimization can therefore be a win in single-threaded code.
1453      In fact, a recent bug (since fixed) caused GCC to incorrectly use
1454      this optimization in a volatile store.  In the absence of such bugs,
1455      use of ACCESS_ONCE() prevents store tearing in the following example:
1456
1457         ACCESS_ONCE(p) = 0x00010002;
1458
1459      Use of packed structures can also result in load and store tearing,
1460      as in this example:
1461
1462         struct __attribute__((__packed__)) foo {
1463                 short a;
1464                 int b;
1465                 short c;
1466         };
1467         struct foo foo1, foo2;
1468         ...
1469
1470         foo2.a = foo1.a;
1471         foo2.b = foo1.b;
1472         foo2.c = foo1.c;
1473
1474      Because there are no ACCESS_ONCE() wrappers and no volatile markings,
1475      the compiler would be well within its rights to implement these three
1476      assignment statements as a pair of 32-bit loads followed by a pair
1477      of 32-bit stores.  This would result in load tearing on 'foo1.b'
1478      and store tearing on 'foo2.b'.  ACCESS_ONCE() again prevents tearing
1479      in this example:
1480
1481         foo2.a = foo1.a;
1482         ACCESS_ONCE(foo2.b) = ACCESS_ONCE(foo1.b);
1483         foo2.c = foo1.c;
1484
1485 All that aside, it is never necessary to use ACCESS_ONCE() on a variable
1486 that has been marked volatile.  For example, because 'jiffies' is marked
1487 volatile, it is never necessary to say ACCESS_ONCE(jiffies).  The reason
1488 for this is that ACCESS_ONCE() is implemented as a volatile cast, which
1489 has no effect when its argument is already marked volatile.
1490
1491 Please note that these compiler barriers have no direct effect on the CPU,
1492 which may then reorder things however it wishes.
1493
1494
1495 CPU MEMORY BARRIERS
1496 -------------------
1497
1498 The Linux kernel has eight basic CPU memory barriers:
1499
1500         TYPE            MANDATORY               SMP CONDITIONAL
1501         =============== ======================= ===========================
1502         GENERAL         mb()                    smp_mb()
1503         WRITE           wmb()                   smp_wmb()
1504         READ            rmb()                   smp_rmb()
1505         DATA DEPENDENCY read_barrier_depends()  smp_read_barrier_depends()
1506
1507
1508 All memory barriers except the data dependency barriers imply a compiler
1509 barrier. Data dependencies do not impose any additional compiler ordering.
1510
1511 Aside: In the case of data dependencies, the compiler would be expected to
1512 issue the loads in the correct order (eg. `a[b]` would have to load the value
1513 of b before loading a[b]), however there is no guarantee in the C specification
1514 that the compiler may not speculate the value of b (eg. is equal to 1) and load
1515 a before b (eg. tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ). There is also the
1516 problem of a compiler reloading b after having loaded a[b], thus having a newer
1517 copy of b than a[b]. A consensus has not yet been reached about these problems,
1518 however the ACCESS_ONCE macro is a good place to start looking.
1519
1520 SMP memory barriers are reduced to compiler barriers on uniprocessor compiled
1521 systems because it is assumed that a CPU will appear to be self-consistent,
1522 and will order overlapping accesses correctly with respect to itself.
1523
1524 [!] Note that SMP memory barriers _must_ be used to control the ordering of
1525 references to shared memory on SMP systems, though the use of locking instead
1526 is sufficient.
1527
1528 Mandatory barriers should not be used to control SMP effects, since mandatory
1529 barriers unnecessarily impose overhead on UP systems. They may, however, be
1530 used to control MMIO effects on accesses through relaxed memory I/O windows.
1531 These are required even on non-SMP systems as they affect the order in which
1532 memory operations appear to a device by prohibiting both the compiler and the
1533 CPU from reordering them.
1534
1535
1536 There are some more advanced barrier functions:
1537
1538  (*) set_mb(var, value)
1539
1540      This assigns the value to the variable and then inserts a full memory
1541      barrier after it, depending on the function.  It isn't guaranteed to
1542      insert anything more than a compiler barrier in a UP compilation.
1543
1544
1545  (*) smp_mb__before_atomic_dec();
1546  (*) smp_mb__after_atomic_dec();
1547  (*) smp_mb__before_atomic_inc();
1548  (*) smp_mb__after_atomic_inc();
1549
1550      These are for use with atomic add, subtract, increment and decrement
1551      functions that don't return a value, especially when used for reference
1552      counting.  These functions do not imply memory barriers.
1553
1554      As an example, consider a piece of code that marks an object as being dead
1555      and then decrements the object's reference count:
1556
1557         obj->dead = 1;
1558         smp_mb__before_atomic_dec();
1559         atomic_dec(&obj->ref_count);
1560
1561      This makes sure that the death mark on the object is perceived to be set
1562      *before* the reference counter is decremented.
1563
1564      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1565      operations" subsection for information on where to use these.
1566
1567
1568  (*) smp_mb__before_clear_bit(void);
1569  (*) smp_mb__after_clear_bit(void);
1570
1571      These are for use similar to the atomic inc/dec barriers.  These are
1572      typically used for bitwise unlocking operations, so care must be taken as
1573      there are no implicit memory barriers here either.
1574
1575      Consider implementing an unlock operation of some nature by clearing a
1576      locking bit.  The clear_bit() would then need to be barriered like this:
1577
1578         smp_mb__before_clear_bit();
1579         clear_bit( ... );
1580
1581      This prevents memory operations before the clear leaking to after it.  See
1582      the subsection on "Locking Functions" with reference to UNLOCK operation
1583      implications.
1584
1585      See Documentation/atomic_ops.txt for more information.  See the "Atomic
1586      operations" subsection for information on where to use these.
1587
1588
1589 MMIO WRITE BARRIER
1590 ------------------
1591
1592 The Linux kernel also has a special barrier for use with memory-mapped I/O
1593 writes:
1594
1595         mmiowb();
1596
1597 This is a variation on the mandatory write barrier that causes writes to weakly
1598 ordered I/O regions to be partially ordered.  Its effects may go beyond the
1599 CPU->Hardware interface and actually affect the hardware at some level.
1600
1601 See the subsection "Locks vs I/O accesses" for more information.
1602
1603
1604 ===============================
1605 IMPLICIT KERNEL MEMORY BARRIERS
1606 ===============================
1607
1608 Some of the other functions in the linux kernel imply memory barriers, amongst
1609 which are locking and scheduling functions.
