Merge tag 'dt-5.15' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/soc/soc
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / RCU / Design / Memory-Ordering / Tree-RCU-Memory-Ordering.rst
1 ======================================================
2 A Tour Through TREE_RCU's Grace-Period Memory Ordering
3 ======================================================
4
5 August 8, 2017
6
7 This article was contributed by Paul E. McKenney
8
9 Introduction
10 ============
11
12 This document gives a rough visual overview of how Tree RCU's
13 grace-period memory ordering guarantee is provided.
14
15 What Is Tree RCU's Grace Period Memory Ordering Guarantee?
16 ==========================================================
17
18 RCU grace periods provide extremely strong memory-ordering guarantees
19 for non-idle non-offline code.
20 Any code that happens after the end of a given RCU grace period is guaranteed
21 to see the effects of all accesses prior to the beginning of that grace
22 period that are within RCU read-side critical sections.
23 Similarly, any code that happens before the beginning of a given RCU grace
24 period is guaranteed to not see the effects of all accesses following the end
25 of that grace period that are within RCU read-side critical sections.
26
27 Note well that RCU-sched read-side critical sections include any region
28 of code for which preemption is disabled.
29 Given that each individual machine instruction can be thought of as
30 an extremely small region of preemption-disabled code, one can think of
31 ``synchronize_rcu()`` as ``smp_mb()`` on steroids.
32
33 RCU updaters use this guarantee by splitting their updates into
34 two phases, one of which is executed before the grace period and
35 the other of which is executed after the grace period.
36 In the most common use case, phase one removes an element from
37 a linked RCU-protected data structure, and phase two frees that element.
38 For this to work, any readers that have witnessed state prior to the
39 phase-one update (in the common case, removal) must not witness state
40 following the phase-two update (in the common case, freeing).
41
42 The RCU implementation provides this guarantee using a network
43 of lock-based critical sections, memory barriers, and per-CPU
44 processing, as is described in the following sections.
45
46 Tree RCU Grace Period Memory Ordering Building Blocks
47 =====================================================
48
49 The workhorse for RCU's grace-period memory ordering is the
50 critical section for the ``rcu_node`` structure's
51 ``->lock``. These critical sections use helper functions for lock
52 acquisition, including ``raw_spin_lock_rcu_node()``,
53 ``raw_spin_lock_irq_rcu_node()``, and ``raw_spin_lock_irqsave_rcu_node()``.
54 Their lock-release counterparts are ``raw_spin_unlock_rcu_node()``,
55 ``raw_spin_unlock_irq_rcu_node()``, and
56 ``raw_spin_unlock_irqrestore_rcu_node()``, respectively.
57 For completeness, a ``raw_spin_trylock_rcu_node()`` is also provided.
58 The key point is that the lock-acquisition functions, including
59 ``raw_spin_trylock_rcu_node()``, all invoke ``smp_mb__after_unlock_lock()``
60 immediately after successful acquisition of the lock.
61
62 Therefore, for any given ``rcu_node`` structure, any access
63 happening before one of the above lock-release functions will be seen
64 by all CPUs as happening before any access happening after a later
65 one of the above lock-acquisition functions.
66 Furthermore, any access happening before one of the
67 above lock-release function on any given CPU will be seen by all
68 CPUs as happening before any access happening after a later one
69 of the above lock-acquisition functions executing on that same CPU,
70 even if the lock-release and lock-acquisition functions are operating
71 on different ``rcu_node`` structures.
72 Tree RCU uses these two ordering guarantees to form an ordering
73 network among all CPUs that were in any way involved in the grace
74 period, including any CPUs that came online or went offline during
75 the grace period in question.
