Add the rt linux 4.1.3-rt3 as base
[kvmfornfv.git] / kernel / Documentation / RCU / rcu_dereference.txt
diff --git a/kernel/Documentation/RCU/rcu_dereference.txt b/kernel/Documentation/RCU/rcu_dereference.txt
new file mode 100644 (file)
index 0000000..ceb05da
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,371 @@
+PROPER CARE AND FEEDING OF RETURN VALUES FROM rcu_dereference()
+
+Most of the time, you can use values from rcu_dereference() or one of
+the similar primitives without worries.  Dereferencing (prefix "*"),
+field selection ("->"), assignment ("="), address-of ("&"), addition and
+subtraction of constants, and casts all work quite naturally and safely.
+
+It is nevertheless possible to get into trouble with other operations.
+Follow these rules to keep your RCU code working properly:
+
+o      You must use one of the rcu_dereference() family of primitives
+       to load an RCU-protected pointer, otherwise CONFIG_PROVE_RCU
+       will complain.  Worse yet, your code can see random memory-corruption
+       bugs due to games that compilers and DEC Alpha can play.
+       Without one of the rcu_dereference() primitives, compilers
+       can reload the value, and won't your code have fun with two
+       different values for a single pointer!  Without rcu_dereference(),
+       DEC Alpha can load a pointer, dereference that pointer, and
+       return data preceding initialization that preceded the store of
+       the pointer.
+
+       In addition, the volatile cast in rcu_dereference() prevents the
+       compiler from deducing the resulting pointer value.  Please see
+       the section entitled "EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH"
+       for an example where the compiler can in fact deduce the exact
+       value of the pointer, and thus cause misordering.
+
+o      Do not use single-element RCU-protected arrays.  The compiler
+       is within its right to assume that the value of an index into
+       such an array must necessarily evaluate to zero.  The compiler
+       could then substitute the constant zero for the computation, so
+       that the array index no longer depended on the value returned
+       by rcu_dereference().  If the array index no longer depends
+       on rcu_dereference(), then both the compiler and the CPU
+       are within their rights to order the array access before the
+       rcu_dereference(), which can cause the array access to return
+       garbage.
+
+o      Avoid cancellation when using the "+" and "-" infix arithmetic
+       operators.  For example, for a given variable "x", avoid
+       "(x-x)".  There are similar arithmetic pitfalls from other
+       arithmetic operatiors, such as "(x*0)", "(x/(x+1))" or "(x%1)".
+       The compiler is within its rights to substitute zero for all of
+       these expressions, so that subsequent accesses no longer depend
+       on the rcu_dereference(), again possibly resulting in bugs due
+       to misordering.
+
+       Of course, if "p" is a pointer from rcu_dereference(), and "a"
+       and "b" are integers that happen to be equal, the expression
+       "p+a-b" is safe because its value still necessarily depends on
+       the rcu_dereference(), thus maintaining proper ordering.
+
+o      Avoid all-zero operands to the bitwise "&" operator, and
+       similarly avoid all-ones operands to the bitwise "|" operator.
+       If the compiler is able to deduce the value of such operands,
+       it is within its rights to substitute the corresponding constant
+       for the bitwise operation.  Once again, this causes subsequent
+       accesses to no longer depend on the rcu_dereference(), causing
+       bugs due to misordering.
+
+       Please note that single-bit operands to bitwise "&" can also
+       be dangerous.  At this point, the compiler knows that the
+       resulting value can only take on one of two possible values.
+       Therefore, a very small amount of additional information will
+       allow the compiler to deduce the exact value, which again can
+       result in misordering.
+
+o      If you are using RCU to protect JITed functions, so that the
+       "()" function-invocation operator is applied to a value obtained
+       (directly or indirectly) from rcu_dereference(), you may need to
+       interact directly with the hardware to flush instruction caches.
+       This issue arises on some systems when a newly JITed function is
+       using the same memory that was used by an earlier JITed function.
+
+o      Do not use the results from the boolean "&&" and "||" when
+       dereferencing.  For example, the following (rather improbable)
+       code is buggy:
+
+               int a[2];
+               int index;
+               int force_zero_index = 1;
+
+               ...
+
+               r1 = rcu_dereference(i1)
+               r2 = a[r1 && force_zero_index];  /* BUGGY!!! */
+
+       The reason this is buggy is that "&&" and "||" are often compiled
+       using branches.  While weak-memory machines such as ARM or PowerPC
+       do order stores after such branches, they can speculate loads,
+       which can result in misordering bugs.
