]> asedeno.scripts.mit.edu Git - linux.git/blob - kernel/locking/qspinlock_paravirt.h
x86/entry/64: Allocate and enable the SYSENTER stack
[linux.git] / kernel / locking / qspinlock_paravirt.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _GEN_PV_LOCK_SLOWPATH
3 #error "do not include this file"
4 #endif
5
6 #include <linux/hash.h>
7 #include <linux/bootmem.h>
8 #include <linux/debug_locks.h>
9
10 /*
11  * Implement paravirt qspinlocks; the general idea is to halt the vcpus instead
12  * of spinning them.
13  *
14  * This relies on the architecture to provide two paravirt hypercalls:
15  *
16  *   pv_wait(u8 *ptr, u8 val) -- suspends the vcpu if *ptr == val
17  *   pv_kick(cpu)             -- wakes a suspended vcpu
18  *
19  * Using these we implement __pv_queued_spin_lock_slowpath() and
20  * __pv_queued_spin_unlock() to replace native_queued_spin_lock_slowpath() and
21  * native_queued_spin_unlock().
22  */
23
24 #define _Q_SLOW_VAL     (3U << _Q_LOCKED_OFFSET)
25
26 /*
27  * Queue Node Adaptive Spinning
28  *
29  * A queue node vCPU will stop spinning if the vCPU in the previous node is
30  * not running. The one lock stealing attempt allowed at slowpath entry
31  * mitigates the slight slowdown for non-overcommitted guest with this
32  * aggressive wait-early mechanism.
33  *
34  * The status of the previous node will be checked at fixed interval
35  * controlled by PV_PREV_CHECK_MASK. This is to ensure that we won't
36  * pound on the cacheline of the previous node too heavily.
37  */
38 #define PV_PREV_CHECK_MASK      0xff
39
40 /*
41  * Queue node uses: vcpu_running & vcpu_halted.
42  * Queue head uses: vcpu_running & vcpu_hashed.
43  */
44 enum vcpu_state {
45         vcpu_running = 0,
46         vcpu_halted,            /* Used only in pv_wait_node */
47         vcpu_hashed,            /* = pv_hash'ed + vcpu_halted */
48 };
49
50 struct pv_node {
51         struct mcs_spinlock     mcs;
52         struct mcs_spinlock     __res[3];
53
54         int                     cpu;
55         u8                      state;
56 };
57
58 /*
59  * Include queued spinlock statistics code
60  */
61 #include "qspinlock_stat.h"
62
63 /*
64  * By replacing the regular queued_spin_trylock() with the function below,
65  * it will be called once when a lock waiter enter the PV slowpath before
66  * being queued. By allowing one lock stealing attempt here when the pending
67  * bit is off, it helps to reduce the performance impact of lock waiter
68  * preemption without the drawback of lock starvation.
69  */
70 #define queued_spin_trylock(l)  pv_queued_spin_steal_lock(l)
71 static inline bool pv_queued_spin_steal_lock(struct qspinlock *lock)
72 {
73         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
74
75         if (!(atomic_read(&lock->val) & _Q_LOCKED_PENDING_MASK) &&
76             (cmpxchg_acquire(&l->locked, 0, _Q_LOCKED_VAL) == 0)) {
77                 qstat_inc(qstat_pv_lock_stealing, true);
78                 return true;
79         }
80
81         return false;
82 }
83
84 /*
85  * The pending bit is used by the queue head vCPU to indicate that it
86  * is actively spinning on the lock and no lock stealing is allowed.
87  */
88 #if _Q_PENDING_BITS == 8
89 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
90 {
91         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
92
93         WRITE_ONCE(l->pending, 1);
94 }
95
96 static __always_inline void clear_pending(struct qspinlock *lock)
97 {
98         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
99
100         WRITE_ONCE(l->pending, 0);
101 }
102
103 /*
104  * The pending bit check in pv_queued_spin_steal_lock() isn't a memory
105  * barrier. Therefore, an atomic cmpxchg_acquire() is used to acquire the
106  * lock just to be sure that it will get it.