76
77 The following litmus test exhibits the ordering effects of these
78 lock-acquisition and lock-release functions::
79
80     1 int x, y, z;
81     2
82     3 void task0(void)
83     4 {
84     5   raw_spin_lock_rcu_node(rnp);
85     6   WRITE_ONCE(x, 1);
86     7   r1 = READ_ONCE(y);
87     8   raw_spin_unlock_rcu_node(rnp);
88     9 }
89    10
90    11 void task1(void)
91    12 {
92    13   raw_spin_lock_rcu_node(rnp);
93    14   WRITE_ONCE(y, 1);
94    15   r2 = READ_ONCE(z);
95    16   raw_spin_unlock_rcu_node(rnp);
96    17 }
97    18
98    19 void task2(void)
99    20 {
100    21   WRITE_ONCE(z, 1);
101    22   smp_mb();
102    23   r3 = READ_ONCE(x);
103    24 }
104    25
105    26 WARN_ON(r1 == 0 && r2 == 0 && r3 == 0);
106
107 The ``WARN_ON()`` is evaluated at "the end of time",
108 after all changes have propagated throughout the system.
109 Without the ``smp_mb__after_unlock_lock()`` provided by the
110 acquisition functions, this ``WARN_ON()`` could trigger, for example
111 on PowerPC.
112 The ``smp_mb__after_unlock_lock()`` invocations prevent this
113 ``WARN_ON()`` from triggering.
114
115 +-----------------------------------------------------------------------+
116 | **Quick Quiz**:                                                       |
117 +-----------------------------------------------------------------------+
118 | But the chain of rcu_node-structure lock acquisitions guarantees      |
119 | that new readers will see all of the updater's pre-grace-period       |
120 | accesses and also guarantees that the updater's post-grace-period     |
121 | accesses will see all of the old reader's accesses.  So why do we     |
122 | need all of those calls to smp_mb__after_unlock_lock()?               |
123 +-----------------------------------------------------------------------+
124 | **Answer**:                                                           |
125 +-----------------------------------------------------------------------+
126 | Because we must provide ordering for RCU's polling grace-period       |
127 | primitives, for example, get_state_synchronize_rcu() and              |
128 | poll_state_synchronize_rcu().  Consider this code::                   |
129 |                                                                       |
130 |  CPU 0                                     CPU 1                      |
131 |  ----                                      ----                       |
132 |  WRITE_ONCE(X, 1)                          WRITE_ONCE(Y, 1)           |
133 |  g = get_state_synchronize_rcu()           smp_mb()                   |
134 |  while (!poll_state_synchronize_rcu(g))    r1 = READ_ONCE(X)          |
135 |          continue;                                                    |
136 |  r0 = READ_ONCE(Y)                                                    |
137 |                                                                       |
138 | RCU guarantees that the outcome r0 == 0 && r1 == 0 will not           |
139 | happen, even if CPU 1 is in an RCU extended quiescent state           |
140 | (idle or offline) and thus won't interact directly with the RCU       |
141 | core processing at all.                                               |
142 +-----------------------------------------------------------------------+
143
144 This approach must be extended to include idle CPUs, which need
145 RCU's grace-period memory ordering guarantee to extend to any
146 RCU read-side critical sections preceding and following the current
147 idle sojourn.
148 This case is handled by calls to the strongly ordered
149 ``atomic_add_return()`` read-modify-write atomic operation that
150 is invoked within ``rcu_dynticks_eqs_enter()`` at idle-entry
151 time and within ``rcu_dynticks_eqs_exit()`` at idle-exit time.
152 The grace-period kthread invokes ``rcu_dynticks_snap()`` and
153 ``rcu_dynticks_in_eqs_since()`` (both of which invoke
154 an ``atomic_add_return()`` of zero) to detect idle CPUs.
155
156 +-----------------------------------------------------------------------+
157 | **Quick Quiz**:                                                       |
158 +-----------------------------------------------------------------------+
159 | But what about CPUs that remain offline for the entire grace period?  |
160 +-----------------------------------------------------------------------+
161 | **Answer**:                                                           |
162 +-----------------------------------------------------------------------+
163 | Such CPUs will be offline at the beginning of the grace period, so    |
164 | the grace period won't expect quiescent states from them. Races       |
165 | between grace-period start and CPU-hotplug operations are mediated    |
166 | by the CPU's leaf ``rcu_node`` structure's ``->lock`` as described    |
167 | above.                                                                |
168 +-----------------------------------------------------------------------+
169
170 The approach must be extended to handle one final case, that of waking a
171 task blocked in ``synchronize_rcu()``. This task might be affinitied to
172 a CPU that is not yet aware that the grace period has ended, and thus
173 might not yet be subject to the grace period's memory ordering.