+
+o      Do not use the results from relational operators ("==", "!=",
+       ">", ">=", "<", or "<=") when dereferencing.  For example,
+       the following (quite strange) code is buggy:
+
+               int a[2];
+               int index;
+               int flip_index = 0;
+
+               ...
+
+               r1 = rcu_dereference(i1)
+               r2 = a[r1 != flip_index];  /* BUGGY!!! */
+
+       As before, the reason this is buggy is that relational operators
+       are often compiled using branches.  And as before, although
+       weak-memory machines such as ARM or PowerPC do order stores
+       after such branches, but can speculate loads, which can again
+       result in misordering bugs.
+
+o      Be very careful about comparing pointers obtained from
+       rcu_dereference() against non-NULL values.  As Linus Torvalds
+       explained, if the two pointers are equal, the compiler could
+       substitute the pointer you are comparing against for the pointer
+       obtained from rcu_dereference().  For example:
+
+               p = rcu_dereference(gp);
+               if (p == &default_struct)
+                       do_default(p->a);
+
+       Because the compiler now knows that the value of "p" is exactly
+       the address of the variable "default_struct", it is free to
+       transform this code into the following:
+
+               p = rcu_dereference(gp);
+               if (p == &default_struct)
+                       do_default(default_struct.a);
+
+       On ARM and Power hardware, the load from "default_struct.a"
+       can now be speculated, such that it might happen before the
+       rcu_dereference().  This could result in bugs due to misordering.
+
+       However, comparisons are OK in the following cases:
+
+       o       The comparison was against the NULL pointer.  If the
+               compiler knows that the pointer is NULL, you had better
+               not be dereferencing it anyway.  If the comparison is
+               non-equal, the compiler is none the wiser.  Therefore,
+               it is safe to compare pointers from rcu_dereference()
+               against NULL pointers.
+
+       o       The pointer is never dereferenced after being compared.
+               Since there are no subsequent dereferences, the compiler
+               cannot use anything it learned from the comparison
+               to reorder the non-existent subsequent dereferences.
+               This sort of comparison occurs frequently when scanning
+               RCU-protected circular linked lists.
+
+       o       The comparison is against a pointer that references memory
+               that was initialized "a long time ago."  The reason
+               this is safe is that even if misordering occurs, the
+               misordering will not affect the accesses that follow
+               the comparison.  So exactly how long ago is "a long
+               time ago"?  Here are some possibilities:
+
+               o       Compile time.
+
+               o       Boot time.
+
+               o       Module-init time for module code.
+
+               o       Prior to kthread creation for kthread code.
+
+               o       During some prior acquisition of the lock that
+                       we now hold.
+
+               o       Before mod_timer() time for a timer handler.
+
+               There are many other possibilities involving the Linux
+               kernel's wide array of primitives that cause code to
+               be invoked at a later time.
+
+       o       The pointer being compared against also came from
+               rcu_dereference().  In this case, both pointers depend
+               on one rcu_dereference() or another, so you get proper
+               ordering either way.
+
+               That said, this situation can make certain RCU usage
+               bugs more likely to happen.  Which can be a good thing,
+               at least if they happen during testing.  An example
+               of such an RCU usage bug is shown in the section titled
+               "EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG".
+
+       o       All of the accesses following the comparison are stores,
+               so that a control dependency preserves the needed ordering.
+               That said, it is easy to get control dependencies wrong.
+               Please see the "CONTROL DEPENDENCIES" section of
+               Documentation/memory-barriers.txt for more details.
+
+       o       The pointers are not equal -and- the compiler does
+               not have enough information to deduce the value of the
+               pointer.  Note that the volatile cast in rcu_dereference()
+               will normally prevent the compiler from knowing too much.
+
+o      Disable any value-speculation optimizations that your compiler
+       might provide, especially if you are making use of feedback-based
+       optimizations that take data collected from prior runs.  Such
+       value-speculation optimizations reorder operations by design.
+
+       There is one exception to this rule:  Value-speculation
+       optimizations that leverage the branch-prediction hardware are
+       safe on strongly ordered systems (such as x86), but not on weakly
+       ordered systems (such as ARM or Power).  Choose your compiler
+       command-line options wisely!