1610
1611 This specification is a _minimum_ guarantee; any particular architecture may
1612 provide more substantial guarantees, but these may not be relied upon outside
1613 of arch specific code.
1614
1615
1616 LOCKING FUNCTIONS
1617 -----------------
1618
1619 The Linux kernel has a number of locking constructs:
1620
1621  (*) spin locks
1622  (*) R/W spin locks
1623  (*) mutexes
1624  (*) semaphores
1625  (*) R/W semaphores
1626  (*) RCU
1627
1628 In all cases there are variants on "LOCK" operations and "UNLOCK" operations
1629 for each construct.  These operations all imply certain barriers:
1630
1631  (1) LOCK operation implication:
1632
1633      Memory operations issued after the LOCK will be completed after the LOCK
1634      operation has completed.
1635
1636      Memory operations issued before the LOCK may be completed after the LOCK
1637      operation has completed.
1638
1639  (2) UNLOCK operation implication:
1640
1641      Memory operations issued before the UNLOCK will be completed before the
1642      UNLOCK operation has completed.
1643
1644      Memory operations issued after the UNLOCK may be completed before the
1645      UNLOCK operation has completed.
1646
1647  (3) LOCK vs LOCK implication:
1648
1649      All LOCK operations issued before another LOCK operation will be completed
1650      before that LOCK operation.
1651
1652  (4) LOCK vs UNLOCK implication:
1653
1654      All LOCK operations issued before an UNLOCK operation will be completed
1655      before the UNLOCK operation.
1656
1657      All UNLOCK operations issued before a LOCK operation will be completed
1658      before the LOCK operation.
1659
1660  (5) Failed conditional LOCK implication:
1661
1662      Certain variants of the LOCK operation may fail, either due to being
1663      unable to get the lock immediately, or due to receiving an unblocked
1664      signal whilst asleep waiting for the lock to become available.  Failed
1665      locks do not imply any sort of barrier.
1666
1667 Therefore, from (1), (2) and (4) an UNLOCK followed by an unconditional LOCK is
1668 equivalent to a full barrier, but a LOCK followed by an UNLOCK is not.
1669
1670 [!] Note: one of the consequences of LOCKs and UNLOCKs being only one-way
1671     barriers is that the effects of instructions outside of a critical section
1672     may seep into the inside of the critical section.
1673
1674 A LOCK followed by an UNLOCK may not be assumed to be full memory barrier
1675 because it is possible for an access preceding the LOCK to happen after the
1676 LOCK, and an access following the UNLOCK to happen before the UNLOCK, and the
1677 two accesses can themselves then cross:
1678
1679         *A = a;
1680         LOCK
1681         UNLOCK
1682         *B = b;
1683
1684 may occur as:
1685
1686         LOCK, STORE *B, STORE *A, UNLOCK
1687
1688 Locks and semaphores may not provide any guarantee of ordering on UP compiled
1689 systems, and so cannot be counted on in such a situation to actually achieve
1690 anything at all - especially with respect to I/O accesses - unless combined
1691 with interrupt disabling operations.
1692
1693 See also the section on "Inter-CPU locking barrier effects".
1694
1695
1696 As an example, consider the following:
1697
1698         *A = a;
1699         *B = b;
1700         LOCK
1701         *C = c;
1702         *D = d;
1703         UNLOCK
1704         *E = e;
1705         *F = f;
1706
1707 The following sequence of events is acceptable:
1708
1709         LOCK, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, UNLOCK
1710
1711         [+] Note that {*F,*A} indicates a combined access.
1712
1713 But none of the following are:
1714
1715         {*F,*A}, *B,    LOCK, *C, *D,   UNLOCK, *E
1716         *A, *B, *C,     LOCK, *D,       UNLOCK, *E, *F
1717         *A, *B,         LOCK, *C,       UNLOCK, *D, *E, *F
1718         *B,             LOCK, *C, *D,   UNLOCK, {*F,*A}, *E
1719
1720
1721
1722 INTERRUPT DISABLING FUNCTIONS
1723 -----------------------------
1724
1725 Functions that disable interrupts (LOCK equivalent) and enable interrupts
1726 (UNLOCK equivalent) will act as compiler barriers only.  So if memory or I/O
1727 barriers are required in such a situation, they must be provided from some
1728 other means.
1729
1730
1731 SLEEP AND WAKE-UP FUNCTIONS
1732 ---------------------------
1733
1734 Sleeping and waking on an event flagged in global data can be viewed as an
1735 interaction between two pieces of data: the task state of the task waiting for
1736 the event and the global data used to indicate the event.  To make sure that
1737 these appear to happen in the right order, the primitives to begin the process
1738 of going to sleep, and the primitives to initiate a wake up imply certain
1739 barriers.
1740
1741 Firstly, the sleeper normally follows something like this sequence of events:
1742
1743         for (;;) {
1744                 set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1745                 if (event_indicated)
1746                         break;
1747                 schedule();
1748         }
1749
1750 A general memory barrier is interpolated automatically by set_current_state()
1751 after it has altered the task state:
1752
1753         CPU 1
1754         ===============================
1755         set_current_state();
1756           set_mb();
1757             STORE current->state
1758             <general barrier>
1759         LOAD event_indicated
1760
1761 set_current_state() may be wrapped by:
1762
1763         prepare_to_wait();
1764         prepare_to_wait_exclusive();
1765
1766 which therefore also imply a general memory barrier after setting the state.
