]> asedeno.scripts.mit.edu Git - linux.git/blob - kernel/locking/rwsem-xadd.c
63b40a5c62ec37eee796492406a57e8db72035e5
[linux.git] / kernel / locking / rwsem-xadd.c
1 /* rwsem.c: R/W semaphores: contention handling functions
2  *
3  * Written by David Howells (dhowells@redhat.com).
4  * Derived from arch/i386/kernel/semaphore.c
5  *
6  * Writer lock-stealing by Alex Shi <alex.shi@intel.com>
7  * and Michel Lespinasse <walken@google.com>
8  *
9  * Optimistic spinning by Tim Chen <tim.c.chen@intel.com>
10  * and Davidlohr Bueso <davidlohr@hp.com>. Based on mutexes.
11  */
12 #include <linux/rwsem.h>
13 #include <linux/sched.h>
14 #include <linux/init.h>
15 #include <linux/export.h>
16 #include <linux/sched/rt.h>
17 #include <linux/osq_lock.h>
18
19 #include "rwsem.h"
20
21 /*
22  * Guide to the rw_semaphore's count field for common values.
23  * (32-bit case illustrated, similar for 64-bit)
24  *
25  * 0x0000000X   (1) X readers active or attempting lock, no writer waiting
26  *                  X = #active_readers + #readers attempting to lock
27  *                  (X*ACTIVE_BIAS)
28  *
29  * 0x00000000   rwsem is unlocked, and no one is waiting for the lock or
30  *              attempting to read lock or write lock.
31  *
32  * 0xffff000X   (1) X readers active or attempting lock, with waiters for lock
33  *                  X = #active readers + # readers attempting lock
34  *                  (X*ACTIVE_BIAS + WAITING_BIAS)
35  *              (2) 1 writer attempting lock, no waiters for lock
36  *                  X-1 = #active readers + #readers attempting lock
37  *                  ((X-1)*ACTIVE_BIAS + ACTIVE_WRITE_BIAS)
38  *              (3) 1 writer active, no waiters for lock
39  *                  X-1 = #active readers + #readers attempting lock
40  *                  ((X-1)*ACTIVE_BIAS + ACTIVE_WRITE_BIAS)
41  *
42  * 0xffff0001   (1) 1 reader active or attempting lock, waiters for lock
43  *                  (WAITING_BIAS + ACTIVE_BIAS)
44  *              (2) 1 writer active or attempting lock, no waiters for lock
45  *                  (ACTIVE_WRITE_BIAS)
46  *
47  * 0xffff0000   (1) There are writers or readers queued but none active
48  *                  or in the process of attempting lock.
49  *                  (WAITING_BIAS)
50  *              Note: writer can attempt to steal lock for this count by adding
51  *              ACTIVE_WRITE_BIAS in cmpxchg and checking the old count
52  *
53  * 0xfffe0001   (1) 1 writer active, or attempting lock. Waiters on queue.
54  *                  (ACTIVE_WRITE_BIAS + WAITING_BIAS)
55  *
56  * Note: Readers attempt to lock by adding ACTIVE_BIAS in down_read and checking
57  *       the count becomes more than 0 for successful lock acquisition,
58  *       i.e. the case where there are only readers or nobody has lock.
59  *       (1st and 2nd case above).
60  *
61  *       Writers attempt to lock by adding ACTIVE_WRITE_BIAS in down_write and
62  *       checking the count becomes ACTIVE_WRITE_BIAS for successful lock
63  *       acquisition (i.e. nobody else has lock or attempts lock).  If
64  *       unsuccessful, in rwsem_down_write_failed, we'll check to see if there
65  *       are only waiters but none active (5th case above), and attempt to
66  *       steal the lock.