174 Therefore, there is an ``smp_mb()`` after the return from
175 ``wait_for_completion()`` in the ``synchronize_rcu()`` code path.
176
177 +-----------------------------------------------------------------------+
178 | **Quick Quiz**:                                                       |
179 +-----------------------------------------------------------------------+
180 | What? Where??? I don't see any ``smp_mb()`` after the return from     |
181 | ``wait_for_completion()``!!!                                          |
182 +-----------------------------------------------------------------------+
183 | **Answer**:                                                           |
184 +-----------------------------------------------------------------------+
185 | That would be because I spotted the need for that ``smp_mb()`` during |
186 | the creation of this documentation, and it is therefore unlikely to   |
187 | hit mainline before v4.14. Kudos to Lance Roy, Will Deacon, Peter     |
188 | Zijlstra, and Jonathan Cameron for asking questions that sensitized   |
189 | me to the rather elaborate sequence of events that demonstrate the    |
190 | need for this memory barrier.                                         |
191 +-----------------------------------------------------------------------+
192
193 Tree RCU's grace--period memory-ordering guarantees rely most heavily on
194 the ``rcu_node`` structure's ``->lock`` field, so much so that it is
195 necessary to abbreviate this pattern in the diagrams in the next
196 section. For example, consider the ``rcu_prepare_for_idle()`` function
197 shown below, which is one of several functions that enforce ordering of
198 newly arrived RCU callbacks against future grace periods:
199
200 ::
201
202     1 static void rcu_prepare_for_idle(void)
203     2 {
204     3   bool needwake;
205     4   struct rcu_data *rdp;
206     5   struct rcu_dynticks *rdtp = this_cpu_ptr(&rcu_dynticks);
207     6   struct rcu_node *rnp;
208     7   struct rcu_state *rsp;
209     8   int tne;
210     9
211    10   if (IS_ENABLED(CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ALL) ||
212    11       rcu_is_nocb_cpu(smp_processor_id()))
213    12     return;
214    13   tne = READ_ONCE(tick_nohz_active);
215    14   if (tne != rdtp->tick_nohz_enabled_snap) {
216    15     if (rcu_cpu_has_callbacks(NULL))
217    16       invoke_rcu_core();
218    17     rdtp->tick_nohz_enabled_snap = tne;
219    18     return;
220    19   }
221    20   if (!tne)
222    21     return;
223    22   if (rdtp->all_lazy &&
224    23       rdtp->nonlazy_posted != rdtp->nonlazy_posted_snap) {
225    24     rdtp->all_lazy = false;
226    25     rdtp->nonlazy_posted_snap = rdtp->nonlazy_posted;
227    26     invoke_rcu_core();
228    27     return;
229    28   }
230    29   if (rdtp->last_accelerate == jiffies)
231    30     return;
232    31   rdtp->last_accelerate = jiffies;
233    32   for_each_rcu_flavor(rsp) {
234    33     rdp = this_cpu_ptr(rsp->rda);
235    34     if (rcu_segcblist_pend_cbs(&rdp->cblist))
236    35       continue;
237    36     rnp = rdp->mynode;
238    37     raw_spin_lock_rcu_node(rnp);
239    38     needwake = rcu_accelerate_cbs(rsp, rnp, rdp);
240    39     raw_spin_unlock_rcu_node(rnp);
241    40     if (needwake)
242    41       rcu_gp_kthread_wake(rsp);
243    42   }
244    43 }
245
246 But the only part of ``rcu_prepare_for_idle()`` that really matters for
247 this discussion are lines 37–39. We will therefore abbreviate this
248 function as follows:
249
250 .. kernel-figure:: rcu_node-lock.svg
251
252 The box represents the ``rcu_node`` structure's ``->lock`` critical
253 section, with the double line on top representing the additional
254 ``smp_mb__after_unlock_lock()``.