1767 The whole sequence above is available in various canned forms, all of which
1768 interpolate the memory barrier in the right place:
1769
1770         wait_event();
1771         wait_event_interruptible();
1772         wait_event_interruptible_exclusive();
1773         wait_event_interruptible_timeout();
1774         wait_event_killable();
1775         wait_event_timeout();
1776         wait_on_bit();
1777         wait_on_bit_lock();
1778
1779
1780 Secondly, code that performs a wake up normally follows something like this:
1781
1782         event_indicated = 1;
1783         wake_up(&event_wait_queue);
1784
1785 or:
1786
1787         event_indicated = 1;
1788         wake_up_process(event_daemon);
1789
1790 A write memory barrier is implied by wake_up() and co. if and only if they wake
1791 something up.  The barrier occurs before the task state is cleared, and so sits
1792 between the STORE to indicate the event and the STORE to set TASK_RUNNING:
1793
1794         CPU 1                           CPU 2
1795         =============================== ===============================
1796         set_current_state();            STORE event_indicated
1797           set_mb();                     wake_up();
1798             STORE current->state          <write barrier>
1799             <general barrier>             STORE current->state
1800         LOAD event_indicated
1801
1802 The available waker functions include:
1803
1804         complete();
1805         wake_up();
1806         wake_up_all();
1807         wake_up_bit();
1808         wake_up_interruptible();
1809         wake_up_interruptible_all();
1810         wake_up_interruptible_nr();
1811         wake_up_interruptible_poll();
1812         wake_up_interruptible_sync();
1813         wake_up_interruptible_sync_poll();
1814         wake_up_locked();
1815         wake_up_locked_poll();
1816         wake_up_nr();
1817         wake_up_poll();
1818         wake_up_process();
1819
1820
1821 [!] Note that the memory barriers implied by the sleeper and the waker do _not_
1822 order multiple stores before the wake-up with respect to loads of those stored
1823 values after the sleeper has called set_current_state().  For instance, if the
1824 sleeper does:
1825
1826         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1827         if (event_indicated)
1828                 break;
1829         __set_current_state(TASK_RUNNING);
1830         do_something(my_data);
1831
1832 and the waker does:
1833
1834         my_data = value;
1835         event_indicated = 1;
1836         wake_up(&event_wait_queue);
1837
1838 there's no guarantee that the change to event_indicated will be perceived by
1839 the sleeper as coming after the change to my_data.  In such a circumstance, the
1840 code on both sides must interpolate its own memory barriers between the
1841 separate data accesses.  Thus the above sleeper ought to do:
1842
1843         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
1844         if (event_indicated) {
1845                 smp_rmb();
1846                 do_something(my_data);
1847         }
1848
1849 and the waker should do:
1850
1851         my_data = value;
1852         smp_wmb();
1853         event_indicated = 1;
1854         wake_up(&event_wait_queue);
1855
1856
1857 MISCELLANEOUS FUNCTIONS
1858 -----------------------
1859
1860 Other functions that imply barriers:
1861
1862  (*) schedule() and similar imply full memory barriers.
1863
1864
1865 =================================
1866 INTER-CPU LOCKING BARRIER EFFECTS
1867 =================================
1868
1869 On SMP systems locking primitives give a more substantial form of barrier: one
1870 that does affect memory access ordering on other CPUs, within the context of
1871 conflict on any particular lock.
1872
1873
1874 LOCKS VS MEMORY ACCESSES
1875 ------------------------
1876
1877 Consider the following: the system has a pair of spinlocks (M) and (Q), and
1878 three CPUs; then should the following sequence of events occur:
1879
1880         CPU 1                           CPU 2
1881         =============================== ===============================
1882         ACCESS_ONCE(*A) = a;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
1883         LOCK M                          LOCK Q
1884         ACCESS_ONCE(*B) = b;            ACCESS_ONCE(*F) = f;
1885         ACCESS_ONCE(*C) = c;            ACCESS_ONCE(*G) = g;
1886         UNLOCK M                        UNLOCK Q
1887         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*H) = h;
1888
1889 Then there is no guarantee as to what order CPU 3 will see the accesses to *A
1890 through *H occur in, other than the constraints imposed by the separate locks
1891 on the separate CPUs. It might, for example, see:
1892
1893         *E, LOCK M, LOCK Q, *G, *C, *F, *A, *B, UNLOCK Q, *D, *H, UNLOCK M
1894
1895 But it won't see any of:
1896
1897         *B, *C or *D preceding LOCK M
1898         *A, *B or *C following UNLOCK M
1899         *F, *G or *H preceding LOCK Q
1900         *E, *F or *G following UNLOCK Q
1901
1902
1903 However, if the following occurs:
1904
1905         CPU 1                           CPU 2
1906         =============================== ===============================
1907         ACCESS_ONCE(*A) = a;
1908         LOCK M               [1]
1909         ACCESS_ONCE(*B) = b;
1910         ACCESS_ONCE(*C) = c;
1911         UNLOCK M             [1]
1912         ACCESS_ONCE(*D) = d;            ACCESS_ONCE(*E) = e;
1913                                         LOCK M               [2]
1914                                         ACCESS_ONCE(*F) = f;
1915                                         ACCESS_ONCE(*G) = g;
1916                                         UNLOCK M             [2]
1917                                         ACCESS_ONCE(*H) = h;
1918
1919 CPU 3 might see:
1920
1921         *E, LOCK M [1], *C, *B, *A, UNLOCK M [1],
1922                 LOCK M [2], *H, *F, *G, UNLOCK M [2], *D
1923
1924 But assuming CPU 1 gets the lock first, CPU 3 won't see any of:
1925
1926         *B, *C, *D, *F, *G or *H preceding LOCK M [1]
1927         *A, *B or *C following UNLOCK M [1]
1928         *F, *G or *H preceding LOCK M [2]
1929         *A, *B, *C, *E, *F or *G following UNLOCK M [2]
1930
1931
1932 LOCKS VS I/O ACCESSES
1933 ---------------------
1934
1935 Under certain circumstances (especially involving NUMA), I/O accesses within
1936 two spinlocked sections on two different CPUs may be seen as interleaved by the
1937 PCI bridge, because the PCI bridge does not necessarily participate in the
1938 cache-coherence protocol, and is therefore incapable of issuing the required
1939 read memory barriers.
1940
1941 For example:
1942
1943         CPU 1                           CPU 2
1944         =============================== ===============================
1945         spin_lock(Q)
1946         writel(0, ADDR)
1947         writel(1, DATA);
1948         spin_unlock(Q);
1949                                         spin_lock(Q);
1950                                         writel(4, ADDR);
1951                                         writel(5, DATA);
1952                                         spin_unlock(Q);
1953
1954 may be seen by the PCI bridge as follows:
1955
1956         STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5
1957
1958 which would probably cause the hardware to malfunction.
1959
1960
1961 What is necessary here is to intervene with an mmiowb() before dropping the
1962 spinlock, for example:
1963
1964         CPU 1                           CPU 2
1965         =============================== ===============================
1966         spin_lock(Q)
1967         writel(0, ADDR)
1968         writel(1, DATA);
1969         mmiowb();
1970         spin_unlock(Q);
1971                                         spin_lock(Q);
1972                                         writel(4, ADDR);
1973                                         writel(5, DATA);
1974                                         mmiowb();
1975                                         spin_unlock(Q);
1976
1977 this will ensure that the two stores issued on CPU 1 appear at the PCI bridge
1978 before either of the stores issued on CPU 2.