67  *
68  */
69
70 /*
71  * Initialize an rwsem:
72  */
73 void __init_rwsem(struct rw_semaphore *sem, const char *name,
74                   struct lock_class_key *key)
75 {
76 #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
77         /*
78          * Make sure we are not reinitializing a held semaphore:
79          */
80         debug_check_no_locks_freed((void *)sem, sizeof(*sem));
81         lockdep_init_map(&sem->dep_map, name, key, 0);
82 #endif
83         atomic_long_set(&sem->count, RWSEM_UNLOCKED_VALUE);
84         raw_spin_lock_init(&sem->wait_lock);
85         INIT_LIST_HEAD(&sem->wait_list);
86 #ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
87         sem->owner = NULL;
88         osq_lock_init(&sem->osq);
89 #endif
90 }
91
92 EXPORT_SYMBOL(__init_rwsem);
93
94 enum rwsem_waiter_type {
95         RWSEM_WAITING_FOR_WRITE,
96         RWSEM_WAITING_FOR_READ
97 };
98
99 struct rwsem_waiter {
100         struct list_head list;
101         struct task_struct *task;
102         enum rwsem_waiter_type type;
103 };
104
105 enum rwsem_wake_type {
106         RWSEM_WAKE_ANY,         /* Wake whatever's at head of wait list */
107         RWSEM_WAKE_READERS,     /* Wake readers only */
108         RWSEM_WAKE_READ_OWNED   /* Waker thread holds the read lock */
109 };
110
111 /*
112  * handle the lock release when processes blocked on it that can now run
113  * - if we come here from up_xxxx(), then:
114  *   - the 'active part' of count (&0x0000ffff) reached 0 (but may have changed)
115  *   - the 'waiting part' of count (&0xffff0000) is -ve (and will still be so)
116  * - there must be someone on the queue
117  * - the wait_lock must be held by the caller
118  * - tasks are marked for wakeup, the caller must later invoke wake_up_q()
119  *   to actually wakeup the blocked task(s) and drop the reference count,
120  *   preferably when the wait_lock is released
121  * - woken process blocks are discarded from the list after having task zeroed
122  * - writers are only marked woken if downgrading is false
123  */
124 static struct rw_semaphore *
125 __rwsem_mark_wake(struct rw_semaphore *sem,
126                   enum rwsem_wake_type wake_type, struct wake_q_head *wake_q)
127 {
128         struct rwsem_waiter *waiter;
129         struct task_struct *tsk;
130         struct list_head *next;
131         long oldcount, woken, loop, adjustment;
132
133         waiter = list_entry(sem->wait_list.next, struct rwsem_waiter, list);
134         if (waiter->type == RWSEM_WAITING_FOR_WRITE) {
135                 if (wake_type == RWSEM_WAKE_ANY) {
136                         /*
137                          * Mark writer at the front of the queue for wakeup.
138                          * Until the task is actually later awoken later by
139                          * the caller, other writers are able to steal it.
140                          * Readers, on the other hand, will block as they
141                          * will notice the queued writer.
142                          */
143                         wake_q_add(wake_q, waiter->task);
144                 }
145                 goto out;
146         }
147
148         /* Writers might steal the lock before we grant it to the next reader.
149          * We prefer to do the first reader grant before counting readers
150          * so we can bail out early if a writer stole the lock.
151          */
152         adjustment = 0;
153         if (wake_type != RWSEM_WAKE_READ_OWNED) {
154                 adjustment = RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS;
155  try_reader_grant:
156                 oldcount = atomic_long_add_return(adjustment, &sem->count) - adjustment;
157
158                 if (unlikely(oldcount < RWSEM_WAITING_BIAS)) {
159                         /* A writer stole the lock. Undo our reader grant. */
160                         if (atomic_long_sub_return(adjustment, &sem->count) &
161                                                 RWSEM_ACTIVE_MASK)
162                                 goto out;
163                         /* Last active locker left. Retry waking readers. */
164                         goto try_reader_grant;
165                 }
166         }
167
168         /* Grant an infinite number of read locks to the readers at the front
169          * of the queue.  Note we increment the 'active part' of the count by
170          * the number of readers before waking any processes up.
171          */
172         woken = 0;
173         do {
174                 woken++;
175
176                 if (waiter->list.next == &sem->wait_list)
177                         break;
178
179                 waiter = list_entry(waiter->list.next,
180                                         struct rwsem_waiter, list);
181
182         } while (waiter->type != RWSEM_WAITING_FOR_WRITE);
183
184         adjustment = woken * RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS - adjustment;
185         if (waiter->type != RWSEM_WAITING_FOR_WRITE)
186                 /* hit end of list above */
187                 adjustment -= RWSEM_WAITING_BIAS;
188
189         if (adjustment)
190                 atomic_long_add(adjustment, &sem->count);
191
192         next = sem->wait_list.next;
193         loop = woken;
194         do {
195                 waiter = list_entry(next, struct rwsem_waiter, list);
196                 next = waiter->list.next;
197                 tsk = waiter->task;
198
199                 wake_q_add(wake_q, tsk);
200                 /*
201                  * Ensure that the last operation is setting the reader
202                  * waiter to nil such that rwsem_down_read_failed() cannot
203                  * race with do_exit() by always holding a reference count
204                  * to the task to wakeup.
