Merge tag 'Smack-for-5.11-io_uring-fix' of git://github.com/cschaufler/smack-next
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / RCU / Design / Requirements / Requirements.rst
1 =================================
2 A Tour Through RCU's Requirements
3 =================================
4
5 Copyright IBM Corporation, 2015
6
7 Author: Paul E. McKenney
8
9 The initial version of this document appeared in the
10 `LWN <https://lwn.net/>`_ on those articles:
11 `part 1 <https://lwn.net/Articles/652156/>`_,
12 `part 2 <https://lwn.net/Articles/652677/>`_, and
13 `part 3 <https://lwn.net/Articles/653326/>`_.
14
15 Introduction
16 ------------
17
18 Read-copy update (RCU) is a synchronization mechanism that is often used
19 as a replacement for reader-writer locking. RCU is unusual in that
20 updaters do not block readers, which means that RCU's read-side
21 primitives can be exceedingly fast and scalable. In addition, updaters
22 can make useful forward progress concurrently with readers. However, all
23 this concurrency between RCU readers and updaters does raise the
24 question of exactly what RCU readers are doing, which in turn raises the
25 question of exactly what RCU's requirements are.
26
27 This document therefore summarizes RCU's requirements, and can be
28 thought of as an informal, high-level specification for RCU. It is
29 important to understand that RCU's specification is primarily empirical
30 in nature; in fact, I learned about many of these requirements the hard
31 way. This situation might cause some consternation, however, not only
32 has this learning process been a lot of fun, but it has also been a
33 great privilege to work with so many people willing to apply
34 technologies in interesting new ways.
35
36 All that aside, here are the categories of currently known RCU
37 requirements:
38
39 #. `Fundamental Requirements`_
40 #. `Fundamental Non-Requirements`_
41 #. `Parallelism Facts of Life`_
42 #. `Quality-of-Implementation Requirements`_
43 #. `Linux Kernel Complications`_
44 #. `Software-Engineering Requirements`_
45 #. `Other RCU Flavors`_
46 #. `Possible Future Changes`_
47
48 This is followed by a `summary <#Summary>`__, however, the answers to
49 each quick quiz immediately follows the quiz. Select the big white space
50 with your mouse to see the answer.
51
52 Fundamental Requirements
53 ------------------------
54
55 RCU's fundamental requirements are the closest thing RCU has to hard
56 mathematical requirements. These are:
57
58 #. `Grace-Period Guarantee`_
59 #. `Publish/Subscribe Guarantee`_
60 #. `Memory-Barrier Guarantees`_
61 #. `RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally`_
62 #. `Guaranteed Read-to-Write Upgrade`_
63
64 Grace-Period Guarantee
65 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
66
67 RCU's grace-period guarantee is unusual in being premeditated: Jack
68 Slingwine and I had this guarantee firmly in mind when we started work
69 on RCU (then called “rclock”) in the early 1990s. That said, the past
70 two decades of experience with RCU have produced a much more detailed
71 understanding of this guarantee.
72
73 RCU's grace-period guarantee allows updaters to wait for the completion
74 of all pre-existing RCU read-side critical sections. An RCU read-side
75 critical section begins with the marker ``rcu_read_lock()`` and ends
76 with the marker ``rcu_read_unlock()``. These markers may be nested, and
77 RCU treats a nested set as one big RCU read-side critical section.
78 Production-quality implementations of ``rcu_read_lock()`` and
79 ``rcu_read_unlock()`` are extremely lightweight, and in fact have
80 exactly zero overhead in Linux kernels built for production use with
81 ``CONFIG_PREEMPT=n``.
82
83 This guarantee allows ordering to be enforced with extremely low
84 overhead to readers, for example:
85
86    ::
87
88        1 int x, y;
89        2
90        3 void thread0(void)
91        4 {
92        5   rcu_read_lock();
93        6   r1 = READ_ONCE(x);
94        7   r2 = READ_ONCE(y);
95        8   rcu_read_unlock();
96        9 }
97       10
98       11 void thread1(void)
99       12 {
100       13   WRITE_ONCE(x, 1);
101       14   synchronize_rcu();
102       15   WRITE_ONCE(y, 1);
103       16 }
104
105 Because the ``synchronize_rcu()`` on line 14 waits for all pre-existing
106 readers, any instance of ``thread0()`` that loads a value of zero from
107 ``x`` must complete before ``thread1()`` stores to ``y``, so that
108 instance must also load a value of zero from ``y``. Similarly, any
109 instance of ``thread0()`` that loads a value of one from ``y`` must have
110 started after the ``synchronize_rcu()`` started, and must therefore also
111 load a value of one from ``x``. Therefore, the outcome:
112
113    ::
114
115       (r1 == 0 && r2 == 1)
116
117 cannot happen.
118
119 +-----------------------------------------------------------------------+
120 | **Quick Quiz**:                                                       |
121 +-----------------------------------------------------------------------+
122 | Wait a minute! You said that updaters can make useful forward         |
123 | progress concurrently with readers, but pre-existing readers will     |
124 | block ``synchronize_rcu()``!!!                                        |
125 | Just who are you trying to fool???                                    |
126 +-----------------------------------------------------------------------+
127 | **Answer**:                                                           |
128 +-----------------------------------------------------------------------+
129 | First, if updaters do not wish to be blocked by readers, they can use |
130 | ``call_rcu()`` or ``kfree_rcu()``, which will be discussed later.     |
131 | Second, even when using ``synchronize_rcu()``, the other update-side  |
132 | code does run concurrently with readers, whether pre-existing or not. |
133 +-----------------------------------------------------------------------+
134
135 This scenario resembles one of the first uses of RCU in
136 `DYNIX/ptx <https://en.wikipedia.org/wiki/DYNIX>`__, which managed a
137 distributed lock manager's transition into a state suitable for handling
138 recovery from node failure, more or less as follows:
139
140    ::
141
142        1 #define STATE_NORMAL        0
143        2 #define STATE_WANT_RECOVERY 1
144        3 #define STATE_RECOVERING    2
145        4 #define STATE_WANT_NORMAL   3
146        5
147        6 int state = STATE_NORMAL;
148        7
149        8 void do_something_dlm(void)
150        9 {
151       10   int state_snap;
152       11
153       12   rcu_read_lock();
154       13   state_snap = READ_ONCE(state);
155       14   if (state_snap == STATE_NORMAL)
156       15     do_something();
157       16   else
158       17     do_something_carefully();
159       18   rcu_read_unlock();
160       19 }
161       20
162       21 void start_recovery(void)
163       22 {
164       23   WRITE_ONCE(state, STATE_WANT_RECOVERY);
165       24   synchronize_rcu();
166       25   WRITE_ONCE(state, STATE_RECOVERING);
167       26   recovery();
168       27   WRITE_ONCE(state, STATE_WANT_NORMAL);
169       28   synchronize_rcu();
170       29   WRITE_ONCE(state, STATE_NORMAL);
171       30 }
172
173 The RCU read-side critical section in ``do_something_dlm()`` works with
174 the ``synchronize_rcu()`` in ``start_recovery()`` to guarantee that
175 ``do_something()`` never runs concurrently with ``recovery()``, but with
176 little or no synchronization overhead in ``do_something_dlm()``.
177
178 +-----------------------------------------------------------------------+
179 | **Quick Quiz**:                                                       |
180 +-----------------------------------------------------------------------+
181 | Why is the ``synchronize_rcu()`` on line 28 needed?                   |
182 +-----------------------------------------------------------------------+
183 | **Answer**:                                                           |
184 +-----------------------------------------------------------------------+
185 | Without that extra grace period, memory reordering could result in    |
186 | ``do_something_dlm()`` executing ``do_something()`` concurrently with |
187 | the last bits of ``recovery()``.                                      |
188 +-----------------------------------------------------------------------+
189
190 In order to avoid fatal problems such as deadlocks, an RCU read-side
191 critical section must not contain calls to ``synchronize_rcu()``.
192 Similarly, an RCU read-side critical section must not contain anything
193 that waits, directly or indirectly, on completion of an invocation of
194 ``synchronize_rcu()``.
195
196 Although RCU's grace-period guarantee is useful in and of itself, with
197 `quite a few use cases <https://lwn.net/Articles/573497/>`__, it would
198 be good to be able to use RCU to coordinate read-side access to linked
199 data structures. For this, the grace-period guarantee is not sufficient,
200 as can be seen in function ``add_gp_buggy()`` below. We will look at the
201 reader's code later, but in the meantime, just think of the reader as
202 locklessly picking up the ``gp`` pointer, and, if the value loaded is
203 non-\ ``NULL``, locklessly accessing the ``->a`` and ``->b`` fields.
204
205    ::
206
207        1 bool add_gp_buggy(int a, int b)
208        2 {
209        3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
210        4   if (!p)
211        5     return -ENOMEM;
212        6   spin_lock(&gp_lock);
213        7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
214        8     spin_unlock(&gp_lock);
215        9     return false;
216       10   }
217       11   p->a = a;
218       12   p->b = a;
219       13   gp = p; /* ORDERING BUG */
220       14   spin_unlock(&gp_lock);
221       15   return true;
222       16 }
223
224 The problem is that both the compiler and weakly ordered CPUs are within
225 their rights to reorder this code as follows:
226
227    ::
228
229        1 bool add_gp_buggy_optimized(int a, int b)
230        2 {
231        3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
232        4   if (!p)
233        5     return -ENOMEM;
234        6   spin_lock(&gp_lock);
235        7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
236        8     spin_unlock(&gp_lock);
237        9     return false;
238       10   }
239       11   gp = p; /* ORDERING BUG */
240       12   p->a = a;
241       13   p->b = a;
242       14   spin_unlock(&gp_lock);
243       15   return true;
244       16 }
245
246 If an RCU reader fetches ``gp`` just after ``add_gp_buggy_optimized``
247 executes line 11, it will see garbage in the ``->a`` and ``->b`` fields.
248 And this is but one of many ways in which compiler and hardware
249 optimizations could cause trouble. Therefore, we clearly need some way
250 to prevent the compiler and the CPU from reordering in this manner,
251 which brings us to the publish-subscribe guarantee discussed in the next
252 section.
253
254 Publish/Subscribe Guarantee
255 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
256
257 RCU's publish-subscribe guarantee allows data to be inserted into a
258 linked data structure without disrupting RCU readers. The updater uses
259 ``rcu_assign_pointer()`` to insert the new data, and readers use
260 ``rcu_dereference()`` to access data, whether new or old. The following
261 shows an example of insertion:
262
263    ::
264
265        1 bool add_gp(int a, int b)
266        2 {
267        3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
268        4   if (!p)
269        5     return -ENOMEM;
270        6   spin_lock(&gp_lock);
271        7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
272        8     spin_unlock(&gp_lock);
273        9     return false;
274       10   }
275       11   p->a = a;
276       12   p->b = a;
277       13   rcu_assign_pointer(gp, p);
278       14   spin_unlock(&gp_lock);
279       15   return true;
280       16 }
281
282 The ``rcu_assign_pointer()`` on line 13 is conceptually equivalent to a
283 simple assignment statement, but also guarantees that its assignment
284 will happen after the two assignments in lines 11 and 12, similar to the
285 C11 ``memory_order_release`` store operation. It also prevents any
286 number of “interesting” compiler optimizations, for example, the use of
287 ``gp`` as a scratch location immediately preceding the assignment.
288
289 +-----------------------------------------------------------------------+
290 | **Quick Quiz**:                                                       |
291 +-----------------------------------------------------------------------+
292 | But ``rcu_assign_pointer()`` does nothing to prevent the two          |
293 | assignments to ``p->a`` and ``p->b`` from being reordered. Can't that |
294 | also cause problems?                                                  |
295 +-----------------------------------------------------------------------+
296 | **Answer**:                                                           |
297 +-----------------------------------------------------------------------+
298 | No, it cannot. The readers cannot see either of these two fields      |
299 | until the assignment to ``gp``, by which time both fields are fully   |
300 | initialized. So reordering the assignments to ``p->a`` and ``p->b``   |
301 | cannot possibly cause any problems.                                   |
302 +-----------------------------------------------------------------------+
303
304 It is tempting to assume that the reader need not do anything special to
305 control its accesses to the RCU-protected data, as shown in
306 ``do_something_gp_buggy()`` below:
307
308    ::
309
310        1 bool do_something_gp_buggy(void)
311        2 {
312        3   rcu_read_lock();
313        4   p = gp;  /* OPTIMIZATIONS GALORE!!! */
314        5   if (p) {
315        6     do_something(p->a, p->b);
316        7     rcu_read_unlock();
317        8     return true;
318        9   }
319       10   rcu_read_unlock();
320       11   return false;
321       12 }
322
323 However, this temptation must be resisted because there are a
324 surprisingly large number of ways that the compiler (to say nothing of
325 `DEC Alpha CPUs <https://h71000.www7.hp.com/wizard/wiz_2637.html>`__)
326 can trip this code up. For but one example, if the compiler were short
327 of registers, it might choose to refetch from ``gp`` rather than keeping
328 a separate copy in ``p`` as follows:
329
330    ::
331
332        1 bool do_something_gp_buggy_optimized(void)
333        2 {
334        3   rcu_read_lock();
335        4   if (gp) { /* OPTIMIZATIONS GALORE!!! */
336        5     do_something(gp->a, gp->b);
337        6     rcu_read_unlock();
338        7     return true;
339        8   }
340        9   rcu_read_unlock();
341       10   return false;
342       11 }
343
344 If this function ran concurrently with a series of updates that replaced
345 the current structure with a new one, the fetches of ``gp->a`` and
346 ``gp->b`` might well come from two different structures, which could
347 cause serious confusion. To prevent this (and much else besides),
348 ``do_something_gp()`` uses ``rcu_dereference()`` to fetch from ``gp``:
349
350    ::
351
352        1 bool do_something_gp(void)
353        2 {
354        3   rcu_read_lock();
355        4   p = rcu_dereference(gp);
356        5   if (p) {
357        6     do_something(p->a, p->b);
358        7     rcu_read_unlock();
359        8     return true;
360        9   }
361       10   rcu_read_unlock();
362       11   return false;
363       12 }
364
365 The ``rcu_dereference()`` uses volatile casts and (for DEC Alpha) memory
366 barriers in the Linux kernel. Should a `high-quality implementation of
367 C11 ``memory_order_consume``
368 [PDF] <http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU/consume.2015.07.13a.pdf>`__
369 ever appear, then ``rcu_dereference()`` could be implemented as a
370 ``memory_order_consume`` load. Regardless of the exact implementation, a
371 pointer fetched by ``rcu_dereference()`` may not be used outside of the
372 outermost RCU read-side critical section containing that
373 ``rcu_dereference()``, unless protection of the corresponding data
374 element has been passed from RCU to some other synchronization
375 mechanism, most commonly locking or `reference
376 counting <https://www.kernel.org/doc/Documentation/RCU/rcuref.txt>`__.
377
378 In short, updaters use ``rcu_assign_pointer()`` and readers use
379 ``rcu_dereference()``, and these two RCU API elements work together to
380 ensure that readers have a consistent view of newly added data elements.
381
382 Of course, it is also necessary to remove elements from RCU-protected
383 data structures, for example, using the following process:
384
385 #. Remove the data element from the enclosing structure.
386 #. Wait for all pre-existing RCU read-side critical sections to complete
387    (because only pre-existing readers can possibly have a reference to
388    the newly removed data element).
389 #. At this point, only the updater has a reference to the newly removed
390    data element, so it can safely reclaim the data element, for example,
391    by passing it to ``kfree()``.
392
393 This process is implemented by ``remove_gp_synchronous()``:
394
395    ::
396
397        1 bool remove_gp_synchronous(void)
398        2 {
399        3   struct foo *p;
400        4
401        5   spin_lock(&gp_lock);
402        6   p = rcu_access_pointer(gp);
403        7   if (!p) {
404        8     spin_unlock(&gp_lock);
405        9     return false;
406       10   }
407       11   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
408       12   spin_unlock(&gp_lock);
409       13   synchronize_rcu();
410       14   kfree(p);
411       15   return true;
412       16 }
413
414 This function is straightforward, with line 13 waiting for a grace
415 period before line 14 frees the old data element. This waiting ensures
416 that readers will reach line 7 of ``do_something_gp()`` before the data
417 element referenced by ``p`` is freed. The ``rcu_access_pointer()`` on
418 line 6 is similar to ``rcu_dereference()``, except that:
419
420 #. The value returned by ``rcu_access_pointer()`` cannot be
421    dereferenced. If you want to access the value pointed to as well as
422    the pointer itself, use ``rcu_dereference()`` instead of
423    ``rcu_access_pointer()``.
