Merge tag 'asoc-fix-v5.18-rc7' of https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[linux-2.6-microblaze.git] / tools / memory-model / Documentation / litmus-tests.txt
1 Linux-Kernel Memory Model Litmus Tests
2 ======================================
3
4 This file describes the LKMM litmus-test format by example, describes
5 some tricks and traps, and finally outlines LKMM's limitations.  Earlier
6 versions of this material appeared in a number of LWN articles, including:
7
8 https://lwn.net/Articles/720550/
9         A formal kernel memory-ordering model (part 2)
10 https://lwn.net/Articles/608550/
11         Axiomatic validation of memory barriers and atomic instructions
12 https://lwn.net/Articles/470681/
13         Validating Memory Barriers and Atomic Instructions
14
15 This document presents information in decreasing order of applicability,
16 so that, where possible, the information that has proven more commonly
17 useful is shown near the beginning.
18
19 For information on installing LKMM, including the underlying "herd7"
20 tool, please see tools/memory-model/README.
21
22
23 Copy-Pasta
24 ==========
25
26 As with other software, it is often better (if less macho) to adapt an
27 existing litmus test than it is to create one from scratch.  A number
28 of litmus tests may be found in the kernel source tree:
29
30         tools/memory-model/litmus-tests/
31         Documentation/litmus-tests/
32
33 Several thousand more example litmus tests are available on github
34 and kernel.org:
35
36         https://github.com/paulmckrcu/litmus
37         https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/paulmck/perfbook.git/tree/CodeSamples/formal/herd
38         https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/paulmck/perfbook.git/tree/CodeSamples/formal/litmus
39
40 The -l and -L arguments to "git grep" can be quite helpful in identifying
41 existing litmus tests that are similar to the one you need.  But even if
42 you start with an existing litmus test, it is still helpful to have a
43 good understanding of the litmus-test format.
44
45
46 Examples and Format
47 ===================
48
49 This section describes the overall format of litmus tests, starting
50 with a small example of the message-passing pattern and moving on to
51 more complex examples that illustrate explicit initialization and LKMM's
52 minimalistic set of flow-control statements.
53
54
55 Message-Passing Example
56 -----------------------
57
58 This section gives an overview of the format of a litmus test using an
59 example based on the common message-passing use case.  This use case
60 appears often in the Linux kernel.  For example, a flag (modeled by "y"
61 below) indicates that a buffer (modeled by "x" below) is now completely
62 filled in and ready for use.  It would be very bad if the consumer saw the
63 flag set, but, due to memory misordering, saw old values in the buffer.
64
65 This example asks whether smp_store_release() and smp_load_acquire()
66 suffices to avoid this bad outcome:
67
68  1 C MP+pooncerelease+poacquireonce
69  2
70  3 {}
71  4
72  5 P0(int *x, int *y)
73  6 {
74  7   WRITE_ONCE(*x, 1);
75  8   smp_store_release(y, 1);
76  9 }
77 10
78 11 P1(int *x, int *y)
79 12 {
80 13   int r0;
81 14   int r1;
82 15
83 16   r0 = smp_load_acquire(y);
84 17   r1 = READ_ONCE(*x);
85 18 }
86 19
87 20 exists (1:r0=1 /\ 1:r1=0)
88
89 Line 1 starts with "C", which identifies this file as being in the
90 LKMM C-language format (which, as we will see, is a small fragment
91 of the full C language).  The remainder of line 1 is the name of
92 the test, which by convention is the filename with the ".litmus"
93 suffix stripped.  In this case, the actual test may be found in
94 tools/memory-model/litmus-tests/MP+pooncerelease+poacquireonce.litmus
95 in the Linux-kernel source tree.
96
97 Mechanically generated litmus tests will often have an optional
98 double-quoted comment string on the second line.  Such strings are ignored
99 when running the test.  Yes, you can add your own comments to litmus
100 tests, but this is a bit involved due to the use of multiple parsers.
101 For now, you can use C-language comments in the C code, and these comments
102 may be in either the "/* */" or the "//" style.  A later section will
103 cover the full litmus-test commenting story.
104
105 Line 3 is the initialization section.  Because the default initialization
106 to zero suffices for this test, the "{}" syntax is used, which mean the
107 initialization section is empty.  Litmus tests requiring non-default
108 initialization must have non-empty initialization sections, as in the
109 example that will be presented later in this document.
110
111 Lines 5-9 show the first process and lines 11-18 the second process.  Each
112 process corresponds to a Linux-kernel task (or kthread, workqueue, thread,
113 and so on; LKMM discussions often use these terms interchangeably).
114 The name of the first process is "P0" and that of the second "P1".
115 You can name your processes anything you like as long as the names consist
116 of a single "P" followed by a number, and as long as the numbers are
117 consecutive starting with zero.  This can actually be quite helpful,
118 for example, a .litmus file matching "^P1(" but not matching "^P2("
119 must contain a two-process litmus test.
120
121 The argument list for each function are pointers to the global variables
122 used by that function.  Unlike normal C-language function parameters, the
123 names are significant.  The fact that both P0() and P1() have a formal
124 parameter named "x" means that these two processes are working with the
125 same global variable, also named "x".  So the "int *x, int *y" on P0()
126 and P1() mean that both processes are working with two shared global
127 variables, "x" and "y".  Global variables are always passed to processes
128 by reference, hence "P0(int *x, int *y)", but *never* "P0(int x, int y)".
129
130 P0() has no local variables, but P1() has two of them named "r0" and "r1".
131 These names may be freely chosen, but for historical reasons stemming from
132 other litmus-test formats, it is conventional to use names consisting of
133 "r" followed by a number as shown here.  A common bug in litmus tests
134 is forgetting to add a global variable to a process's parameter list.
