Merge tag 'ntb-5.11' of git://github.com/jonmason/ntb
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / RCU / checklist.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ================================
4 Review Checklist for RCU Patches
5 ================================
6
7
8 This document contains a checklist for producing and reviewing patches
9 that make use of RCU.  Violating any of the rules listed below will
10 result in the same sorts of problems that leaving out a locking primitive
11 would cause.  This list is based on experiences reviewing such patches
12 over a rather long period of time, but improvements are always welcome!
13
14 0.      Is RCU being applied to a read-mostly situation?  If the data
15         structure is updated more than about 10% of the time, then you
16         should strongly consider some other approach, unless detailed
17         performance measurements show that RCU is nonetheless the right
18         tool for the job.  Yes, RCU does reduce read-side overhead by
19         increasing write-side overhead, which is exactly why normal uses
20         of RCU will do much more reading than updating.
21
22         Another exception is where performance is not an issue, and RCU
23         provides a simpler implementation.  An example of this situation
24         is the dynamic NMI code in the Linux 2.6 kernel, at least on
25         architectures where NMIs are rare.
26
27         Yet another exception is where the low real-time latency of RCU's
28         read-side primitives is critically important.
29
30         One final exception is where RCU readers are used to prevent
31         the ABA problem (https://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem)
32         for lockless updates.  This does result in the mildly
33         counter-intuitive situation where rcu_read_lock() and
34         rcu_read_unlock() are used to protect updates, however, this
35         approach provides the same potential simplifications that garbage
36         collectors do.
37
38 1.      Does the update code have proper mutual exclusion?
39
40         RCU does allow -readers- to run (almost) naked, but -writers- must
41         still use some sort of mutual exclusion, such as:
42
43         a.      locking,
44         b.      atomic operations, or
45         c.      restricting updates to a single task.
46
47         If you choose #b, be prepared to describe how you have handled
48         memory barriers on weakly ordered machines (pretty much all of
49         them -- even x86 allows later loads to be reordered to precede
50         earlier stores), and be prepared to explain why this added
51         complexity is worthwhile.  If you choose #c, be prepared to
52         explain how this single task does not become a major bottleneck on
53         big multiprocessor machines (for example, if the task is updating
54         information relating to itself that other tasks can read, there
55         by definition can be no bottleneck).  Note that the definition
56         of "large" has changed significantly:  Eight CPUs was "large"
57         in the year 2000, but a hundred CPUs was unremarkable in 2017.
58
59 2.      Do the RCU read-side critical sections make proper use of
60         rcu_read_lock() and friends?  These primitives are needed
61         to prevent grace periods from ending prematurely, which
62         could result in data being unceremoniously freed out from
63         under your read-side code, which can greatly increase the
64         actuarial risk of your kernel.
65
66         As a rough rule of thumb, any dereference of an RCU-protected
67         pointer must be covered by rcu_read_lock(), rcu_read_lock_bh(),
68         rcu_read_lock_sched(), or by the appropriate update-side lock.
69         Disabling of preemption can serve as rcu_read_lock_sched(), but
70         is less readable and prevents lockdep from detecting locking issues.
71
72         Letting RCU-protected pointers "leak" out of an RCU read-side
73         critical section is every bid as bad as letting them leak out
74         from under a lock.  Unless, of course, you have arranged some
75         other means of protection, such as a lock or a reference count
76         -before- letting them out of the RCU read-side critical section.
77
78 3.      Does the update code tolerate concurrent accesses?
79
80         The whole point of RCU is to permit readers to run without
81         any locks or atomic operations.  This means that readers will
82         be running while updates are in progress.  There are a number
83         of ways to handle this concurrency, depending on the situation:
84
85         a.      Use the RCU variants of the list and hlist update
86                 primitives to add, remove, and replace elements on
87                 an RCU-protected list.  Alternatively, use the other
88                 RCU-protected data structures that have been added to
89                 the Linux kernel.
90
91                 This is almost always the best approach.
92
93         b.      Proceed as in (a) above, but also maintain per-element
94                 locks (that are acquired by both readers and writers)
95                 that guard per-element state.  Of course, fields that
96                 the readers refrain from accessing can be guarded by
97                 some other lock acquired only by updaters, if desired.
98
99                 This works quite well, also.
100
101         c.      Make updates appear atomic to readers.  For example,
102                 pointer updates to properly aligned fields will
103                 appear atomic, as will individual atomic primitives.