424 #. The call to ``rcu_access_pointer()`` need not be protected. In
425    contrast, ``rcu_dereference()`` must either be within an RCU
426    read-side critical section or in a code segment where the pointer
427    cannot change, for example, in code protected by the corresponding
428    update-side lock.
429
430 +-----------------------------------------------------------------------+
431 | **Quick Quiz**:                                                       |
432 +-----------------------------------------------------------------------+
433 | Without the ``rcu_dereference()`` or the ``rcu_access_pointer()``,    |
434 | what destructive optimizations might the compiler make use of?        |
435 +-----------------------------------------------------------------------+
436 | **Answer**:                                                           |
437 +-----------------------------------------------------------------------+
438 | Let's start with what happens to ``do_something_gp()`` if it fails to |
439 | use ``rcu_dereference()``. It could reuse a value formerly fetched    |
440 | from this same pointer. It could also fetch the pointer from ``gp``   |
441 | in a byte-at-a-time manner, resulting in *load tearing*, in turn      |
442 | resulting a bytewise mash-up of two distinct pointer values. It might |
443 | even use value-speculation optimizations, where it makes a wrong      |
444 | guess, but by the time it gets around to checking the value, an       |
445 | update has changed the pointer to match the wrong guess. Too bad      |
446 | about any dereferences that returned pre-initialization garbage in    |
447 | the meantime!                                                         |
448 | For ``remove_gp_synchronous()``, as long as all modifications to      |
449 | ``gp`` are carried out while holding ``gp_lock``, the above           |
450 | optimizations are harmless. However, ``sparse`` will complain if you  |
451 | define ``gp`` with ``__rcu`` and then access it without using either  |
452 | ``rcu_access_pointer()`` or ``rcu_dereference()``.                    |
453 +-----------------------------------------------------------------------+
454
455 In short, RCU's publish-subscribe guarantee is provided by the
456 combination of ``rcu_assign_pointer()`` and ``rcu_dereference()``. This
457 guarantee allows data elements to be safely added to RCU-protected
458 linked data structures without disrupting RCU readers. This guarantee
459 can be used in combination with the grace-period guarantee to also allow
460 data elements to be removed from RCU-protected linked data structures,
461 again without disrupting RCU readers.
462
463 This guarantee was only partially premeditated. DYNIX/ptx used an
464 explicit memory barrier for publication, but had nothing resembling
465 ``rcu_dereference()`` for subscription, nor did it have anything
466 resembling the dependency-ordering barrier that was later subsumed
467 into ``rcu_dereference()`` and later still into ``READ_ONCE()``. The
468 need for these operations made itself known quite suddenly at a
469 late-1990s meeting with the DEC Alpha architects, back in the days when
470 DEC was still a free-standing company. It took the Alpha architects a
471 good hour to convince me that any sort of barrier would ever be needed,
472 and it then took me a good *two* hours to convince them that their
473 documentation did not make this point clear. More recent work with the C
474 and C++ standards committees have provided much education on tricks and
475 traps from the compiler. In short, compilers were much less tricky in
476 the early 1990s, but in 2015, don't even think about omitting
477 ``rcu_dereference()``!
478
479 Memory-Barrier Guarantees
480 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
481
482 The previous section's simple linked-data-structure scenario clearly
483 demonstrates the need for RCU's stringent memory-ordering guarantees on
484 systems with more than one CPU:
485
486 #. Each CPU that has an RCU read-side critical section that begins
487    before ``synchronize_rcu()`` starts is guaranteed to execute a full
488    memory barrier between the time that the RCU read-side critical
489    section ends and the time that ``synchronize_rcu()`` returns. Without
490    this guarantee, a pre-existing RCU read-side critical section might
491    hold a reference to the newly removed ``struct foo`` after the
492    ``kfree()`` on line 14 of ``remove_gp_synchronous()``.
493 #. Each CPU that has an RCU read-side critical section that ends after
494    ``synchronize_rcu()`` returns is guaranteed to execute a full memory
495    barrier between the time that ``synchronize_rcu()`` begins and the
496    time that the RCU read-side critical section begins. Without this
497    guarantee, a later RCU read-side critical section running after the
498    ``kfree()`` on line 14 of ``remove_gp_synchronous()`` might later run
499    ``do_something_gp()`` and find the newly deleted ``struct foo``.
500 #. If the task invoking ``synchronize_rcu()`` remains on a given CPU,
501    then that CPU is guaranteed to execute a full memory barrier sometime
502    during the execution of ``synchronize_rcu()``. This guarantee ensures
503    that the ``kfree()`` on line 14 of ``remove_gp_synchronous()`` really
504    does execute after the removal on line 11.
505 #. If the task invoking ``synchronize_rcu()`` migrates among a group of
506    CPUs during that invocation, then each of the CPUs in that group is
507    guaranteed to execute a full memory barrier sometime during the
508    execution of ``synchronize_rcu()``. This guarantee also ensures that
509    the ``kfree()`` on line 14 of ``remove_gp_synchronous()`` really does
510    execute after the removal on line 11, but also in the case where the
511    thread executing the ``synchronize_rcu()`` migrates in the meantime.
512
513 +-----------------------------------------------------------------------+
514 | **Quick Quiz**:                                                       |
515 +-----------------------------------------------------------------------+
516 | Given that multiple CPUs can start RCU read-side critical sections at |
517 | any time without any ordering whatsoever, how can RCU possibly tell   |
518 | whether or not a given RCU read-side critical section starts before a |
519 | given instance of ``synchronize_rcu()``?                              |
520 +-----------------------------------------------------------------------+
521 | **Answer**:                                                           |
522 +-----------------------------------------------------------------------+
523 | If RCU cannot tell whether or not a given RCU read-side critical      |
524 | section starts before a given instance of ``synchronize_rcu()``, then |
525 | it must assume that the RCU read-side critical section started first. |
526 | In other words, a given instance of ``synchronize_rcu()`` can avoid   |
527 | waiting on a given RCU read-side critical section only if it can      |
528 | prove that ``synchronize_rcu()`` started first.                       |
529 | A related question is “When ``rcu_read_lock()`` doesn't generate any  |
530 | code, why does it matter how it relates to a grace period?” The       |
531 | answer is that it is not the relationship of ``rcu_read_lock()``      |
532 | itself that is important, but rather the relationship of the code     |
533 | within the enclosed RCU read-side critical section to the code        |
534 | preceding and following the grace period. If we take this viewpoint,  |
535 | then a given RCU read-side critical section begins before a given     |
536 | grace period when some access preceding the grace period observes the |
537 | effect of some access within the critical section, in which case none |
538 | of the accesses within the critical section may observe the effects   |
539 | of any access following the grace period.                             |
540 |                                                                       |
541 | As of late 2016, mathematical models of RCU take this viewpoint, for  |
542 | example, see slides 62 and 63 of the `2016 LinuxCon                   |
543 | EU <http://www2.rdrop.com/users/paulmck/scalability/paper/LinuxMM.201 |
544 | 6.10.04c.LCE.pdf>`__                                                  |
545 | presentation.                                                         |
546 +-----------------------------------------------------------------------+
547
548 +-----------------------------------------------------------------------+
549 | **Quick Quiz**:                                                       |
550 +-----------------------------------------------------------------------+
551 | The first and second guarantees require unbelievably strict ordering! |
552 | Are all these memory barriers *really* required?                      |
553 +-----------------------------------------------------------------------+
554 | **Answer**:                                                           |
555 +-----------------------------------------------------------------------+
556 | Yes, they really are required. To see why the first guarantee is      |
557 | required, consider the following sequence of events:                  |
558 |                                                                       |
559 | #. CPU 1: ``rcu_read_lock()``                                         |
560 | #. CPU 1: ``q = rcu_dereference(gp); /* Very likely to return p. */`` |
561 | #. CPU 0: ``list_del_rcu(p);``                                        |
562 | #. CPU 0: ``synchronize_rcu()`` starts.                               |
563 | #. CPU 1: ``do_something_with(q->a);``                                |
564 |    ``/* No smp_mb(), so might happen after kfree(). */``              |
565 | #. CPU 1: ``rcu_read_unlock()``                                       |
566 | #. CPU 0: ``synchronize_rcu()`` returns.                              |
567 | #. CPU 0: ``kfree(p);``                                               |
568 |                                                                       |
569 | Therefore, there absolutely must be a full memory barrier between the |
570 | end of the RCU read-side critical section and the end of the grace    |
571 | period.                                                               |
572 |                                                                       |
573 | The sequence of events demonstrating the necessity of the second rule |
574 | is roughly similar:                                                   |
575 |                                                                       |
576 | #. CPU 0: ``list_del_rcu(p);``                                        |
577 | #. CPU 0: ``synchronize_rcu()`` starts.                               |
578 | #. CPU 1: ``rcu_read_lock()``                                         |
579 | #. CPU 1: ``q = rcu_dereference(gp);``                                |
580 |    ``/* Might return p if no memory barrier. */``                     |
581 | #. CPU 0: ``synchronize_rcu()`` returns.                              |
582 | #. CPU 0: ``kfree(p);``                                               |
583 | #. CPU 1: ``do_something_with(q->a); /* Boom!!! */``                  |
584 | #. CPU 1: ``rcu_read_unlock()``                                       |
585 |                                                                       |
586 | And similarly, without a memory barrier between the beginning of the  |
587 | grace period and the beginning of the RCU read-side critical section, |
588 | CPU 1 might end up accessing the freelist.                            |
589 |                                                                       |
590 | The “as if” rule of course applies, so that any implementation that   |
591 | acts as if the appropriate memory barriers were in place is a correct |
592 | implementation. That said, it is much easier to fool yourself into    |
593 | believing that you have adhered to the as-if rule than it is to       |
594 | actually adhere to it!                                                |
595 +-----------------------------------------------------------------------+
596
597 +-----------------------------------------------------------------------+
598 | **Quick Quiz**:                                                       |
599 +-----------------------------------------------------------------------+
600 | You claim that ``rcu_read_lock()`` and ``rcu_read_unlock()`` generate |
601 | absolutely no code in some kernel builds. This means that the         |
602 | compiler might arbitrarily rearrange consecutive RCU read-side        |
603 | critical sections. Given such rearrangement, if a given RCU read-side |
604 | critical section is done, how can you be sure that all prior RCU      |
605 | read-side critical sections are done? Won't the compiler              |
606 | rearrangements make that impossible to determine?                     |
607 +-----------------------------------------------------------------------+
608 | **Answer**:                                                           |
609 +-----------------------------------------------------------------------+
610 | In cases where ``rcu_read_lock()`` and ``rcu_read_unlock()`` generate |
611 | absolutely no code, RCU infers quiescent states only at special       |
612 | locations, for example, within the scheduler. Because calls to        |
613 | ``schedule()`` had better prevent calling-code accesses to shared     |
614 | variables from being rearranged across the call to ``schedule()``, if |
615 | RCU detects the end of a given RCU read-side critical section, it     |
616 | will necessarily detect the end of all prior RCU read-side critical   |
617 | sections, no matter how aggressively the compiler scrambles the code. |
618 | Again, this all assumes that the compiler cannot scramble code across |
619 | calls to the scheduler, out of interrupt handlers, into the idle      |
620 | loop, into user-mode code, and so on. But if your kernel build allows |
621 | that sort of scrambling, you have broken far more than just RCU!      |
622 +-----------------------------------------------------------------------+
623
624 Note that these memory-barrier requirements do not replace the
625 fundamental RCU requirement that a grace period wait for all
626 pre-existing readers. On the contrary, the memory barriers called out in
627 this section must operate in such a way as to *enforce* this fundamental
628 requirement. Of course, different implementations enforce this
629 requirement in different ways, but enforce it they must.
630
631 RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally
632 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
633
634 The common-case RCU primitives are unconditional. They are invoked, they
635 do their job, and they return, with no possibility of error, and no need
636 to retry. This is a key RCU design philosophy.
637
638 However, this philosophy is pragmatic rather than pigheaded. If someone
639 comes up with a good justification for a particular conditional RCU
640 primitive, it might well be implemented and added. After all, this
641 guarantee was reverse-engineered, not premeditated. The unconditional
642 nature of the RCU primitives was initially an accident of
643 implementation, and later experience with synchronization primitives
644 with conditional primitives caused me to elevate this accident to a
645 guarantee. Therefore, the justification for adding a conditional
646 primitive to RCU would need to be based on detailed and compelling use
647 cases.
648
649 Guaranteed Read-to-Write Upgrade
650 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
651
652 As far as RCU is concerned, it is always possible to carry out an update
653 within an RCU read-side critical section. For example, that RCU
654 read-side critical section might search for a given data element, and
655 then might acquire the update-side spinlock in order to update that
656 element, all while remaining in that RCU read-side critical section. Of
657 course, it is necessary to exit the RCU read-side critical section
658 before invoking ``synchronize_rcu()``, however, this inconvenience can
659 be avoided through use of the ``call_rcu()`` and ``kfree_rcu()`` API
660 members described later in this document.
661
662 +-----------------------------------------------------------------------+
663 | **Quick Quiz**:                                                       |
664 +-----------------------------------------------------------------------+
665 | But how does the upgrade-to-write operation exclude other readers?    |
666 +-----------------------------------------------------------------------+
667 | **Answer**:                                                           |
668 +-----------------------------------------------------------------------+
669 | It doesn't, just like normal RCU updates, which also do not exclude   |
670 | RCU readers.                                                          |
671 +-----------------------------------------------------------------------+
672
673 This guarantee allows lookup code to be shared between read-side and
674 update-side code, and was premeditated, appearing in the earliest
675 DYNIX/ptx RCU documentation.
676
677 Fundamental Non-Requirements
678 ----------------------------
679
680 RCU provides extremely lightweight readers, and its read-side
681 guarantees, though quite useful, are correspondingly lightweight. It is
682 therefore all too easy to assume that RCU is guaranteeing more than it
683 really is. Of course, the list of things that RCU does not guarantee is
684 infinitely long, however, the following sections list a few
685 non-guarantees that have caused confusion. Except where otherwise noted,
686 these non-guarantees were premeditated.
687
688 #. `Readers Impose Minimal Ordering`_
689 #. `Readers Do Not Exclude Updaters`_
690 #. `Updaters Only Wait For Old Readers`_
691 #. `Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections`_
692 #. `Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods`_
693
694 Readers Impose Minimal Ordering
695 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
696
697 Reader-side markers such as ``rcu_read_lock()`` and
698 ``rcu_read_unlock()`` provide absolutely no ordering guarantees except
699 through their interaction with the grace-period APIs such as
700 ``synchronize_rcu()``. To see this, consider the following pair of
701 threads:
702
703    ::
704
705        1 void thread0(void)
706        2 {
707        3   rcu_read_lock();
708        4   WRITE_ONCE(x, 1);
709        5   rcu_read_unlock();
710        6   rcu_read_lock();
711        7   WRITE_ONCE(y, 1);
712        8   rcu_read_unlock();
713        9 }
714       10
715       11 void thread1(void)
716       12 {
717       13   rcu_read_lock();
718       14   r1 = READ_ONCE(y);
719       15   rcu_read_unlock();
720       16   rcu_read_lock();
721       17   r2 = READ_ONCE(x);
722       18   rcu_read_unlock();
723       19 }
724
725 After ``thread0()`` and ``thread1()`` execute concurrently, it is quite
726 possible to have
727
728    ::
729
730       (r1 == 1 && r2 == 0)
731
732 (that is, ``y`` appears to have been assigned before ``x``), which would
733 not be possible if ``rcu_read_lock()`` and ``rcu_read_unlock()`` had
734 much in the way of ordering properties. But they do not, so the CPU is
735 within its rights to do significant reordering. This is by design: Any
736 significant ordering constraints would slow down these fast-path APIs.