135 This will sometimes result in an error message, but can also cause the
136 intended global to instead be silently treated as an undeclared local
137 variable.
138
139 Each process's code is similar to Linux-kernel C, as can be seen on lines
140 7-8 and 13-17.  This code may use many of the Linux kernel's atomic
141 operations, some of its exclusive-lock functions, and some of its RCU
142 and SRCU functions.  An approximate list of the currently supported
143 functions may be found in the linux-kernel.def file.
144
145 The P0() process does "WRITE_ONCE(*x, 1)" on line 7.  Because "x" is a
146 pointer in P0()'s parameter list, this does an unordered store to global
147 variable "x".  Line 8 does "smp_store_release(y, 1)", and because "y"
148 is also in P0()'s parameter list, this does a release store to global
149 variable "y".
150
151 The P1() process declares two local variables on lines 13 and 14.
152 Line 16 does "r0 = smp_load_acquire(y)" which does an acquire load
153 from global variable "y" into local variable "r0".  Line 17 does a
154 "r1 = READ_ONCE(*x)", which does an unordered load from "*x" into local
155 variable "r1".  Both "x" and "y" are in P1()'s parameter list, so both
156 reference the same global variables that are used by P0().
157
158 Line 20 is the "exists" assertion expression to evaluate the final state.
159 This final state is evaluated after the dust has settled: both processes
160 have completed and all of their memory references and memory barriers
161 have propagated to all parts of the system.  The references to the local
162 variables "r0" and "r1" in line 24 must be prefixed with "1:" to specify
163 which process they are local to.
164
165 Note that the assertion expression is written in the litmus-test
166 language rather than in C.  For example, single "=" is an equality
167 operator rather than an assignment.  The "/\" character combination means
168 "and".  Similarly, "\/" stands for "or".  Both of these are ASCII-art
169 representations of the corresponding mathematical symbols.  Finally,
170 "~" stands for "logical not", which is "!" in C, and not to be confused
171 with the C-language "~" operator which instead stands for "bitwise not".
172 Parentheses may be used to override precedence.
173
174 The "exists" assertion on line 20 is satisfied if the consumer sees the
175 flag ("y") set but the buffer ("x") as not yet filled in, that is, if P1()
176 loaded a value from "x" that was equal to 1 but loaded a value from "y"
177 that was still equal to zero.
178
179 This example can be checked by running the following command, which
180 absolutely must be run from the tools/memory-model directory and from
181 this directory only:
182
183 herd7 -conf linux-kernel.cfg litmus-tests/MP+pooncerelease+poacquireonce.litmus
184
185 The output is the result of something similar to a full state-space
186 search, and is as follows:
187
188  1 Test MP+pooncerelease+poacquireonce Allowed
189  2 States 3
190  3 1:r0=0; 1:r1=0;
191  4 1:r0=0; 1:r1=1;
192  5 1:r0=1; 1:r1=1;
193  6 No
194  7 Witnesses
195  8 Positive: 0 Negative: 3
196  9 Condition exists (1:r0=1 /\ 1:r1=0)
197 10 Observation MP+pooncerelease+poacquireonce Never 0 3
198 11 Time MP+pooncerelease+poacquireonce 0.00
199 12 Hash=579aaa14d8c35a39429b02e698241d09
200
201 The most pertinent line is line 10, which contains "Never 0 3", which
202 indicates that the bad result flagged by the "exists" clause never
203 happens.  This line might instead say "Sometimes" to indicate that the
204 bad result happened in some but not all executions, or it might say
205 "Always" to indicate that the bad result happened in all executions.
206 (The herd7 tool doesn't judge, so it is only an LKMM convention that the
207 "exists" clause indicates a bad result.  To see this, invert the "exists"
208 clause's condition and run the test.)  The numbers ("0 3") at the end
209 of this line indicate the number of end states satisfying the "exists"
210 clause (0) and the number not not satisfying that clause (3).
211
212 Another important part of this output is shown in lines 2-5, repeated here:
213
214  2 States 3
215  3 1:r0=0; 1:r1=0;
216  4 1:r0=0; 1:r1=1;
217  5 1:r0=1; 1:r1=1;
218
219 Line 2 gives the total number of end states, and each of lines 3-5 list
220 one of these states, with the first ("1:r0=0; 1:r1=0;") indicating that
221 both of P1()'s loads returned the value "0".  As expected, given the
222 "Never" on line 10, the state flagged by the "exists" clause is not
223 listed.  This full list of states can be helpful when debugging a new
224 litmus test.
225
226 The rest of the output is not normally needed, either due to irrelevance
227 or due to being redundant with the lines discussed above.  However, the
228 following paragraph lists them for the benefit of readers possessed of
229 an insatiable curiosity.  Other readers should feel free to skip ahead.
230
231 Line 1 echos the test name, along with the "Test" and "Allowed".  Line 6's
232 "No" says that the "exists" clause was not satisfied by any execution,
233 and as such it has the same meaning as line 10's "Never".  Line 7 is a
234 lead-in to line 8's "Positive: 0 Negative: 3", which lists the number
235 of end states satisfying and not satisfying the "exists" clause, just
236 like the two numbers at the end of line 10.  Line 9 repeats the "exists"
237 clause so that you don't have to look it up in the litmus-test file.
238 The number at the end of line 11 (which begins with "Time") gives the
239 time in seconds required to analyze the litmus test.  Small tests such
240 as this one complete in a few milliseconds, so "0.00" is quite common.
241 Line 12 gives a hash of the contents for the litmus-test file, and is used
242 by tooling that manages litmus tests and their output.  This tooling is
243 used by people modifying LKMM itself, and among other things lets such
244 people know which of the several thousand relevant litmus tests were
245 affected by a given change to LKMM.