104                 Sequences of operations performed under a lock will -not-
105                 appear to be atomic to RCU readers, nor will sequences
106                 of multiple atomic primitives.
107
108                 This can work, but is starting to get a bit tricky.
109
110         d.      Carefully order the updates and the reads so that
111                 readers see valid data at all phases of the update.
112                 This is often more difficult than it sounds, especially
113                 given modern CPUs' tendency to reorder memory references.
114                 One must usually liberally sprinkle memory barriers
115                 (smp_wmb(), smp_rmb(), smp_mb()) through the code,
116                 making it difficult to understand and to test.
117
118                 It is usually better to group the changing data into
119                 a separate structure, so that the change may be made
120                 to appear atomic by updating a pointer to reference
121                 a new structure containing updated values.
122
123 4.      Weakly ordered CPUs pose special challenges.  Almost all CPUs
124         are weakly ordered -- even x86 CPUs allow later loads to be
125         reordered to precede earlier stores.  RCU code must take all of
126         the following measures to prevent memory-corruption problems:
127
128         a.      Readers must maintain proper ordering of their memory
129                 accesses.  The rcu_dereference() primitive ensures that
130                 the CPU picks up the pointer before it picks up the data
131                 that the pointer points to.  This really is necessary
132                 on Alpha CPUs.  If you don't believe me, see:
133
134                         http://www.openvms.compaq.com/wizard/wiz_2637.html
135
136                 The rcu_dereference() primitive is also an excellent
137                 documentation aid, letting the person reading the
138                 code know exactly which pointers are protected by RCU.
139                 Please note that compilers can also reorder code, and
140                 they are becoming increasingly aggressive about doing
141                 just that.  The rcu_dereference() primitive therefore also
142                 prevents destructive compiler optimizations.  However,
143                 with a bit of devious creativity, it is possible to
144                 mishandle the return value from rcu_dereference().
145                 Please see rcu_dereference.txt in this directory for
146                 more information.
147
148                 The rcu_dereference() primitive is used by the
149                 various "_rcu()" list-traversal primitives, such
150                 as the list_for_each_entry_rcu().  Note that it is
151                 perfectly legal (if redundant) for update-side code to
152                 use rcu_dereference() and the "_rcu()" list-traversal
153                 primitives.  This is particularly useful in code that
154                 is common to readers and updaters.  However, lockdep
155                 will complain if you access rcu_dereference() outside
156                 of an RCU read-side critical section.  See lockdep.txt
157                 to learn what to do about this.
158
159                 Of course, neither rcu_dereference() nor the "_rcu()"
160                 list-traversal primitives can substitute for a good
161                 concurrency design coordinating among multiple updaters.
162
163         b.      If the list macros are being used, the list_add_tail_rcu()
164                 and list_add_rcu() primitives must be used in order
165                 to prevent weakly ordered machines from misordering
166                 structure initialization and pointer planting.
167                 Similarly, if the hlist macros are being used, the
168                 hlist_add_head_rcu() primitive is required.
169
170         c.      If the list macros are being used, the list_del_rcu()
171                 primitive must be used to keep list_del()'s pointer
172                 poisoning from inflicting toxic effects on concurrent
173                 readers.  Similarly, if the hlist macros are being used,
174                 the hlist_del_rcu() primitive is required.
175
176                 The list_replace_rcu() and hlist_replace_rcu() primitives
177                 may be used to replace an old structure with a new one
178                 in their respective types of RCU-protected lists.
179
180         d.      Rules similar to (4b) and (4c) apply to the "hlist_nulls"
181                 type of RCU-protected linked lists.
182
183         e.      Updates must ensure that initialization of a given
184                 structure happens before pointers to that structure are
185                 publicized.  Use the rcu_assign_pointer() primitive
186                 when publicizing a pointer to a structure that can
187                 be traversed by an RCU read-side critical section.
188
189 5.      If call_rcu() or call_srcu() is used, the callback function will
190         be called from softirq context.  In particular, it cannot block.
191
192 6.      Since synchronize_rcu() can block, it cannot be called
193         from any sort of irq context.  The same rule applies
194         for synchronize_srcu(), synchronize_rcu_expedited(), and
195         synchronize_srcu_expedited().