737
738 +-----------------------------------------------------------------------+
739 | **Quick Quiz**:                                                       |
740 +-----------------------------------------------------------------------+
741 | Can't the compiler also reorder this code?                            |
742 +-----------------------------------------------------------------------+
743 | **Answer**:                                                           |
744 +-----------------------------------------------------------------------+
745 | No, the volatile casts in ``READ_ONCE()`` and ``WRITE_ONCE()``        |
746 | prevent the compiler from reordering in this particular case.         |
747 +-----------------------------------------------------------------------+
748
749 Readers Do Not Exclude Updaters
750 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
751
752 Neither ``rcu_read_lock()`` nor ``rcu_read_unlock()`` exclude updates.
753 All they do is to prevent grace periods from ending. The following
754 example illustrates this:
755
756    ::
757
758        1 void thread0(void)
759        2 {
760        3   rcu_read_lock();
761        4   r1 = READ_ONCE(y);
762        5   if (r1) {
763        6     do_something_with_nonzero_x();
764        7     r2 = READ_ONCE(x);
765        8     WARN_ON(!r2); /* BUG!!! */
766        9   }
767       10   rcu_read_unlock();
768       11 }
769       12
770       13 void thread1(void)
771       14 {
772       15   spin_lock(&my_lock);
773       16   WRITE_ONCE(x, 1);
774       17   WRITE_ONCE(y, 1);
775       18   spin_unlock(&my_lock);
776       19 }
777
778 If the ``thread0()`` function's ``rcu_read_lock()`` excluded the
779 ``thread1()`` function's update, the ``WARN_ON()`` could never fire. But
780 the fact is that ``rcu_read_lock()`` does not exclude much of anything
781 aside from subsequent grace periods, of which ``thread1()`` has none, so
782 the ``WARN_ON()`` can and does fire.
783
784 Updaters Only Wait For Old Readers
785 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
786
787 It might be tempting to assume that after ``synchronize_rcu()``
788 completes, there are no readers executing. This temptation must be
789 avoided because new readers can start immediately after
790 ``synchronize_rcu()`` starts, and ``synchronize_rcu()`` is under no
791 obligation to wait for these new readers.
792
793 +-----------------------------------------------------------------------+
794 | **Quick Quiz**:                                                       |
795 +-----------------------------------------------------------------------+
796 | Suppose that synchronize_rcu() did wait until *all* readers had       |
797 | completed instead of waiting only on pre-existing readers. For how    |
798 | long would the updater be able to rely on there being no readers?     |
799 +-----------------------------------------------------------------------+
800 | **Answer**:                                                           |
801 +-----------------------------------------------------------------------+
802 | For no time at all. Even if ``synchronize_rcu()`` were to wait until  |
803 | all readers had completed, a new reader might start immediately after |
804 | ``synchronize_rcu()`` completed. Therefore, the code following        |
805 | ``synchronize_rcu()`` can *never* rely on there being no readers.     |
806 +-----------------------------------------------------------------------+
807
808 Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections
809 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
810
811 It is tempting to assume that if any part of one RCU read-side critical
812 section precedes a given grace period, and if any part of another RCU
813 read-side critical section follows that same grace period, then all of
814 the first RCU read-side critical section must precede all of the second.
815 However, this just isn't the case: A single grace period does not
816 partition the set of RCU read-side critical sections. An example of this
817 situation can be illustrated as follows, where ``x``, ``y``, and ``z``
818 are initially all zero:
819
820    ::
821
822        1 void thread0(void)
823        2 {
824        3   rcu_read_lock();
825        4   WRITE_ONCE(a, 1);
826        5   WRITE_ONCE(b, 1);
827        6   rcu_read_unlock();
828        7 }
829        8
830        9 void thread1(void)
831       10 {
832       11   r1 = READ_ONCE(a);
833       12   synchronize_rcu();
834       13   WRITE_ONCE(c, 1);
835       14 }
836       15
837       16 void thread2(void)
838       17 {
839       18   rcu_read_lock();
840       19   r2 = READ_ONCE(b);
841       20   r3 = READ_ONCE(c);
842       21   rcu_read_unlock();
843       22 }
844
845 It turns out that the outcome:
846
847    ::
848
849       (r1 == 1 && r2 == 0 && r3 == 1)
850
851 is entirely possible. The following figure show how this can happen,
852 with each circled ``QS`` indicating the point at which RCU recorded a
853 *quiescent state* for each thread, that is, a state in which RCU knows
854 that the thread cannot be in the midst of an RCU read-side critical
855 section that started before the current grace period:
856
857 .. kernel-figure:: GPpartitionReaders1.svg
858
859 If it is necessary to partition RCU read-side critical sections in this
860 manner, it is necessary to use two grace periods, where the first grace
861 period is known to end before the second grace period starts:
862
863    ::
864
865        1 void thread0(void)
866        2 {
867        3   rcu_read_lock();
868        4   WRITE_ONCE(a, 1);
869        5   WRITE_ONCE(b, 1);
870        6   rcu_read_unlock();
871        7 }
872        8
873        9 void thread1(void)
874       10 {
875       11   r1 = READ_ONCE(a);
876       12   synchronize_rcu();
877       13   WRITE_ONCE(c, 1);
878       14 }
879       15
880       16 void thread2(void)
881       17 {
882       18   r2 = READ_ONCE(c);
883       19   synchronize_rcu();
884       20   WRITE_ONCE(d, 1);
885       21 }
886       22
887       23 void thread3(void)
888       24 {
889       25   rcu_read_lock();
890       26   r3 = READ_ONCE(b);
891       27   r4 = READ_ONCE(d);
892       28   rcu_read_unlock();
893       29 }
894
895 Here, if ``(r1 == 1)``, then ``thread0()``'s write to ``b`` must happen
896 before the end of ``thread1()``'s grace period. If in addition
897 ``(r4 == 1)``, then ``thread3()``'s read from ``b`` must happen after
898 the beginning of ``thread2()``'s grace period. If it is also the case
899 that ``(r2 == 1)``, then the end of ``thread1()``'s grace period must
900 precede the beginning of ``thread2()``'s grace period. This mean that
901 the two RCU read-side critical sections cannot overlap, guaranteeing
902 that ``(r3 == 1)``. As a result, the outcome:
903
904    ::
905
906       (r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 1)
907
908 cannot happen.
909
910 This non-requirement was also non-premeditated, but became apparent when
911 studying RCU's interaction with memory ordering.
912
913 Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods
914 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
915
916 It is also tempting to assume that if an RCU read-side critical section
917 happens between a pair of grace periods, then those grace periods cannot
918 overlap. However, this temptation leads nowhere good, as can be
919 illustrated by the following, with all variables initially zero:
920
921    ::
922
923        1 void thread0(void)
924        2 {
925        3   rcu_read_lock();
926        4   WRITE_ONCE(a, 1);
927        5   WRITE_ONCE(b, 1);
928        6   rcu_read_unlock();
929        7 }
930        8
931        9 void thread1(void)
932       10 {
933       11   r1 = READ_ONCE(a);
934       12   synchronize_rcu();
935       13   WRITE_ONCE(c, 1);
936       14 }
937       15
938       16 void thread2(void)
939       17 {
940       18   rcu_read_lock();
941       19   WRITE_ONCE(d, 1);
942       20   r2 = READ_ONCE(c);
943       21   rcu_read_unlock();
944       22 }
945       23
946       24 void thread3(void)
947       25 {
948       26   r3 = READ_ONCE(d);
949       27   synchronize_rcu();
950       28   WRITE_ONCE(e, 1);
951       29 }
952       30
953       31 void thread4(void)
954       32 {
955       33   rcu_read_lock();
956       34   r4 = READ_ONCE(b);
957       35   r5 = READ_ONCE(e);
958       36   rcu_read_unlock();
959       37 }
960
961 In this case, the outcome:
962
963    ::
964
965       (r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 1 && r4 == 0 && r5 == 1)
966
967 is entirely possible, as illustrated below:
968
969 .. kernel-figure:: ReadersPartitionGP1.svg
970
971 Again, an RCU read-side critical section can overlap almost all of a
972 given grace period, just so long as it does not overlap the entire grace
973 period. As a result, an RCU read-side critical section cannot partition
974 a pair of RCU grace periods.
975
976 +-----------------------------------------------------------------------+
977 | **Quick Quiz**:                                                       |
978 +-----------------------------------------------------------------------+
979 | How long a sequence of grace periods, each separated by an RCU        |
980 | read-side critical section, would be required to partition the RCU    |
981 | read-side critical sections at the beginning and end of the chain?    |
982 +-----------------------------------------------------------------------+
983 | **Answer**:                                                           |
984 +-----------------------------------------------------------------------+
985 | In theory, an infinite number. In practice, an unknown number that is |
986 | sensitive to both implementation details and timing considerations.   |
987 | Therefore, even in practice, RCU users must abide by the theoretical  |
988 | rather than the practical answer.                                     |
989 +-----------------------------------------------------------------------+
990
991 Parallelism Facts of Life
992 -------------------------
993
994 These parallelism facts of life are by no means specific to RCU, but the
995 RCU implementation must abide by them. They therefore bear repeating:
996
997 #. Any CPU or task may be delayed at any time, and any attempts to avoid
998    these delays by disabling preemption, interrupts, or whatever are
999    completely futile. This is most obvious in preemptible user-level
1000    environments and in virtualized environments (where a given guest
1001    OS's VCPUs can be preempted at any time by the underlying
1002    hypervisor), but can also happen in bare-metal environments due to
1003    ECC errors, NMIs, and other hardware events. Although a delay of more
1004    than about 20 seconds can result in splats, the RCU implementation is
1005    obligated to use algorithms that can tolerate extremely long delays,
1006    but where “extremely long” is not long enough to allow wrap-around
1007    when incrementing a 64-bit counter.
1008 #. Both the compiler and the CPU can reorder memory accesses. Where it
1009    matters, RCU must use compiler directives and memory-barrier
1010    instructions to preserve ordering.
1011 #. Conflicting writes to memory locations in any given cache line will
1012    result in expensive cache misses. Greater numbers of concurrent
1013    writes and more-frequent concurrent writes will result in more
1014    dramatic slowdowns. RCU is therefore obligated to use algorithms that
1015    have sufficient locality to avoid significant performance and
1016    scalability problems.
1017 #. As a rough rule of thumb, only one CPU's worth of processing may be
1018    carried out under the protection of any given exclusive lock. RCU
1019    must therefore use scalable locking designs.
1020 #. Counters are finite, especially on 32-bit systems. RCU's use of
1021    counters must therefore tolerate counter wrap, or be designed such
1022    that counter wrap would take way more time than a single system is
1023    likely to run. An uptime of ten years is quite possible, a runtime of
1024    a century much less so. As an example of the latter, RCU's
1025    dyntick-idle nesting counter allows 54 bits for interrupt nesting
1026    level (this counter is 64 bits even on a 32-bit system). Overflowing
1027    this counter requires 2\ :sup:`54` half-interrupts on a given CPU
1028    without that CPU ever going idle. If a half-interrupt happened every
1029    microsecond, it would take 570 years of runtime to overflow this
1030    counter, which is currently believed to be an acceptably long time.
1031 #. Linux systems can have thousands of CPUs running a single Linux
1032    kernel in a single shared-memory environment. RCU must therefore pay
1033    close attention to high-end scalability.
1034
1035 This last parallelism fact of life means that RCU must pay special
1036 attention to the preceding facts of life. The idea that Linux might
1037 scale to systems with thousands of CPUs would have been met with some
1038 skepticism in the 1990s, but these requirements would have otherwise
1039 have been unsurprising, even in the early 1990s.
1040
1041 Quality-of-Implementation Requirements
1042 --------------------------------------
1043
1044 These sections list quality-of-implementation requirements. Although an
1045 RCU implementation that ignores these requirements could still be used,
1046 it would likely be subject to limitations that would make it
1047 inappropriate for industrial-strength production use. Classes of
1048 quality-of-implementation requirements are as follows:
1049
1050 #. `Specialization`_
1051 #. `Performance and Scalability`_
1052 #. `Forward Progress`_
1053 #. `Composability`_
1054 #. `Corner Cases`_
1055
1056 These classes is covered in the following sections.
1057
1058 Specialization
1059 ~~~~~~~~~~~~~~
1060
1061 RCU is and always has been intended primarily for read-mostly
1062 situations, which means that RCU's read-side primitives are optimized,
1063 often at the expense of its update-side primitives. Experience thus far
1064 is captured by the following list of situations:
1065
1066 #. Read-mostly data, where stale and inconsistent data is not a problem:
1067    RCU works great!
1068 #. Read-mostly data, where data must be consistent: RCU works well.
1069 #. Read-write data, where data must be consistent: RCU *might* work OK.
1070    Or not.
1071 #. Write-mostly data, where data must be consistent: RCU is very
1072    unlikely to be the right tool for the job, with the following
1073    exceptions, where RCU can provide:
1074
1075    a. Existence guarantees for update-friendly mechanisms.
1076    b. Wait-free read-side primitives for real-time use.
1077
1078 This focus on read-mostly situations means that RCU must interoperate
1079 with other synchronization primitives. For example, the ``add_gp()`` and
1080 ``remove_gp_synchronous()`` examples discussed earlier use RCU to
1081 protect readers and locking to coordinate updaters. However, the need
1082 extends much farther, requiring that a variety of synchronization
1083 primitives be legal within RCU read-side critical sections, including
1084 spinlocks, sequence locks, atomic operations, reference counters, and
1085 memory barriers.
1086
1087 +-----------------------------------------------------------------------+
1088 | **Quick Quiz**:                                                       |
1089 +-----------------------------------------------------------------------+
1090 | What about sleeping locks?                                            |
1091 +-----------------------------------------------------------------------+
1092 | **Answer**:                                                           |
1093 +-----------------------------------------------------------------------+
1094 | These are forbidden within Linux-kernel RCU read-side critical        |
1095 | sections because it is not legal to place a quiescent state (in this  |
1096 | case, voluntary context switch) within an RCU read-side critical      |
1097 | section. However, sleeping locks may be used within userspace RCU     |
1098 | read-side critical sections, and also within Linux-kernel sleepable   |
1099 | RCU `(SRCU) <#Sleepable%20RCU>`__ read-side critical sections. In     |
1100 | addition, the -rt patchset turns spinlocks into a sleeping locks so   |
1101 | that the corresponding critical sections can be preempted, which also |
1102 | means that these sleeplockified spinlocks (but not other sleeping     |
1103 | locks!) may be acquire within -rt-Linux-kernel RCU read-side critical |
1104 | sections.                                                             |
1105 | Note that it *is* legal for a normal RCU read-side critical section   |
1106 | to conditionally acquire a sleeping locks (as in                      |
1107 | ``mutex_trylock()``), but only as long as it does not loop            |
1108 | indefinitely attempting to conditionally acquire that sleeping locks. |
1109 | The key point is that things like ``mutex_trylock()`` either return   |
1110 | with the mutex held, or return an error indication if the mutex was   |
1111 | not immediately available. Either way, ``mutex_trylock()`` returns    |
1112 | immediately without sleeping.                                         |
1113 +-----------------------------------------------------------------------+
1114
1115 It often comes as a surprise that many algorithms do not require a
1116 consistent view of data, but many can function in that mode, with
1117 network routing being the poster child. Internet routing algorithms take
1118 significant time to propagate updates, so that by the time an update
1119 arrives at a given system, that system has been sending network traffic
1120 the wrong way for a considerable length of time. Having a few threads
1121 continue to send traffic the wrong way for a few more milliseconds is
1122 clearly not a problem: In the worst case, TCP retransmissions will
1123 eventually get the data where it needs to go. In general, when tracking
1124 the state of the universe outside of the computer, some level of
1125 inconsistency must be tolerated due to speed-of-light delays if nothing
1126 else.
1127
1128 Furthermore, uncertainty about external state is inherent in many cases.
1129 For example, a pair of veterinarians might use heartbeat to determine
1130 whether or not a given cat was alive. But how long should they wait
1131 after the last heartbeat to decide that the cat is in fact dead? Waiting
1132 less than 400 milliseconds makes no sense because this would mean that a
1133 relaxed cat would be considered to cycle between death and life more
1134 than 100 times per minute. Moreover, just as with human beings, a cat's
1135 heart might stop for some period of time, so the exact wait period is a
1136 judgment call. One of our pair of veterinarians might wait 30 seconds
1137 before pronouncing the cat dead, while the other might insist on waiting
1138 a full minute. The two veterinarians would then disagree on the state of
1139 the cat during the final 30 seconds of the minute following the last
1140 heartbeat.
1141
1142 Interestingly enough, this same situation applies to hardware. When push
1143 comes to shove, how do we tell whether or not some external server has
1144 failed? We send messages to it periodically, and declare it failed if we
1145 don't receive a response within a given period of time. Policy decisions
1146 can usually tolerate short periods of inconsistency. The policy was
1147 decided some time ago, and is only now being put into effect, so a few
1148 milliseconds of delay is normally inconsequential.
1149
1150 However, there are algorithms that absolutely must see consistent data.
1151 For example, the translation between a user-level SystemV semaphore ID
1152 to the corresponding in-kernel data structure is protected by RCU, but
1153 it is absolutely forbidden to update a semaphore that has just been
1154 removed. In the Linux kernel, this need for consistency is accommodated
1155 by acquiring spinlocks located in the in-kernel data structure from
1156 within the RCU read-side critical section, and this is indicated by the
1157 green box in the figure above. Many other techniques may be used, and
1158 are in fact used within the Linux kernel.