107  */
108 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
109 {
110         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
111
112         return !READ_ONCE(l->locked) &&
113                (cmpxchg_acquire(&l->locked_pending, _Q_PENDING_VAL,
114                                 _Q_LOCKED_VAL) == _Q_PENDING_VAL);
115 }
116 #else /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
117 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
118 {
119         atomic_or(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
120 }
121
122 static __always_inline void clear_pending(struct qspinlock *lock)
123 {
124         atomic_andnot(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
125 }
126
127 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
128 {
129         int val = atomic_read(&lock->val);
130
131         for (;;) {
132                 int old, new;
133
134                 if (val  & _Q_LOCKED_MASK)
135                         break;
136
137                 /*
138                  * Try to clear pending bit & set locked bit
139                  */
140                 old = val;
141                 new = (val & ~_Q_PENDING_MASK) | _Q_LOCKED_VAL;
142                 val = atomic_cmpxchg_acquire(&lock->val, old, new);
143
144                 if (val == old)
145                         return 1;
146         }
147         return 0;
148 }
149 #endif /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
150
151 /*
152  * Lock and MCS node addresses hash table for fast lookup
153  *
154  * Hashing is done on a per-cacheline basis to minimize the need to access
155  * more than one cacheline.
156  *
157  * Dynamically allocate a hash table big enough to hold at least 4X the
158  * number of possible cpus in the system. Allocation is done on page
159  * granularity. So the minimum number of hash buckets should be at least
160  * 256 (64-bit) or 512 (32-bit) to fully utilize a 4k page.
161  *
162  * Since we should not be holding locks from NMI context (very rare indeed) the
163  * max load factor is 0.75, which is around the point where open addressing
164  * breaks down.
165  *
166  */
167 struct pv_hash_entry {
168         struct qspinlock *lock;
169         struct pv_node   *node;
170 };
171
172 #define PV_HE_PER_LINE  (SMP_CACHE_BYTES / sizeof(struct pv_hash_entry))
173 #define PV_HE_MIN       (PAGE_SIZE / sizeof(struct pv_hash_entry))
174
175 static struct pv_hash_entry *pv_lock_hash;
176 static unsigned int pv_lock_hash_bits __read_mostly;
177
178 /*
179  * Allocate memory for the PV qspinlock hash buckets
180  *
181  * This function should be called from the paravirt spinlock initialization
182  * routine.
183  */
184 void __init __pv_init_lock_hash(void)
185 {
186         int pv_hash_size = ALIGN(4 * num_possible_cpus(), PV_HE_PER_LINE);
187
188         if (pv_hash_size < PV_HE_MIN)
189                 pv_hash_size = PV_HE_MIN;
190
191         /*
192          * Allocate space from bootmem which should be page-size aligned
193          * and hence cacheline aligned.
194          */
195         pv_lock_hash = alloc_large_system_hash("PV qspinlock",
196                                                sizeof(struct pv_hash_entry),
197                                                pv_hash_size, 0,
198                                                HASH_EARLY | HASH_ZERO,
199                                                &pv_lock_hash_bits, NULL,
200                                                pv_hash_size, pv_hash_size);
201 }
202
203 #define for_each_hash_entry(he, offset, hash)                                           \
204         for (hash &= ~(PV_HE_PER_LINE - 1), he = &pv_lock_hash[hash], offset = 0;       \
205              offset < (1 << pv_lock_hash_bits);                                         \
206              offset++, he = &pv_lock_hash[(hash + offset) & ((1 << pv_lock_hash_bits) - 1)])
207
208 static struct qspinlock **pv_hash(struct qspinlock *lock, struct pv_node *node)
209 {
210         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
211         struct pv_hash_entry *he;
212         int hopcnt = 0;
213
214         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
215                 hopcnt++;
216                 if (!cmpxchg(&he->lock, NULL, lock)) {
217                         WRITE_ONCE(he->node, node);
218                         qstat_hop(hopcnt);
219                         return &he->lock;
220                 }
221         }
222         /*
223          * Hard assume there is a free entry for us.