255
256 Tree RCU Grace Period Memory Ordering Components
257 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
258
259 Tree RCU's grace-period memory-ordering guarantee is provided by a
260 number of RCU components:
261
262 #. `Callback Registry`_
263 #. `Grace-Period Initialization`_
264 #. `Self-Reported Quiescent States`_
265 #. `Dynamic Tick Interface`_
266 #. `CPU-Hotplug Interface`_
267 #. `Forcing Quiescent States`_
268 #. `Grace-Period Cleanup`_
269 #. `Callback Invocation`_
270
271 Each of the following section looks at the corresponding component in
272 detail.
273
274 Callback Registry
275 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
276
277 If RCU's grace-period guarantee is to mean anything at all, any access
278 that happens before a given invocation of ``call_rcu()`` must also
279 happen before the corresponding grace period. The implementation of this
280 portion of RCU's grace period guarantee is shown in the following
281 figure:
282
283 .. kernel-figure:: TreeRCU-callback-registry.svg
284
285 Because ``call_rcu()`` normally acts only on CPU-local state, it
286 provides no ordering guarantees, either for itself or for phase one of
287 the update (which again will usually be removal of an element from an
288 RCU-protected data structure). It simply enqueues the ``rcu_head``
289 structure on a per-CPU list, which cannot become associated with a grace
290 period until a later call to ``rcu_accelerate_cbs()``, as shown in the
291 diagram above.
292
293 One set of code paths shown on the left invokes ``rcu_accelerate_cbs()``
294 via ``note_gp_changes()``, either directly from ``call_rcu()`` (if the
295 current CPU is inundated with queued ``rcu_head`` structures) or more
296 likely from an ``RCU_SOFTIRQ`` handler. Another code path in the middle
297 is taken only in kernels built with ``CONFIG_RCU_FAST_NO_HZ=y``, which
298 invokes ``rcu_accelerate_cbs()`` via ``rcu_prepare_for_idle()``. The
299 final code path on the right is taken only in kernels built with
300 ``CONFIG_HOTPLUG_CPU=y``, which invokes ``rcu_accelerate_cbs()`` via
301 ``rcu_advance_cbs()``, ``rcu_migrate_callbacks``,
302 ``rcutree_migrate_callbacks()``, and ``takedown_cpu()``, which in turn
303 is invoked on a surviving CPU after the outgoing CPU has been completely
304 offlined.
305
306 There are a few other code paths within grace-period processing that
307 opportunistically invoke ``rcu_accelerate_cbs()``. However, either way,
308 all of the CPU's recently queued ``rcu_head`` structures are associated
309 with a future grace-period number under the protection of the CPU's lead
310 ``rcu_node`` structure's ``->lock``. In all cases, there is full
311 ordering against any prior critical section for that same ``rcu_node``
312 structure's ``->lock``, and also full ordering against any of the
313 current task's or CPU's prior critical sections for any ``rcu_node``
314 structure's ``->lock``.
315
316 The next section will show how this ordering ensures that any accesses
317 prior to the ``call_rcu()`` (particularly including phase one of the
318 update) happen before the start of the corresponding grace period.