196
197         The expedited forms of these primitives have the same semantics
198         as the non-expedited forms, but expediting is both expensive and
199         (with the exception of synchronize_srcu_expedited()) unfriendly
200         to real-time workloads.  Use of the expedited primitives should
201         be restricted to rare configuration-change operations that would
202         not normally be undertaken while a real-time workload is running.
203         However, real-time workloads can use rcupdate.rcu_normal kernel
204         boot parameter to completely disable expedited grace periods,
205         though this might have performance implications.
206
207         In particular, if you find yourself invoking one of the expedited
208         primitives repeatedly in a loop, please do everyone a favor:
209         Restructure your code so that it batches the updates, allowing
210         a single non-expedited primitive to cover the entire batch.
211         This will very likely be faster than the loop containing the
212         expedited primitive, and will be much much easier on the rest
213         of the system, especially to real-time workloads running on
214         the rest of the system.
215
216 7.      As of v4.20, a given kernel implements only one RCU flavor,
217         which is RCU-sched for PREEMPT=n and RCU-preempt for PREEMPT=y.
218         If the updater uses call_rcu() or synchronize_rcu(),
219         then the corresponding readers my use rcu_read_lock() and
220         rcu_read_unlock(), rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh(),
221         or any pair of primitives that disables and re-enables preemption,
222         for example, rcu_read_lock_sched() and rcu_read_unlock_sched().
223         If the updater uses synchronize_srcu() or call_srcu(),
224         then the corresponding readers must use srcu_read_lock() and
225         srcu_read_unlock(), and with the same srcu_struct.  The rules for
226         the expedited primitives are the same as for their non-expedited
227         counterparts.  Mixing things up will result in confusion and
228         broken kernels, and has even resulted in an exploitable security
229         issue.
230
231         One exception to this rule: rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
232         may be substituted for rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh()
233         in cases where local bottom halves are already known to be
234         disabled, for example, in irq or softirq context.  Commenting
235         such cases is a must, of course!  And the jury is still out on
236         whether the increased speed is worth it.
237
238 8.      Although synchronize_rcu() is slower than is call_rcu(), it
239         usually results in simpler code.  So, unless update performance is
240         critically important, the updaters cannot block, or the latency of
241         synchronize_rcu() is visible from userspace, synchronize_rcu()
242         should be used in preference to call_rcu().  Furthermore,
243         kfree_rcu() usually results in even simpler code than does
244         synchronize_rcu() without synchronize_rcu()'s multi-millisecond
245         latency.  So please take advantage of kfree_rcu()'s "fire and
246         forget" memory-freeing capabilities where it applies.
247
248         An especially important property of the synchronize_rcu()
249         primitive is that it automatically self-limits: if grace periods
250         are delayed for whatever reason, then the synchronize_rcu()
251         primitive will correspondingly delay updates.  In contrast,
252         code using call_rcu() should explicitly limit update rate in
253         cases where grace periods are delayed, as failing to do so can
254         result in excessive realtime latencies or even OOM conditions.
255
256         Ways of gaining this self-limiting property when using call_rcu()
257         include:
258
259         a.      Keeping a count of the number of data-structure elements
260                 used by the RCU-protected data structure, including
261                 those waiting for a grace period to elapse.  Enforce a
262                 limit on this number, stalling updates as needed to allow
263                 previously deferred frees to complete.  Alternatively,
264                 limit only the number awaiting deferred free rather than
265                 the total number of elements.
266
267                 One way to stall the updates is to acquire the update-side
268                 mutex.  (Don't try this with a spinlock -- other CPUs
269                 spinning on the lock could prevent the grace period
270                 from ever ending.)  Another way to stall the updates
271                 is for the updates to use a wrapper function around
272                 the memory allocator, so that this wrapper function
273                 simulates OOM when there is too much memory awaiting an
274                 RCU grace period.  There are of course many other
275                 variations on this theme.
276
277         b.      Limiting update rate.  For example, if updates occur only
278                 once per hour, then no explicit rate limiting is
279                 required, unless your system is already badly broken.
280                 Older versions of the dcache subsystem take this approach,
281                 guarding updates with a global lock, limiting their rate.
282
283         c.      Trusted update -- if updates can only be done manually by
284                 superuser or some other trusted user, then it might not
285                 be necessary to automatically limit them.  The theory
286                 here is that superuser already has lots of ways to crash
287                 the machine.
