Merge tag 'kgdb-5.10-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/danielt...
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / RCU / rcu_dereference.rst
1 .. _rcu_dereference_doc:
2
3 PROPER CARE AND FEEDING OF RETURN VALUES FROM rcu_dereference()
4 ===============================================================
5
6 Most of the time, you can use values from rcu_dereference() or one of
7 the similar primitives without worries.  Dereferencing (prefix "*"),
8 field selection ("->"), assignment ("="), address-of ("&"), addition and
9 subtraction of constants, and casts all work quite naturally and safely.
10
11 It is nevertheless possible to get into trouble with other operations.
12 Follow these rules to keep your RCU code working properly:
13
14 -       You must use one of the rcu_dereference() family of primitives
15         to load an RCU-protected pointer, otherwise CONFIG_PROVE_RCU
16         will complain.  Worse yet, your code can see random memory-corruption
17         bugs due to games that compilers and DEC Alpha can play.
18         Without one of the rcu_dereference() primitives, compilers
19         can reload the value, and won't your code have fun with two
20         different values for a single pointer!  Without rcu_dereference(),
21         DEC Alpha can load a pointer, dereference that pointer, and
22         return data preceding initialization that preceded the store of
23         the pointer.
24
25         In addition, the volatile cast in rcu_dereference() prevents the
26         compiler from deducing the resulting pointer value.  Please see
27         the section entitled "EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH"
28         for an example where the compiler can in fact deduce the exact
29         value of the pointer, and thus cause misordering.
30
31 -       You are only permitted to use rcu_dereference on pointer values.
32         The compiler simply knows too much about integral values to
33         trust it to carry dependencies through integer operations.
34         There are a very few exceptions, namely that you can temporarily
35         cast the pointer to uintptr_t in order to:
36
37         -       Set bits and clear bits down in the must-be-zero low-order
38                 bits of that pointer.  This clearly means that the pointer
39                 must have alignment constraints, for example, this does
40                 -not- work in general for char* pointers.
41
42         -       XOR bits to translate pointers, as is done in some
43                 classic buddy-allocator algorithms.
44
45         It is important to cast the value back to pointer before
46         doing much of anything else with it.
47
48 -       Avoid cancellation when using the "+" and "-" infix arithmetic
49         operators.  For example, for a given variable "x", avoid
50         "(x-(uintptr_t)x)" for char* pointers.  The compiler is within its
51         rights to substitute zero for this sort of expression, so that
52         subsequent accesses no longer depend on the rcu_dereference(),
53         again possibly resulting in bugs due to misordering.
54
55         Of course, if "p" is a pointer from rcu_dereference(), and "a"
56         and "b" are integers that happen to be equal, the expression
57         "p+a-b" is safe because its value still necessarily depends on
58         the rcu_dereference(), thus maintaining proper ordering.
59
60 -       If you are using RCU to protect JITed functions, so that the
61         "()" function-invocation operator is applied to a value obtained
62         (directly or indirectly) from rcu_dereference(), you may need to
63         interact directly with the hardware to flush instruction caches.
64         This issue arises on some systems when a newly JITed function is
65         using the same memory that was used by an earlier JITed function.
66
67 -       Do not use the results from relational operators ("==", "!=",
68         ">", ">=", "<", or "<=") when dereferencing.  For example,
69         the following (quite strange) code is buggy::
70
71                 int *p;
72                 int *q;
73
74                 ...
75
76                 p = rcu_dereference(gp)
77                 q = &global_q;
78                 q += p > &oom_p;
79                 r1 = *q;  /* BUGGY!!! */
80
81         As before, the reason this is buggy is that relational operators
82         are often compiled using branches.  And as before, although
83         weak-memory machines such as ARM or PowerPC do order stores
84         after such branches, but can speculate loads, which can again
85         result in misordering bugs.
86
87 -       Be very careful about comparing pointers obtained from
88         rcu_dereference() against non-NULL values.  As Linus Torvalds
89         explained, if the two pointers are equal, the compiler could
90         substitute the pointer you are comparing against for the pointer
91         obtained from rcu_dereference().  For example::
92
93                 p = rcu_dereference(gp);
94                 if (p == &default_struct)
95                         do_default(p->a);
96
97         Because the compiler now knows that the value of "p" is exactly
98         the address of the variable "default_struct", it is free to
99         transform this code into the following::
100
101                 p = rcu_dereference(gp);
102                 if (p == &default_struct)
103                         do_default(default_struct.a);
104
105         On ARM and Power hardware, the load from "default_struct.a"
106         can now be speculated, such that it might happen before the
107         rcu_dereference().  This could result in bugs due to misordering.