319
320 +-----------------------------------------------------------------------+
321 | **Quick Quiz**:                                                       |
322 +-----------------------------------------------------------------------+
323 | But what about ``synchronize_rcu()``?                                 |
324 +-----------------------------------------------------------------------+
325 | **Answer**:                                                           |
326 +-----------------------------------------------------------------------+
327 | The ``synchronize_rcu()`` passes ``call_rcu()`` to ``wait_rcu_gp()``, |
328 | which invokes it. So either way, it eventually comes down to          |
329 | ``call_rcu()``.                                                       |
330 +-----------------------------------------------------------------------+
331
332 Grace-Period Initialization
333 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
334
335 Grace-period initialization is carried out by the grace-period kernel
336 thread, which makes several passes over the ``rcu_node`` tree within the
337 ``rcu_gp_init()`` function. This means that showing the full flow of
338 ordering through the grace-period computation will require duplicating
339 this tree. If you find this confusing, please note that the state of the
340 ``rcu_node`` changes over time, just like Heraclitus's river. However,
341 to keep the ``rcu_node`` river tractable, the grace-period kernel
342 thread's traversals are presented in multiple parts, starting in this
343 section with the various phases of grace-period initialization.
344
345 The first ordering-related grace-period initialization action is to
346 advance the ``rcu_state`` structure's ``->gp_seq`` grace-period-number
347 counter, as shown below:
348
349 .. kernel-figure:: TreeRCU-gp-init-1.svg
350
351 The actual increment is carried out using ``smp_store_release()``, which
352 helps reject false-positive RCU CPU stall detection. Note that only the
353 root ``rcu_node`` structure is touched.
354
355 The first pass through the ``rcu_node`` tree updates bitmasks based on
356 CPUs having come online or gone offline since the start of the previous
357 grace period. In the common case where the number of online CPUs for
358 this ``rcu_node`` structure has not transitioned to or from zero, this
359 pass will scan only the leaf ``rcu_node`` structures. However, if the
360 number of online CPUs for a given leaf ``rcu_node`` structure has
361 transitioned from zero, ``rcu_init_new_rnp()`` will be invoked for the
362 first incoming CPU. Similarly, if the number of online CPUs for a given
363 leaf ``rcu_node`` structure has transitioned to zero,
364 ``rcu_cleanup_dead_rnp()`` will be invoked for the last outgoing CPU.
365 The diagram below shows the path of ordering if the leftmost
366 ``rcu_node`` structure onlines its first CPU and if the next
367 ``rcu_node`` structure has no online CPUs (or, alternatively if the
368 leftmost ``rcu_node`` structure offlines its last CPU and if the next
369 ``rcu_node`` structure has no online CPUs).
370
371 .. kernel-figure:: TreeRCU-gp-init-2.svg
372
373 The final ``rcu_gp_init()`` pass through the ``rcu_node`` tree traverses
374 breadth-first, setting each ``rcu_node`` structure's ``->gp_seq`` field
375 to the newly advanced value from the ``rcu_state`` structure, as shown
376 in the following diagram.
377
378 .. kernel-figure:: TreeRCU-gp-init-3.svg
379
380 This change will also cause each CPU's next call to
381 ``__note_gp_changes()`` to notice that a new grace period has started,
382 as described in the next section. But because the grace-period kthread
383 started the grace period at the root (with the advancing of the
384 ``rcu_state`` structure's ``->gp_seq`` field) before setting each leaf
385 ``rcu_node`` structure's ``->gp_seq`` field, each CPU's observation of
386 the start of the grace period will happen after the actual start of the
387 grace period.
388
389 +-----------------------------------------------------------------------+
390 | **Quick Quiz**:                                                       |
391 +-----------------------------------------------------------------------+
392 | But what about the CPU that started the grace period? Why wouldn't it |
393 | see the start of the grace period right when it started that grace    |
394 | period?                                                               |
395 +-----------------------------------------------------------------------+
396 | **Answer**:                                                           |
397 +-----------------------------------------------------------------------+
398 | In some deep philosophical and overly anthromorphized sense, yes, the |
399 | CPU starting the grace period is immediately aware of having done so. |
400 | However, if we instead assume that RCU is not self-aware, then even   |
401 | the CPU starting the grace period does not really become aware of the |
402 | start of this grace period until its first call to                    |
403 | ``__note_gp_changes()``. On the other hand, this CPU potentially gets |
404 | early notification because it invokes ``__note_gp_changes()`` during  |
405 | its last ``rcu_gp_init()`` pass through its leaf ``rcu_node``         |
406 | structure.                                                            |
407 +-----------------------------------------------------------------------+
408
409 Self-Reported Quiescent States
410 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
411
412 When all entities that might block the grace period have reported
413 quiescent states (or as described in a later section, had quiescent
414 states reported on their behalf), the grace period can end. Online
415 non-idle CPUs report their own quiescent states, as shown in the
416 following diagram:
417
418 .. kernel-figure:: TreeRCU-qs.svg
419
420 This is for the last CPU to report a quiescent state, which signals the
421 end of the grace period. Earlier quiescent states would push up the
422 ``rcu_node`` tree only until they encountered an ``rcu_node`` structure
423 that is waiting for additional quiescent states. However, ordering is
424 nevertheless preserved because some later quiescent state will acquire
425 that ``rcu_node`` structure's ``->lock``.