288
289         d.      Periodically invoke synchronize_rcu(), permitting a limited
290                 number of updates per grace period.
291
292         The same cautions apply to call_srcu() and kfree_rcu().
293
294         Note that although these primitives do take action to avoid memory
295         exhaustion when any given CPU has too many callbacks, a determined
296         user could still exhaust memory.  This is especially the case
297         if a system with a large number of CPUs has been configured to
298         offload all of its RCU callbacks onto a single CPU, or if the
299         system has relatively little free memory.
300
301 9.      All RCU list-traversal primitives, which include
302         rcu_dereference(), list_for_each_entry_rcu(), and
303         list_for_each_safe_rcu(), must be either within an RCU read-side
304         critical section or must be protected by appropriate update-side
305         locks.  RCU read-side critical sections are delimited by
306         rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), or by similar primitives
307         such as rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh(), in which
308         case the matching rcu_dereference() primitive must be used in
309         order to keep lockdep happy, in this case, rcu_dereference_bh().
310
311         The reason that it is permissible to use RCU list-traversal
312         primitives when the update-side lock is held is that doing so
313         can be quite helpful in reducing code bloat when common code is
314         shared between readers and updaters.  Additional primitives
315         are provided for this case, as discussed in lockdep.txt.
316
317         One exception to this rule is when data is only ever added to
318         the linked data structure, and is never removed during any
319         time that readers might be accessing that structure.  In such
320         cases, READ_ONCE() may be used in place of rcu_dereference()
321         and the read-side markers (rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(),
322         for example) may be omitted.
323
324 10.     Conversely, if you are in an RCU read-side critical section,
325         and you don't hold the appropriate update-side lock, you -must-
326         use the "_rcu()" variants of the list macros.  Failing to do so
327         will break Alpha, cause aggressive compilers to generate bad code,
328         and confuse people trying to read your code.
329
330 11.     Any lock acquired by an RCU callback must be acquired elsewhere
331         with softirq disabled, e.g., via spin_lock_irqsave(),
332         spin_lock_bh(), etc.  Failing to disable softirq on a given
333         acquisition of that lock will result in deadlock as soon as
334         the RCU softirq handler happens to run your RCU callback while
335         interrupting that acquisition's critical section.
336
337 12.     RCU callbacks can be and are executed in parallel.  In many cases,
338         the callback code simply wrappers around kfree(), so that this
339         is not an issue (or, more accurately, to the extent that it is
340         an issue, the memory-allocator locking handles it).  However,
341         if the callbacks do manipulate a shared data structure, they
342         must use whatever locking or other synchronization is required
343         to safely access and/or modify that data structure.
344
345         Do not assume that RCU callbacks will be executed on the same
346         CPU that executed the corresponding call_rcu() or call_srcu().
347         For example, if a given CPU goes offline while having an RCU
348         callback pending, then that RCU callback will execute on some
349         surviving CPU.  (If this was not the case, a self-spawning RCU
350         callback would prevent the victim CPU from ever going offline.)
351         Furthermore, CPUs designated by rcu_nocbs= might well -always-
352         have their RCU callbacks executed on some other CPUs, in fact,
353         for some  real-time workloads, this is the whole point of using
354         the rcu_nocbs= kernel boot parameter.
355
356 13.     Unlike other forms of RCU, it -is- permissible to block in an
357         SRCU read-side critical section (demarked by srcu_read_lock()
358         and srcu_read_unlock()), hence the "SRCU": "sleepable RCU".
359         Please note that if you don't need to sleep in read-side critical
360         sections, you should be using RCU rather than SRCU, because RCU
361         is almost always faster and easier to use than is SRCU.
362
363         Also unlike other forms of RCU, explicit initialization and
364         cleanup is required either at build time via DEFINE_SRCU()
365         or DEFINE_STATIC_SRCU() or at runtime via init_srcu_struct()
366         and cleanup_srcu_struct().  These last two are passed a
367         "struct srcu_struct" that defines the scope of a given
368         SRCU domain.  Once initialized, the srcu_struct is passed
369         to srcu_read_lock(), srcu_read_unlock() synchronize_srcu(),
370         synchronize_srcu_expedited(), and call_srcu().  A given
371         synchronize_srcu() waits only for SRCU read-side critical
372         sections governed by srcu_read_lock() and srcu_read_unlock()
373         calls that have been passed the same srcu_struct.  This property
374         is what makes sleeping read-side critical sections tolerable --
375         a given subsystem delays only its own updates, not those of other
376         subsystems using SRCU.  Therefore, SRCU is less prone to OOM the
377         system than RCU would be if RCU's read-side critical sections
378         were permitted to sleep.