1979
1980
1981 Furthermore, following a store by a load from the same device obviates the need
1982 for the mmiowb(), because the load forces the store to complete before the load
1983 is performed:
1984
1985         CPU 1                           CPU 2
1986         =============================== ===============================
1987         spin_lock(Q)
1988         writel(0, ADDR)
1989         a = readl(DATA);
1990         spin_unlock(Q);
1991                                         spin_lock(Q);
1992                                         writel(4, ADDR);
1993                                         b = readl(DATA);
1994                                         spin_unlock(Q);
1995
1996
1997 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
1998
1999
2000 =================================
2001 WHERE ARE MEMORY BARRIERS NEEDED?
2002 =================================
2003
2004 Under normal operation, memory operation reordering is generally not going to
2005 be a problem as a single-threaded linear piece of code will still appear to
2006 work correctly, even if it's in an SMP kernel.  There are, however, four
2007 circumstances in which reordering definitely _could_ be a problem:
2008
2009  (*) Interprocessor interaction.
2010
2011  (*) Atomic operations.
2012
2013  (*) Accessing devices.
2014
2015  (*) Interrupts.
2016
2017
2018 INTERPROCESSOR INTERACTION
2019 --------------------------
2020
2021 When there's a system with more than one processor, more than one CPU in the
2022 system may be working on the same data set at the same time.  This can cause
2023 synchronisation problems, and the usual way of dealing with them is to use
2024 locks.  Locks, however, are quite expensive, and so it may be preferable to
2025 operate without the use of a lock if at all possible.  In such a case
2026 operations that affect both CPUs may have to be carefully ordered to prevent
2027 a malfunction.
2028
2029 Consider, for example, the R/W semaphore slow path.  Here a waiting process is
2030 queued on the semaphore, by virtue of it having a piece of its stack linked to
2031 the semaphore's list of waiting processes:
2032
2033         struct rw_semaphore {
2034                 ...
2035                 spinlock_t lock;
2036                 struct list_head waiters;
2037         };
2038
2039         struct rwsem_waiter {
2040                 struct list_head list;
2041                 struct task_struct *task;
2042         };
2043
2044 To wake up a particular waiter, the up_read() or up_write() functions have to:
2045
2046  (1) read the next pointer from this waiter's record to know as to where the
2047      next waiter record is;
2048
2049  (2) read the pointer to the waiter's task structure;
2050
2051  (3) clear the task pointer to tell the waiter it has been given the semaphore;
2052
2053  (4) call wake_up_process() on the task; and
2054
2055  (5) release the reference held on the waiter's task struct.
2056
2057 In other words, it has to perform this sequence of events:
2058
2059         LOAD waiter->list.next;
2060         LOAD waiter->task;
2061         STORE waiter->task;
2062         CALL wakeup
2063         RELEASE task
2064
2065 and if any of these steps occur out of order, then the whole thing may
2066 malfunction.
2067
2068 Once it has queued itself and dropped the semaphore lock, the waiter does not
2069 get the lock again; it instead just waits for its task pointer to be cleared
2070 before proceeding.  Since the record is on the waiter's stack, this means that
2071 if the task pointer is cleared _before_ the next pointer in the list is read,
2072 another CPU might start processing the waiter and might clobber the waiter's
2073 stack before the up*() function has a chance to read the next pointer.
2074
2075 Consider then what might happen to the above sequence of events:
2076
2077         CPU 1                           CPU 2
2078         =============================== ===============================
2079                                         down_xxx()
2080                                         Queue waiter
2081                                         Sleep
2082         up_yyy()
2083         LOAD waiter->task;
2084         STORE waiter->task;
2085                                         Woken up by other event
2086         <preempt>
2087                                         Resume processing
2088                                         down_xxx() returns
2089                                         call foo()
2090                                         foo() clobbers *waiter
2091         </preempt>
2092         LOAD waiter->list.next;
2093         --- OOPS ---
2094
2095 This could be dealt with using the semaphore lock, but then the down_xxx()
2096 function has to needlessly get the spinlock again after being woken up.
2097
2098 The way to deal with this is to insert a general SMP memory barrier:
2099
2100         LOAD waiter->list.next;
2101         LOAD waiter->task;
2102         smp_mb();
2103         STORE waiter->task;
2104         CALL wakeup
2105         RELEASE task
2106
2107 In this case, the barrier makes a guarantee that all memory accesses before the
2108 barrier will appear to happen before all the memory accesses after the barrier
2109 with respect to the other CPUs on the system.  It does _not_ guarantee that all
2110 the memory accesses before the barrier will be complete by the time the barrier
2111 instruction itself is complete.
2112
2113 On a UP system - where this wouldn't be a problem - the smp_mb() is just a
2114 compiler barrier, thus making sure the compiler emits the instructions in the
2115 right order without actually intervening in the CPU.  Since there's only one
2116 CPU, that CPU's dependency ordering logic will take care of everything else.
2117
2118
2119 ATOMIC OPERATIONS
2120 -----------------
2121
2122 Whilst they are technically interprocessor interaction considerations, atomic
2123 operations are noted specially as some of them imply full memory barriers and
2124 some don't, but they're very heavily relied on as a group throughout the
2125 kernel.
2126
2127 Any atomic operation that modifies some state in memory and returns information
2128 about the state (old or new) implies an SMP-conditional general memory barrier
2129 (smp_mb()) on each side of the actual operation (with the exception of
2130 explicit lock operations, described later).  These include:
2131
2132         xchg();
2133         cmpxchg();
2134         atomic_xchg();                  atomic_long_xchg();
2135         atomic_cmpxchg();               atomic_long_cmpxchg();
2136         atomic_inc_return();            atomic_long_inc_return();
2137         atomic_dec_return();            atomic_long_dec_return();
2138         atomic_add_return();            atomic_long_add_return();
2139         atomic_sub_return();            atomic_long_sub_return();
2140         atomic_inc_and_test();          atomic_long_inc_and_test();
2141         atomic_dec_and_test();          atomic_long_dec_and_test();
2142         atomic_sub_and_test();          atomic_long_sub_and_test();
2143         atomic_add_negative();          atomic_long_add_negative();
2144         test_and_set_bit();
2145         test_and_clear_bit();
2146         test_and_change_bit();
2147
2148         /* when succeeds (returns 1) */
2149         atomic_add_unless();            atomic_long_add_unless();
2150
2151 These are used for such things as implementing LOCK-class and UNLOCK-class
2152 operations and adjusting reference counters towards object destruction, and as
2153 such the implicit memory barrier effects are necessary.