246
247
248 Initialization
249 --------------
250
251 The previous example relied on the default zero initialization for
252 "x" and "y", but a similar litmus test could instead initialize them
253 to some other value:
254
255  1 C MP+pooncerelease+poacquireonce
256  2
257  3 {
258  4   x=42;
259  5   y=42;
260  6 }
261  7
262  8 P0(int *x, int *y)
263  9 {
264 10   WRITE_ONCE(*x, 1);
265 11   smp_store_release(y, 1);
266 12 }
267 13
268 14 P1(int *x, int *y)
269 15 {
270 16   int r0;
271 17   int r1;
272 18
273 19   r0 = smp_load_acquire(y);
274 20   r1 = READ_ONCE(*x);
275 21 }
276 22
277 23 exists (1:r0=1 /\ 1:r1=42)
278
279 Lines 3-6 now initialize both "x" and "y" to the value 42.  This also
280 means that the "exists" clause on line 23 must change "1:r1=0" to
281 "1:r1=42".
282
283 Running the test gives the same overall result as before, but with the
284 value 42 appearing in place of the value zero:
285
286  1 Test MP+pooncerelease+poacquireonce Allowed
287  2 States 3
288  3 1:r0=1; 1:r1=1;
289  4 1:r0=42; 1:r1=1;
290  5 1:r0=42; 1:r1=42;
291  6 No
292  7 Witnesses
293  8 Positive: 0 Negative: 3
294  9 Condition exists (1:r0=1 /\ 1:r1=42)
295 10 Observation MP+pooncerelease+poacquireonce Never 0 3
296 11 Time MP+pooncerelease+poacquireonce 0.02
297 12 Hash=ab9a9b7940a75a792266be279a980156
298
299 It is tempting to avoid the open-coded repetitions of the value "42"
300 by defining another global variable "initval=42" and replacing all
301 occurrences of "42" with "initval".  This will not, repeat *not*,
302 initialize "x" and "y" to 42, but instead to the address of "initval"
303 (try it!).  See the section below on linked lists to learn more about
304 why this approach to initialization can be useful.
305
306
307 Control Structures
308 ------------------
309
310 LKMM supports the C-language "if" statement, which allows modeling of
311 conditional branches.  In LKMM, conditional branches can affect ordering,
312 but only if you are *very* careful (compilers are surprisingly able
313 to optimize away conditional branches).  The following example shows
314 the "load buffering" (LB) use case that is used in the Linux kernel to
315 synchronize between ring-buffer producers and consumers.  In the example
316 below, P0() is one side checking to see if an operation may proceed and
317 P1() is the other side completing its update.
318
319  1 C LB+fencembonceonce+ctrlonceonce
320  2
321  3 {}
322  4
323  5 P0(int *x, int *y)
324  6 {
325  7   int r0;
326  8
327  9   r0 = READ_ONCE(*x);
328 10   if (r0)
329 11     WRITE_ONCE(*y, 1);
330 12 }
331 13
332 14 P1(int *x, int *y)
333 15 {
334 16   int r0;
335 17
336 18   r0 = READ_ONCE(*y);
337 19   smp_mb();
338 20   WRITE_ONCE(*x, 1);
339 21 }
340 22
341 23 exists (0:r0=1 /\ 1:r0=1)
342
343 P1()'s "if" statement on line 10 works as expected, so that line 11 is
344 executed only if line 9 loads a non-zero value from "x".  Because P1()'s
345 write of "1" to "x" happens only after P1()'s read from "y", one would
346 hope that the "exists" clause cannot be satisfied.  LKMM agrees:
347
348  1 Test LB+fencembonceonce+ctrlonceonce Allowed
349  2 States 2
350  3 0:r0=0; 1:r0=0;
351  4 0:r0=1; 1:r0=0;
352  5 No
353  6 Witnesses
354  7 Positive: 0 Negative: 2
355  8 Condition exists (0:r0=1 /\ 1:r0=1)
356  9 Observation LB+fencembonceonce+ctrlonceonce Never 0 2
357 10 Time LB+fencembonceonce+ctrlonceonce 0.00
358 11 Hash=e5260556f6de495fd39b556d1b831c3b
359
360 However, there is no "while" statement due to the fact that full
361 state-space search has some difficulty with iteration.  However, there
362 are tricks that may be used to handle some special cases, which are
363 discussed below.  In addition, loop-unrolling tricks may be applied,
364 albeit sparingly.
365
366
367 Tricks and Traps
368 ================
369
370 This section covers extracting debug output from herd7, emulating
371 spin loops, handling trivial linked lists, adding comments to litmus tests,
372 emulating call_rcu(), and finally tricks to improve herd7 performance
373 in order to better handle large litmus tests.