224          *
225          * This is guaranteed by ensuring every blocked lock only ever consumes
226          * a single entry, and since we only have 4 nesting levels per CPU
227          * and allocated 4*nr_possible_cpus(), this must be so.
228          *
229          * The single entry is guaranteed by having the lock owner unhash
230          * before it releases.
231          */
232         BUG();
233 }
234
235 static struct pv_node *pv_unhash(struct qspinlock *lock)
236 {
237         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
238         struct pv_hash_entry *he;
239         struct pv_node *node;
240
241         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
242                 if (READ_ONCE(he->lock) == lock) {
243                         node = READ_ONCE(he->node);
244                         WRITE_ONCE(he->lock, NULL);
245                         return node;
246                 }
247         }
248         /*
249          * Hard assume we'll find an entry.
250          *
251          * This guarantees a limited lookup time and is itself guaranteed by
252          * having the lock owner do the unhash -- IFF the unlock sees the
253          * SLOW flag, there MUST be a hash entry.
254          */
255         BUG();
256 }
257
258 /*
259  * Return true if when it is time to check the previous node which is not
260  * in a running state.
261  */
262 static inline bool
263 pv_wait_early(struct pv_node *prev, int loop)
264 {
265         if ((loop & PV_PREV_CHECK_MASK) != 0)
266                 return false;
267
268         return READ_ONCE(prev->state) != vcpu_running || vcpu_is_preempted(prev->cpu);
269 }
270
271 /*
272  * Initialize the PV part of the mcs_spinlock node.
273  */
274 static void pv_init_node(struct mcs_spinlock *node)
275 {
276         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
277
278         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct pv_node) > 5*sizeof(struct mcs_spinlock));
279
280         pn->cpu = smp_processor_id();
281         pn->state = vcpu_running;
282 }
283
284 /*
285  * Wait for node->locked to become true, halt the vcpu after a short spin.
286  * pv_kick_node() is used to set _Q_SLOW_VAL and fill in hash table on its
287  * behalf.
288  */
289 static void pv_wait_node(struct mcs_spinlock *node, struct mcs_spinlock *prev)
290 {
291         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
292         struct pv_node *pp = (struct pv_node *)prev;
293         int loop;
294         bool wait_early;
295
296         for (;;) {
297                 for (wait_early = false, loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
298                         if (READ_ONCE(node->locked))
299                                 return;
300                         if (pv_wait_early(pp, loop)) {
301                                 wait_early = true;
302                                 break;
303                         }
304                         cpu_relax();
305                 }
306
307                 /*
308                  * Order pn->state vs pn->locked thusly:
309                  *
310                  * [S] pn->state = vcpu_halted    [S] next->locked = 1
311                  *     MB                             MB
312                  * [L] pn->locked               [RmW] pn->state = vcpu_hashed
313                  *
314                  * Matches the cmpxchg() from pv_kick_node().
315                  */
316                 smp_store_mb(pn->state, vcpu_halted);
317
318                 if (!READ_ONCE(node->locked)) {
319                         qstat_inc(qstat_pv_wait_node, true);
320                         qstat_inc(qstat_pv_wait_early, wait_early);
321                         pv_wait(&pn->state, vcpu_halted);
322                 }
323
324                 /*
325                  * If pv_kick_node() changed us to vcpu_hashed, retain that
326                  * value so that pv_wait_head_or_lock() knows to not also try
327                  * to hash this lock.
328                  */
329                 cmpxchg(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_running);
330
331                 /*
332                  * If the locked flag is still not set after wakeup, it is a
333                  * spurious wakeup and the vCPU should wait again. However,
334                  * there is a pretty high overhead for CPU halting and kicking.
335                  * So it is better to spin for a while in the hope that the
336                  * MCS lock will be released soon.