+
+
+EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG
+
+Because updaters can run concurrently with RCU readers, RCU readers can
+see stale and/or inconsistent values.  If RCU readers need fresh or
+consistent values, which they sometimes do, they need to take proper
+precautions.  To see this, consider the following code fragment:
+
+       struct foo {
+               int a;
+               int b;
+               int c;
+       };
+       struct foo *gp1;
+       struct foo *gp2;
+
+       void updater(void)
+       {
+               struct foo *p;
+
+               p = kmalloc(...);
+               if (p == NULL)
+                       deal_with_it();
+               p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
+               p->b = 43;
+               p->c = 44;
+               rcu_assign_pointer(gp1, p);
+               p->b = 143;
+               p->c = 144;
+               rcu_assign_pointer(gp2, p);
+       }
+
+       void reader(void)
+       {
+               struct foo *p;
+               struct foo *q;
+               int r1, r2;
+
+               p = rcu_dereference(gp2);
+               if (p == NULL)
+                       return;
+               r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
+               q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
+               if (p == q) {
+                       /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
+                       r2 = p->c; /* Could get 44 on weakly order system. */
+               }
+               do_something_with(r1, r2);
+       }
+
+You might be surprised that the outcome (r1 == 143 && r2 == 44) is possible,
+but you should not be.  After all, the updater might have been invoked
+a second time between the time reader() loaded into "r1" and the time
+that it loaded into "r2".  The fact that this same result can occur due
+to some reordering from the compiler and CPUs is beside the point.
+
+But suppose that the reader needs a consistent view?
+
+Then one approach is to use locking, for example, as follows:
+
+       struct foo {
+               int a;
+               int b;
+               int c;
+               spinlock_t lock;
+       };
+       struct foo *gp1;
+       struct foo *gp2;
+
+       void updater(void)
+       {
+               struct foo *p;
+
+               p = kmalloc(...);
+               if (p == NULL)
+                       deal_with_it();
+               spin_lock(&p->lock);
+               p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
+               p->b = 43;
+               p->c = 44;
+               spin_unlock(&p->lock);
+               rcu_assign_pointer(gp1, p);
+               spin_lock(&p->lock);
+               p->b = 143;
+               p->c = 144;
+               spin_unlock(&p->lock);
+               rcu_assign_pointer(gp2, p);
+       }
+
+       void reader(void)
+       {
+               struct foo *p;
+               struct foo *q;
+               int r1, r2;
+
+               p = rcu_dereference(gp2);
+               if (p == NULL)
+                       return;
+               spin_lock(&p->lock);
+               r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
+               q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
+               if (p == q) {
+                       /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
+                       r2 = p->c; /* Locking guarantees r2 == 144. */
+               }
+               spin_unlock(&p->lock);
+               do_something_with(r1, r2);
+       }
+
+As always, use the right tool for the job!
+
+
+EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH
+
+If a pointer obtained from rcu_dereference() compares not-equal to some
+other pointer, the compiler normally has no clue what the value of the
+first pointer might be.  This lack of knowledge prevents the compiler
+from carrying out optimizations that otherwise might destroy the ordering
+guarantees that RCU depends on.  And the volatile cast in rcu_dereference()
+should prevent the compiler from guessing the value.
+
+But without rcu_dereference(), the compiler knows more than you might
+expect.  Consider the following code fragment:
+
+       struct foo {
+               int a;
+               int b;
+       };
+       static struct foo variable1;
+       static struct foo variable2;
+       static struct foo *gp = &variable1;
+
+       void updater(void)
+       {
+               initialize_foo(&variable2);
+               rcu_assign_pointer(gp, &variable2);
+               /*
+                * The above is the only store to gp in this translation unit,
+                * and the address of gp is not exported in any way.
+                */
+       }
+
+       int reader(void)
+       {
+               struct foo *p;
+
+               p = gp;
+               barrier();
+               if (p == &variable1)
+                       return p->a; /* Must be variable1.a. */
+               else
+                       return p->b; /* Must be variable2.b. */
+       }
+
+Because the compiler can see all stores to "gp", it knows that the only
+possible values of "gp" are "variable1" on the one hand and "variable2"
+on the other.  The comparison in reader() therefore tells the compiler
+the exact value of "p" even in the not-equals case.  This allows the
+compiler to make the return values independent of the load from "gp",
+in turn destroying the ordering between this load and the loads of the
+return values.  This can result in "p->b" returning pre-initialization
+garbage values.
+
+In short, rcu_dereference() is -not- optional when you are going to
+dereference the resulting pointer.