205                  */
206                 smp_store_release(&waiter->task, NULL);
207         } while (--loop);
208
209         sem->wait_list.next = next;
210         next->prev = &sem->wait_list;
211
212  out:
213         return sem;
214 }
215
216 /*
217  * Wait for the read lock to be granted
218  */
219 __visible
220 struct rw_semaphore __sched *rwsem_down_read_failed(struct rw_semaphore *sem)
221 {
222         long count, adjustment = -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS;
223         struct rwsem_waiter waiter;
224         struct task_struct *tsk = current;
225         WAKE_Q(wake_q);
226
227         /* set up my own style of waitqueue */
228         waiter.task = tsk;
229         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_READ;
230
231         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
232         if (list_empty(&sem->wait_list))
233                 adjustment += RWSEM_WAITING_BIAS;
234         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
235
236         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
237         count = atomic_long_add_return(adjustment, &sem->count);
238
239         /* If there are no active locks, wake the front queued process(es).
240          *
241          * If there are no writers and we are first in the queue,
242          * wake our own waiter to join the existing active readers !
243          */
244         if (count == RWSEM_WAITING_BIAS ||
245             (count > RWSEM_WAITING_BIAS &&
246              adjustment != -RWSEM_ACTIVE_READ_BIAS))
247                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
248
249         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
250         wake_up_q(&wake_q);
251
252         /* wait to be given the lock */
253         while (true) {
254                 set_task_state(tsk, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
255                 if (!waiter.task)
256                         break;
257                 schedule();
258         }
259
260         __set_task_state(tsk, TASK_RUNNING);
261         return sem;
262 }
263 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_read_failed);
264
265 /*
266  * This function must be called with the sem->wait_lock held to prevent
267  * race conditions between checking the rwsem wait list and setting the
268  * sem->count accordingly.
269  */
270 static inline bool rwsem_try_write_lock(long count, struct rw_semaphore *sem)
271 {
272         /*
273          * Avoid trying to acquire write lock if count isn't RWSEM_WAITING_BIAS.
274          */
275         if (count != RWSEM_WAITING_BIAS)
276                 return false;
277
278         /*
279          * Acquire the lock by trying to set it to ACTIVE_WRITE_BIAS. If there
280          * are other tasks on the wait list, we need to add on WAITING_BIAS.
281          */
282         count = list_is_singular(&sem->wait_list) ?
283                         RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS :
284                         RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS + RWSEM_WAITING_BIAS;
285
286         if (atomic_long_cmpxchg_acquire(&sem->count, RWSEM_WAITING_BIAS, count)
287                                                         == RWSEM_WAITING_BIAS) {
288                 rwsem_set_owner(sem);
289                 return true;
290         }
291
292         return false;
293 }
294
295 #ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
296 /*
297  * Try to acquire write lock before the writer has been put on wait queue.
298  */
299 static inline bool rwsem_try_write_lock_unqueued(struct rw_semaphore *sem)
300 {
301         long old, count = atomic_long_read(&sem->count);
302
303         while (true) {
304                 if (!(count == 0 || count == RWSEM_WAITING_BIAS))
305                         return false;
306
307                 old = atomic_long_cmpxchg_acquire(&sem->count, count,
308                                       count + RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS);
309                 if (old == count) {
310                         rwsem_set_owner(sem);
311                         return true;
312                 }
313
314                 count = old;
315         }
316 }
317
318 static inline bool rwsem_can_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem)
319 {
320         struct task_struct *owner;
321         bool ret = true;
322
323         if (need_resched())
324                 return false;
325
326         rcu_read_lock();
327         owner = READ_ONCE(sem->owner);
328         if (!owner) {
329                 long count = atomic_long_read(&sem->count);
330                 /*
331                  * If sem->owner is not set, yet we have just recently entered the
332                  * slowpath with the lock being active, then there is a possibility
333                  * reader(s) may have the lock. To be safe, bail spinning in these
334                  * situations.
335                  */
336                 if (count & RWSEM_ACTIVE_MASK)
337                         ret = false;
338                 goto done;
339         }
340
341         ret = owner->on_cpu;
342 done:
343         rcu_read_unlock();
344         return ret;
345 }
346
347 static noinline
348 bool rwsem_spin_on_owner(struct rw_semaphore *sem, struct task_struct *owner)
349 {
350         long count;
351
352         rcu_read_lock();
353         while (sem->owner == owner) {
354                 /*
355                  * Ensure we emit the owner->on_cpu, dereference _after_
356                  * checking sem->owner still matches owner, if that fails,
357                  * owner might point to free()d memory, if it still matches,
358                  * the rcu_read_lock() ensures the memory stays valid.