374
375
376 Debug Output
377 ------------
378
379 By default, the herd7 state output includes all variables mentioned
380 in the "exists" clause.  But sometimes debugging efforts are greatly
381 aided by the values of other variables.  Consider this litmus test
382 (tools/memory-order/litmus-tests/SB+rfionceonce-poonceonces.litmus but
383 slightly modified), which probes an obscure corner of hardware memory
384 ordering:
385
386  1 C SB+rfionceonce-poonceonces
387  2
388  3 {}
389  4
390  5 P0(int *x, int *y)
391  6 {
392  7   int r1;
393  8   int r2;
394  9
395 10   WRITE_ONCE(*x, 1);
396 11   r1 = READ_ONCE(*x);
397 12   r2 = READ_ONCE(*y);
398 13 }
399 14
400 15 P1(int *x, int *y)
401 16 {
402 17   int r3;
403 18   int r4;
404 19
405 20   WRITE_ONCE(*y, 1);
406 21   r3 = READ_ONCE(*y);
407 22   r4 = READ_ONCE(*x);
408 23 }
409 24
410 25 exists (0:r2=0 /\ 1:r4=0)
411
412 The herd7 output is as follows:
413
414  1 Test SB+rfionceonce-poonceonces Allowed
415  2 States 4
416  3 0:r2=0; 1:r4=0;
417  4 0:r2=0; 1:r4=1;
418  5 0:r2=1; 1:r4=0;
419  6 0:r2=1; 1:r4=1;
420  7 Ok
421  8 Witnesses
422  9 Positive: 1 Negative: 3
423 10 Condition exists (0:r2=0 /\ 1:r4=0)
424 11 Observation SB+rfionceonce-poonceonces Sometimes 1 3
425 12 Time SB+rfionceonce-poonceonces 0.01
426 13 Hash=c7f30fe0faebb7d565405d55b7318ada
427
428 (This output indicates that CPUs are permitted to "snoop their own
429 store buffers", which all of Linux's CPU families other than s390 will
430 happily do.  Such snooping results in disagreement among CPUs on the
431 order of stores from different CPUs, which is rarely an issue.)
432
433 But the herd7 output shows only the two variables mentioned in the
434 "exists" clause.  Someone modifying this test might wish to know the
435 values of "x", "y", "0:r1", and "0:r3" as well.  The "locations"
436 statement on line 25 shows how to cause herd7 to display additional
437 variables:
438
439  1 C SB+rfionceonce-poonceonces
440  2
441  3 {}
442  4
443  5 P0(int *x, int *y)
444  6 {
445  7   int r1;
446  8   int r2;
447  9
448 10   WRITE_ONCE(*x, 1);
449 11   r1 = READ_ONCE(*x);
450 12   r2 = READ_ONCE(*y);
451 13 }
452 14
453 15 P1(int *x, int *y)
454 16 {
455 17   int r3;
456 18   int r4;
457 19
458 20   WRITE_ONCE(*y, 1);
459 21   r3 = READ_ONCE(*y);
460 22   r4 = READ_ONCE(*x);
461 23 }
462 24
463 25 locations [0:r1; 1:r3; x; y]
464 26 exists (0:r2=0 /\ 1:r4=0)
465
466 The herd7 output then displays the values of all the variables:
467
468  1 Test SB+rfionceonce-poonceonces Allowed
469  2 States 4
470  3 0:r1=1; 0:r2=0; 1:r3=1; 1:r4=0; x=1; y=1;
471  4 0:r1=1; 0:r2=0; 1:r3=1; 1:r4=1; x=1; y=1;
472  5 0:r1=1; 0:r2=1; 1:r3=1; 1:r4=0; x=1; y=1;
473  6 0:r1=1; 0:r2=1; 1:r3=1; 1:r4=1; x=1; y=1;
474  7 Ok
475  8 Witnesses
476  9 Positive: 1 Negative: 3
477 10 Condition exists (0:r2=0 /\ 1:r4=0)
478 11 Observation SB+rfionceonce-poonceonces Sometimes 1 3
479 12 Time SB+rfionceonce-poonceonces 0.01
480 13 Hash=40de8418c4b395388f6501cafd1ed38d
481
482 What if you would like to know the value of a particular global variable
483 at some particular point in a given process's execution?  One approach
484 is to use a READ_ONCE() to load that global variable into a new local
485 variable, then add that local variable to the "locations" clause.
486 But be careful:  In some litmus tests, adding a READ_ONCE() will change
487 the outcome!  For one example, please see the C-READ_ONCE.litmus and
488 C-READ_ONCE-omitted.litmus tests located here:
489
490         https://github.com/paulmckrcu/litmus/blob/master/manual/kernel/
491
492
493 Spin Loops
494 ----------
495
496 The analysis carried out by herd7 explores full state space, which is
497 at best of exponential time complexity.  Adding processes and increasing
498 the amount of code in a give process can greatly increase execution time.
499 Potentially infinite loops, such as those used to wait for locks to
500 become available, are clearly problematic.
501
502 Fortunately, it is possible to avoid state-space explosion by specially
503 modeling such loops.  For example, the following litmus tests emulates
504 locking using xchg_acquire(), but instead of enclosing xchg_acquire()
505 in a spin loop, it instead excludes executions that fail to acquire the
506 lock using a herd7 "filter" clause.  Note that for exclusive locking, you
507 are better off using the spin_lock() and spin_unlock() that LKMM directly
508 models, if for no other reason that these are much faster.  However, the
509 techniques illustrated in this section can be used for other purposes,
510 such as emulating reader-writer locking, which LKMM does not yet model.
511
512  1 C C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X
513  2
514  3 {
515  4 }
516  5
517  6 P0(int *sl, int *x0, int *x1)
518  7 {
519  8   int r2;
520  9   int r1;
521 10
522 11   r2 = xchg_acquire(sl, 1);
523 12   WRITE_ONCE(*x0, 1);
524 13   r1 = READ_ONCE(*x1);
525 14   smp_store_release(sl, 0);
526 15 }
527 16
528 17 P1(int *sl, int *x0, int *x1)
529 18 {
530 19   int r2;
531 20   int r1;
532 21
533 22   r2 = xchg_acquire(sl, 1);
534 23   WRITE_ONCE(*x1, 1);
535 24   r1 = READ_ONCE(*x0);
536 25   smp_store_release(sl, 0);
537 26 }
538 27
539 28 filter (0:r2=0 /\ 1:r2=0)
540 29 exists (0:r1=0 /\ 1:r1=0)
541
542 This litmus test may be found here:
543
544 https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/paulmck/perfbook.git/tree/CodeSamples/formal/herd/C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X.litmus
545
546 This test uses two global variables, "x1" and "x2", and also emulates a
547 single global spinlock named "sl".  This spinlock is held by whichever
548 process changes the value of "sl" from "0" to "1", and is released when
549 that process sets "sl" back to "0".  P0()'s lock acquisition is emulated
550 on line 11 using xchg_acquire(), which unconditionally stores the value
551 "1" to "sl" and stores either "0" or "1" to "r2", depending on whether
552 the lock acquisition was successful or unsuccessful (due to "sl" already
553 having the value "1"), respectively.  P1() operates in a similar manner.