2154
2155
2156 The following operations are potential problems as they do _not_ imply memory
2157 barriers, but might be used for implementing such things as UNLOCK-class
2158 operations:
2159
2160         atomic_set();
2161         set_bit();
2162         clear_bit();
2163         change_bit();
2164
2165 With these the appropriate explicit memory barrier should be used if necessary
2166 (smp_mb__before_clear_bit() for instance).
2167
2168
2169 The following also do _not_ imply memory barriers, and so may require explicit
2170 memory barriers under some circumstances (smp_mb__before_atomic_dec() for
2171 instance):
2172
2173         atomic_add();
2174         atomic_sub();
2175         atomic_inc();
2176         atomic_dec();
2177
2178 If they're used for statistics generation, then they probably don't need memory
2179 barriers, unless there's a coupling between statistical data.
2180
2181 If they're used for reference counting on an object to control its lifetime,
2182 they probably don't need memory barriers because either the reference count
2183 will be adjusted inside a locked section, or the caller will already hold
2184 sufficient references to make the lock, and thus a memory barrier unnecessary.
2185
2186 If they're used for constructing a lock of some description, then they probably
2187 do need memory barriers as a lock primitive generally has to do things in a
2188 specific order.
2189
2190 Basically, each usage case has to be carefully considered as to whether memory
2191 barriers are needed or not.
2192
2193 The following operations are special locking primitives:
2194
2195         test_and_set_bit_lock();
2196         clear_bit_unlock();
2197         __clear_bit_unlock();
2198
2199 These implement LOCK-class and UNLOCK-class operations. These should be used in
2200 preference to other operations when implementing locking primitives, because
2201 their implementations can be optimised on many architectures.
2202
2203 [!] Note that special memory barrier primitives are available for these
2204 situations because on some CPUs the atomic instructions used imply full memory
2205 barriers, and so barrier instructions are superfluous in conjunction with them,
2206 and in such cases the special barrier primitives will be no-ops.
2207
2208 See Documentation/atomic_ops.txt for more information.
2209
2210
2211 ACCESSING DEVICES
2212 -----------------
2213
2214 Many devices can be memory mapped, and so appear to the CPU as if they're just
2215 a set of memory locations.  To control such a device, the driver usually has to
2216 make the right memory accesses in exactly the right order.
2217
2218 However, having a clever CPU or a clever compiler creates a potential problem
2219 in that the carefully sequenced accesses in the driver code won't reach the
2220 device in the requisite order if the CPU or the compiler thinks it is more
2221 efficient to reorder, combine or merge accesses - something that would cause
2222 the device to malfunction.
2223
2224 Inside of the Linux kernel, I/O should be done through the appropriate accessor
2225 routines - such as inb() or writel() - which know how to make such accesses
2226 appropriately sequential.  Whilst this, for the most part, renders the explicit
2227 use of memory barriers unnecessary, there are a couple of situations where they
2228 might be needed:
2229
2230  (1) On some systems, I/O stores are not strongly ordered across all CPUs, and
2231      so for _all_ general drivers locks should be used and mmiowb() must be
2232      issued prior to unlocking the critical section.
2233
2234  (2) If the accessor functions are used to refer to an I/O memory window with
2235      relaxed memory access properties, then _mandatory_ memory barriers are
2236      required to enforce ordering.
2237
2238 See Documentation/DocBook/deviceiobook.tmpl for more information.
2239
2240
2241 INTERRUPTS
2242 ----------
2243
2244 A driver may be interrupted by its own interrupt service routine, and thus the
2245 two parts of the driver may interfere with each other's attempts to control or
2246 access the device.
2247
2248 This may be alleviated - at least in part - by disabling local interrupts (a
2249 form of locking), such that the critical operations are all contained within
2250 the interrupt-disabled section in the driver.  Whilst the driver's interrupt
2251 routine is executing, the driver's core may not run on the same CPU, and its
2252 interrupt is not permitted to happen again until the current interrupt has been
2253 handled, thus the interrupt handler does not need to lock against that.
2254
2255 However, consider a driver that was talking to an ethernet card that sports an
2256 address register and a data register.  If that driver's core talks to the card
2257 under interrupt-disablement and then the driver's interrupt handler is invoked:
2258
2259         LOCAL IRQ DISABLE
2260         writew(ADDR, 3);
2261         writew(DATA, y);
2262         LOCAL IRQ ENABLE
2263         <interrupt>
2264         writew(ADDR, 4);
2265         q = readw(DATA);
2266         </interrupt>
2267
2268 The store to the data register might happen after the second store to the
2269 address register if ordering rules are sufficiently relaxed:
2270
2271         STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2272
2273
2274 If ordering rules are relaxed, it must be assumed that accesses done inside an
2275 interrupt disabled section may leak outside of it and may interleave with
2276 accesses performed in an interrupt - and vice versa - unless implicit or
2277 explicit barriers are used.
2278
2279 Normally this won't be a problem because the I/O accesses done inside such
2280 sections will include synchronous load operations on strictly ordered I/O
2281 registers that form implicit I/O barriers. If this isn't sufficient then an
2282 mmiowb() may need to be used explicitly.
2283
2284
2285 A similar situation may occur between an interrupt routine and two routines
2286 running on separate CPUs that communicate with each other. If such a case is
2287 likely, then interrupt-disabling locks should be used to guarantee ordering.
2288
2289
2290 ==========================
2291 KERNEL I/O BARRIER EFFECTS
2292 ==========================
2293
2294 When accessing I/O memory, drivers should use the appropriate accessor
2295 functions:
2296
2297  (*) inX(), outX():
2298
2299      These are intended to talk to I/O space rather than memory space, but
2300      that's primarily a CPU-specific concept. The i386 and x86_64 processors do
2301      indeed have special I/O space access cycles and instructions, but many
2302      CPUs don't have such a concept.
2303
2304      The PCI bus, amongst others, defines an I/O space concept which - on such
2305      CPUs as i386 and x86_64 - readily maps to the CPU's concept of I/O
2306      space.  However, it may also be mapped as a virtual I/O space in the CPU's
2307      memory map, particularly on those CPUs that don't support alternate I/O
2308      spaces.
