Merge tag 'perf-tools-for-v5.15-2021-09-04' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux...
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / RCU / rcubarrier.rst
1 .. _rcu_barrier:
2
3 RCU and Unloadable Modules
4 ==========================
5
6 [Originally published in LWN Jan. 14, 2007: http://lwn.net/Articles/217484/]
7
8 RCU (read-copy update) is a synchronization mechanism that can be thought
9 of as a replacement for read-writer locking (among other things), but with
10 very low-overhead readers that are immune to deadlock, priority inversion,
11 and unbounded latency. RCU read-side critical sections are delimited
12 by rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), which, in non-CONFIG_PREEMPTION
13 kernels, generate no code whatsoever.
14
15 This means that RCU writers are unaware of the presence of concurrent
16 readers, so that RCU updates to shared data must be undertaken quite
17 carefully, leaving an old version of the data structure in place until all
18 pre-existing readers have finished. These old versions are needed because
19 such readers might hold a reference to them. RCU updates can therefore be
20 rather expensive, and RCU is thus best suited for read-mostly situations.
21
22 How can an RCU writer possibly determine when all readers are finished,
23 given that readers might well leave absolutely no trace of their
24 presence? There is a synchronize_rcu() primitive that blocks until all
25 pre-existing readers have completed. An updater wishing to delete an
26 element p from a linked list might do the following, while holding an
27 appropriate lock, of course::
28
29         list_del_rcu(p);
30         synchronize_rcu();
31         kfree(p);
32
33 But the above code cannot be used in IRQ context -- the call_rcu()
34 primitive must be used instead. This primitive takes a pointer to an
35 rcu_head struct placed within the RCU-protected data structure and
36 another pointer to a function that may be invoked later to free that
37 structure. Code to delete an element p from the linked list from IRQ
38 context might then be as follows::
39
40         list_del_rcu(p);
41         call_rcu(&p->rcu, p_callback);
42
43 Since call_rcu() never blocks, this code can safely be used from within
44 IRQ context. The function p_callback() might be defined as follows::
45
46         static void p_callback(struct rcu_head *rp)
47         {
48                 struct pstruct *p = container_of(rp, struct pstruct, rcu);
49
50                 kfree(p);
51         }
52
53
54 Unloading Modules That Use call_rcu()
55 -------------------------------------
56
57 But what if p_callback is defined in an unloadable module?
58
59 If we unload the module while some RCU callbacks are pending,
60 the CPUs executing these callbacks are going to be severely
61 disappointed when they are later invoked, as fancifully depicted at
62 http://lwn.net/images/ns/kernel/rcu-drop.jpg.
63
64 We could try placing a synchronize_rcu() in the module-exit code path,
65 but this is not sufficient. Although synchronize_rcu() does wait for a
66 grace period to elapse, it does not wait for the callbacks to complete.
67
68 One might be tempted to try several back-to-back synchronize_rcu()
69 calls, but this is still not guaranteed to work. If there is a very
70 heavy RCU-callback load, then some of the callbacks might be deferred
71 in order to allow other processing to proceed. Such deferral is required
72 in realtime kernels in order to avoid excessive scheduling latencies.
73
74
75 rcu_barrier()
76 -------------
77
78 We instead need the rcu_barrier() primitive.  Rather than waiting for
79 a grace period to elapse, rcu_barrier() waits for all outstanding RCU
80 callbacks to complete.  Please note that rcu_barrier() does **not** imply
81 synchronize_rcu(), in particular, if there are no RCU callbacks queued
82 anywhere, rcu_barrier() is within its rights to return immediately,
83 without waiting for a grace period to elapse.
84
85 Pseudo-code using rcu_barrier() is as follows:
86
87    1. Prevent any new RCU callbacks from being posted.
88    2. Execute rcu_barrier().
89    3. Allow the module to be unloaded.