1159
1160 In short, RCU is not required to maintain consistency, and other
1161 mechanisms may be used in concert with RCU when consistency is required.
1162 RCU's specialization allows it to do its job extremely well, and its
1163 ability to interoperate with other synchronization mechanisms allows the
1164 right mix of synchronization tools to be used for a given job.
1165
1166 Performance and Scalability
1167 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1168
1169 Energy efficiency is a critical component of performance today, and
1170 Linux-kernel RCU implementations must therefore avoid unnecessarily
1171 awakening idle CPUs. I cannot claim that this requirement was
1172 premeditated. In fact, I learned of it during a telephone conversation
1173 in which I was given “frank and open” feedback on the importance of
1174 energy efficiency in battery-powered systems and on specific
1175 energy-efficiency shortcomings of the Linux-kernel RCU implementation.
1176 In my experience, the battery-powered embedded community will consider
1177 any unnecessary wakeups to be extremely unfriendly acts. So much so that
1178 mere Linux-kernel-mailing-list posts are insufficient to vent their ire.
1179
1180 Memory consumption is not particularly important for in most situations,
1181 and has become decreasingly so as memory sizes have expanded and memory
1182 costs have plummeted. However, as I learned from Matt Mackall's
1183 `bloatwatch <http://elinux.org/Linux_Tiny-FAQ>`__ efforts, memory
1184 footprint is critically important on single-CPU systems with
1185 non-preemptible (``CONFIG_PREEMPT=n``) kernels, and thus `tiny
1186 RCU <https://lkml.kernel.org/g/20090113221724.GA15307@linux.vnet.ibm.com>`__
1187 was born. Josh Triplett has since taken over the small-memory banner
1188 with his `Linux kernel tinification <https://tiny.wiki.kernel.org/>`__
1189 project, which resulted in `SRCU <#Sleepable%20RCU>`__ becoming optional
1190 for those kernels not needing it.
1191
1192 The remaining performance requirements are, for the most part,
1193 unsurprising. For example, in keeping with RCU's read-side
1194 specialization, ``rcu_dereference()`` should have negligible overhead
1195 (for example, suppression of a few minor compiler optimizations).
1196 Similarly, in non-preemptible environments, ``rcu_read_lock()`` and
1197 ``rcu_read_unlock()`` should have exactly zero overhead.
1198
1199 In preemptible environments, in the case where the RCU read-side
1200 critical section was not preempted (as will be the case for the
1201 highest-priority real-time process), ``rcu_read_lock()`` and
1202 ``rcu_read_unlock()`` should have minimal overhead. In particular, they
1203 should not contain atomic read-modify-write operations, memory-barrier
1204 instructions, preemption disabling, interrupt disabling, or backwards
1205 branches. However, in the case where the RCU read-side critical section
1206 was preempted, ``rcu_read_unlock()`` may acquire spinlocks and disable
1207 interrupts. This is why it is better to nest an RCU read-side critical
1208 section within a preempt-disable region than vice versa, at least in
1209 cases where that critical section is short enough to avoid unduly
1210 degrading real-time latencies.
1211
1212 The ``synchronize_rcu()`` grace-period-wait primitive is optimized for
1213 throughput. It may therefore incur several milliseconds of latency in
1214 addition to the duration of the longest RCU read-side critical section.
1215 On the other hand, multiple concurrent invocations of
1216 ``synchronize_rcu()`` are required to use batching optimizations so that
1217 they can be satisfied by a single underlying grace-period-wait
1218 operation. For example, in the Linux kernel, it is not unusual for a
1219 single grace-period-wait operation to serve more than `1,000 separate
1220 invocations <https://www.usenix.org/conference/2004-usenix-annual-technical-conference/making-rcu-safe-deep-sub-millisecond-response>`__
1221 of ``synchronize_rcu()``, thus amortizing the per-invocation overhead
1222 down to nearly zero. However, the grace-period optimization is also
1223 required to avoid measurable degradation of real-time scheduling and
1224 interrupt latencies.
1225
1226 In some cases, the multi-millisecond ``synchronize_rcu()`` latencies are
1227 unacceptable. In these cases, ``synchronize_rcu_expedited()`` may be
1228 used instead, reducing the grace-period latency down to a few tens of
1229 microseconds on small systems, at least in cases where the RCU read-side
1230 critical sections are short. There are currently no special latency
1231 requirements for ``synchronize_rcu_expedited()`` on large systems, but,
1232 consistent with the empirical nature of the RCU specification, that is
1233 subject to change. However, there most definitely are scalability
1234 requirements: A storm of ``synchronize_rcu_expedited()`` invocations on
1235 4096 CPUs should at least make reasonable forward progress. In return
1236 for its shorter latencies, ``synchronize_rcu_expedited()`` is permitted
1237 to impose modest degradation of real-time latency on non-idle online
1238 CPUs. Here, “modest” means roughly the same latency degradation as a
1239 scheduling-clock interrupt.
1240
1241 There are a number of situations where even
1242 ``synchronize_rcu_expedited()``'s reduced grace-period latency is
1243 unacceptable. In these situations, the asynchronous ``call_rcu()`` can
1244 be used in place of ``synchronize_rcu()`` as follows:
1245
1246    ::
1247
1248        1 struct foo {
1249        2   int a;
1250        3   int b;
1251        4   struct rcu_head rh;
1252        5 };
1253        6
1254        7 static void remove_gp_cb(struct rcu_head *rhp)
1255        8 {
1256        9   struct foo *p = container_of(rhp, struct foo, rh);
1257       10
1258       11   kfree(p);
1259       12 }
1260       13
1261       14 bool remove_gp_asynchronous(void)
1262       15 {
1263       16   struct foo *p;
1264       17
1265       18   spin_lock(&gp_lock);
1266       19   p = rcu_access_pointer(gp);
1267       20   if (!p) {
1268       21     spin_unlock(&gp_lock);
1269       22     return false;
1270       23   }
1271       24   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1272       25   call_rcu(&p->rh, remove_gp_cb);
1273       26   spin_unlock(&gp_lock);
1274       27   return true;
1275       28 }
1276
1277 A definition of ``struct foo`` is finally needed, and appears on
1278 lines 1-5. The function ``remove_gp_cb()`` is passed to ``call_rcu()``
1279 on line 25, and will be invoked after the end of a subsequent grace
1280 period. This gets the same effect as ``remove_gp_synchronous()``, but
1281 without forcing the updater to wait for a grace period to elapse. The
1282 ``call_rcu()`` function may be used in a number of situations where
1283 neither ``synchronize_rcu()`` nor ``synchronize_rcu_expedited()`` would
1284 be legal, including within preempt-disable code, ``local_bh_disable()``
1285 code, interrupt-disable code, and interrupt handlers. However, even
1286 ``call_rcu()`` is illegal within NMI handlers and from idle and offline
1287 CPUs. The callback function (``remove_gp_cb()`` in this case) will be
1288 executed within softirq (software interrupt) environment within the
1289 Linux kernel, either within a real softirq handler or under the
1290 protection of ``local_bh_disable()``. In both the Linux kernel and in
1291 userspace, it is bad practice to write an RCU callback function that
1292 takes too long. Long-running operations should be relegated to separate
1293 threads or (in the Linux kernel) workqueues.
1294
1295 +-----------------------------------------------------------------------+
1296 | **Quick Quiz**:                                                       |
1297 +-----------------------------------------------------------------------+
1298 | Why does line 19 use ``rcu_access_pointer()``? After all,             |
1299 | ``call_rcu()`` on line 25 stores into the structure, which would      |
1300 | interact badly with concurrent insertions. Doesn't this mean that     |
1301 | ``rcu_dereference()`` is required?                                    |
1302 +-----------------------------------------------------------------------+
1303 | **Answer**:                                                           |
1304 +-----------------------------------------------------------------------+
1305 | Presumably the ``->gp_lock`` acquired on line 18 excludes any         |
1306 | changes, including any insertions that ``rcu_dereference()`` would    |
1307 | protect against. Therefore, any insertions will be delayed until      |
1308 | after ``->gp_lock`` is released on line 25, which in turn means that  |
1309 | ``rcu_access_pointer()`` suffices.                                    |
1310 +-----------------------------------------------------------------------+
1311
1312 However, all that ``remove_gp_cb()`` is doing is invoking ``kfree()`` on
1313 the data element. This is a common idiom, and is supported by
1314 ``kfree_rcu()``, which allows “fire and forget” operation as shown
1315 below:
1316
1317    ::
1318
1319        1 struct foo {
1320        2   int a;
1321        3   int b;
1322        4   struct rcu_head rh;
1323        5 };
1324        6
1325        7 bool remove_gp_faf(void)
1326        8 {
1327        9   struct foo *p;
1328       10
1329       11   spin_lock(&gp_lock);
1330       12   p = rcu_dereference(gp);
1331       13   if (!p) {
1332       14     spin_unlock(&gp_lock);
1333       15     return false;
1334       16   }
1335       17   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1336       18   kfree_rcu(p, rh);
1337       19   spin_unlock(&gp_lock);
1338       20   return true;
1339       21 }
1340
1341 Note that ``remove_gp_faf()`` simply invokes ``kfree_rcu()`` and
1342 proceeds, without any need to pay any further attention to the
1343 subsequent grace period and ``kfree()``. It is permissible to invoke
1344 ``kfree_rcu()`` from the same environments as for ``call_rcu()``.
1345 Interestingly enough, DYNIX/ptx had the equivalents of ``call_rcu()``
1346 and ``kfree_rcu()``, but not ``synchronize_rcu()``. This was due to the
1347 fact that RCU was not heavily used within DYNIX/ptx, so the very few
1348 places that needed something like ``synchronize_rcu()`` simply
1349 open-coded it.
1350
1351 +-----------------------------------------------------------------------+
1352 | **Quick Quiz**:                                                       |
1353 +-----------------------------------------------------------------------+
1354 | Earlier it was claimed that ``call_rcu()`` and ``kfree_rcu()``        |
1355 | allowed updaters to avoid being blocked by readers. But how can that  |
1356 | be correct, given that the invocation of the callback and the freeing |
1357 | of the memory (respectively) must still wait for a grace period to    |
1358 | elapse?                                                               |
1359 +-----------------------------------------------------------------------+
1360 | **Answer**:                                                           |
1361 +-----------------------------------------------------------------------+
1362 | We could define things this way, but keep in mind that this sort of   |
1363 | definition would say that updates in garbage-collected languages      |
1364 | cannot complete until the next time the garbage collector runs, which |
1365 | does not seem at all reasonable. The key point is that in most cases, |
1366 | an updater using either ``call_rcu()`` or ``kfree_rcu()`` can proceed |
1367 | to the next update as soon as it has invoked ``call_rcu()`` or        |
1368 | ``kfree_rcu()``, without having to wait for a subsequent grace        |
1369 | period.                                                               |
1370 +-----------------------------------------------------------------------+
1371
1372 But what if the updater must wait for the completion of code to be
1373 executed after the end of the grace period, but has other tasks that can
1374 be carried out in the meantime? The polling-style
1375 ``get_state_synchronize_rcu()`` and ``cond_synchronize_rcu()`` functions
1376 may be used for this purpose, as shown below:
1377
1378    ::
1379
1380        1 bool remove_gp_poll(void)
1381        2 {
1382        3   struct foo *p;
1383        4   unsigned long s;
1384        5
1385        6   spin_lock(&gp_lock);
1386        7   p = rcu_access_pointer(gp);
1387        8   if (!p) {
1388        9     spin_unlock(&gp_lock);
1389       10     return false;
1390       11   }
1391       12   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1392       13   spin_unlock(&gp_lock);
1393       14   s = get_state_synchronize_rcu();
1394       15   do_something_while_waiting();
1395       16   cond_synchronize_rcu(s);
1396       17   kfree(p);
1397       18   return true;
1398       19 }
1399
1400 On line 14, ``get_state_synchronize_rcu()`` obtains a “cookie” from RCU,
1401 then line 15 carries out other tasks, and finally, line 16 returns
1402 immediately if a grace period has elapsed in the meantime, but otherwise
1403 waits as required. The need for ``get_state_synchronize_rcu`` and
1404 ``cond_synchronize_rcu()`` has appeared quite recently, so it is too
1405 early to tell whether they will stand the test of time.
1406
1407 RCU thus provides a range of tools to allow updaters to strike the
1408 required tradeoff between latency, flexibility and CPU overhead.
1409
1410 Forward Progress
1411 ~~~~~~~~~~~~~~~~
1412
1413 In theory, delaying grace-period completion and callback invocation is
1414 harmless. In practice, not only are memory sizes finite but also
1415 callbacks sometimes do wakeups, and sufficiently deferred wakeups can be
1416 difficult to distinguish from system hangs. Therefore, RCU must provide
1417 a number of mechanisms to promote forward progress.
1418
1419 These mechanisms are not foolproof, nor can they be. For one simple
1420 example, an infinite loop in an RCU read-side critical section must by
1421 definition prevent later grace periods from ever completing. For a more
1422 involved example, consider a 64-CPU system built with
1423 ``CONFIG_RCU_NOCB_CPU=y`` and booted with ``rcu_nocbs=1-63``, where
1424 CPUs 1 through 63 spin in tight loops that invoke ``call_rcu()``. Even
1425 if these tight loops also contain calls to ``cond_resched()`` (thus
1426 allowing grace periods to complete), CPU 0 simply will not be able to
1427 invoke callbacks as fast as the other 63 CPUs can register them, at
1428 least not until the system runs out of memory. In both of these
1429 examples, the Spiderman principle applies: With great power comes great
1430 responsibility. However, short of this level of abuse, RCU is required
1431 to ensure timely completion of grace periods and timely invocation of
1432 callbacks.
1433
1434 RCU takes the following steps to encourage timely completion of grace
1435 periods:
1436
1437 #. If a grace period fails to complete within 100 milliseconds, RCU
1438    causes future invocations of ``cond_resched()`` on the holdout CPUs
1439    to provide an RCU quiescent state. RCU also causes those CPUs'
1440    ``need_resched()`` invocations to return ``true``, but only after the
1441    corresponding CPU's next scheduling-clock.
1442 #. CPUs mentioned in the ``nohz_full`` kernel boot parameter can run
1443    indefinitely in the kernel without scheduling-clock interrupts, which
1444    defeats the above ``need_resched()`` strategem. RCU will therefore
1445    invoke ``resched_cpu()`` on any ``nohz_full`` CPUs still holding out
1446    after 109 milliseconds.
1447 #. In kernels built with ``CONFIG_RCU_BOOST=y``, if a given task that
1448    has been preempted within an RCU read-side critical section is
1449    holding out for more than 500 milliseconds, RCU will resort to
1450    priority boosting.
1451 #. If a CPU is still holding out 10 seconds into the grace period, RCU
1452    will invoke ``resched_cpu()`` on it regardless of its ``nohz_full``
1453    state.
1454
1455 The above values are defaults for systems running with ``HZ=1000``. They
1456 will vary as the value of ``HZ`` varies, and can also be changed using
1457 the relevant Kconfig options and kernel boot parameters. RCU currently
1458 does not do much sanity checking of these parameters, so please use
1459 caution when changing them. Note that these forward-progress measures
1460 are provided only for RCU, not for `SRCU <#Sleepable%20RCU>`__ or `Tasks
1461 RCU <#Tasks%20RCU>`__.
1462
1463 RCU takes the following steps in ``call_rcu()`` to encourage timely
1464 invocation of callbacks when any given non-\ ``rcu_nocbs`` CPU has
1465 10,000 callbacks, or has 10,000 more callbacks than it had the last time
1466 encouragement was provided:
1467
1468 #. Starts a grace period, if one is not already in progress.
1469 #. Forces immediate checking for quiescent states, rather than waiting
1470    for three milliseconds to have elapsed since the beginning of the
1471    grace period.
1472 #. Immediately tags the CPU's callbacks with their grace period
1473    completion numbers, rather than waiting for the ``RCU_SOFTIRQ``
1474    handler to get around to it.
1475 #. Lifts callback-execution batch limits, which speeds up callback
1476    invocation at the expense of degrading realtime response.