2309
2310      Accesses to this space may be fully synchronous (as on i386), but
2311      intermediary bridges (such as the PCI host bridge) may not fully honour
2312      that.
2313
2314      They are guaranteed to be fully ordered with respect to each other.
2315
2316      They are not guaranteed to be fully ordered with respect to other types of
2317      memory and I/O operation.
2318
2319  (*) readX(), writeX():
2320
2321      Whether these are guaranteed to be fully ordered and uncombined with
2322      respect to each other on the issuing CPU depends on the characteristics
2323      defined for the memory window through which they're accessing. On later
2324      i386 architecture machines, for example, this is controlled by way of the
2325      MTRR registers.
2326
2327      Ordinarily, these will be guaranteed to be fully ordered and uncombined,
2328      provided they're not accessing a prefetchable device.
2329
2330      However, intermediary hardware (such as a PCI bridge) may indulge in
2331      deferral if it so wishes; to flush a store, a load from the same location
2332      is preferred[*], but a load from the same device or from configuration
2333      space should suffice for PCI.
2334
2335      [*] NOTE! attempting to load from the same location as was written to may
2336          cause a malfunction - consider the 16550 Rx/Tx serial registers for
2337          example.
2338
2339      Used with prefetchable I/O memory, an mmiowb() barrier may be required to
2340      force stores to be ordered.
2341
2342      Please refer to the PCI specification for more information on interactions
2343      between PCI transactions.
2344
2345  (*) readX_relaxed()
2346
2347      These are similar to readX(), but are not guaranteed to be ordered in any
2348      way. Be aware that there is no I/O read barrier available.
2349
2350  (*) ioreadX(), iowriteX()
2351
2352      These will perform appropriately for the type of access they're actually
2353      doing, be it inX()/outX() or readX()/writeX().
2354
2355
2356 ========================================
2357 ASSUMED MINIMUM EXECUTION ORDERING MODEL
2358 ========================================
2359
2360 It has to be assumed that the conceptual CPU is weakly-ordered but that it will
2361 maintain the appearance of program causality with respect to itself.  Some CPUs
2362 (such as i386 or x86_64) are more constrained than others (such as powerpc or
2363 frv), and so the most relaxed case (namely DEC Alpha) must be assumed outside
2364 of arch-specific code.
2365
2366 This means that it must be considered that the CPU will execute its instruction
2367 stream in any order it feels like - or even in parallel - provided that if an
2368 instruction in the stream depends on an earlier instruction, then that
2369 earlier instruction must be sufficiently complete[*] before the later
2370 instruction may proceed; in other words: provided that the appearance of
2371 causality is maintained.
2372
2373  [*] Some instructions have more than one effect - such as changing the
2374      condition codes, changing registers or changing memory - and different
2375      instructions may depend on different effects.
2376
2377 A CPU may also discard any instruction sequence that winds up having no
2378 ultimate effect.  For example, if two adjacent instructions both load an
2379 immediate value into the same register, the first may be discarded.
2380
2381
2382 Similarly, it has to be assumed that compiler might reorder the instruction
2383 stream in any way it sees fit, again provided the appearance of causality is
2384 maintained.
2385
2386
2387 ============================
2388 THE EFFECTS OF THE CPU CACHE
2389 ============================
2390
2391 The way cached memory operations are perceived across the system is affected to
2392 a certain extent by the caches that lie between CPUs and memory, and by the
2393 memory coherence system that maintains the consistency of state in the system.
2394
2395 As far as the way a CPU interacts with another part of the system through the
2396 caches goes, the memory system has to include the CPU's caches, and memory
2397 barriers for the most part act at the interface between the CPU and its cache
2398 (memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):
2399
2400             <--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->
2401                                   :
2402         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2403         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2404         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        |
2405         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2406         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory |
2407         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2408         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2409                                   :                 | Cache     |    +--------+
2410                                   :                 | Coherency |
2411                                   :                 | Mechanism |    +--------+
2412         +--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |
2413         |        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |
2414         |  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device |
2415         |  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        |
2416         |        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        |
2417         |        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+
2418         +--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2419                                   :
2420                                   :
2421
2422 Although any particular load or store may not actually appear outside of the
2423 CPU that issued it since it may have been satisfied within the CPU's own cache,
2424 it will still appear as if the full memory access had taken place as far as the
2425 other CPUs are concerned since the cache coherency mechanisms will migrate the
2426 cacheline over to the accessing CPU and propagate the effects upon conflict.
2427
2428 The CPU core may execute instructions in any order it deems fit, provided the
2429 expected program causality appears to be maintained.  Some of the instructions
2430 generate load and store operations which then go into the queue of memory
2431 accesses to be performed.  The core may place these in the queue in any order
2432 it wishes, and continue execution until it is forced to wait for an instruction
2433 to complete.
2434
2435 What memory barriers are concerned with is controlling the order in which
2436 accesses cross from the CPU side of things to the memory side of things, and
2437 the order in which the effects are perceived to happen by the other observers
2438 in the system.
2439
2440 [!] Memory barriers are _not_ needed within a given CPU, as CPUs always see
2441 their own loads and stores as if they had happened in program order.
2442
2443 [!] MMIO or other device accesses may bypass the cache system.  This depends on
2444 the properties of the memory window through which devices are accessed and/or
2445 the use of any special device communication instructions the CPU may have.
2446
2447
2448 CACHE COHERENCY
2449 ---------------
2450
2451 Life isn't quite as simple as it may appear above, however: for while the
2452 caches are expected to be coherent, there's no guarantee that that coherency
2453 will be ordered.  This means that whilst changes made on one CPU will
2454 eventually become visible on all CPUs, there's no guarantee that they will
2455 become apparent in the same order on those other CPUs.