554
555 Rather unconventionally, execution appears to proceed to the critical
556 section on lines 12 and 13 in either case.  Line 14 then uses an
557 smp_store_release() to store zero to "sl", thus emulating lock release.
558
559 The case where xchg_acquire() fails to acquire the lock is handled by
560 the "filter" clause on line 28, which tells herd7 to keep only those
561 executions in which both "0:r2" and "1:r2" are zero, that is to pay
562 attention only to those executions in which both locks are actually
563 acquired.  Thus, the bogus executions that would execute the critical
564 sections are discarded and any effects that they might have had are
565 ignored.  Note well that the "filter" clause keeps those executions
566 for which its expression is satisfied, that is, for which the expression
567 evaluates to true.  In other words, the "filter" clause says what to
568 keep, not what to discard.
569
570 The result of running this test is as follows:
571
572  1 Test C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X Allowed
573  2 States 2
574  3 0:r1=0; 1:r1=1;
575  4 0:r1=1; 1:r1=0;
576  5 No
577  6 Witnesses
578  7 Positive: 0 Negative: 2
579  8 Condition exists (0:r1=0 /\ 1:r1=0)
580  9 Observation C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X Never 0 2
581 10 Time C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X 0.03
582
583 The "Never" on line 9 indicates that this use of xchg_acquire() and
584 smp_store_release() really does correctly emulate locking.
585
586 Why doesn't the litmus test take the simpler approach of using a spin loop
587 to handle failed spinlock acquisitions, like the kernel does?  The key
588 insight behind this litmus test is that spin loops have no effect on the
589 possible "exists"-clause outcomes of program execution in the absence
590 of deadlock.  In other words, given a high-quality lock-acquisition
591 primitive in a deadlock-free program running on high-quality hardware,
592 each lock acquisition will eventually succeed.  Because herd7 already
593 explores the full state space, the length of time required to actually
594 acquire the lock does not matter.  After all, herd7 already models all
595 possible durations of the xchg_acquire() statements.
596
597 Why not just add the "filter" clause to the "exists" clause, thus
598 avoiding the "filter" clause entirely?  This does work, but is slower.
599 The reason that the "filter" clause is faster is that (in the common case)
600 herd7 knows to abandon an execution as soon as the "filter" expression
601 fails to be satisfied.  In contrast, the "exists" clause is evaluated
602 only at the end of time, thus requiring herd7 to waste time on bogus
603 executions in which both critical sections proceed concurrently.  In
604 addition, some LKMM users like the separation of concerns provided by
605 using the both the "filter" and "exists" clauses.
606
607 Readers lacking a pathological interest in odd corner cases should feel
608 free to skip the remainder of this section.
609
610 But what if the litmus test were to temporarily set "0:r2" to a non-zero
611 value?  Wouldn't that cause herd7 to abandon the execution prematurely
612 due to an early mismatch of the "filter" clause?
613
614 Why not just try it?  Line 4 of the following modified litmus test
615 introduces a new global variable "x2" that is initialized to "1".  Line 23
616 of P1() reads that variable into "1:r2" to force an early mismatch with
617 the "filter" clause.  Line 24 does a known-true "if" condition to avoid
618 and static analysis that herd7 might do.  Finally the "exists" clause
619 on line 32 is updated to a condition that is alway satisfied at the end
620 of the test.
621
622  1 C C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X
623  2
624  3 {
625  4   x2=1;
626  5 }
627  6
628  7 P0(int *sl, int *x0, int *x1)
629  8 {
630  9   int r2;
631 10   int r1;
632 11
633 12   r2 = xchg_acquire(sl, 1);
634 13   WRITE_ONCE(*x0, 1);
635 14   r1 = READ_ONCE(*x1);
636 15   smp_store_release(sl, 0);
637 16 }
638 17
639 18 P1(int *sl, int *x0, int *x1, int *x2)
640 19 {
641 20   int r2;
642 21   int r1;
643 22
644 23   r2 = READ_ONCE(*x2);
645 24   if (r2)
646 25     r2 = xchg_acquire(sl, 1);
647 26   WRITE_ONCE(*x1, 1);
648 27   r1 = READ_ONCE(*x0);
649 28   smp_store_release(sl, 0);
650 29 }
651 30
652 31 filter (0:r2=0 /\ 1:r2=0)
653 32 exists (x1=1)
654
655 If the "filter" clause were to check each variable at each point in the
656 execution, running this litmus test would display no executions because
657 all executions would be filtered out at line 23.  However, the output
658 is instead as follows:
659
660  1 Test C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X Allowed
661  2 States 1
662  3 x1=1;
663  4 Ok
664  5 Witnesses
665  6 Positive: 2 Negative: 0
666  7 Condition exists (x1=1)
667  8 Observation C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X Always 2 0
668  9 Time C-SB+l-o-o-u+l-o-o-u-X 0.04
669 10 Hash=080bc508da7f291e122c6de76c0088e3
670
671 Line 3 shows that there is one execution that did not get filtered out,
672 so the "filter" clause is evaluated only on the last assignment to
673 the variables that it checks.  In this case, the "filter" clause is a
674 disjunction, so it might be evaluated twice, once at the final (and only)
675 assignment to "0:r2" and once at the final assignment to "1:r2".