108
109         However, comparisons are OK in the following cases:
110
111         -       The comparison was against the NULL pointer.  If the
112                 compiler knows that the pointer is NULL, you had better
113                 not be dereferencing it anyway.  If the comparison is
114                 non-equal, the compiler is none the wiser.  Therefore,
115                 it is safe to compare pointers from rcu_dereference()
116                 against NULL pointers.
117
118         -       The pointer is never dereferenced after being compared.
119                 Since there are no subsequent dereferences, the compiler
120                 cannot use anything it learned from the comparison
121                 to reorder the non-existent subsequent dereferences.
122                 This sort of comparison occurs frequently when scanning
123                 RCU-protected circular linked lists.
124
125                 Note that if checks for being within an RCU read-side
126                 critical section are not required and the pointer is never
127                 dereferenced, rcu_access_pointer() should be used in place
128                 of rcu_dereference().
129
130         -       The comparison is against a pointer that references memory
131                 that was initialized "a long time ago."  The reason
132                 this is safe is that even if misordering occurs, the
133                 misordering will not affect the accesses that follow
134                 the comparison.  So exactly how long ago is "a long
135                 time ago"?  Here are some possibilities:
136
137                 -       Compile time.
138
139                 -       Boot time.
140
141                 -       Module-init time for module code.
142
143                 -       Prior to kthread creation for kthread code.
144
145                 -       During some prior acquisition of the lock that
146                         we now hold.
147
148                 -       Before mod_timer() time for a timer handler.
149
150                 There are many other possibilities involving the Linux
151                 kernel's wide array of primitives that cause code to
152                 be invoked at a later time.
153
154         -       The pointer being compared against also came from
155                 rcu_dereference().  In this case, both pointers depend
156                 on one rcu_dereference() or another, so you get proper
157                 ordering either way.
158
159                 That said, this situation can make certain RCU usage
160                 bugs more likely to happen.  Which can be a good thing,
161                 at least if they happen during testing.  An example
162                 of such an RCU usage bug is shown in the section titled
163                 "EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG".
164
165         -       All of the accesses following the comparison are stores,
166                 so that a control dependency preserves the needed ordering.
167                 That said, it is easy to get control dependencies wrong.
168                 Please see the "CONTROL DEPENDENCIES" section of
169                 Documentation/memory-barriers.txt for more details.
170
171         -       The pointers are not equal -and- the compiler does
172                 not have enough information to deduce the value of the
173                 pointer.  Note that the volatile cast in rcu_dereference()
174                 will normally prevent the compiler from knowing too much.
175
176                 However, please note that if the compiler knows that the
177                 pointer takes on only one of two values, a not-equal
178                 comparison will provide exactly the information that the
179                 compiler needs to deduce the value of the pointer.
180
181 -       Disable any value-speculation optimizations that your compiler
182         might provide, especially if you are making use of feedback-based
183         optimizations that take data collected from prior runs.  Such
184         value-speculation optimizations reorder operations by design.
185
186         There is one exception to this rule:  Value-speculation
187         optimizations that leverage the branch-prediction hardware are
188         safe on strongly ordered systems (such as x86), but not on weakly
189         ordered systems (such as ARM or Power).  Choose your compiler
190         command-line options wisely!
191
192
193 EXAMPLE OF AMPLIFIED RCU-USAGE BUG
194 ----------------------------------
195
196 Because updaters can run concurrently with RCU readers, RCU readers can
197 see stale and/or inconsistent values.  If RCU readers need fresh or
198 consistent values, which they sometimes do, they need to take proper
199 precautions.  To see this, consider the following code fragment::
200
201         struct foo {
202                 int a;
203                 int b;
204                 int c;
205         };
206         struct foo *gp1;
207         struct foo *gp2;
208
209         void updater(void)
210         {
211                 struct foo *p;
212
213                 p = kmalloc(...);
214                 if (p == NULL)
215                         deal_with_it();
216                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
217                 p->b = 43;
218                 p->c = 44;
219                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
220                 p->b = 143;
221                 p->c = 144;
222                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
223         }
224
225         void reader(void)
226         {
227                 struct foo *p;
228                 struct foo *q;
229                 int r1, r2;
230
231                 p = rcu_dereference(gp2);
232                 if (p == NULL)
233                         return;
234                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
235                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
236                 if (p == q) {
237                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
238                         r2 = p->c; /* Could get 44 on weakly order system. */
239                 }
240                 do_something_with(r1, r2);
241         }
242
243 You might be surprised that the outcome (r1 == 143 && r2 == 44) is possible,
244 but you should not be.  After all, the updater might have been invoked
245 a second time between the time reader() loaded into "r1" and the time
246 that it loaded into "r2".  The fact that this same result can occur due
247 to some reordering from the compiler and CPUs is beside the point.