337                  */
338                 qstat_inc(qstat_pv_spurious_wakeup, !READ_ONCE(node->locked));
339         }
340
341         /*
342          * By now our node->locked should be 1 and our caller will not actually
343          * spin-wait for it. We do however rely on our caller to do a
344          * load-acquire for us.
345          */
346 }
347
348 /*
349  * Called after setting next->locked = 1 when we're the lock owner.
350  *
351  * Instead of waking the waiters stuck in pv_wait_node() advance their state
352  * such that they're waiting in pv_wait_head_or_lock(), this avoids a
353  * wake/sleep cycle.
354  */
355 static void pv_kick_node(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
356 {
357         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
358         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
359
360         /*
361          * If the vCPU is indeed halted, advance its state to match that of
362          * pv_wait_node(). If OTOH this fails, the vCPU was running and will
363          * observe its next->locked value and advance itself.
364          *
365          * Matches with smp_store_mb() and cmpxchg() in pv_wait_node()
366          *
367          * The write to next->locked in arch_mcs_spin_unlock_contended()
368          * must be ordered before the read of pn->state in the cmpxchg()
369          * below for the code to work correctly. To guarantee full ordering
370          * irrespective of the success or failure of the cmpxchg(),
371          * a relaxed version with explicit barrier is used. The control
372          * dependency will order the reading of pn->state before any
373          * subsequent writes.
374          */
375         smp_mb__before_atomic();
376         if (cmpxchg_relaxed(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_hashed)
377             != vcpu_halted)
378                 return;
379
380         /*
381          * Put the lock into the hash table and set the _Q_SLOW_VAL.
382          *
383          * As this is the same vCPU that will check the _Q_SLOW_VAL value and
384          * the hash table later on at unlock time, no atomic instruction is
385          * needed.
386          */
387         WRITE_ONCE(l->locked, _Q_SLOW_VAL);
388         (void)pv_hash(lock, pn);
389 }
390
391 /*
392  * Wait for l->locked to become clear and acquire the lock;
393  * halt the vcpu after a short spin.
394  * __pv_queued_spin_unlock() will wake us.
395  *
396  * The current value of the lock will be returned for additional processing.
397  */
398 static u32
399 pv_wait_head_or_lock(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
400 {
401         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
402         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
403         struct qspinlock **lp = NULL;
404         int waitcnt = 0;
405         int loop;
406
407         /*
408          * If pv_kick_node() already advanced our state, we don't need to
409          * insert ourselves into the hash table anymore.
410          */
411         if (READ_ONCE(pn->state) == vcpu_hashed)
412                 lp = (struct qspinlock **)1;
413
414         /*
415          * Tracking # of slowpath locking operations
416          */
417         qstat_inc(qstat_pv_lock_slowpath, true);
418
419         for (;; waitcnt++) {
420                 /*
421                  * Set correct vCPU state to be used by queue node wait-early
422                  * mechanism.
423                  */
424                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_running);
425
426                 /*
427                  * Set the pending bit in the active lock spinning loop to
428                  * disable lock stealing before attempting to acquire the lock.
429                  */
430                 set_pending(lock);
431                 for (loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
432                         if (trylock_clear_pending(lock))
433                                 goto gotlock;
434                         cpu_relax();
435                 }
436                 clear_pending(lock);
437
438
439                 if (!lp) { /* ONCE */
440                         lp = pv_hash(lock, pn);
441
442                         /*
443                          * We must hash before setting _Q_SLOW_VAL, such that
444                          * when we observe _Q_SLOW_VAL in __pv_queued_spin_unlock()
445                          * we'll be sure to be able to observe our hash entry.
446                          *
447                          *   [S] <hash>                 [Rmw] l->locked == _Q_SLOW_VAL
448                          *       MB                           RMB
449                          * [RmW] l->locked = _Q_SLOW_VAL  [L] <unhash>
450                          *
451                          * Matches the smp_rmb() in __pv_queued_spin_unlock().
452                          */
453                         if (xchg(&l->locked, _Q_SLOW_VAL) == 0) {
454                                 /*
455                                  * The lock was free and now we own the lock.