359                  */
360                 barrier();
361
362                 /* abort spinning when need_resched or owner is not running */
363                 if (!owner->on_cpu || need_resched()) {
364                         rcu_read_unlock();
365                         return false;
366                 }
367
368                 cpu_relax_lowlatency();
369         }
370         rcu_read_unlock();
371
372         if (READ_ONCE(sem->owner))
373                 return true; /* new owner, continue spinning */
374
375         /*
376          * When the owner is not set, the lock could be free or
377          * held by readers. Check the counter to verify the
378          * state.
379          */
380         count = atomic_long_read(&sem->count);
381         return (count == 0 || count == RWSEM_WAITING_BIAS);
382 }
383
384 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
385 {
386         struct task_struct *owner;
387         bool taken = false;
388
389         preempt_disable();
390
391         /* sem->wait_lock should not be held when doing optimistic spinning */
392         if (!rwsem_can_spin_on_owner(sem))
393                 goto done;
394
395         if (!osq_lock(&sem->osq))
396                 goto done;
397
398         while (true) {
399                 owner = READ_ONCE(sem->owner);
400                 if (owner && !rwsem_spin_on_owner(sem, owner))
401                         break;
402
403                 /* wait_lock will be acquired if write_lock is obtained */
404                 if (rwsem_try_write_lock_unqueued(sem)) {
405                         taken = true;
406                         break;
407                 }
408
409                 /*
410                  * When there's no owner, we might have preempted between the
411                  * owner acquiring the lock and setting the owner field. If
412                  * we're an RT task that will live-lock because we won't let
413                  * the owner complete.
414                  */
415                 if (!owner && (need_resched() || rt_task(current)))
416                         break;
417
418                 /*
419                  * The cpu_relax() call is a compiler barrier which forces
420                  * everything in this loop to be re-loaded. We don't need
421                  * memory barriers as we'll eventually observe the right
422                  * values at the cost of a few extra spins.
423                  */
424                 cpu_relax_lowlatency();
425         }
426         osq_unlock(&sem->osq);
427 done:
428         preempt_enable();
429         return taken;
430 }
431
432 /*
433  * Return true if the rwsem has active spinner
434  */
435 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
436 {
437         return osq_is_locked(&sem->osq);
438 }
439
440 #else
441 static bool rwsem_optimistic_spin(struct rw_semaphore *sem)
442 {
443         return false;
444 }
445
446 static inline bool rwsem_has_spinner(struct rw_semaphore *sem)
447 {
448         return false;
449 }
450 #endif
451
452 /*
453  * Wait until we successfully acquire the write lock
454  */
455 static inline struct rw_semaphore *
456 __rwsem_down_write_failed_common(struct rw_semaphore *sem, int state)
457 {
458         long count;
459         bool waiting = true; /* any queued threads before us */
460         struct rwsem_waiter waiter;
461         struct rw_semaphore *ret = sem;
462         WAKE_Q(wake_q);
463
464         /* undo write bias from down_write operation, stop active locking */
465         count = atomic_long_sub_return(RWSEM_ACTIVE_WRITE_BIAS, &sem->count);
466
467         /* do optimistic spinning and steal lock if possible */
468         if (rwsem_optimistic_spin(sem))
469                 return sem;
470
471         /*
472          * Optimistic spinning failed, proceed to the slowpath
473          * and block until we can acquire the sem.
474          */
475         waiter.task = current;
476         waiter.type = RWSEM_WAITING_FOR_WRITE;
477
478         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
479
480         /* account for this before adding a new element to the list */
481         if (list_empty(&sem->wait_list))
482                 waiting = false;
483
484         list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
485
486         /* we're now waiting on the lock, but no longer actively locking */
487         if (waiting) {
488                 count = atomic_long_read(&sem->count);
489
490                 /*
491                  * If there were already threads queued before us and there are
492                  * no active writers, the lock must be read owned; so we try to
493                  * wake any read locks that were queued ahead of us.
494                  */
495                 if (count > RWSEM_WAITING_BIAS) {
496                         WAKE_Q(wake_q);
497
498                         sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READERS, &wake_q);
499                         /*
500                          * The wakeup is normally called _after_ the wait_lock
501                          * is released, but given that we are proactively waking
502                          * readers we can deal with the wake_q overhead as it is
503                          * similar to releasing and taking the wait_lock again
504                          * for attempting rwsem_try_write_lock().