1477
1478 Again, these are default values when running at ``HZ=1000``, and can be
1479 overridden. Again, these forward-progress measures are provided only for
1480 RCU, not for `SRCU <#Sleepable%20RCU>`__ or `Tasks
1481 RCU <#Tasks%20RCU>`__. Even for RCU, callback-invocation forward
1482 progress for ``rcu_nocbs`` CPUs is much less well-developed, in part
1483 because workloads benefiting from ``rcu_nocbs`` CPUs tend to invoke
1484 ``call_rcu()`` relatively infrequently. If workloads emerge that need
1485 both ``rcu_nocbs`` CPUs and high ``call_rcu()`` invocation rates, then
1486 additional forward-progress work will be required.
1487
1488 Composability
1489 ~~~~~~~~~~~~~
1490
1491 Composability has received much attention in recent years, perhaps in
1492 part due to the collision of multicore hardware with object-oriented
1493 techniques designed in single-threaded environments for single-threaded
1494 use. And in theory, RCU read-side critical sections may be composed, and
1495 in fact may be nested arbitrarily deeply. In practice, as with all
1496 real-world implementations of composable constructs, there are
1497 limitations.
1498
1499 Implementations of RCU for which ``rcu_read_lock()`` and
1500 ``rcu_read_unlock()`` generate no code, such as Linux-kernel RCU when
1501 ``CONFIG_PREEMPT=n``, can be nested arbitrarily deeply. After all, there
1502 is no overhead. Except that if all these instances of
1503 ``rcu_read_lock()`` and ``rcu_read_unlock()`` are visible to the
1504 compiler, compilation will eventually fail due to exhausting memory,
1505 mass storage, or user patience, whichever comes first. If the nesting is
1506 not visible to the compiler, as is the case with mutually recursive
1507 functions each in its own translation unit, stack overflow will result.
1508 If the nesting takes the form of loops, perhaps in the guise of tail
1509 recursion, either the control variable will overflow or (in the Linux
1510 kernel) you will get an RCU CPU stall warning. Nevertheless, this class
1511 of RCU implementations is one of the most composable constructs in
1512 existence.
1513
1514 RCU implementations that explicitly track nesting depth are limited by
1515 the nesting-depth counter. For example, the Linux kernel's preemptible
1516 RCU limits nesting to ``INT_MAX``. This should suffice for almost all
1517 practical purposes. That said, a consecutive pair of RCU read-side
1518 critical sections between which there is an operation that waits for a
1519 grace period cannot be enclosed in another RCU read-side critical
1520 section. This is because it is not legal to wait for a grace period
1521 within an RCU read-side critical section: To do so would result either
1522 in deadlock or in RCU implicitly splitting the enclosing RCU read-side
1523 critical section, neither of which is conducive to a long-lived and
1524 prosperous kernel.
1525
1526 It is worth noting that RCU is not alone in limiting composability. For
1527 example, many transactional-memory implementations prohibit composing a
1528 pair of transactions separated by an irrevocable operation (for example,
1529 a network receive operation). For another example, lock-based critical
1530 sections can be composed surprisingly freely, but only if deadlock is
1531 avoided.
1532
1533 In short, although RCU read-side critical sections are highly
1534 composable, care is required in some situations, just as is the case for
1535 any other composable synchronization mechanism.
1536
1537 Corner Cases
1538 ~~~~~~~~~~~~
1539
1540 A given RCU workload might have an endless and intense stream of RCU
1541 read-side critical sections, perhaps even so intense that there was
1542 never a point in time during which there was not at least one RCU
1543 read-side critical section in flight. RCU cannot allow this situation to
1544 block grace periods: As long as all the RCU read-side critical sections
1545 are finite, grace periods must also be finite.
1546
1547 That said, preemptible RCU implementations could potentially result in
1548 RCU read-side critical sections being preempted for long durations,
1549 which has the effect of creating a long-duration RCU read-side critical
1550 section. This situation can arise only in heavily loaded systems, but
1551 systems using real-time priorities are of course more vulnerable.
1552 Therefore, RCU priority boosting is provided to help deal with this
1553 case. That said, the exact requirements on RCU priority boosting will
1554 likely evolve as more experience accumulates.
1555
1556 Other workloads might have very high update rates. Although one can
1557 argue that such workloads should instead use something other than RCU,
1558 the fact remains that RCU must handle such workloads gracefully. This
1559 requirement is another factor driving batching of grace periods, but it
1560 is also the driving force behind the checks for large numbers of queued
1561 RCU callbacks in the ``call_rcu()`` code path. Finally, high update
1562 rates should not delay RCU read-side critical sections, although some
1563 small read-side delays can occur when using
1564 ``synchronize_rcu_expedited()``, courtesy of this function's use of
1565 ``smp_call_function_single()``.
1566
1567 Although all three of these corner cases were understood in the early
1568 1990s, a simple user-level test consisting of ``close(open(path))`` in a
1569 tight loop in the early 2000s suddenly provided a much deeper
1570 appreciation of the high-update-rate corner case. This test also
1571 motivated addition of some RCU code to react to high update rates, for
1572 example, if a given CPU finds itself with more than 10,000 RCU callbacks
1573 queued, it will cause RCU to take evasive action by more aggressively
1574 starting grace periods and more aggressively forcing completion of
1575 grace-period processing. This evasive action causes the grace period to
1576 complete more quickly, but at the cost of restricting RCU's batching
1577 optimizations, thus increasing the CPU overhead incurred by that grace
1578 period.
1579
1580 Software-Engineering Requirements
1581 ---------------------------------
1582
1583 Between Murphy's Law and “To err is human”, it is necessary to guard
1584 against mishaps and misuse:
1585
1586 #. It is all too easy to forget to use ``rcu_read_lock()`` everywhere
1587    that it is needed, so kernels built with ``CONFIG_PROVE_RCU=y`` will
1588    splat if ``rcu_dereference()`` is used outside of an RCU read-side
1589    critical section. Update-side code can use
1590    ``rcu_dereference_protected()``, which takes a `lockdep
1591    expression <https://lwn.net/Articles/371986/>`__ to indicate what is
1592    providing the protection. If the indicated protection is not
1593    provided, a lockdep splat is emitted.
1594    Code shared between readers and updaters can use
1595    ``rcu_dereference_check()``, which also takes a lockdep expression,
1596    and emits a lockdep splat if neither ``rcu_read_lock()`` nor the
1597    indicated protection is in place. In addition,
1598    ``rcu_dereference_raw()`` is used in those (hopefully rare) cases
1599    where the required protection cannot be easily described. Finally,
1600    ``rcu_read_lock_held()`` is provided to allow a function to verify
1601    that it has been invoked within an RCU read-side critical section. I
1602    was made aware of this set of requirements shortly after Thomas
1603    Gleixner audited a number of RCU uses.
1604 #. A given function might wish to check for RCU-related preconditions
1605    upon entry, before using any other RCU API. The
1606    ``rcu_lockdep_assert()`` does this job, asserting the expression in
1607    kernels having lockdep enabled and doing nothing otherwise.
1608 #. It is also easy to forget to use ``rcu_assign_pointer()`` and
1609    ``rcu_dereference()``, perhaps (incorrectly) substituting a simple
1610    assignment. To catch this sort of error, a given RCU-protected
1611    pointer may be tagged with ``__rcu``, after which sparse will
1612    complain about simple-assignment accesses to that pointer. Arnd
1613    Bergmann made me aware of this requirement, and also supplied the
1614    needed `patch series <https://lwn.net/Articles/376011/>`__.
1615 #. Kernels built with ``CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD=y`` will splat if
1616    a data element is passed to ``call_rcu()`` twice in a row, without a
1617    grace period in between. (This error is similar to a double free.)
1618    The corresponding ``rcu_head`` structures that are dynamically
1619    allocated are automatically tracked, but ``rcu_head`` structures
1620    allocated on the stack must be initialized with
1621    ``init_rcu_head_on_stack()`` and cleaned up with
1622    ``destroy_rcu_head_on_stack()``. Similarly, statically allocated
1623    non-stack ``rcu_head`` structures must be initialized with
1624    ``init_rcu_head()`` and cleaned up with ``destroy_rcu_head()``.
1625    Mathieu Desnoyers made me aware of this requirement, and also
1626    supplied the needed
1627    `patch <https://lkml.kernel.org/g/20100319013024.GA28456@Krystal>`__.
1628 #. An infinite loop in an RCU read-side critical section will eventually
1629    trigger an RCU CPU stall warning splat, with the duration of
1630    “eventually” being controlled by the ``RCU_CPU_STALL_TIMEOUT``
1631    ``Kconfig`` option, or, alternatively, by the
1632    ``rcupdate.rcu_cpu_stall_timeout`` boot/sysfs parameter. However, RCU
1633    is not obligated to produce this splat unless there is a grace period
1634    waiting on that particular RCU read-side critical section.
1635
1636    Some extreme workloads might intentionally delay RCU grace periods,
1637    and systems running those workloads can be booted with
1638    ``rcupdate.rcu_cpu_stall_suppress`` to suppress the splats. This
1639    kernel parameter may also be set via ``sysfs``. Furthermore, RCU CPU
1640    stall warnings are counter-productive during sysrq dumps and during
1641    panics. RCU therefore supplies the ``rcu_sysrq_start()`` and
1642    ``rcu_sysrq_end()`` API members to be called before and after long
1643    sysrq dumps. RCU also supplies the ``rcu_panic()`` notifier that is
1644    automatically invoked at the beginning of a panic to suppress further
1645    RCU CPU stall warnings.
1646
1647    This requirement made itself known in the early 1990s, pretty much
1648    the first time that it was necessary to debug a CPU stall. That said,
1649    the initial implementation in DYNIX/ptx was quite generic in
1650    comparison with that of Linux.
1651
1652 #. Although it would be very good to detect pointers leaking out of RCU
1653    read-side critical sections, there is currently no good way of doing
1654    this. One complication is the need to distinguish between pointers
1655    leaking and pointers that have been handed off from RCU to some other
1656    synchronization mechanism, for example, reference counting.
1657 #. In kernels built with ``CONFIG_RCU_TRACE=y``, RCU-related information
1658    is provided via event tracing.
1659 #. Open-coded use of ``rcu_assign_pointer()`` and ``rcu_dereference()``
1660    to create typical linked data structures can be surprisingly
1661    error-prone. Therefore, RCU-protected `linked
1662    lists <https://lwn.net/Articles/609973/#RCU%20List%20APIs>`__ and,
1663    more recently, RCU-protected `hash
1664    tables <https://lwn.net/Articles/612100/>`__ are available. Many
1665    other special-purpose RCU-protected data structures are available in
1666    the Linux kernel and the userspace RCU library.
1667 #. Some linked structures are created at compile time, but still require
1668    ``__rcu`` checking. The ``RCU_POINTER_INITIALIZER()`` macro serves
1669    this purpose.
1670 #. It is not necessary to use ``rcu_assign_pointer()`` when creating
1671    linked structures that are to be published via a single external
1672    pointer. The ``RCU_INIT_POINTER()`` macro is provided for this task
1673    and also for assigning ``NULL`` pointers at runtime.
1674
1675 This not a hard-and-fast list: RCU's diagnostic capabilities will
1676 continue to be guided by the number and type of usage bugs found in
1677 real-world RCU usage.
1678
1679 Linux Kernel Complications
1680 --------------------------
1681
1682 The Linux kernel provides an interesting environment for all kinds of
1683 software, including RCU. Some of the relevant points of interest are as
1684 follows:
1685
1686 #. `Configuration`_
1687 #. `Firmware Interface`_
1688 #. `Early Boot`_
1689 #. `Interrupts and NMIs`_
1690 #. `Loadable Modules`_
1691 #. `Hotplug CPU`_
1692 #. `Scheduler and RCU`_
1693 #. `Tracing and RCU`_
1694 #. `Accesses to User Memory and RCU`_
1695 #. `Energy Efficiency`_
1696 #. `Scheduling-Clock Interrupts and RCU`_
1697 #. `Memory Efficiency`_
1698 #. `Performance, Scalability, Response Time, and Reliability`_
1699
1700 This list is probably incomplete, but it does give a feel for the most
1701 notable Linux-kernel complications. Each of the following sections
1702 covers one of the above topics.
1703
1704 Configuration
1705 ~~~~~~~~~~~~~
1706
1707 RCU's goal is automatic configuration, so that almost nobody needs to
1708 worry about RCU's ``Kconfig`` options. And for almost all users, RCU
1709 does in fact work well “out of the box.”
1710
1711 However, there are specialized use cases that are handled by kernel boot
1712 parameters and ``Kconfig`` options. Unfortunately, the ``Kconfig``
1713 system will explicitly ask users about new ``Kconfig`` options, which
1714 requires almost all of them be hidden behind a ``CONFIG_RCU_EXPERT``
1715 ``Kconfig`` option.
1716
1717 This all should be quite obvious, but the fact remains that Linus
1718 Torvalds recently had to
1719 `remind <https://lkml.kernel.org/g/CA+55aFy4wcCwaL4okTs8wXhGZ5h-ibecy_Meg9C4MNQrUnwMcg@mail.gmail.com>`__
1720 me of this requirement.
1721
1722 Firmware Interface
1723 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1724
1725 In many cases, kernel obtains information about the system from the
1726 firmware, and sometimes things are lost in translation. Or the
1727 translation is accurate, but the original message is bogus.
1728
1729 For example, some systems' firmware overreports the number of CPUs,
1730 sometimes by a large factor. If RCU naively believed the firmware, as it
1731 used to do, it would create too many per-CPU kthreads. Although the
1732 resulting system will still run correctly, the extra kthreads needlessly
1733 consume memory and can cause confusion when they show up in ``ps``
1734 listings.
1735
1736 RCU must therefore wait for a given CPU to actually come online before
1737 it can allow itself to believe that the CPU actually exists. The
1738 resulting “ghost CPUs” (which are never going to come online) cause a
1739 number of `interesting
1740 complications <https://paulmck.livejournal.com/37494.html>`__.
1741
1742 Early Boot
1743 ~~~~~~~~~~
1744
1745 The Linux kernel's boot sequence is an interesting process, and RCU is
1746 used early, even before ``rcu_init()`` is invoked. In fact, a number of
1747 RCU's primitives can be used as soon as the initial task's
1748 ``task_struct`` is available and the boot CPU's per-CPU variables are
1749 set up. The read-side primitives (``rcu_read_lock()``,
1750 ``rcu_read_unlock()``, ``rcu_dereference()``, and
1751 ``rcu_access_pointer()``) will operate normally very early on, as will
1752 ``rcu_assign_pointer()``.
1753
1754 Although ``call_rcu()`` may be invoked at any time during boot,
1755 callbacks are not guaranteed to be invoked until after all of RCU's
1756 kthreads have been spawned, which occurs at ``early_initcall()`` time.
1757 This delay in callback invocation is due to the fact that RCU does not
1758 invoke callbacks until it is fully initialized, and this full
1759 initialization cannot occur until after the scheduler has initialized
1760 itself to the point where RCU can spawn and run its kthreads. In theory,
1761 it would be possible to invoke callbacks earlier, however, this is not a
1762 panacea because there would be severe restrictions on what operations
1763 those callbacks could invoke.
1764
1765 Perhaps surprisingly, ``synchronize_rcu()`` and
1766 ``synchronize_rcu_expedited()``, will operate normally during very early
1767 boot, the reason being that there is only one CPU and preemption is
1768 disabled. This means that the call ``synchronize_rcu()`` (or friends)
1769 itself is a quiescent state and thus a grace period, so the early-boot
1770 implementation can be a no-op.
1771
1772 However, once the scheduler has spawned its first kthread, this early
1773 boot trick fails for ``synchronize_rcu()`` (as well as for
1774 ``synchronize_rcu_expedited()``) in ``CONFIG_PREEMPT=y`` kernels. The
1775 reason is that an RCU read-side critical section might be preempted,
1776 which means that a subsequent ``synchronize_rcu()`` really does have to
1777 wait for something, as opposed to simply returning immediately.
1778 Unfortunately, ``synchronize_rcu()`` can't do this until all of its
1779 kthreads are spawned, which doesn't happen until some time during
1780 ``early_initcalls()`` time. But this is no excuse: RCU is nevertheless
1781 required to correctly handle synchronous grace periods during this time
1782 period. Once all of its kthreads are up and running, RCU starts running
1783 normally.