248
249 But suppose that the reader needs a consistent view?
250
251 Then one approach is to use locking, for example, as follows::
252
253         struct foo {
254                 int a;
255                 int b;
256                 int c;
257                 spinlock_t lock;
258         };
259         struct foo *gp1;
260         struct foo *gp2;
261
262         void updater(void)
263         {
264                 struct foo *p;
265
266                 p = kmalloc(...);
267                 if (p == NULL)
268                         deal_with_it();
269                 spin_lock(&p->lock);
270                 p->a = 42;  /* Each field in its own cache line. */
271                 p->b = 43;
272                 p->c = 44;
273                 spin_unlock(&p->lock);
274                 rcu_assign_pointer(gp1, p);
275                 spin_lock(&p->lock);
276                 p->b = 143;
277                 p->c = 144;
278                 spin_unlock(&p->lock);
279                 rcu_assign_pointer(gp2, p);
280         }
281
282         void reader(void)
283         {
284                 struct foo *p;
285                 struct foo *q;
286                 int r1, r2;
287
288                 p = rcu_dereference(gp2);
289                 if (p == NULL)
290                         return;
291                 spin_lock(&p->lock);
292                 r1 = p->b;  /* Guaranteed to get 143. */
293                 q = rcu_dereference(gp1);  /* Guaranteed non-NULL. */
294                 if (p == q) {
295                         /* The compiler decides that q->c is same as p->c. */
296                         r2 = p->c; /* Locking guarantees r2 == 144. */
297                 }
298                 spin_unlock(&p->lock);
299                 do_something_with(r1, r2);
300         }
301
302 As always, use the right tool for the job!
303
304
305 EXAMPLE WHERE THE COMPILER KNOWS TOO MUCH
306 -----------------------------------------
307
308 If a pointer obtained from rcu_dereference() compares not-equal to some
309 other pointer, the compiler normally has no clue what the value of the
310 first pointer might be.  This lack of knowledge prevents the compiler
311 from carrying out optimizations that otherwise might destroy the ordering
312 guarantees that RCU depends on.  And the volatile cast in rcu_dereference()
313 should prevent the compiler from guessing the value.
314
315 But without rcu_dereference(), the compiler knows more than you might
316 expect.  Consider the following code fragment::
317
318         struct foo {
319                 int a;
320                 int b;
321         };
322         static struct foo variable1;
323         static struct foo variable2;
324         static struct foo *gp = &variable1;
325
326         void updater(void)
327         {
328                 initialize_foo(&variable2);
329                 rcu_assign_pointer(gp, &variable2);
330                 /*
331                  * The above is the only store to gp in this translation unit,
332                  * and the address of gp is not exported in any way.
333                  */
334         }
335
336         int reader(void)
337         {
338                 struct foo *p;
339
340                 p = gp;
341                 barrier();
342                 if (p == &variable1)
343                         return p->a; /* Must be variable1.a. */
344                 else
345                         return p->b; /* Must be variable2.b. */
346         }
347
348 Because the compiler can see all stores to "gp", it knows that the only
349 possible values of "gp" are "variable1" on the one hand and "variable2"
350 on the other.  The comparison in reader() therefore tells the compiler
351 the exact value of "p" even in the not-equals case.  This allows the
352 compiler to make the return values independent of the load from "gp",
353 in turn destroying the ordering between this load and the loads of the
354 return values.  This can result in "p->b" returning pre-initialization
355 garbage values.
356
357 In short, rcu_dereference() is -not- optional when you are going to
358 dereference the resulting pointer.
359
360
361 WHICH MEMBER OF THE rcu_dereference() FAMILY SHOULD YOU USE?
362 ------------------------------------------------------------
363
364 First, please avoid using rcu_dereference_raw() and also please avoid
365 using rcu_dereference_check() and rcu_dereference_protected() with a
366 second argument with a constant value of 1 (or true, for that matter).