505                          */
506                         wake_up_q(&wake_q);
507                 }
508
509         } else
510                 count = atomic_long_add_return(RWSEM_WAITING_BIAS, &sem->count);
511
512         /* wait until we successfully acquire the lock */
513         set_current_state(state);
514         while (true) {
515                 if (rwsem_try_write_lock(count, sem))
516                         break;
517                 raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
518
519                 /* Block until there are no active lockers. */
520                 do {
521                         if (signal_pending_state(state, current))
522                                 goto out_nolock;
523
524                         schedule();
525                         set_current_state(state);
526                 } while ((count = atomic_long_read(&sem->count)) & RWSEM_ACTIVE_MASK);
527
528                 raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
529         }
530         __set_current_state(TASK_RUNNING);
531         list_del(&waiter.list);
532         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
533
534         return ret;
535
536 out_nolock:
537         __set_current_state(TASK_RUNNING);
538         raw_spin_lock_irq(&sem->wait_lock);
539         list_del(&waiter.list);
540         if (list_empty(&sem->wait_list))
541                 atomic_long_add(-RWSEM_WAITING_BIAS, &sem->count);
542         else
543                 __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
544         raw_spin_unlock_irq(&sem->wait_lock);
545         wake_up_q(&wake_q);
546
547         return ERR_PTR(-EINTR);
548 }
549
550 __visible struct rw_semaphore * __sched
551 rwsem_down_write_failed(struct rw_semaphore *sem)
552 {
553         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
554 }
555 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed);
556
557 __visible struct rw_semaphore * __sched
558 rwsem_down_write_failed_killable(struct rw_semaphore *sem)
559 {
560         return __rwsem_down_write_failed_common(sem, TASK_KILLABLE);
561 }
562 EXPORT_SYMBOL(rwsem_down_write_failed_killable);
563
564 /*
565  * handle waking up a waiter on the semaphore
566  * - up_read/up_write has decremented the active part of count if we come here
567  */
568 __visible
569 struct rw_semaphore *rwsem_wake(struct rw_semaphore *sem)
570 {
571         unsigned long flags;
572         WAKE_Q(wake_q);
573
574         /*
575          * If a spinner is present, it is not necessary to do the wakeup.
576          * Try to do wakeup only if the trylock succeeds to minimize
577          * spinlock contention which may introduce too much delay in the
578          * unlock operation.
579          *
580          *    spinning writer           up_write/up_read caller
581          *    ---------------           -----------------------
582          * [S]   osq_unlock()           [L]   osq
583          *       MB                           RMB
584          * [RmW] rwsem_try_write_lock() [RmW] spin_trylock(wait_lock)
585          *
586          * Here, it is important to make sure that there won't be a missed
587          * wakeup while the rwsem is free and the only spinning writer goes
588          * to sleep without taking the rwsem. Even when the spinning writer
589          * is just going to break out of the waiting loop, it will still do
590          * a trylock in rwsem_down_write_failed() before sleeping. IOW, if
591          * rwsem_has_spinner() is true, it will guarantee at least one
592          * trylock attempt on the rwsem later on.
593          */
594         if (rwsem_has_spinner(sem)) {
595                 /*
596                  * The smp_rmb() here is to make sure that the spinner
597                  * state is consulted before reading the wait_lock.
598                  */
599                 smp_rmb();
600                 if (!raw_spin_trylock_irqsave(&sem->wait_lock, flags))
601                         return sem;
602                 goto locked;
603         }
604         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
605 locked:
606
607         /* do nothing if list empty */
608         if (!list_empty(&sem->wait_list))
609                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_ANY, &wake_q);
610
611         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
612         wake_up_q(&wake_q);
613
614         return sem;
615 }
616 EXPORT_SYMBOL(rwsem_wake);
617
618 /*
619  * downgrade a write lock into a read lock
620  * - caller incremented waiting part of count and discovered it still negative
621  * - just wake up any readers at the front of the queue
622  */
623 __visible
624 struct rw_semaphore *rwsem_downgrade_wake(struct rw_semaphore *sem)
625 {
626         unsigned long flags;
627         WAKE_Q(wake_q);
628
629         raw_spin_lock_irqsave(&sem->wait_lock, flags);
630
631         /* do nothing if list empty */
632         if (!list_empty(&sem->wait_list))
633                 sem = __rwsem_mark_wake(sem, RWSEM_WAKE_READ_OWNED, &wake_q);
634
635         raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->wait_lock, flags);
636         wake_up_q(&wake_q);
637
638         return sem;
639 }
640 EXPORT_SYMBOL(rwsem_downgrade_wake);