1784
1785 +-----------------------------------------------------------------------+
1786 | **Quick Quiz**:                                                       |
1787 +-----------------------------------------------------------------------+
1788 | How can RCU possibly handle grace periods before all of its kthreads  |
1789 | have been spawned???                                                  |
1790 +-----------------------------------------------------------------------+
1791 | **Answer**:                                                           |
1792 +-----------------------------------------------------------------------+
1793 | Very carefully!                                                       |
1794 | During the “dead zone” between the time that the scheduler spawns the |
1795 | first task and the time that all of RCU's kthreads have been spawned, |
1796 | all synchronous grace periods are handled by the expedited            |
1797 | grace-period mechanism. At runtime, this expedited mechanism relies   |
1798 | on workqueues, but during the dead zone the requesting task itself    |
1799 | drives the desired expedited grace period. Because dead-zone          |
1800 | execution takes place within task context, everything works. Once the |
1801 | dead zone ends, expedited grace periods go back to using workqueues,  |
1802 | as is required to avoid problems that would otherwise occur when a    |
1803 | user task received a POSIX signal while driving an expedited grace    |
1804 | period.                                                               |
1805 |                                                                       |
1806 | And yes, this does mean that it is unhelpful to send POSIX signals to |
1807 | random tasks between the time that the scheduler spawns its first     |
1808 | kthread and the time that RCU's kthreads have all been spawned. If    |
1809 | there ever turns out to be a good reason for sending POSIX signals    |
1810 | during that time, appropriate adjustments will be made. (If it turns  |
1811 | out that POSIX signals are sent during this time for no good reason,  |
1812 | other adjustments will be made, appropriate or otherwise.)            |
1813 +-----------------------------------------------------------------------+
1814
1815 I learned of these boot-time requirements as a result of a series of
1816 system hangs.
1817
1818 Interrupts and NMIs
1819 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1820
1821 The Linux kernel has interrupts, and RCU read-side critical sections are
1822 legal within interrupt handlers and within interrupt-disabled regions of
1823 code, as are invocations of ``call_rcu()``.
1824
1825 Some Linux-kernel architectures can enter an interrupt handler from
1826 non-idle process context, and then just never leave it, instead
1827 stealthily transitioning back to process context. This trick is
1828 sometimes used to invoke system calls from inside the kernel. These
1829 “half-interrupts” mean that RCU has to be very careful about how it
1830 counts interrupt nesting levels. I learned of this requirement the hard
1831 way during a rewrite of RCU's dyntick-idle code.
1832
1833 The Linux kernel has non-maskable interrupts (NMIs), and RCU read-side
1834 critical sections are legal within NMI handlers. Thankfully, RCU
1835 update-side primitives, including ``call_rcu()``, are prohibited within
1836 NMI handlers.
1837
1838 The name notwithstanding, some Linux-kernel architectures can have
1839 nested NMIs, which RCU must handle correctly. Andy Lutomirski `surprised
1840 me <https://lkml.kernel.org/r/CALCETrXLq1y7e_dKFPgou-FKHB6Pu-r8+t-6Ds+8=va7anBWDA@mail.gmail.com>`__
1841 with this requirement; he also kindly surprised me with `an
1842 algorithm <https://lkml.kernel.org/r/CALCETrXSY9JpW3uE6H8WYk81sg56qasA2aqmjMPsq5dOtzso=g@mail.gmail.com>`__
1843 that meets this requirement.
1844
1845 Furthermore, NMI handlers can be interrupted by what appear to RCU to be
1846 normal interrupts. One way that this can happen is for code that
1847 directly invokes ``rcu_irq_enter()`` and ``rcu_irq_exit()`` to be called
1848 from an NMI handler. This astonishing fact of life prompted the current
1849 code structure, which has ``rcu_irq_enter()`` invoking
1850 ``rcu_nmi_enter()`` and ``rcu_irq_exit()`` invoking ``rcu_nmi_exit()``.
1851 And yes, I also learned of this requirement the hard way.
1852
1853 Loadable Modules
1854 ~~~~~~~~~~~~~~~~
1855
1856 The Linux kernel has loadable modules, and these modules can also be
1857 unloaded. After a given module has been unloaded, any attempt to call
1858 one of its functions results in a segmentation fault. The module-unload
1859 functions must therefore cancel any delayed calls to loadable-module
1860 functions, for example, any outstanding ``mod_timer()`` must be dealt
1861 with via ``del_timer_sync()`` or similar.
1862
1863 Unfortunately, there is no way to cancel an RCU callback; once you
1864 invoke ``call_rcu()``, the callback function is eventually going to be
1865 invoked, unless the system goes down first. Because it is normally
1866 considered socially irresponsible to crash the system in response to a
1867 module unload request, we need some other way to deal with in-flight RCU
1868 callbacks.
1869
1870 RCU therefore provides ``rcu_barrier()``, which waits until all
1871 in-flight RCU callbacks have been invoked. If a module uses
1872 ``call_rcu()``, its exit function should therefore prevent any future
1873 invocation of ``call_rcu()``, then invoke ``rcu_barrier()``. In theory,
1874 the underlying module-unload code could invoke ``rcu_barrier()``
1875 unconditionally, but in practice this would incur unacceptable
1876 latencies.
1877
1878 Nikita Danilov noted this requirement for an analogous
1879 filesystem-unmount situation, and Dipankar Sarma incorporated
1880 ``rcu_barrier()`` into RCU. The need for ``rcu_barrier()`` for module
1881 unloading became apparent later.
1882
1883 .. important::
1884
1885    The ``rcu_barrier()`` function is not, repeat,
1886    *not*, obligated to wait for a grace period. It is instead only required
1887    to wait for RCU callbacks that have already been posted. Therefore, if
1888    there are no RCU callbacks posted anywhere in the system,
1889    ``rcu_barrier()`` is within its rights to return immediately. Even if
1890    there are callbacks posted, ``rcu_barrier()`` does not necessarily need
1891    to wait for a grace period.
1892
1893 +-----------------------------------------------------------------------+
1894 | **Quick Quiz**:                                                       |
1895 +-----------------------------------------------------------------------+
1896 | Wait a minute! Each RCU callbacks must wait for a grace period to     |
1897 | complete, and ``rcu_barrier()`` must wait for each pre-existing       |
1898 | callback to be invoked. Doesn't ``rcu_barrier()`` therefore need to   |
1899 | wait for a full grace period if there is even one callback posted     |
1900 | anywhere in the system?                                               |
1901 +-----------------------------------------------------------------------+
1902 | **Answer**:                                                           |
1903 +-----------------------------------------------------------------------+
1904 | Absolutely not!!!                                                     |
1905 | Yes, each RCU callbacks must wait for a grace period to complete, but |
1906 | it might well be partly (or even completely) finished waiting by the  |
1907 | time ``rcu_barrier()`` is invoked. In that case, ``rcu_barrier()``    |
1908 | need only wait for the remaining portion of the grace period to       |
1909 | elapse. So even if there are quite a few callbacks posted,            |
1910 | ``rcu_barrier()`` might well return quite quickly.                    |
1911 |                                                                       |
1912 | So if you need to wait for a grace period as well as for all          |
1913 | pre-existing callbacks, you will need to invoke both                  |
1914 | ``synchronize_rcu()`` and ``rcu_barrier()``. If latency is a concern, |
1915 | you can always use workqueues to invoke them concurrently.            |
1916 +-----------------------------------------------------------------------+
1917
1918 Hotplug CPU
1919 ~~~~~~~~~~~
1920
1921 The Linux kernel supports CPU hotplug, which means that CPUs can come
1922 and go. It is of course illegal to use any RCU API member from an
1923 offline CPU, with the exception of `SRCU <#Sleepable%20RCU>`__ read-side
1924 critical sections. This requirement was present from day one in
1925 DYNIX/ptx, but on the other hand, the Linux kernel's CPU-hotplug
1926 implementation is “interesting.”
1927
1928 The Linux-kernel CPU-hotplug implementation has notifiers that are used
1929 to allow the various kernel subsystems (including RCU) to respond
1930 appropriately to a given CPU-hotplug operation. Most RCU operations may
1931 be invoked from CPU-hotplug notifiers, including even synchronous
1932 grace-period operations such as (``synchronize_rcu()`` and
1933 ``synchronize_rcu_expedited()``).  However, these synchronous operations
1934 do block and therefore cannot be invoked from notifiers that execute via
1935 ``stop_machine()``, specifically those between the ``CPUHP_AP_OFFLINE``
1936 and ``CPUHP_AP_ONLINE`` states.
1937
1938 In addition, all-callback-wait operations such as ``rcu_barrier()`` may
1939 not be invoked from any CPU-hotplug notifier.  This restriction is due
1940 to the fact that there are phases of CPU-hotplug operations where the
1941 outgoing CPU's callbacks will not be invoked until after the CPU-hotplug
1942 operation ends, which could also result in deadlock. Furthermore,
1943 ``rcu_barrier()`` blocks CPU-hotplug operations during its execution,
1944 which results in another type of deadlock when invoked from a CPU-hotplug
1945 notifier.
1946
1947 Finally, RCU must avoid deadlocks due to interaction between hotplug,
1948 timers and grace period processing. It does so by maintaining its own set
1949 of books that duplicate the centrally maintained ``cpu_online_mask``,
1950 and also by reporting quiescent states explicitly when a CPU goes
1951 offline.  This explicit reporting of quiescent states avoids any need
1952 for the force-quiescent-state loop (FQS) to report quiescent states for
1953 offline CPUs.  However, as a debugging measure, the FQS loop does splat
1954 if offline CPUs block an RCU grace period for too long.
1955
1956 An offline CPU's quiescent state will be reported either:
1957
1958 1.  As the CPU goes offline using RCU's hotplug notifier (``rcu_report_dead()``).
1959 2.  When grace period initialization (``rcu_gp_init()``) detects a
1960     race either with CPU offlining or with a task unblocking on a leaf
1961     ``rcu_node`` structure whose CPUs are all offline.
1962
1963 The CPU-online path (``rcu_cpu_starting()``) should never need to report
1964 a quiescent state for an offline CPU.  However, as a debugging measure,
1965 it does emit a warning if a quiescent state was not already reported
1966 for that CPU.
1967
1968 During the checking/modification of RCU's hotplug bookkeeping, the
1969 corresponding CPU's leaf node lock is held. This avoids race conditions
1970 between RCU's hotplug notifier hooks, the grace period initialization
1971 code, and the FQS loop, all of which refer to or modify this bookkeeping.
1972
1973 Scheduler and RCU
1974 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
1975
1976 RCU makes use of kthreads, and it is necessary to avoid excessive CPU-time
1977 accumulation by these kthreads. This requirement was no surprise, but
1978 RCU's violation of it when running context-switch-heavy workloads when
1979 built with ``CONFIG_NO_HZ_FULL=y`` `did come as a surprise
1980 [PDF] <http://www.rdrop.com/users/paulmck/scalability/paper/BareMetal.2015.01.15b.pdf>`__.
1981 RCU has made good progress towards meeting this requirement, even for
1982 context-switch-heavy ``CONFIG_NO_HZ_FULL=y`` workloads, but there is
1983 room for further improvement.
1984
1985 There is no longer any prohibition against holding any of
1986 scheduler's runqueue or priority-inheritance spinlocks across an
1987 ``rcu_read_unlock()``, even if interrupts and preemption were enabled
1988 somewhere within the corresponding RCU read-side critical section.
1989 Therefore, it is now perfectly legal to execute ``rcu_read_lock()``
1990 with preemption enabled, acquire one of the scheduler locks, and hold
1991 that lock across the matching ``rcu_read_unlock()``.
1992
1993 Similarly, the RCU flavor consolidation has removed the need for negative
1994 nesting.  The fact that interrupt-disabled regions of code act as RCU
1995 read-side critical sections implicitly avoids earlier issues that used
1996 to result in destructive recursion via interrupt handler's use of RCU.
1997
1998 Tracing and RCU
1999 ~~~~~~~~~~~~~~~
2000
2001 It is possible to use tracing on RCU code, but tracing itself uses RCU.
2002 For this reason, ``rcu_dereference_raw_check()`` is provided for use
2003 by tracing, which avoids the destructive recursion that could otherwise
2004 ensue. This API is also used by virtualization in some architectures,
2005 where RCU readers execute in environments in which tracing cannot be
2006 used. The tracing folks both located the requirement and provided the
2007 needed fix, so this surprise requirement was relatively painless.
2008
2009 Accesses to User Memory and RCU
2010 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2011
2012 The kernel needs to access user-space memory, for example, to access data
2013 referenced by system-call parameters.  The ``get_user()`` macro does this job.
2014
2015 However, user-space memory might well be paged out, which means that
2016 ``get_user()`` might well page-fault and thus block while waiting for the
2017 resulting I/O to complete.  It would be a very bad thing for the compiler to
2018 reorder a ``get_user()`` invocation into an RCU read-side critical section.
2019
2020 For example, suppose that the source code looked like this:
2021
2022   ::
2023
2024        1 rcu_read_lock();
2025        2 p = rcu_dereference(gp);
2026        3 v = p->value;
2027        4 rcu_read_unlock();
2028        5 get_user(user_v, user_p);
2029        6 do_something_with(v, user_v);
2030
2031 The compiler must not be permitted to transform this source code into
2032 the following:
2033
2034   ::
2035
2036        1 rcu_read_lock();
2037        2 p = rcu_dereference(gp);
2038        3 get_user(user_v, user_p); // BUG: POSSIBLE PAGE FAULT!!!
2039        4 v = p->value;
2040        5 rcu_read_unlock();
2041        6 do_something_with(v, user_v);
2042
2043 If the compiler did make this transformation in a ``CONFIG_PREEMPT=n`` kernel
2044 build, and if ``get_user()`` did page fault, the result would be a quiescent
2045 state in the middle of an RCU read-side critical section.  This misplaced
2046 quiescent state could result in line 4 being a use-after-free access,
2047 which could be bad for your kernel's actuarial statistics.  Similar examples
2048 can be constructed with the call to ``get_user()`` preceding the
2049 ``rcu_read_lock()``.
2050
2051 Unfortunately, ``get_user()`` doesn't have any particular ordering properties,
2052 and in some architectures the underlying ``asm`` isn't even marked
2053 ``volatile``.  And even if it was marked ``volatile``, the above access to
2054 ``p->value`` is not volatile, so the compiler would not have any reason to keep
2055 those two accesses in order.
2056
2057 Therefore, the Linux-kernel definitions of ``rcu_read_lock()`` and
2058 ``rcu_read_unlock()`` must act as compiler barriers, at least for outermost
2059 instances of ``rcu_read_lock()`` and ``rcu_read_unlock()`` within a nested set
2060 of RCU read-side critical sections.
2061
2062 Energy Efficiency
2063 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
2064
2065 Interrupting idle CPUs is considered socially unacceptable, especially
2066 by people with battery-powered embedded systems. RCU therefore conserves
2067 energy by detecting which CPUs are idle, including tracking CPUs that
2068 have been interrupted from idle. This is a large part of the
2069 energy-efficiency requirement, so I learned of this via an irate phone
2070 call.
2071
2072 Because RCU avoids interrupting idle CPUs, it is illegal to execute an
2073 RCU read-side critical section on an idle CPU. (Kernels built with
2074 ``CONFIG_PROVE_RCU=y`` will splat if you try it.) The ``RCU_NONIDLE()``
2075 macro and ``_rcuidle`` event tracing is provided to work around this
2076 restriction. In addition, ``rcu_is_watching()`` may be used to test
2077 whether or not it is currently legal to run RCU read-side critical
2078 sections on this CPU. I learned of the need for diagnostics on the one
2079 hand and ``RCU_NONIDLE()`` on the other while inspecting idle-loop code.
2080 Steven Rostedt supplied ``_rcuidle`` event tracing, which is used quite
2081 heavily in the idle loop. However, there are some restrictions on the
2082 code placed within ``RCU_NONIDLE()``:
2083
2084 #. Blocking is prohibited. In practice, this is not a serious
2085    restriction given that idle tasks are prohibited from blocking to
2086    begin with.
2087 #. Although nesting ``RCU_NONIDLE()`` is permitted, they cannot nest
2088    indefinitely deeply. However, given that they can be nested on the
2089    order of a million deep, even on 32-bit systems, this should not be a
2090    serious restriction. This nesting limit would probably be reached
2091    long after the compiler OOMed or the stack overflowed.
2092 #. Any code path that enters ``RCU_NONIDLE()`` must sequence out of that
2093    same ``RCU_NONIDLE()``. For example, the following is grossly
2094    illegal:
2095
2096       ::
2097
2098           1     RCU_NONIDLE({
2099           2       do_something();
2100           3       goto bad_idea;  /* BUG!!! */
2101           4       do_something_else();});
2102           5   bad_idea:
2103
2104
2105    It is just as illegal to transfer control into the middle of
2106    ``RCU_NONIDLE()``'s argument. Yes, in theory, you could transfer in
2107    as long as you also transferred out, but in practice you could also
2108    expect to get sharply worded review comments.