426
427 Any number of events can lead up to a CPU invoking ``note_gp_changes``
428 (or alternatively, directly invoking ``__note_gp_changes()``), at which
429 point that CPU will notice the start of a new grace period while holding
430 its leaf ``rcu_node`` lock. Therefore, all execution shown in this
431 diagram happens after the start of the grace period. In addition, this
432 CPU will consider any RCU read-side critical section that started before
433 the invocation of ``__note_gp_changes()`` to have started before the
434 grace period, and thus a critical section that the grace period must
435 wait on.
436
437 +-----------------------------------------------------------------------+
438 | **Quick Quiz**:                                                       |
439 +-----------------------------------------------------------------------+
440 | But a RCU read-side critical section might have started after the     |
441 | beginning of the grace period (the advancing of ``->gp_seq`` from     |
442 | earlier), so why should the grace period wait on such a critical      |
443 | section?                                                              |
444 +-----------------------------------------------------------------------+
445 | **Answer**:                                                           |
446 +-----------------------------------------------------------------------+
447 | It is indeed not necessary for the grace period to wait on such a     |
448 | critical section. However, it is permissible to wait on it. And it is |
449 | furthermore important to wait on it, as this lazy approach is far     |
450 | more scalable than a “big bang” all-at-once grace-period start could  |
451 | possibly be.                                                          |
452 +-----------------------------------------------------------------------+
453
454 If the CPU does a context switch, a quiescent state will be noted by
455 ``rcu_note_context_switch()`` on the left. On the other hand, if the CPU
456 takes a scheduler-clock interrupt while executing in usermode, a
457 quiescent state will be noted by ``rcu_sched_clock_irq()`` on the right.
458 Either way, the passage through a quiescent state will be noted in a
459 per-CPU variable.
460
461 The next time an ``RCU_SOFTIRQ`` handler executes on this CPU (for
462 example, after the next scheduler-clock interrupt), ``rcu_core()`` will
463 invoke ``rcu_check_quiescent_state()``, which will notice the recorded
464 quiescent state, and invoke ``rcu_report_qs_rdp()``. If
465 ``rcu_report_qs_rdp()`` verifies that the quiescent state really does
466 apply to the current grace period, it invokes ``rcu_report_rnp()`` which
467 traverses up the ``rcu_node`` tree as shown at the bottom of the
468 diagram, clearing bits from each ``rcu_node`` structure's ``->qsmask``
469 field, and propagating up the tree when the result is zero.
470
471 Note that traversal passes upwards out of a given ``rcu_node`` structure
472 only if the current CPU is reporting the last quiescent state for the
473 subtree headed by that ``rcu_node`` structure. A key point is that if a
474 CPU's traversal stops at a given ``rcu_node`` structure, then there will
475 be a later traversal by another CPU (or perhaps the same one) that
476 proceeds upwards from that point, and the ``rcu_node`` ``->lock``
477 guarantees that the first CPU's quiescent state happens before the
478 remainder of the second CPU's traversal. Applying this line of thought
479 repeatedly shows that all CPUs' quiescent states happen before the last
480 CPU traverses through the root ``rcu_node`` structure, the “last CPU”
481 being the one that clears the last bit in the root ``rcu_node``
482 structure's ``->qsmask`` field.