2456
2457
2458 Consider dealing with a system that has a pair of CPUs (1 & 2), each of which
2459 has a pair of parallel data caches (CPU 1 has A/B, and CPU 2 has C/D):
2460
2461                     :
2462                     :                          +--------+
2463                     :      +---------+         |        |
2464         +--------+  : +--->| Cache A |<------->|        |
2465         |        |  : |    +---------+         |        |
2466         |  CPU 1 |<---+                        |        |
2467         |        |  : |    +---------+         |        |
2468         +--------+  : +--->| Cache B |<------->|        |
2469                     :      +---------+         |        |
2470                     :                          | Memory |
2471                     :      +---------+         | System |
2472         +--------+  : +--->| Cache C |<------->|        |
2473         |        |  : |    +---------+         |        |
2474         |  CPU 2 |<---+                        |        |
2475         |        |  : |    +---------+         |        |
2476         +--------+  : +--->| Cache D |<------->|        |
2477                     :      +---------+         |        |
2478                     :                          +--------+
2479                     :
2480
2481 Imagine the system has the following properties:
2482
2483  (*) an odd-numbered cache line may be in cache A, cache C or it may still be
2484      resident in memory;
2485
2486  (*) an even-numbered cache line may be in cache B, cache D or it may still be
2487      resident in memory;
2488
2489  (*) whilst the CPU core is interrogating one cache, the other cache may be
2490      making use of the bus to access the rest of the system - perhaps to
2491      displace a dirty cacheline or to do a speculative load;
2492
2493  (*) each cache has a queue of operations that need to be applied to that cache
2494      to maintain coherency with the rest of the system;
2495
2496  (*) the coherency queue is not flushed by normal loads to lines already
2497      present in the cache, even though the contents of the queue may
2498      potentially affect those loads.
2499
2500 Imagine, then, that two writes are made on the first CPU, with a write barrier
2501 between them to guarantee that they will appear to reach that CPU's caches in
2502 the requisite order:
2503
2504         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2505         =============== =============== =======================================
2506                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2507         v = 2;
2508         smp_wmb();                      Make sure change to v is visible before
2509                                          change to p
2510         <A:modify v=2>                  v is now in cache A exclusively
2511         p = &v;
2512         <B:modify p=&v>                 p is now in cache B exclusively
2513
2514 The write memory barrier forces the other CPUs in the system to perceive that
2515 the local CPU's caches have apparently been updated in the correct order.  But
2516 now imagine that the second CPU wants to read those values:
2517
2518         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2519         =============== =============== =======================================
2520         ...
2521                         q = p;
2522                         x = *q;
2523
2524 The above pair of reads may then fail to happen in the expected order, as the
2525 cacheline holding p may get updated in one of the second CPU's caches whilst
2526 the update to the cacheline holding v is delayed in the other of the second
2527 CPU's caches by some other cache event:
2528
2529         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2530         =============== =============== =======================================
2531                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2532         v = 2;
2533         smp_wmb();
2534         <A:modify v=2>  <C:busy>
2535                         <C:queue v=2>
2536         p = &v;         q = p;
2537                         <D:request p>
2538         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2539                         <D:read p>
2540                         x = *q;
2541                         <C:read *q>     Reads from v before v updated in cache
2542                         <C:unbusy>
2543                         <C:commit v=2>
2544
2545 Basically, whilst both cachelines will be updated on CPU 2 eventually, there's
2546 no guarantee that, without intervention, the order of update will be the same
2547 as that committed on CPU 1.
2548
2549
2550 To intervene, we need to interpolate a data dependency barrier or a read
2551 barrier between the loads.  This will force the cache to commit its coherency
2552 queue before processing any further requests:
2553
2554         CPU 1           CPU 2           COMMENT
2555         =============== =============== =======================================
2556                                         u == 0, v == 1 and p == &u, q == &u
2557         v = 2;
2558         smp_wmb();
2559         <A:modify v=2>  <C:busy>
2560                         <C:queue v=2>
2561         p = &v;         q = p;
2562                         <D:request p>
2563         <B:modify p=&v> <D:commit p=&v>
2564                         <D:read p>
2565                         smp_read_barrier_depends()
2566                         <C:unbusy>
2567                         <C:commit v=2>
2568                         x = *q;
2569                         <C:read *q>     Reads from v after v updated in cache
2570
2571
2572 This sort of problem can be encountered on DEC Alpha processors as they have a
2573 split cache that improves performance by making better use of the data bus.
2574 Whilst most CPUs do imply a data dependency barrier on the read when a memory
2575 access depends on a read, not all do, so it may not be relied on.
2576
2577 Other CPUs may also have split caches, but must coordinate between the various
2578 cachelets for normal memory accesses.  The semantics of the Alpha removes the
2579 need for coordination in the absence of memory barriers.
2580
2581
2582 CACHE COHERENCY VS DMA
2583 ----------------------
2584
2585 Not all systems maintain cache coherency with respect to devices doing DMA.  In
2586 such cases, a device attempting DMA may obtain stale data from RAM because
2587 dirty cache lines may be resident in the caches of various CPUs, and may not
2588 have been written back to RAM yet.  To deal with this, the appropriate part of
2589 the kernel must flush the overlapping bits of cache on each CPU (and maybe
2590 invalidate them as well).
2591
2592 In addition, the data DMA'd to RAM by a device may be overwritten by dirty
2593 cache lines being written back to RAM from a CPU's cache after the device has
2594 installed its own data, or cache lines present in the CPU's cache may simply
2595 obscure the fact that RAM has been updated, until at such time as the cacheline
2596 is discarded from the CPU's cache and reloaded.  To deal with this, the
2597 appropriate part of the kernel must invalidate the overlapping bits of the
2598 cache on each CPU.
2599
2600 See Documentation/cachetlb.txt for more information on cache management.
2601
2602
2603 CACHE COHERENCY VS MMIO
2604 -----------------------
2605
2606 Memory mapped I/O usually takes place through memory locations that are part of
2607 a window in the CPU's memory space that has different properties assigned than
2608 the usual RAM directed window.
2609
2610 Amongst these properties is usually the fact that such accesses bypass the
2611 caching entirely and go directly to the device buses.  This means MMIO accesses
2612 may, in effect, overtake accesses to cached memory that were emitted earlier.
2613 A memory barrier isn't sufficient in such a case, but rather the cache must be
2614 flushed between the cached memory write and the MMIO access if the two are in
2615 any way dependent.