2109
2110 It is similarly socially unacceptable to interrupt an ``nohz_full`` CPU
2111 running in userspace. RCU must therefore track ``nohz_full`` userspace
2112 execution. RCU must therefore be able to sample state at two points in
2113 time, and be able to determine whether or not some other CPU spent any
2114 time idle and/or executing in userspace.
2115
2116 These energy-efficiency requirements have proven quite difficult to
2117 understand and to meet, for example, there have been more than five
2118 clean-sheet rewrites of RCU's energy-efficiency code, the last of which
2119 was finally able to demonstrate `real energy savings running on real
2120 hardware
2121 [PDF] <http://www.rdrop.com/users/paulmck/realtime/paper/AMPenergy.2013.04.19a.pdf>`__.
2122 As noted earlier, I learned of many of these requirements via angry
2123 phone calls: Flaming me on the Linux-kernel mailing list was apparently
2124 not sufficient to fully vent their ire at RCU's energy-efficiency bugs!
2125
2126 Scheduling-Clock Interrupts and RCU
2127 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2128
2129 The kernel transitions between in-kernel non-idle execution, userspace
2130 execution, and the idle loop. Depending on kernel configuration, RCU
2131 handles these states differently:
2132
2133 +-----------------+------------------+------------------+-----------------+
2134 | ``HZ`` Kconfig  | In-Kernel        | Usermode         | Idle            |
2135 +=================+==================+==================+=================+
2136 | ``HZ_PERIODIC`` | Can rely on      | Can rely on      | Can rely on     |
2137 |                 | scheduling-clock | scheduling-clock | RCU's           |
2138 |                 | interrupt.       | interrupt and    | dyntick-idle    |
2139 |                 |                  | its detection    | detection.      |
2140 |                 |                  | of interrupt     |                 |
2141 |                 |                  | from usermode.   |                 |
2142 +-----------------+------------------+------------------+-----------------+
2143 | ``NO_HZ_IDLE``  | Can rely on      | Can rely on      | Can rely on     |
2144 |                 | scheduling-clock | scheduling-clock | RCU's           |
2145 |                 | interrupt.       | interrupt and    | dyntick-idle    |
2146 |                 |                  | its detection    | detection.      |
2147 |                 |                  | of interrupt     |                 |
2148 |                 |                  | from usermode.   |                 |
2149 +-----------------+------------------+------------------+-----------------+
2150 | ``NO_HZ_FULL``  | Can only         | Can rely on      | Can rely on     |
2151 |                 | sometimes rely   | RCU's            | RCU's           |
2152 |                 | on               | dyntick-idle     | dyntick-idle    |
2153 |                 | scheduling-clock | detection.       | detection.      |
2154 |                 | interrupt. In    |                  |                 |
2155 |                 | other cases, it  |                  |                 |
2156 |                 | is necessary to  |                  |                 |
2157 |                 | bound kernel     |                  |                 |
2158 |                 | execution times  |                  |                 |
2159 |                 | and/or use       |                  |                 |
2160 |                 | IPIs.            |                  |                 |
2161 +-----------------+------------------+------------------+-----------------+
2162
2163 +-----------------------------------------------------------------------+
2164 | **Quick Quiz**:                                                       |
2165 +-----------------------------------------------------------------------+
2166 | Why can't ``NO_HZ_FULL`` in-kernel execution rely on the              |
2167 | scheduling-clock interrupt, just like ``HZ_PERIODIC`` and             |
2168 | ``NO_HZ_IDLE`` do?                                                    |
2169 +-----------------------------------------------------------------------+
2170 | **Answer**:                                                           |
2171 +-----------------------------------------------------------------------+
2172 | Because, as a performance optimization, ``NO_HZ_FULL`` does not       |
2173 | necessarily re-enable the scheduling-clock interrupt on entry to each |
2174 | and every system call.                                                |
2175 +-----------------------------------------------------------------------+
2176
2177 However, RCU must be reliably informed as to whether any given CPU is
2178 currently in the idle loop, and, for ``NO_HZ_FULL``, also whether that
2179 CPU is executing in usermode, as discussed
2180 `earlier <#Energy%20Efficiency>`__. It also requires that the
2181 scheduling-clock interrupt be enabled when RCU needs it to be:
2182
2183 #. If a CPU is either idle or executing in usermode, and RCU believes it
2184    is non-idle, the scheduling-clock tick had better be running.
2185    Otherwise, you will get RCU CPU stall warnings. Or at best, very long
2186    (11-second) grace periods, with a pointless IPI waking the CPU from
2187    time to time.
2188 #. If a CPU is in a portion of the kernel that executes RCU read-side
2189    critical sections, and RCU believes this CPU to be idle, you will get
2190    random memory corruption. **DON'T DO THIS!!!**
2191    This is one reason to test with lockdep, which will complain about
2192    this sort of thing.
2193 #. If a CPU is in a portion of the kernel that is absolutely positively
2194    no-joking guaranteed to never execute any RCU read-side critical
2195    sections, and RCU believes this CPU to be idle, no problem. This
2196    sort of thing is used by some architectures for light-weight
2197    exception handlers, which can then avoid the overhead of
2198    ``rcu_irq_enter()`` and ``rcu_irq_exit()`` at exception entry and
2199    exit, respectively. Some go further and avoid the entireties of
2200    ``irq_enter()`` and ``irq_exit()``.
2201    Just make very sure you are running some of your tests with
2202    ``CONFIG_PROVE_RCU=y``, just in case one of your code paths was in
2203    fact joking about not doing RCU read-side critical sections.
2204 #. If a CPU is executing in the kernel with the scheduling-clock
2205    interrupt disabled and RCU believes this CPU to be non-idle, and if
2206    the CPU goes idle (from an RCU perspective) every few jiffies, no
2207    problem. It is usually OK for there to be the occasional gap between
2208    idle periods of up to a second or so.
2209    If the gap grows too long, you get RCU CPU stall warnings.
2210 #. If a CPU is either idle or executing in usermode, and RCU believes it
2211    to be idle, of course no problem.
2212 #. If a CPU is executing in the kernel, the kernel code path is passing
2213    through quiescent states at a reasonable frequency (preferably about
2214    once per few jiffies, but the occasional excursion to a second or so
2215    is usually OK) and the scheduling-clock interrupt is enabled, of
2216    course no problem.
2217    If the gap between a successive pair of quiescent states grows too
2218    long, you get RCU CPU stall warnings.
2219
2220 +-----------------------------------------------------------------------+
2221 | **Quick Quiz**:                                                       |
2222 +-----------------------------------------------------------------------+
2223 | But what if my driver has a hardware interrupt handler that can run   |
2224 | for many seconds? I cannot invoke ``schedule()`` from an hardware     |
2225 | interrupt handler, after all!                                         |
2226 +-----------------------------------------------------------------------+
2227 | **Answer**:                                                           |
2228 +-----------------------------------------------------------------------+
2229 | One approach is to do ``rcu_irq_exit();rcu_irq_enter();`` every so    |
2230 | often. But given that long-running interrupt handlers can cause other |
2231 | problems, not least for response time, shouldn't you work to keep     |
2232 | your interrupt handler's runtime within reasonable bounds?            |
2233 +-----------------------------------------------------------------------+
2234
2235 But as long as RCU is properly informed of kernel state transitions
2236 between in-kernel execution, usermode execution, and idle, and as long
2237 as the scheduling-clock interrupt is enabled when RCU needs it to be,
2238 you can rest assured that the bugs you encounter will be in some other
2239 part of RCU or some other part of the kernel!
2240
2241 Memory Efficiency
2242 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
2243
2244 Although small-memory non-realtime systems can simply use Tiny RCU, code
2245 size is only one aspect of memory efficiency. Another aspect is the size
2246 of the ``rcu_head`` structure used by ``call_rcu()`` and
2247 ``kfree_rcu()``. Although this structure contains nothing more than a
2248 pair of pointers, it does appear in many RCU-protected data structures,
2249 including some that are size critical. The ``page`` structure is a case
2250 in point, as evidenced by the many occurrences of the ``union`` keyword
2251 within that structure.
2252
2253 This need for memory efficiency is one reason that RCU uses hand-crafted
2254 singly linked lists to track the ``rcu_head`` structures that are
2255 waiting for a grace period to elapse. It is also the reason why
2256 ``rcu_head`` structures do not contain debug information, such as fields
2257 tracking the file and line of the ``call_rcu()`` or ``kfree_rcu()`` that
2258 posted them. Although this information might appear in debug-only kernel
2259 builds at some point, in the meantime, the ``->func`` field will often
2260 provide the needed debug information.
2261
2262 However, in some cases, the need for memory efficiency leads to even
2263 more extreme measures. Returning to the ``page`` structure, the
2264 ``rcu_head`` field shares storage with a great many other structures
2265 that are used at various points in the corresponding page's lifetime. In
2266 order to correctly resolve certain `race
2267 conditions <https://lkml.kernel.org/g/1439976106-137226-1-git-send-email-kirill.shutemov@linux.intel.com>`__,
2268 the Linux kernel's memory-management subsystem needs a particular bit to
2269 remain zero during all phases of grace-period processing, and that bit
2270 happens to map to the bottom bit of the ``rcu_head`` structure's
2271 ``->next`` field. RCU makes this guarantee as long as ``call_rcu()`` is
2272 used to post the callback, as opposed to ``kfree_rcu()`` or some future
2273 “lazy” variant of ``call_rcu()`` that might one day be created for
2274 energy-efficiency purposes.
2275
2276 That said, there are limits. RCU requires that the ``rcu_head``
2277 structure be aligned to a two-byte boundary, and passing a misaligned
2278 ``rcu_head`` structure to one of the ``call_rcu()`` family of functions
2279 will result in a splat. It is therefore necessary to exercise caution
2280 when packing structures containing fields of type ``rcu_head``. Why not
2281 a four-byte or even eight-byte alignment requirement? Because the m68k
2282 architecture provides only two-byte alignment, and thus acts as
2283 alignment's least common denominator.
2284
2285 The reason for reserving the bottom bit of pointers to ``rcu_head``
2286 structures is to leave the door open to “lazy” callbacks whose
2287 invocations can safely be deferred. Deferring invocation could
2288 potentially have energy-efficiency benefits, but only if the rate of
2289 non-lazy callbacks decreases significantly for some important workload.
2290 In the meantime, reserving the bottom bit keeps this option open in case
2291 it one day becomes useful.
2292
2293 Performance, Scalability, Response Time, and Reliability
2294 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2295
2296 Expanding on the `earlier
2297 discussion <#Performance%20and%20Scalability>`__, RCU is used heavily by
2298 hot code paths in performance-critical portions of the Linux kernel's
2299 networking, security, virtualization, and scheduling code paths. RCU
2300 must therefore use efficient implementations, especially in its
2301 read-side primitives. To that end, it would be good if preemptible RCU's
2302 implementation of ``rcu_read_lock()`` could be inlined, however, doing
2303 this requires resolving ``#include`` issues with the ``task_struct``
2304 structure.
2305
2306 The Linux kernel supports hardware configurations with up to 4096 CPUs,
2307 which means that RCU must be extremely scalable. Algorithms that involve
2308 frequent acquisitions of global locks or frequent atomic operations on
2309 global variables simply cannot be tolerated within the RCU
2310 implementation. RCU therefore makes heavy use of a combining tree based
2311 on the ``rcu_node`` structure. RCU is required to tolerate all CPUs
2312 continuously invoking any combination of RCU's runtime primitives with
2313 minimal per-operation overhead. In fact, in many cases, increasing load
2314 must *decrease* the per-operation overhead, witness the batching
2315 optimizations for ``synchronize_rcu()``, ``call_rcu()``,
2316 ``synchronize_rcu_expedited()``, and ``rcu_barrier()``. As a general
2317 rule, RCU must cheerfully accept whatever the rest of the Linux kernel
2318 decides to throw at it.
2319
2320 The Linux kernel is used for real-time workloads, especially in
2321 conjunction with the `-rt
2322 patchset <https://rt.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page>`__. The
2323 real-time-latency response requirements are such that the traditional
2324 approach of disabling preemption across RCU read-side critical sections
2325 is inappropriate. Kernels built with ``CONFIG_PREEMPT=y`` therefore use
2326 an RCU implementation that allows RCU read-side critical sections to be
2327 preempted. This requirement made its presence known after users made it
2328 clear that an earlier `real-time
2329 patch <https://lwn.net/Articles/107930/>`__ did not meet their needs, in
2330 conjunction with some `RCU
2331 issues <https://lkml.kernel.org/g/20050318002026.GA2693@us.ibm.com>`__
2332 encountered by a very early version of the -rt patchset.
2333
2334 In addition, RCU must make do with a sub-100-microsecond real-time
2335 latency budget. In fact, on smaller systems with the -rt patchset, the
2336 Linux kernel provides sub-20-microsecond real-time latencies for the
2337 whole kernel, including RCU. RCU's scalability and latency must
2338 therefore be sufficient for these sorts of configurations. To my
2339 surprise, the sub-100-microsecond real-time latency budget `applies to
2340 even the largest systems
2341 [PDF] <http://www.rdrop.com/users/paulmck/realtime/paper/bigrt.2013.01.31a.LCA.pdf>`__,
2342 up to and including systems with 4096 CPUs. This real-time requirement
2343 motivated the grace-period kthread, which also simplified handling of a
2344 number of race conditions.
2345
2346 RCU must avoid degrading real-time response for CPU-bound threads,
2347 whether executing in usermode (which is one use case for
2348 ``CONFIG_NO_HZ_FULL=y``) or in the kernel. That said, CPU-bound loops in
2349 the kernel must execute ``cond_resched()`` at least once per few tens of
2350 milliseconds in order to avoid receiving an IPI from RCU.
2351
2352 Finally, RCU's status as a synchronization primitive means that any RCU
2353 failure can result in arbitrary memory corruption that can be extremely
2354 difficult to debug. This means that RCU must be extremely reliable,
2355 which in practice also means that RCU must have an aggressive
2356 stress-test suite. This stress-test suite is called ``rcutorture``.
2357
2358 Although the need for ``rcutorture`` was no surprise, the current
2359 immense popularity of the Linux kernel is posing interesting—and perhaps
2360 unprecedented—validation challenges. To see this, keep in mind that
2361 there are well over one billion instances of the Linux kernel running
2362 today, given Android smartphones, Linux-powered televisions, and
2363 servers. This number can be expected to increase sharply with the advent
2364 of the celebrated Internet of Things.
2365
2366 Suppose that RCU contains a race condition that manifests on average
2367 once per million years of runtime. This bug will be occurring about
2368 three times per *day* across the installed base. RCU could simply hide
2369 behind hardware error rates, given that no one should really expect
2370 their smartphone to last for a million years. However, anyone taking too
2371 much comfort from this thought should consider the fact that in most
2372 jurisdictions, a successful multi-year test of a given mechanism, which
2373 might include a Linux kernel, suffices for a number of types of
2374 safety-critical certifications. In fact, rumor has it that the Linux
2375 kernel is already being used in production for safety-critical
2376 applications. I don't know about you, but I would feel quite bad if a
2377 bug in RCU killed someone. Which might explain my recent focus on
2378 validation and verification.
2379
2380 Other RCU Flavors
2381 -----------------
2382
2383 One of the more surprising things about RCU is that there are now no
2384 fewer than five *flavors*, or API families. In addition, the primary
2385 flavor that has been the sole focus up to this point has two different
2386 implementations, non-preemptible and preemptible. The other four flavors
2387 are listed below, with requirements for each described in a separate
2388 section.
2389
2390 #. `Bottom-Half Flavor (Historical)`_
2391 #. `Sched Flavor (Historical)`_
2392 #. `Sleepable RCU`_
2393 #. `Tasks RCU`_
2394
2395 Bottom-Half Flavor (Historical)
2396 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2397
2398 The RCU-bh flavor of RCU has since been expressed in terms of the other
2399 RCU flavors as part of a consolidation of the three flavors into a
2400 single flavor. The read-side API remains, and continues to disable
2401 softirq and to be accounted for by lockdep. Much of the material in this
2402 section is therefore strictly historical in nature.
2403
2404 The softirq-disable (AKA “bottom-half”, hence the “_bh” abbreviations)
2405 flavor of RCU, or *RCU-bh*, was developed by Dipankar Sarma to provide a
2406 flavor of RCU that could withstand the network-based denial-of-service
2407 attacks researched by Robert Olsson. These attacks placed so much
2408 networking load on the system that some of the CPUs never exited softirq
2409 execution, which in turn prevented those CPUs from ever executing a
2410 context switch, which, in the RCU implementation of that time, prevented
2411 grace periods from ever ending. The result was an out-of-memory
2412 condition and a system hang.