676
677
678 Linked Lists
679 ------------
680
681 LKMM can handle linked lists, but only linked lists in which each node
682 contains nothing except a pointer to the next node in the list.  This is
683 of course quite restrictive, but there is nevertheless quite a bit that
684 can be done within these confines, as can be seen in the litmus test
685 at tools/memory-model/litmus-tests/MP+onceassign+derefonce.litmus:
686
687  1 C MP+onceassign+derefonce
688  2
689  3 {
690  4 y=z;
691  5 z=0;
692  6 }
693  7
694  8 P0(int *x, int **y)
695  9 {
696 10   WRITE_ONCE(*x, 1);
697 11   rcu_assign_pointer(*y, x);
698 12 }
699 13
700 14 P1(int *x, int **y)
701 15 {
702 16   int *r0;
703 17   int r1;
704 18
705 19   rcu_read_lock();
706 20   r0 = rcu_dereference(*y);
707 21   r1 = READ_ONCE(*r0);
708 22   rcu_read_unlock();
709 23 }
710 24
711 25 exists (1:r0=x /\ 1:r1=0)
712
713 Line 4's "y=z" may seem odd, given that "z" has not yet been initialized.
714 But "y=z" does not set the value of "y" to that of "z", but instead
715 sets the value of "y" to the *address* of "z".  Lines 4 and 5 therefore
716 create a simple linked list, with "y" pointing to "z" and "z" having a
717 NULL pointer.  A much longer linked list could be created if desired,
718 and circular singly linked lists can also be created and manipulated.
719
720 The "exists" clause works the same way, with the "1:r0=x" comparing P1()'s
721 "r0" not to the value of "x", but again to its address.  This term of the
722 "exists" clause therefore tests whether line 20's load from "y" saw the
723 value stored by line 11, which is in fact what is required in this case.
724
725 P0()'s line 10 initializes "x" to the value 1 then line 11 links to "x"
726 from "y", replacing "z".
727
728 P1()'s line 20 loads a pointer from "y", and line 21 dereferences that
729 pointer.  The RCU read-side critical section spanning lines 19-22 is just
730 for show in this example.  Note that the address used for line 21's load
731 depends on (in this case, "is exactly the same as") the value loaded by
732 line 20.  This is an example of what is called an "address dependency".
733 This particular address dependency extends from the load on line 20 to the
734 load on line 21.  Address dependencies provide a weak form of ordering.
735
736 Running this test results in the following:
737
738  1 Test MP+onceassign+derefonce Allowed
739  2 States 2
740  3 1:r0=x; 1:r1=1;
741  4 1:r0=z; 1:r1=0;
742  5 No
743  6 Witnesses
744  7 Positive: 0 Negative: 2
745  8 Condition exists (1:r0=x /\ 1:r1=0)
746  9 Observation MP+onceassign+derefonce Never 0 2
747 10 Time MP+onceassign+derefonce 0.00
748 11 Hash=49ef7a741563570102448a256a0c8568
749
750 The only possible outcomes feature P1() loading a pointer to "z"
751 (which contains zero) on the one hand and P1() loading a pointer to "x"
752 (which contains the value one) on the other.  This should be reassuring
753 because it says that RCU readers cannot see the old preinitialization
754 values when accessing a newly inserted list node.  This undesirable
755 scenario is flagged by the "exists" clause, and would occur if P1()
756 loaded a pointer to "x", but obtained the pre-initialization value of
757 zero after dereferencing that pointer.
758
759
760 Comments
761 --------
762
763 Different portions of a litmus test are processed by different parsers,
764 which has the charming effect of requiring different comment syntax in
765 different portions of the litmus test.  The C-syntax portions use
766 C-language comments (either "/* */" or "//"), while the other portions
767 use Ocaml comments "(* *)".
768
769 The following litmus test illustrates the comment style corresponding
770 to each syntactic unit of the test:
771
772  1 C MP+onceassign+derefonce (* A *)
773  2
774  3 (* B *)
775  4
776  5 {
777  6 y=z; (* C *)
778  7 z=0;
779  8 } // D
780  9
781 10 // E
782 11
783 12 P0(int *x, int **y) // F
784 13 {
785 14   WRITE_ONCE(*x, 1);  // G
786 15   rcu_assign_pointer(*y, x);
787 16 }
788 17
789 18 // H
790 19
791 20 P1(int *x, int **y)
792 21 {
793 22   int *r0;
794 23   int r1;
795 24
796 25   rcu_read_lock();
797 26   r0 = rcu_dereference(*y);
798 27   r1 = READ_ONCE(*r0);
799 28   rcu_read_unlock();
800 29 }
801 30
802 31 // I
803 32
804 33 exists (* J *) (1:r0=x /\ (* K *) 1:r1=0) (* L *)
805
806 In short, use C-language comments in the C code and Ocaml comments in
807 the rest of the litmus test.
808
809 On the other hand, if you prefer C-style comments everywhere, the
810 C preprocessor is your friend.
811
812
813 Asynchronous RCU Grace Periods
814 ------------------------------
815
816 The following litmus test is derived from the example show in
817 Documentation/litmus-tests/rcu/RCU+sync+free.litmus, but converted to
818 emulate call_rcu():
819
820  1 C RCU+sync+free
821  2
822  3 {
823  4 int x = 1;
824  5 int *y = &x;
825  6 int z = 1;
826  7 }
827  8
828  9 P0(int *x, int *z, int **y)
829 10 {
830 11   int *r0;
831 12   int r1;
832 13
833 14   rcu_read_lock();
834 15   r0 = rcu_dereference(*y);
835 16   r1 = READ_ONCE(*r0);
836 17   rcu_read_unlock();
837 18 }
838 19
839 20 P1(int *z, int **y, int *c)
840 21 {
841 22   rcu_assign_pointer(*y, z);
842 23   smp_store_release(*c, 1); // Emulate call_rcu().