2616
2617
2618 =========================
2619 THE THINGS CPUS GET UP TO
2620 =========================
2621
2622 A programmer might take it for granted that the CPU will perform memory
2623 operations in exactly the order specified, so that if the CPU is, for example,
2624 given the following piece of code to execute:
2625
2626         a = ACCESS_ONCE(*A);
2627         ACCESS_ONCE(*B) = b;
2628         c = ACCESS_ONCE(*C);
2629         d = ACCESS_ONCE(*D);
2630         ACCESS_ONCE(*E) = e;
2631
2632 they would then expect that the CPU will complete the memory operation for each
2633 instruction before moving on to the next one, leading to a definite sequence of
2634 operations as seen by external observers in the system:
2635
2636         LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2637
2638
2639 Reality is, of course, much messier.  With many CPUs and compilers, the above
2640 assumption doesn't hold because:
2641
2642  (*) loads are more likely to need to be completed immediately to permit
2643      execution progress, whereas stores can often be deferred without a
2644      problem;
2645
2646  (*) loads may be done speculatively, and the result discarded should it prove
2647      to have been unnecessary;
2648
2649  (*) loads may be done speculatively, leading to the result having been fetched
2650      at the wrong time in the expected sequence of events;
2651
2652  (*) the order of the memory accesses may be rearranged to promote better use
2653      of the CPU buses and caches;
2654
2655  (*) loads and stores may be combined to improve performance when talking to
2656      memory or I/O hardware that can do batched accesses of adjacent locations,
2657      thus cutting down on transaction setup costs (memory and PCI devices may
2658      both be able to do this); and
2659
2660  (*) the CPU's data cache may affect the ordering, and whilst cache-coherency
2661      mechanisms may alleviate this - once the store has actually hit the cache
2662      - there's no guarantee that the coherency management will be propagated in
2663      order to other CPUs.
2664
2665 So what another CPU, say, might actually observe from the above piece of code
2666 is:
2667
2668         LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2669
2670         (Where "LOAD {*C,*D}" is a combined load)
2671
2672
2673 However, it is guaranteed that a CPU will be self-consistent: it will see its
2674 _own_ accesses appear to be correctly ordered, without the need for a memory
2675 barrier.  For instance with the following code:
2676
2677         U = ACCESS_ONCE(*A);
2678         ACCESS_ONCE(*A) = V;
2679         ACCESS_ONCE(*A) = W;
2680         X = ACCESS_ONCE(*A);
2681         ACCESS_ONCE(*A) = Y;
2682         Z = ACCESS_ONCE(*A);
2683
2684 and assuming no intervention by an external influence, it can be assumed that
2685 the final result will appear to be:
2686
2687         U == the original value of *A
2688         X == W
2689         Z == Y
2690         *A == Y
2691
2692 The code above may cause the CPU to generate the full sequence of memory
2693 accesses:
2694
2695         U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2696
2697 in that order, but, without intervention, the sequence may have almost any
2698 combination of elements combined or discarded, provided the program's view of
2699 the world remains consistent.  Note that ACCESS_ONCE() is -not- optional
2700 in the above example, as there are architectures where a given CPU might
2701 interchange successive loads to the same location.  On such architectures,
2702 ACCESS_ONCE() does whatever is necessary to prevent this, for example, on
2703 Itanium the volatile casts used by ACCESS_ONCE() cause GCC to emit the
2704 special ld.acq and st.rel instructions that prevent such reordering.
2705
2706 The compiler may also combine, discard or defer elements of the sequence before
2707 the CPU even sees them.
2708
2709 For instance:
2710
2711         *A = V;
2712         *A = W;
2713
2714 may be reduced to:
2715
2716         *A = W;
2717
2718 since, without either a write barrier or an ACCESS_ONCE(), it can be
2719 assumed that the effect of the storage of V to *A is lost.  Similarly:
2720
2721         *A = Y;
2722         Z = *A;
2723
2724 may, without a memory barrier or an ACCESS_ONCE(), be reduced to:
2725
2726         *A = Y;
2727         Z = Y;
2728
2729 and the LOAD operation never appear outside of the CPU.
2730
2731
2732 AND THEN THERE'S THE ALPHA
2733 --------------------------
2734
2735 The DEC Alpha CPU is one of the most relaxed CPUs there is.  Not only that,
2736 some versions of the Alpha CPU have a split data cache, permitting them to have
2737 two semantically-related cache lines updated at separate times.  This is where
2738 the data dependency barrier really becomes necessary as this synchronises both
2739 caches with the memory coherence system, thus making it seem like pointer
2740 changes vs new data occur in the right order.
2741
2742 The Alpha defines the Linux kernel's memory barrier model.
2743
2744 See the subsection on "Cache Coherency" above.
2745
2746
2747 ============
2748 EXAMPLE USES
2749 ============
2750
2751 CIRCULAR BUFFERS
2752 ----------------
2753
2754 Memory barriers can be used to implement circular buffering without the need
2755 of a lock to serialise the producer with the consumer.  See:
2756
2757         Documentation/circular-buffers.txt
2758
2759 for details.
2760
2761
2762 ==========
2763 REFERENCES
2764 ==========
2765
2766 Alpha AXP Architecture Reference Manual, Second Edition (Sites & Witek,
2767 Digital Press)
2768         Chapter 5.2: Physical Address Space Characteristics
2769         Chapter 5.4: Caches and Write Buffers
2770         Chapter 5.5: Data Sharing
2771         Chapter 5.6: Read/Write Ordering
2772
2773 AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 2: System Programming
2774         Chapter 7.1: Memory-Access Ordering
2775         Chapter 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
2776
2777 IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3:
2778 System Programming Guide
2779         Chapter 7.1: Locked Atomic Operations
2780         Chapter 7.2: Memory Ordering
2781         Chapter 7.4: Serializing Instructions
2782
2783 The SPARC Architecture Manual, Version 9
2784         Chapter 8: Memory Models
2785         Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
2786         Appendix J: Programming with the Memory Models
2787
2788 UltraSPARC Programmer Reference Manual
2789         Chapter 5: Memory Accesses and Cacheability
2790         Chapter 15: Sparc-V9 Memory Models
2791
2792 UltraSPARC III Cu User's Manual
2793         Chapter 9: Memory Models
2794
2795 UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
2796         Chapter 8: Memory Models
2797
2798 UltraSPARC Architecture 2005
2799         Chapter 9: Memory
2800         Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
2801
2802 UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
2803         Chapter 8: Memory Models
2804         Appendix F: Caches and Cache Coherency
2805
2806 Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
2807         Chapter 3.3: Hardware Considerations for Locks and
2808                         Synchronization
2809
2810 Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
2811 for Kernel Programmers:
2812         Chapter 13: Other Memory Models
2813
2814 Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volume 1:
2815         Section 2.6: Speculation
2816         Section 4.4: Memory Access