2413
2414 The solution was the creation of RCU-bh, which does
2415 ``local_bh_disable()`` across its read-side critical sections, and which
2416 uses the transition from one type of softirq processing to another as a
2417 quiescent state in addition to context switch, idle, user mode, and
2418 offline. This means that RCU-bh grace periods can complete even when
2419 some of the CPUs execute in softirq indefinitely, thus allowing
2420 algorithms based on RCU-bh to withstand network-based denial-of-service
2421 attacks.
2422
2423 Because ``rcu_read_lock_bh()`` and ``rcu_read_unlock_bh()`` disable and
2424 re-enable softirq handlers, any attempt to start a softirq handlers
2425 during the RCU-bh read-side critical section will be deferred. In this
2426 case, ``rcu_read_unlock_bh()`` will invoke softirq processing, which can
2427 take considerable time. One can of course argue that this softirq
2428 overhead should be associated with the code following the RCU-bh
2429 read-side critical section rather than ``rcu_read_unlock_bh()``, but the
2430 fact is that most profiling tools cannot be expected to make this sort
2431 of fine distinction. For example, suppose that a three-millisecond-long
2432 RCU-bh read-side critical section executes during a time of heavy
2433 networking load. There will very likely be an attempt to invoke at least
2434 one softirq handler during that three milliseconds, but any such
2435 invocation will be delayed until the time of the
2436 ``rcu_read_unlock_bh()``. This can of course make it appear at first
2437 glance as if ``rcu_read_unlock_bh()`` was executing very slowly.
2438
2439 The `RCU-bh
2440 API <https://lwn.net/Articles/609973/#RCU%20Per-Flavor%20API%20Table>`__
2441 includes ``rcu_read_lock_bh()``, ``rcu_read_unlock_bh()``,
2442 ``rcu_dereference_bh()``, ``rcu_dereference_bh_check()``,
2443 ``synchronize_rcu_bh()``, ``synchronize_rcu_bh_expedited()``,
2444 ``call_rcu_bh()``, ``rcu_barrier_bh()``, and
2445 ``rcu_read_lock_bh_held()``. However, the update-side APIs are now
2446 simple wrappers for other RCU flavors, namely RCU-sched in
2447 CONFIG_PREEMPT=n kernels and RCU-preempt otherwise.
2448
2449 Sched Flavor (Historical)
2450 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2451
2452 The RCU-sched flavor of RCU has since been expressed in terms of the
2453 other RCU flavors as part of a consolidation of the three flavors into a
2454 single flavor. The read-side API remains, and continues to disable
2455 preemption and to be accounted for by lockdep. Much of the material in
2456 this section is therefore strictly historical in nature.
2457
2458 Before preemptible RCU, waiting for an RCU grace period had the side
2459 effect of also waiting for all pre-existing interrupt and NMI handlers.
2460 However, there are legitimate preemptible-RCU implementations that do
2461 not have this property, given that any point in the code outside of an
2462 RCU read-side critical section can be a quiescent state. Therefore,
2463 *RCU-sched* was created, which follows “classic” RCU in that an
2464 RCU-sched grace period waits for pre-existing interrupt and NMI
2465 handlers. In kernels built with ``CONFIG_PREEMPT=n``, the RCU and
2466 RCU-sched APIs have identical implementations, while kernels built with
2467 ``CONFIG_PREEMPT=y`` provide a separate implementation for each.
2468
2469 Note well that in ``CONFIG_PREEMPT=y`` kernels,
2470 ``rcu_read_lock_sched()`` and ``rcu_read_unlock_sched()`` disable and
2471 re-enable preemption, respectively. This means that if there was a
2472 preemption attempt during the RCU-sched read-side critical section,
2473 ``rcu_read_unlock_sched()`` will enter the scheduler, with all the
2474 latency and overhead entailed. Just as with ``rcu_read_unlock_bh()``,
2475 this can make it look as if ``rcu_read_unlock_sched()`` was executing
2476 very slowly. However, the highest-priority task won't be preempted, so
2477 that task will enjoy low-overhead ``rcu_read_unlock_sched()``
2478 invocations.
2479
2480 The `RCU-sched
2481 API <https://lwn.net/Articles/609973/#RCU%20Per-Flavor%20API%20Table>`__
2482 includes ``rcu_read_lock_sched()``, ``rcu_read_unlock_sched()``,
2483 ``rcu_read_lock_sched_notrace()``, ``rcu_read_unlock_sched_notrace()``,
2484 ``rcu_dereference_sched()``, ``rcu_dereference_sched_check()``,
2485 ``synchronize_sched()``, ``synchronize_rcu_sched_expedited()``,
2486 ``call_rcu_sched()``, ``rcu_barrier_sched()``, and
2487 ``rcu_read_lock_sched_held()``. However, anything that disables
2488 preemption also marks an RCU-sched read-side critical section, including
2489 ``preempt_disable()`` and ``preempt_enable()``, ``local_irq_save()`` and
2490 ``local_irq_restore()``, and so on.
2491
2492 Sleepable RCU
2493 ~~~~~~~~~~~~~
2494
2495 For well over a decade, someone saying “I need to block within an RCU
2496 read-side critical section” was a reliable indication that this someone
2497 did not understand RCU. After all, if you are always blocking in an RCU
2498 read-side critical section, you can probably afford to use a
2499 higher-overhead synchronization mechanism. However, that changed with
2500 the advent of the Linux kernel's notifiers, whose RCU read-side critical
2501 sections almost never sleep, but sometimes need to. This resulted in the
2502 introduction of `sleepable RCU <https://lwn.net/Articles/202847/>`__, or
2503 *SRCU*.
2504
2505 SRCU allows different domains to be defined, with each such domain
2506 defined by an instance of an ``srcu_struct`` structure. A pointer to
2507 this structure must be passed in to each SRCU function, for example,
2508 ``synchronize_srcu(&ss)``, where ``ss`` is the ``srcu_struct``
2509 structure. The key benefit of these domains is that a slow SRCU reader
2510 in one domain does not delay an SRCU grace period in some other domain.
2511 That said, one consequence of these domains is that read-side code must
2512 pass a “cookie” from ``srcu_read_lock()`` to ``srcu_read_unlock()``, for
2513 example, as follows:
2514
2515    ::
2516
2517        1 int idx;
2518        2
2519        3 idx = srcu_read_lock(&ss);
2520        4 do_something();
2521        5 srcu_read_unlock(&ss, idx);
2522
2523 As noted above, it is legal to block within SRCU read-side critical
2524 sections, however, with great power comes great responsibility. If you
2525 block forever in one of a given domain's SRCU read-side critical
2526 sections, then that domain's grace periods will also be blocked forever.
2527 Of course, one good way to block forever is to deadlock, which can
2528 happen if any operation in a given domain's SRCU read-side critical
2529 section can wait, either directly or indirectly, for that domain's grace
2530 period to elapse. For example, this results in a self-deadlock:
2531
2532    ::
2533
2534        1 int idx;
2535        2
2536        3 idx = srcu_read_lock(&ss);
2537        4 do_something();
2538        5 synchronize_srcu(&ss);
2539        6 srcu_read_unlock(&ss, idx);
2540
2541 However, if line 5 acquired a mutex that was held across a
2542 ``synchronize_srcu()`` for domain ``ss``, deadlock would still be
2543 possible. Furthermore, if line 5 acquired a mutex that was held across a
2544 ``synchronize_srcu()`` for some other domain ``ss1``, and if an
2545 ``ss1``-domain SRCU read-side critical section acquired another mutex
2546 that was held across as ``ss``-domain ``synchronize_srcu()``, deadlock
2547 would again be possible. Such a deadlock cycle could extend across an
2548 arbitrarily large number of different SRCU domains. Again, with great
2549 power comes great responsibility.
2550
2551 Unlike the other RCU flavors, SRCU read-side critical sections can run
2552 on idle and even offline CPUs. This ability requires that
2553 ``srcu_read_lock()`` and ``srcu_read_unlock()`` contain memory barriers,
2554 which means that SRCU readers will run a bit slower than would RCU
2555 readers. It also motivates the ``smp_mb__after_srcu_read_unlock()`` API,
2556 which, in combination with ``srcu_read_unlock()``, guarantees a full
2557 memory barrier.
2558
2559 Also unlike other RCU flavors, ``synchronize_srcu()`` may **not** be
2560 invoked from CPU-hotplug notifiers, due to the fact that SRCU grace
2561 periods make use of timers and the possibility of timers being
2562 temporarily “stranded” on the outgoing CPU. This stranding of timers
2563 means that timers posted to the outgoing CPU will not fire until late in
2564 the CPU-hotplug process. The problem is that if a notifier is waiting on
2565 an SRCU grace period, that grace period is waiting on a timer, and that
2566 timer is stranded on the outgoing CPU, then the notifier will never be
2567 awakened, in other words, deadlock has occurred. This same situation of
2568 course also prohibits ``srcu_barrier()`` from being invoked from
2569 CPU-hotplug notifiers.
2570
2571 SRCU also differs from other RCU flavors in that SRCU's expedited and
2572 non-expedited grace periods are implemented by the same mechanism. This
2573 means that in the current SRCU implementation, expediting a future grace
2574 period has the side effect of expediting all prior grace periods that
2575 have not yet completed. (But please note that this is a property of the
2576 current implementation, not necessarily of future implementations.) In
2577 addition, if SRCU has been idle for longer than the interval specified
2578 by the ``srcutree.exp_holdoff`` kernel boot parameter (25 microseconds
2579 by default), and if a ``synchronize_srcu()`` invocation ends this idle
2580 period, that invocation will be automatically expedited.
2581
2582 As of v4.12, SRCU's callbacks are maintained per-CPU, eliminating a
2583 locking bottleneck present in prior kernel versions. Although this will
2584 allow users to put much heavier stress on ``call_srcu()``, it is
2585 important to note that SRCU does not yet take any special steps to deal
2586 with callback flooding. So if you are posting (say) 10,000 SRCU
2587 callbacks per second per CPU, you are probably totally OK, but if you
2588 intend to post (say) 1,000,000 SRCU callbacks per second per CPU, please
2589 run some tests first. SRCU just might need a few adjustment to deal with
2590 that sort of load. Of course, your mileage may vary based on the speed
2591 of your CPUs and the size of your memory.
2592
2593 The `SRCU
2594 API <https://lwn.net/Articles/609973/#RCU%20Per-Flavor%20API%20Table>`__
2595 includes ``srcu_read_lock()``, ``srcu_read_unlock()``,
2596 ``srcu_dereference()``, ``srcu_dereference_check()``,
2597 ``synchronize_srcu()``, ``synchronize_srcu_expedited()``,
2598 ``call_srcu()``, ``srcu_barrier()``, and ``srcu_read_lock_held()``. It
2599 also includes ``DEFINE_SRCU()``, ``DEFINE_STATIC_SRCU()``, and
2600 ``init_srcu_struct()`` APIs for defining and initializing
2601 ``srcu_struct`` structures.
2602
2603 Tasks RCU
2604 ~~~~~~~~~
2605
2606 Some forms of tracing use “trampolines” to handle the binary rewriting
2607 required to install different types of probes. It would be good to be
2608 able to free old trampolines, which sounds like a job for some form of
2609 RCU. However, because it is necessary to be able to install a trace
2610 anywhere in the code, it is not possible to use read-side markers such
2611 as ``rcu_read_lock()`` and ``rcu_read_unlock()``. In addition, it does
2612 not work to have these markers in the trampoline itself, because there
2613 would need to be instructions following ``rcu_read_unlock()``. Although
2614 ``synchronize_rcu()`` would guarantee that execution reached the
2615 ``rcu_read_unlock()``, it would not be able to guarantee that execution
2616 had completely left the trampoline. Worse yet, in some situations
2617 the trampoline's protection must extend a few instructions *prior* to
2618 execution reaching the trampoline.  For example, these few instructions
2619 might calculate the address of the trampoline, so that entering the
2620 trampoline would be pre-ordained a surprisingly long time before execution
2621 actually reached the trampoline itself.
2622
2623 The solution, in the form of `Tasks
2624 RCU <https://lwn.net/Articles/607117/>`__, is to have implicit read-side
2625 critical sections that are delimited by voluntary context switches, that
2626 is, calls to ``schedule()``, ``cond_resched()``, and
2627 ``synchronize_rcu_tasks()``. In addition, transitions to and from
2628 userspace execution also delimit tasks-RCU read-side critical sections.
2629
2630 The tasks-RCU API is quite compact, consisting only of
2631 ``call_rcu_tasks()``, ``synchronize_rcu_tasks()``, and
2632 ``rcu_barrier_tasks()``. In ``CONFIG_PREEMPT=n`` kernels, trampolines
2633 cannot be preempted, so these APIs map to ``call_rcu()``,
2634 ``synchronize_rcu()``, and ``rcu_barrier()``, respectively. In
2635 ``CONFIG_PREEMPT=y`` kernels, trampolines can be preempted, and these
2636 three APIs are therefore implemented by separate functions that check
2637 for voluntary context switches.
2638
2639 Possible Future Changes
2640 -----------------------
2641
2642 One of the tricks that RCU uses to attain update-side scalability is to
2643 increase grace-period latency with increasing numbers of CPUs. If this
2644 becomes a serious problem, it will be necessary to rework the
2645 grace-period state machine so as to avoid the need for the additional
2646 latency.
2647
2648 RCU disables CPU hotplug in a few places, perhaps most notably in the
2649 ``rcu_barrier()`` operations. If there is a strong reason to use
2650 ``rcu_barrier()`` in CPU-hotplug notifiers, it will be necessary to
2651 avoid disabling CPU hotplug. This would introduce some complexity, so
2652 there had better be a *very* good reason.
2653
2654 The tradeoff between grace-period latency on the one hand and
2655 interruptions of other CPUs on the other hand may need to be
2656 re-examined. The desire is of course for zero grace-period latency as
2657 well as zero interprocessor interrupts undertaken during an expedited
2658 grace period operation. While this ideal is unlikely to be achievable,
2659 it is quite possible that further improvements can be made.
2660
2661 The multiprocessor implementations of RCU use a combining tree that
2662 groups CPUs so as to reduce lock contention and increase cache locality.
2663 However, this combining tree does not spread its memory across NUMA
2664 nodes nor does it align the CPU groups with hardware features such as
2665 sockets or cores. Such spreading and alignment is currently believed to
2666 be unnecessary because the hotpath read-side primitives do not access
2667 the combining tree, nor does ``call_rcu()`` in the common case. If you
2668 believe that your architecture needs such spreading and alignment, then
2669 your architecture should also benefit from the
2670 ``rcutree.rcu_fanout_leaf`` boot parameter, which can be set to the
2671 number of CPUs in a socket, NUMA node, or whatever. If the number of
2672 CPUs is too large, use a fraction of the number of CPUs. If the number
2673 of CPUs is a large prime number, well, that certainly is an
2674 “interesting” architectural choice! More flexible arrangements might be
2675 considered, but only if ``rcutree.rcu_fanout_leaf`` has proven
2676 inadequate, and only if the inadequacy has been demonstrated by a
2677 carefully run and realistic system-level workload.
2678
2679 Please note that arrangements that require RCU to remap CPU numbers will
2680 require extremely good demonstration of need and full exploration of
2681 alternatives.
2682
2683 RCU's various kthreads are reasonably recent additions. It is quite
2684 likely that adjustments will be required to more gracefully handle
2685 extreme loads. It might also be necessary to be able to relate CPU
2686 utilization by RCU's kthreads and softirq handlers to the code that
2687 instigated this CPU utilization. For example, RCU callback overhead
2688 might be charged back to the originating ``call_rcu()`` instance, though
2689 probably not in production kernels.
2690
2691 Additional work may be required to provide reasonable forward-progress
2692 guarantees under heavy load for grace periods and for callback
2693 invocation.
2694
2695 Summary
2696 -------
2697
2698 This document has presented more than two decade's worth of RCU
2699 requirements. Given that the requirements keep changing, this will not
2700 be the last word on this subject, but at least it serves to get an
2701 important subset of the requirements set forth.
2702
2703 Acknowledgments
2704 ---------------
2705
2706 I am grateful to Steven Rostedt, Lai Jiangshan, Ingo Molnar, Oleg
2707 Nesterov, Borislav Petkov, Peter Zijlstra, Boqun Feng, and Andy
2708 Lutomirski for their help in rendering this article human readable, and
2709 to Michelle Rankin for her support of this effort. Other contributions
2710 are acknowledged in the Linux kernel's git archive.