90
91 There is also an srcu_barrier() function for SRCU, and you of course
92 must match the flavor of rcu_barrier() with that of call_rcu().  If your
93 module uses multiple flavors of call_rcu(), then it must also use multiple
94 flavors of rcu_barrier() when unloading that module.  For example, if
95 it uses call_rcu(), call_srcu() on srcu_struct_1, and call_srcu() on
96 srcu_struct_2, then the following three lines of code will be required
97 when unloading::
98
99  1 rcu_barrier();
100  2 srcu_barrier(&srcu_struct_1);
101  3 srcu_barrier(&srcu_struct_2);
102
103 The rcutorture module makes use of rcu_barrier() in its exit function
104 as follows::
105
106  1  static void
107  2  rcu_torture_cleanup(void)
108  3  {
109  4    int i;
110  5
111  6    fullstop = 1;
112  7    if (shuffler_task != NULL) {
113  8     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_shuffle task");
114  9     kthread_stop(shuffler_task);
115  10   }
116  11   shuffler_task = NULL;
117  12
118  13   if (writer_task != NULL) {
119  14     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_writer task");
120  15     kthread_stop(writer_task);
121  16   }
122  17   writer_task = NULL;
123  18
124  19   if (reader_tasks != NULL) {
125  20     for (i = 0; i < nrealreaders; i++) {
126  21       if (reader_tasks[i] != NULL) {
127  22         VERBOSE_PRINTK_STRING(
128  23           "Stopping rcu_torture_reader task");
129  24         kthread_stop(reader_tasks[i]);
130  25       }
131  26       reader_tasks[i] = NULL;
132  27     }
133  28     kfree(reader_tasks);
134  29     reader_tasks = NULL;
135  30   }
136  31   rcu_torture_current = NULL;
137  32
138  33   if (fakewriter_tasks != NULL) {
139  34     for (i = 0; i < nfakewriters; i++) {
140  35       if (fakewriter_tasks[i] != NULL) {
141  36         VERBOSE_PRINTK_STRING(
142  37           "Stopping rcu_torture_fakewriter task");
143  38         kthread_stop(fakewriter_tasks[i]);
144  39       }
145  40       fakewriter_tasks[i] = NULL;
146  41     }
147  42     kfree(fakewriter_tasks);
148  43     fakewriter_tasks = NULL;
149  44   }
150  45
151  46   if (stats_task != NULL) {
152  47     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_stats task");
153  48     kthread_stop(stats_task);
154  49   }
155  50   stats_task = NULL;
156  51
157  52   /* Wait for all RCU callbacks to fire. */
158  53   rcu_barrier();
159  54
160  55   rcu_torture_stats_print(); /* -After- the stats thread is stopped! */
161  56
162  57   if (cur_ops->cleanup != NULL)
163  58     cur_ops->cleanup();
164  59   if (atomic_read(&n_rcu_torture_error))
165  60     rcu_torture_print_module_parms("End of test: FAILURE");
166  61   else
167  62     rcu_torture_print_module_parms("End of test: SUCCESS");
168  63 }
169
170 Line 6 sets a global variable that prevents any RCU callbacks from
171 re-posting themselves. This will not be necessary in most cases, since
172 RCU callbacks rarely include calls to call_rcu(). However, the rcutorture
173 module is an exception to this rule, and therefore needs to set this
174 global variable.
175
176 Lines 7-50 stop all the kernel tasks associated with the rcutorture
177 module. Therefore, once execution reaches line 53, no more rcutorture
178 RCU callbacks will be posted. The rcu_barrier() call on line 53 waits
179 for any pre-existing callbacks to complete.
180
181 Then lines 55-62 print status and do operation-specific cleanup, and
182 then return, permitting the module-unload operation to be completed.
183
184 .. _rcubarrier_quiz_1:
185
186 Quick Quiz #1:
187         Is there any other situation where rcu_barrier() might
188         be required?
189
190 :ref:`Answer to Quick Quiz #1 <answer_rcubarrier_quiz_1>`
191
192 Your module might have additional complications. For example, if your
193 module invokes call_rcu() from timers, you will need to first cancel all
194 the timers, and only then invoke rcu_barrier() to wait for any remaining
195 RCU callbacks to complete.
196
197 Of course, if you module uses call_rcu(), you will need to invoke
198 rcu_barrier() before unloading.  Similarly, if your module uses
199 call_srcu(), you will need to invoke srcu_barrier() before unloading,
200 and on the same srcu_struct structure.  If your module uses call_rcu()
201 **and** call_srcu(), then you will need to invoke rcu_barrier() **and**
202 srcu_barrier().
203
204
205 Implementing rcu_barrier()
206 --------------------------
207
208 Dipankar Sarma's implementation of rcu_barrier() makes use of the fact
209 that RCU callbacks are never reordered once queued on one of the per-CPU
210 queues. His implementation queues an RCU callback on each of the per-CPU
211 callback queues, and then waits until they have all started executing, at
212 which point, all earlier RCU callbacks are guaranteed to have completed.