483
484 Dynamic Tick Interface
485 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
486
487 Due to energy-efficiency considerations, RCU is forbidden from
488 disturbing idle CPUs. CPUs are therefore required to notify RCU when
489 entering or leaving idle state, which they do via fully ordered
490 value-returning atomic operations on a per-CPU variable. The ordering
491 effects are as shown below:
492
493 .. kernel-figure:: TreeRCU-dyntick.svg
494
495 The RCU grace-period kernel thread samples the per-CPU idleness variable
496 while holding the corresponding CPU's leaf ``rcu_node`` structure's
497 ``->lock``. This means that any RCU read-side critical sections that
498 precede the idle period (the oval near the top of the diagram above)
499 will happen before the end of the current grace period. Similarly, the
500 beginning of the current grace period will happen before any RCU
501 read-side critical sections that follow the idle period (the oval near
502 the bottom of the diagram above).
503
504 Plumbing this into the full grace-period execution is described
505 `below <Forcing Quiescent States_>`__.
506
507 CPU-Hotplug Interface
508 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
509
510 RCU is also forbidden from disturbing offline CPUs, which might well be
511 powered off and removed from the system completely. CPUs are therefore
512 required to notify RCU of their comings and goings as part of the
513 corresponding CPU hotplug operations. The ordering effects are shown
514 below:
515
516 .. kernel-figure:: TreeRCU-hotplug.svg
517
518 Because CPU hotplug operations are much less frequent than idle
519 transitions, they are heavier weight, and thus acquire the CPU's leaf
520 ``rcu_node`` structure's ``->lock`` and update this structure's
521 ``->qsmaskinitnext``. The RCU grace-period kernel thread samples this
522 mask to detect CPUs having gone offline since the beginning of this
523 grace period.
524
525 Plumbing this into the full grace-period execution is described
526 `below <Forcing Quiescent States_>`__.
527
528 Forcing Quiescent States
529 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
530
531 As noted above, idle and offline CPUs cannot report their own quiescent
532 states, and therefore the grace-period kernel thread must do the
533 reporting on their behalf. This process is called “forcing quiescent
534 states”, it is repeated every few jiffies, and its ordering effects are
535 shown below:
536
537 .. kernel-figure:: TreeRCU-gp-fqs.svg
538
539 Each pass of quiescent state forcing is guaranteed to traverse the leaf
540 ``rcu_node`` structures, and if there are no new quiescent states due to
541 recently idled and/or offlined CPUs, then only the leaves are traversed.
542 However, if there is a newly offlined CPU as illustrated on the left or
543 a newly idled CPU as illustrated on the right, the corresponding
544 quiescent state will be driven up towards the root. As with
545 self-reported quiescent states, the upwards driving stops once it
546 reaches an ``rcu_node`` structure that has quiescent states outstanding
547 from other CPUs.
548
549 +-----------------------------------------------------------------------+
550 | **Quick Quiz**:                                                       |
551 +-----------------------------------------------------------------------+
552 | The leftmost drive to root stopped before it reached the root         |
553 | ``rcu_node`` structure, which means that there are still CPUs         |
554 | subordinate to that structure on which the current grace period is    |
555 | waiting. Given that, how is it possible that the rightmost drive to   |
556 | root ended the grace period?                                          |
557 +-----------------------------------------------------------------------+
558 | **Answer**:                                                           |
559 +-----------------------------------------------------------------------+
560 | Good analysis! It is in fact impossible in the absence of bugs in     |
561 | RCU. But this diagram is complex enough as it is, so simplicity       |
562 | overrode accuracy. You can think of it as poetic license, or you can  |
563 | think of it as misdirection that is resolved in the                   |
564 | `stitched-together diagram <Putting It All Together_>`__.             |
565 +-----------------------------------------------------------------------+
566
567 Grace-Period Cleanup
568 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
569
570 Grace-period cleanup first scans the ``rcu_node`` tree breadth-first
571 advancing all the ``->gp_seq`` fields, then it advances the
572 ``rcu_state`` structure's ``->gp_seq`` field. The ordering effects are
573 shown below:
574
575 .. kernel-figure:: TreeRCU-gp-cleanup.svg
576
577 As indicated by the oval at the bottom of the diagram, once grace-period
578 cleanup is complete, the next grace period can begin.