367 With that caution out of the way, here is some guidance for which
368 member of the rcu_dereference() to use in various situations:
369
370 1.      If the access needs to be within an RCU read-side critical
371         section, use rcu_dereference().  With the new consolidated
372         RCU flavors, an RCU read-side critical section is entered
373         using rcu_read_lock(), anything that disables bottom halves,
374         anything that disables interrupts, or anything that disables
375         preemption.
376
377 2.      If the access might be within an RCU read-side critical section
378         on the one hand, or protected by (say) my_lock on the other,
379         use rcu_dereference_check(), for example::
380
381                 p1 = rcu_dereference_check(p->rcu_protected_pointer,
382                                            lockdep_is_held(&my_lock));
383
384
385 3.      If the access might be within an RCU read-side critical section
386         on the one hand, or protected by either my_lock or your_lock on
387         the other, again use rcu_dereference_check(), for example::
388
389                 p1 = rcu_dereference_check(p->rcu_protected_pointer,
390                                            lockdep_is_held(&my_lock) ||
391                                            lockdep_is_held(&your_lock));
392
393 4.      If the access is on the update side, so that it is always protected
394         by my_lock, use rcu_dereference_protected()::
395
396                 p1 = rcu_dereference_protected(p->rcu_protected_pointer,
397                                                lockdep_is_held(&my_lock));
398
399         This can be extended to handle multiple locks as in #3 above,
400         and both can be extended to check other conditions as well.
401
402 5.      If the protection is supplied by the caller, and is thus unknown
403         to this code, that is the rare case when rcu_dereference_raw()
404         is appropriate.  In addition, rcu_dereference_raw() might be
405         appropriate when the lockdep expression would be excessively
406         complex, except that a better approach in that case might be to
407         take a long hard look at your synchronization design.  Still,
408         there are data-locking cases where any one of a very large number
409         of locks or reference counters suffices to protect the pointer,
410         so rcu_dereference_raw() does have its place.
411
412         However, its place is probably quite a bit smaller than one
413         might expect given the number of uses in the current kernel.
414         Ditto for its synonym, rcu_dereference_check( ... , 1), and
415         its close relative, rcu_dereference_protected(... , 1).
416
417
418 SPARSE CHECKING OF RCU-PROTECTED POINTERS
419 -----------------------------------------
420
421 The sparse static-analysis tool checks for direct access to RCU-protected
422 pointers, which can result in "interesting" bugs due to compiler
423 optimizations involving invented loads and perhaps also load tearing.
424 For example, suppose someone mistakenly does something like this::
425
426         p = q->rcu_protected_pointer;
427         do_something_with(p->a);
428         do_something_else_with(p->b);
429
430 If register pressure is high, the compiler might optimize "p" out
431 of existence, transforming the code to something like this::
432
433         do_something_with(q->rcu_protected_pointer->a);
434         do_something_else_with(q->rcu_protected_pointer->b);
435
436 This could fatally disappoint your code if q->rcu_protected_pointer
437 changed in the meantime.  Nor is this a theoretical problem:  Exactly
438 this sort of bug cost Paul E. McKenney (and several of his innocent
439 colleagues) a three-day weekend back in the early 1990s.
440
441 Load tearing could of course result in dereferencing a mashup of a pair
442 of pointers, which also might fatally disappoint your code.
443
444 These problems could have been avoided simply by making the code instead
445 read as follows::
446
447         p = rcu_dereference(q->rcu_protected_pointer);
448         do_something_with(p->a);
449         do_something_else_with(p->b);
450
451 Unfortunately, these sorts of bugs can be extremely hard to spot during
452 review.  This is where the sparse tool comes into play, along with the
453 "__rcu" marker.  If you mark a pointer declaration, whether in a structure
454 or as a formal parameter, with "__rcu", which tells sparse to complain if
455 this pointer is accessed directly.  It will also cause sparse to complain
456 if a pointer not marked with "__rcu" is accessed using rcu_dereference()
457 and friends.  For example, ->rcu_protected_pointer might be declared as
458 follows::
459
460         struct foo __rcu *rcu_protected_pointer;
461
462 Use of "__rcu" is opt-in.  If you choose not to use it, then you should
463 ignore the sparse warnings.