456                                  * Change the lock value back to _Q_LOCKED_VAL
457                                  * and unhash the table.
458                                  */
459                                 WRITE_ONCE(l->locked, _Q_LOCKED_VAL);
460                                 WRITE_ONCE(*lp, NULL);
461                                 goto gotlock;
462                         }
463                 }
464                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_hashed);
465                 qstat_inc(qstat_pv_wait_head, true);
466                 qstat_inc(qstat_pv_wait_again, waitcnt);
467                 pv_wait(&l->locked, _Q_SLOW_VAL);
468
469                 /*
470                  * Because of lock stealing, the queue head vCPU may not be
471                  * able to acquire the lock before it has to wait again.
472                  */
473         }
474
475         /*
476          * The cmpxchg() or xchg() call before coming here provides the
477          * acquire semantics for locking. The dummy ORing of _Q_LOCKED_VAL
478          * here is to indicate to the compiler that the value will always
479          * be nozero to enable better code optimization.
480          */
481 gotlock:
482         return (u32)(atomic_read(&lock->val) | _Q_LOCKED_VAL);
483 }
484
485 /*
486  * PV versions of the unlock fastpath and slowpath functions to be used
487  * instead of queued_spin_unlock().
488  */
489 __visible void
490 __pv_queued_spin_unlock_slowpath(struct qspinlock *lock, u8 locked)
491 {
492         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
493         struct pv_node *node;
494
495         if (unlikely(locked != _Q_SLOW_VAL)) {
496                 WARN(!debug_locks_silent,
497                      "pvqspinlock: lock 0x%lx has corrupted value 0x%x!\n",
498                      (unsigned long)lock, atomic_read(&lock->val));
499                 return;
500         }
501
502         /*
503          * A failed cmpxchg doesn't provide any memory-ordering guarantees,
504          * so we need a barrier to order the read of the node data in
505          * pv_unhash *after* we've read the lock being _Q_SLOW_VAL.
506          *
507          * Matches the cmpxchg() in pv_wait_head_or_lock() setting _Q_SLOW_VAL.
508          */
509         smp_rmb();
510
511         /*
512          * Since the above failed to release, this must be the SLOW path.
513          * Therefore start by looking up the blocked node and unhashing it.
514          */
515         node = pv_unhash(lock);
516
517         /*
518          * Now that we have a reference to the (likely) blocked pv_node,
519          * release the lock.
520          */
521         smp_store_release(&l->locked, 0);
522
523         /*
524          * At this point the memory pointed at by lock can be freed/reused,
525          * however we can still use the pv_node to kick the CPU.
526          * The other vCPU may not really be halted, but kicking an active
527          * vCPU is harmless other than the additional latency in completing
528          * the unlock.
529          */
530         qstat_inc(qstat_pv_kick_unlock, true);
531         pv_kick(node->cpu);
532 }
533
534 /*
535  * Include the architecture specific callee-save thunk of the
536  * __pv_queued_spin_unlock(). This thunk is put together with
537  * __pv_queued_spin_unlock() to make the callee-save thunk and the real unlock
538  * function close to each other sharing consecutive instruction cachelines.
539  * Alternatively, architecture specific version of __pv_queued_spin_unlock()
540  * can be defined.
541  */
542 #include <asm/qspinlock_paravirt.h>
543
544 #ifndef __pv_queued_spin_unlock
545 __visible void __pv_queued_spin_unlock(struct qspinlock *lock)
546 {
547         struct __qspinlock *l = (void *)lock;
548         u8 locked;
549
550         /*
551          * We must not unlock if SLOW, because in that case we must first
552          * unhash. Otherwise it would be possible to have multiple @lock
553          * entries, which would be BAD.
554          */
555         locked = cmpxchg_release(&l->locked, _Q_LOCKED_VAL, 0);
556         if (likely(locked == _Q_LOCKED_VAL))
557                 return;
558
559         __pv_queued_spin_unlock_slowpath(lock, locked);
560 }
561 #endif /* __pv_queued_spin_unlock */