tools/memory-model/lock.cat

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
   2 (*
   3  * Copyright (C) 2016 Luc Maranget <luc.maranget@inria.fr> for Inria
   4  * Copyright (C) 2017 Alan Stern <stern@rowland.harvard.edu>
   5  *)
   6
   7 (*
   8  * Generate coherence orders and handle lock operations
   9  *
  10  * Warning: spin_is_locked() crashes herd7 versions strictly before 7.48.
  11  * spin_is_locked() is functional from herd7 version 7.49.
  12  *)
  13
  14 include "cross.cat"
  15
  16 (*
  17  * The lock-related events generated by herd are as follows:
  18  *
  19  * LKR          Lock-Read: the read part of a spin_lock() or successful
  20  *                      spin_trylock() read-modify-write event pair
  21  * LKW          Lock-Write: the write part of a spin_lock() or successful
  22  *                      spin_trylock() RMW event pair
  23  * UL           Unlock: a spin_unlock() event
  24  * LF           Lock-Fail: a failed spin_trylock() event
  25  * RL           Read-Locked: a spin_is_locked() event which returns True
  26  * RU           Read-Unlocked: a spin_is_locked() event which returns False
  27  *
  28  * LKR and LKW events always come paired, like all RMW event sequences.
  29  *
  30  * LKR, LF, RL, and RU are read events; LKR has Acquire ordering.
  31  * LKW and UL are write events; UL has Release ordering.
  32  * LKW, LF, RL, and RU have no ordering properties.
  33  *)
  34
  35 (* Link Lock-Reads to their RMW-partner Lock-Writes *)
  36 let lk-rmw = ([LKR] ; po-loc ; [LKW]) \ (po ; po)
  37 let rmw = rmw | lk-rmw
  38
  39 (*
  40  * A paired LKR must always see an unlocked value; spin_lock() calls nested
  41  * inside a critical section (for the same lock) always deadlock.
  42  *)
  43 empty ([LKW] ; po-loc ; [domain(lk-rmw)]) \ (po-loc ; [UL] ; po-loc)
  44         as lock-nest
  45
  46 (* The litmus test is invalid if an LKW event is not part of an RMW pair *)
  47 flag ~empty LKW \ range(lk-rmw) as unpaired-LKW
  48
  49 (* This will be allowed if we implement spin_is_locked() *)
  50 flag ~empty LKR \ domain(lk-rmw) as unpaired-LKR
  51
  52 (* There should be no ordinary R or W accesses to spinlocks *)
  53 let ALL-LOCKS = LKR | LKW | UL | LF
  54 flag ~empty [M \ IW] ; loc ; [ALL-LOCKS] as mixed-lock-accesses
  55
  56 (* The final value of a spinlock should not be tested *)
  57 flag ~empty [FW] ; loc ; [ALL-LOCKS] as lock-final
  58
  59 (* Backward compatibility *)
  60 let RL = try RL with emptyset
  61 let RU = try RU with emptyset
  62
  63 (* Treat RL as a kind of LF: a read with no ordering properties *)
  64 let LF = LF | RL
  65
  66 (*
  67  * Put lock operations in their appropriate classes, but leave UL out of W
  68  * until after the co relation has been generated.
  69  *)
  70 let R = R | LKR | LF | RU
  71 let W = W | LKW
  72
  73 let Release = Release | UL
  74 let Acquire = Acquire | LKR
  75
  76 (* Match LKW events to their corresponding UL events *)
  77 let critical = ([LKW] ; po-loc ; [UL]) \ (po-loc ; [LKW | UL] ; po-loc)
  78
  79 flag ~empty UL \ range(critical) as unmatched-unlock
  80
  81 (* Allow up to one unmatched LKW per location; more must deadlock *)
  82 let UNMATCHED-LKW = LKW \ domain(critical)
  83 empty ([UNMATCHED-LKW] ; loc ; [UNMATCHED-LKW]) \ id as unmatched-locks
  84
  85 (* rfi for LF events: link each LKW to the LF events in its critical section *)
  86 let rfi-lf = ([LKW] ; po-loc ; [LF]) \ ([LKW] ; po-loc ; [UL] ; po-loc)
  87
  88 (* rfe for LF events *)
  89 let all-possible-rfe-lf =
  90   (*
  91    * Given an LF event r, compute the possible rfe edges for that event
  92    * (all those starting from LKW events in other threads),
  93    * and then convert that relation to a set of single-edge relations.
  94    *)
  95   let possible-rfe-lf r =
  96     let pair-to-relation p = p ++ 0
  97     in map pair-to-relation ((LKW * {r}) & loc & ext)
  98   (* Do this for each LF event r that isn't in rfi-lf *)
  99   in map possible-rfe-lf (LF \ range(rfi-lf))
 100
 101 (* Generate all rf relations for LF events *)
 102 with rfe-lf from cross(all-possible-rfe-lf)
 103 let rf-lf = rfe-lf | rfi-lf
 104
 105 (*
 106  * RU, i.e., spin_is_locked() returning False, is slightly different.
 107  * We rely on the memory model to rule out cases where spin_is_locked()
 108  * within one of the lock's critical sections returns False.
 109  *)
 110
 111 (* rfi for RU events: an RU may read from the last po-previous UL *)
 112 let rfi-ru = ([UL] ; po-loc ; [RU]) \ ([UL] ; po-loc ; [LKW] ; po-loc)
 113
 114 (* rfe for RU events: an RU may read from an external UL or the initial write *)
 115 let all-possible-rfe-ru =
 116    let possible-rfe-ru r =
 117      let pair-to-relation p = p ++ 0
 118      in map pair-to-relation (((UL|IW) * {r}) & loc & ext)
 119   in map possible-rfe-ru RU
 120
 121 (* Generate all rf relations for RU events *)
 122 with rfe-ru from cross(all-possible-rfe-ru)
 123 let rf-ru = rfe-ru | rfi-ru
 124
 125 (* Final rf relation *)
 126 let rf = rf | rf-lf | rf-ru
 127
 128 (* Generate all co relations, including LKW events but not UL *)
 129 let co0 = co0 | ([IW] ; loc ; [LKW]) |
 130         (([LKW] ; loc ; [UNMATCHED-LKW]) \ [UNMATCHED-LKW])
 131 include "cos-opt.cat"
 132 let W = W | UL
 133 let M = R | W
 134
 135 (* Merge UL events into co *)
 136 let co = (co | critical | (critical^-1 ; co))+
 137 let coe = co & ext
 138 let coi = co & int
 139
 140 (* Merge LKR events into rf *)
 141 let rf = rf | ([IW | UL] ; singlestep(co) ; lk-rmw^-1)
 142 let rfe = rf & ext
 143 let rfi = rf & int
 144
 145 let fr = rf^-1 ; co
 146 let fre = fr & ext
 147 let fri = fr & int
 148
 149 show co,rf,fr