843 24 }
844 25
845 26 P2(int *x, int *z, int **y, int *c)
846 27 {
847 28   int r0;
848 29
849 30   r0 = smp_load_acquire(*c); // Note call_rcu() request.
850 31   synchronize_rcu(); // Wait one grace period.
851 32   WRITE_ONCE(*x, 0); // Emulate the RCU callback.
852 33 }
853 34
854 35 filter (2:r0=1) (* Reject too-early starts. *)
855 36 exists (0:r0=x /\ 0:r1=0)
856
857 Lines 4-6 initialize a linked list headed by "y" that initially contains
858 "x".  In addition, "z" is pre-initialized to prepare for P1(), which
859 will replace "x" with "z" in this list.
860
861 P0() on lines 9-18 enters an RCU read-side critical section, loads the
862 list header "y" and dereferences it, leaving the node in "0:r0" and
863 the node's value in "0:r1".
864
865 P1() on lines 20-24 updates the list header to instead reference "z",
866 then emulates call_rcu() by doing a release store into "c".
867
868 P2() on lines 27-33 emulates the behind-the-scenes effect of doing a
869 call_rcu().  Line 30 first does an acquire load from "c", then line 31
870 waits for an RCU grace period to elapse, and finally line 32 emulates
871 the RCU callback, which in turn emulates a call to kfree().
872
873 Of course, it is possible for P2() to start too soon, so that the
874 value of "2:r0" is zero rather than the required value of "1".
875 The "filter" clause on line 35 handles this possibility, rejecting
876 all executions in which "2:r0" is not equal to the value "1".
877
878
879 Performance
880 -----------
881
882 LKMM's exploration of the full state-space can be extremely helpful,
883 but it does not come for free.  The price is exponential computational
884 complexity in terms of the number of processes, the average number
885 of statements in each process, and the total number of stores in the
886 litmus test.
887
888 So it is best to start small and then work up.  Where possible, break
889 your code down into small pieces each representing a core concurrency
890 requirement.
891
892 That said, herd7 is quite fast.  On an unprepossessing x86 laptop, it
893 was able to analyze the following 10-process RCU litmus test in about
894 six seconds.
895
896 https://github.com/paulmckrcu/litmus/blob/master/auto/C-RW-R+RW-R+RW-G+RW-G+RW-G+RW-G+RW-R+RW-R+RW-R+RW-R.litmus
897
898 One way to make herd7 run faster is to use the "-speedcheck true" option.
899 This option prevents herd7 from generating all possible end states,
900 instead causing it to focus solely on whether or not the "exists"
901 clause can be satisfied.  With this option, herd7 evaluates the above
902 litmus test in about 300 milliseconds, for more than an order of magnitude
903 improvement in performance.
904
905 Larger 16-process litmus tests that would normally consume 15 minutes
906 of time complete in about 40 seconds with this option.  To be fair,
907 you do get an extra 65,535 states when you leave off the "-speedcheck
908 true" option.
909
910 https://github.com/paulmckrcu/litmus/blob/master/auto/C-RW-R+RW-R+RW-G+RW-G+RW-G+RW-G+RW-R+RW-R+RW-R+RW-R+RW-G+RW-G+RW-G+RW-G+RW-R+RW-R.litmus
911
912 Nevertheless, litmus-test analysis really is of exponential complexity,
913 whether with or without "-speedcheck true".  Increasing by just three
914 processes to a 19-process litmus test requires 2 hours and 40 minutes
915 without, and about 8 minutes with "-speedcheck true".  Each of these
916 results represent roughly an order of magnitude slowdown compared to the
917 16-process litmus test.  Again, to be fair, the multi-hour run explores
918 no fewer than 524,287 additional states compared to the shorter one.
919
920 https://github.com/paulmckrcu/litmus/blob/master/auto/C-RW-R+RW-R+RW-G+RW-G+RW-G+RW-G+RW-R+RW-R+RW-R+RW-R+RW-R+RW-R+RW-G+RW-G+RW-G+RW-G+RW-R+RW-R+RW-R.litmus
921
922 If you don't like command-line arguments, you can obtain a similar speedup
923 by adding a "filter" clause with exactly the same expression as your
924 "exists" clause.
925
926 However, please note that seeing the full set of states can be extremely
927 helpful when developing and debugging litmus tests.
928
929
930 LIMITATIONS
931 ===========
932
933 Limitations of the Linux-kernel memory model (LKMM) include:
934
935 1.      Compiler optimizations are not accurately modeled.  Of course,
936         the use of READ_ONCE() and WRITE_ONCE() limits the compiler's
937         ability to optimize, but under some circumstances it is possible
938         for the compiler to undermine the memory model.  For more
939         information, see Documentation/explanation.txt (in particular,
940         the "THE PROGRAM ORDER RELATION: po AND po-loc" and "A WARNING"
941         sections).
942
943         Note that this limitation in turn limits LKMM's ability to
944         accurately model address, control, and data dependencies.
945         For example, if the compiler can deduce the value of some variable
946         carrying a dependency, then the compiler can break that dependency
947         by substituting a constant of that value.
948
949         Conversely, LKMM sometimes doesn't recognize that a particular
950         optimization is not allowed, and as a result, thinks that a
951         dependency is not present (because the optimization would break it).
952         The memory model misses some pretty obvious control dependencies
953         because of this limitation.  A simple example is:
954
955                 r1 = READ_ONCE(x);
956                 if (r1 == 0)
957                         smp_mb();
958                 WRITE_ONCE(y, 1);
959
960         There is a control dependency from the READ_ONCE to the WRITE_ONCE,
961         even when r1 is nonzero, but LKMM doesn't realize this and thinks
962         that the write may execute before the read if r1 != 0.  (Yes, that
963         doesn't make sense if you think about it, but the memory model's
964         intelligence is limited.)