379
380         The ability to sleep in read-side critical sections does not
381         come for free.  First, corresponding srcu_read_lock() and
382         srcu_read_unlock() calls must be passed the same srcu_struct.
383         Second, grace-period-detection overhead is amortized only
384         over those updates sharing a given srcu_struct, rather than
385         being globally amortized as they are for other forms of RCU.
386         Therefore, SRCU should be used in preference to rw_semaphore
387         only in extremely read-intensive situations, or in situations
388         requiring SRCU's read-side deadlock immunity or low read-side
389         realtime latency.  You should also consider percpu_rw_semaphore
390         when you need lightweight readers.
391
392         SRCU's expedited primitive (synchronize_srcu_expedited())
393         never sends IPIs to other CPUs, so it is easier on
394         real-time workloads than is synchronize_rcu_expedited().
395
396         Note that rcu_assign_pointer() relates to SRCU just as it does to
397         other forms of RCU, but instead of rcu_dereference() you should
398         use srcu_dereference() in order to avoid lockdep splats.
399
400 14.     The whole point of call_rcu(), synchronize_rcu(), and friends
401         is to wait until all pre-existing readers have finished before
402         carrying out some otherwise-destructive operation.  It is
403         therefore critically important to -first- remove any path
404         that readers can follow that could be affected by the
405         destructive operation, and -only- -then- invoke call_rcu(),
406         synchronize_rcu(), or friends.
407
408         Because these primitives only wait for pre-existing readers, it
409         is the caller's responsibility to guarantee that any subsequent
410         readers will execute safely.
411
412 15.     The various RCU read-side primitives do -not- necessarily contain
413         memory barriers.  You should therefore plan for the CPU
414         and the compiler to freely reorder code into and out of RCU
415         read-side critical sections.  It is the responsibility of the
416         RCU update-side primitives to deal with this.
417
418         For SRCU readers, you can use smp_mb__after_srcu_read_unlock()
419         immediately after an srcu_read_unlock() to get a full barrier.
420
421 16.     Use CONFIG_PROVE_LOCKING, CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD, and the
422         __rcu sparse checks to validate your RCU code.  These can help
423         find problems as follows:
424
425         CONFIG_PROVE_LOCKING:
426                 check that accesses to RCU-protected data
427                 structures are carried out under the proper RCU
428                 read-side critical section, while holding the right
429                 combination of locks, or whatever other conditions
430                 are appropriate.
431
432         CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD:
433                 check that you don't pass the
434                 same object to call_rcu() (or friends) before an RCU
435                 grace period has elapsed since the last time that you
436                 passed that same object to call_rcu() (or friends).
437
438         __rcu sparse checks:
439                 tag the pointer to the RCU-protected data
440                 structure with __rcu, and sparse will warn you if you
441                 access that pointer without the services of one of the
442                 variants of rcu_dereference().
443
444         These debugging aids can help you find problems that are
445         otherwise extremely difficult to spot.
446
447 17.     If you register a callback using call_rcu() or call_srcu(), and
448         pass in a function defined within a loadable module, then it in
449         necessary to wait for all pending callbacks to be invoked after
450         the last invocation and before unloading that module.  Note that
451         it is absolutely -not- sufficient to wait for a grace period!
452         The current (say) synchronize_rcu() implementation is -not-
453         guaranteed to wait for callbacks registered on other CPUs.
454         Or even on the current CPU if that CPU recently went offline
455         and came back online.
456
457         You instead need to use one of the barrier functions:
458
459         -       call_rcu() -> rcu_barrier()
460         -       call_srcu() -> srcu_barrier()
461
462         However, these barrier functions are absolutely -not- guaranteed
463         to wait for a grace period.  In fact, if there are no call_rcu()
464         callbacks waiting anywhere in the system, rcu_barrier() is within
465         its rights to return immediately.
466
467         So if you need to wait for both an RCU grace period and for
468         all pre-existing call_rcu() callbacks, you will need to execute
469         both rcu_barrier() and synchronize_rcu(), if necessary, using
470         something like workqueues to to execute them concurrently.
471
472         See rcubarrier.txt for more information.