579
580 +-----------------------------------------------------------------------+
581 | **Quick Quiz**:                                                       |
582 +-----------------------------------------------------------------------+
583 | But when precisely does the grace period end?                         |
584 +-----------------------------------------------------------------------+
585 | **Answer**:                                                           |
586 +-----------------------------------------------------------------------+
587 | There is no useful single point at which the grace period can be said |
588 | to end. The earliest reasonable candidate is as soon as the last CPU  |
589 | has reported its quiescent state, but it may be some milliseconds     |
590 | before RCU becomes aware of this. The latest reasonable candidate is  |
591 | once the ``rcu_state`` structure's ``->gp_seq`` field has been        |
592 | updated, but it is quite possible that some CPUs have already         |
593 | completed phase two of their updates by that time. In short, if you   |
594 | are going to work with RCU, you need to learn to embrace uncertainty. |
595 +-----------------------------------------------------------------------+
596
597 Callback Invocation
598 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
599
600 Once a given CPU's leaf ``rcu_node`` structure's ``->gp_seq`` field has
601 been updated, that CPU can begin invoking its RCU callbacks that were
602 waiting for this grace period to end. These callbacks are identified by
603 ``rcu_advance_cbs()``, which is usually invoked by
604 ``__note_gp_changes()``. As shown in the diagram below, this invocation
605 can be triggered by the scheduling-clock interrupt
606 (``rcu_sched_clock_irq()`` on the left) or by idle entry
607 (``rcu_cleanup_after_idle()`` on the right, but only for kernels build
608 with ``CONFIG_RCU_FAST_NO_HZ=y``). Either way, ``RCU_SOFTIRQ`` is
609 raised, which results in ``rcu_do_batch()`` invoking the callbacks,
610 which in turn allows those callbacks to carry out (either directly or
611 indirectly via wakeup) the needed phase-two processing for each update.
612
613 .. kernel-figure:: TreeRCU-callback-invocation.svg
614
615 Please note that callback invocation can also be prompted by any number
616 of corner-case code paths, for example, when a CPU notes that it has
617 excessive numbers of callbacks queued. In all cases, the CPU acquires
618 its leaf ``rcu_node`` structure's ``->lock`` before invoking callbacks,
619 which preserves the required ordering against the newly completed grace
620 period.
621
622 However, if the callback function communicates to other CPUs, for
623 example, doing a wakeup, then it is that function's responsibility to
624 maintain ordering. For example, if the callback function wakes up a task
625 that runs on some other CPU, proper ordering must in place in both the
626 callback function and the task being awakened. To see why this is
627 important, consider the top half of the `grace-period
628 cleanup`_ diagram. The callback might be
629 running on a CPU corresponding to the leftmost leaf ``rcu_node``
630 structure, and awaken a task that is to run on a CPU corresponding to
631 the rightmost leaf ``rcu_node`` structure, and the grace-period kernel
632 thread might not yet have reached the rightmost leaf. In this case, the
633 grace period's memory ordering might not yet have reached that CPU, so
634 again the callback function and the awakened task must supply proper
635 ordering.
636
637 Putting It All Together
638 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
639
640 A stitched-together diagram is here:
641
642 .. kernel-figure:: TreeRCU-gp.svg
643
644 Legal Statement
645 ~~~~~~~~~~~~~~~
646
647 This work represents the view of the author and does not necessarily
648 represent the view of IBM.
649
650 Linux is a registered trademark of Linus Torvalds.
651
652 Other company, product, and service names may be trademarks or service
653 marks of others.