965
966 2.      Multiple access sizes for a single variable are not supported,
967         and neither are misaligned or partially overlapping accesses.
968
969 3.      Exceptions and interrupts are not modeled.  In some cases,
970         this limitation can be overcome by modeling the interrupt or
971         exception with an additional process.
972
973 4.      I/O such as MMIO or DMA is not supported.
974
975 5.      Self-modifying code (such as that found in the kernel's
976         alternatives mechanism, function tracer, Berkeley Packet Filter
977         JIT compiler, and module loader) is not supported.
978
979 6.      Complete modeling of all variants of atomic read-modify-write
980         operations, locking primitives, and RCU is not provided.
981         For example, call_rcu() and rcu_barrier() are not supported.
982         However, a substantial amount of support is provided for these
983         operations, as shown in the linux-kernel.def file.
984
985         Here are specific limitations:
986
987         a.      When rcu_assign_pointer() is passed NULL, the Linux
988                 kernel provides no ordering, but LKMM models this
989                 case as a store release.
990
991         b.      The "unless" RMW operations are not currently modeled:
992                 atomic_long_add_unless(), atomic_inc_unless_negative(),
993                 and atomic_dec_unless_positive().  These can be emulated
994                 in litmus tests, for example, by using atomic_cmpxchg().
995
996                 One exception of this limitation is atomic_add_unless(),
997                 which is provided directly by herd7 (so no corresponding
998                 definition in linux-kernel.def).  atomic_add_unless() is
999                 modeled by herd7 therefore it can be used in litmus tests.
1000
1001         c.      The call_rcu() function is not modeled.  As was shown above,
1002                 it can be emulated in litmus tests by adding another
1003                 process that invokes synchronize_rcu() and the body of the
1004                 callback function, with (for example) a release-acquire
1005                 from the site of the emulated call_rcu() to the beginning
1006                 of the additional process.
1007
1008         d.      The rcu_barrier() function is not modeled.  It can be
1009                 emulated in litmus tests emulating call_rcu() via
1010                 (for example) a release-acquire from the end of each
1011                 additional call_rcu() process to the site of the
1012                 emulated rcu-barrier().
1013
1014         e.      Although sleepable RCU (SRCU) is now modeled, there
1015                 are some subtle differences between its semantics and
1016                 those in the Linux kernel.  For example, the kernel
1017                 might interpret the following sequence as two partially
1018                 overlapping SRCU read-side critical sections:
1019
1020                          1  r1 = srcu_read_lock(&my_srcu);
1021                          2  do_something_1();
1022                          3  r2 = srcu_read_lock(&my_srcu);
1023                          4  do_something_2();
1024                          5  srcu_read_unlock(&my_srcu, r1);
1025                          6  do_something_3();
1026                          7  srcu_read_unlock(&my_srcu, r2);
1027
1028                 In contrast, LKMM will interpret this as a nested pair of
1029                 SRCU read-side critical sections, with the outer critical
1030                 section spanning lines 1-7 and the inner critical section
1031                 spanning lines 3-5.
1032
1033                 This difference would be more of a concern had anyone
1034                 identified a reasonable use case for partially overlapping
1035                 SRCU read-side critical sections.  For more information
1036                 on the trickiness of such overlapping, please see:
1037                 https://paulmck.livejournal.com/40593.html
1038
1039         f.      Reader-writer locking is not modeled.  It can be
1040                 emulated in litmus tests using atomic read-modify-write
1041                 operations.
1042
1043 The fragment of the C language supported by these litmus tests is quite
1044 limited and in some ways non-standard:
1045
1046 1.      There is no automatic C-preprocessor pass.  You can of course
1047         run it manually, if you choose.
1048
1049 2.      There is no way to create functions other than the Pn() functions
1050         that model the concurrent processes.
1051
1052 3.      The Pn() functions' formal parameters must be pointers to the
1053         global shared variables.  Nothing can be passed by value into
1054         these functions.
1055
1056 4.      The only functions that can be invoked are those built directly
1057         into herd7 or that are defined in the linux-kernel.def file.
1058
1059 5.      The "switch", "do", "for", "while", and "goto" C statements are
1060         not supported.  The "switch" statement can be emulated by the
1061         "if" statement.  The "do", "for", and "while" statements can
1062         often be emulated by manually unrolling the loop, or perhaps by
1063         enlisting the aid of the C preprocessor to minimize the resulting
1064         code duplication.  Some uses of "goto" can be emulated by "if",
1065         and some others by unrolling.
1066
1067 6.      Although you can use a wide variety of types in litmus-test
1068         variable declarations, and especially in global-variable
1069         declarations, the "herd7" tool understands only int and
1070         pointer types.  There is no support for floating-point types,
1071         enumerations, characters, strings, arrays, or structures.
1072
1073 7.      Parsing of variable declarations is very loose, with almost no
1074         type checking.
1075
1076 8.      Initializers differ from their C-language counterparts.
1077         For example, when an initializer contains the name of a shared
1078         variable, that name denotes a pointer to that variable, not
1079         the current value of that variable.  For example, "int x = y"
1080         is interpreted the way "int x = &y" would be in C.
1081
1082 9.      Dynamic memory allocation is not supported, although this can
1083         be worked around in some cases by supplying multiple statically
1084         allocated variables.
1085
1086 Some of these limitations may be overcome in the future, but others are
1087 more likely to be addressed by incorporating the Linux-kernel memory model
1088 into other tools.
1089
1090 Finally, please note that LKMM is subject to change as hardware, use cases,
1091 and compilers evolve.