213
214 The original code for rcu_barrier() was as follows::
215
216  1  void rcu_barrier(void)
217  2  {
218  3    BUG_ON(in_interrupt());
219  4    /* Take cpucontrol mutex to protect against CPU hotplug */
220  5    mutex_lock(&rcu_barrier_mutex);
221  6    init_completion(&rcu_barrier_completion);
222  7    atomic_set(&rcu_barrier_cpu_count, 0);
223  8    on_each_cpu(rcu_barrier_func, NULL, 0, 1);
224  9    wait_for_completion(&rcu_barrier_completion);
225  10   mutex_unlock(&rcu_barrier_mutex);
226  11 }
227
228 Line 3 verifies that the caller is in process context, and lines 5 and 10
229 use rcu_barrier_mutex to ensure that only one rcu_barrier() is using the
230 global completion and counters at a time, which are initialized on lines
231 6 and 7. Line 8 causes each CPU to invoke rcu_barrier_func(), which is
232 shown below. Note that the final "1" in on_each_cpu()'s argument list
233 ensures that all the calls to rcu_barrier_func() will have completed
234 before on_each_cpu() returns. Line 9 then waits for the completion.
235
236 This code was rewritten in 2008 and several times thereafter, but this
237 still gives the general idea.
238
239 The rcu_barrier_func() runs on each CPU, where it invokes call_rcu()
240 to post an RCU callback, as follows::
241
242  1  static void rcu_barrier_func(void *notused)
243  2  {
244  3    int cpu = smp_processor_id();
245  4    struct rcu_data *rdp = &per_cpu(rcu_data, cpu);
246  5    struct rcu_head *head;
247  6
248  7    head = &rdp->barrier;
249  8    atomic_inc(&rcu_barrier_cpu_count);
250  9    call_rcu(head, rcu_barrier_callback);
251  10 }
252
253 Lines 3 and 4 locate RCU's internal per-CPU rcu_data structure,
254 which contains the struct rcu_head that needed for the later call to
255 call_rcu(). Line 7 picks up a pointer to this struct rcu_head, and line
256 8 increments a global counter. This counter will later be decremented
257 by the callback. Line 9 then registers the rcu_barrier_callback() on
258 the current CPU's queue.
259
260 The rcu_barrier_callback() function simply atomically decrements the
261 rcu_barrier_cpu_count variable and finalizes the completion when it
262 reaches zero, as follows::
263
264  1 static void rcu_barrier_callback(struct rcu_head *notused)
265  2 {
266  3   if (atomic_dec_and_test(&rcu_barrier_cpu_count))
267  4     complete(&rcu_barrier_completion);
268  5 }
269
270 .. _rcubarrier_quiz_2:
271
272 Quick Quiz #2:
273         What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
274         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
275         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
276         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
277         rcu_barrier() returning prematurely?
278
279 :ref:`Answer to Quick Quiz #2 <answer_rcubarrier_quiz_2>`
280
281 The current rcu_barrier() implementation is more complex, due to the need
282 to avoid disturbing idle CPUs (especially on battery-powered systems)
283 and the need to minimally disturb non-idle CPUs in real-time systems.
284 However, the code above illustrates the concepts.
285
286
287 rcu_barrier() Summary
288 ---------------------
289
290 The rcu_barrier() primitive has seen relatively little use, since most
291 code using RCU is in the core kernel rather than in modules. However, if
292 you are using RCU from an unloadable module, you need to use rcu_barrier()
293 so that your module may be safely unloaded.
294
295
296 Answers to Quick Quizzes
297 ------------------------
298
299 .. _answer_rcubarrier_quiz_1:
300
301 Quick Quiz #1:
302         Is there any other situation where rcu_barrier() might
303         be required?
304
305 Answer: Interestingly enough, rcu_barrier() was not originally
306         implemented for module unloading. Nikita Danilov was using
307         RCU in a filesystem, which resulted in a similar situation at
308         filesystem-unmount time. Dipankar Sarma coded up rcu_barrier()
309         in response, so that Nikita could invoke it during the
310         filesystem-unmount process.
311
312         Much later, yours truly hit the RCU module-unload problem when
313         implementing rcutorture, and found that rcu_barrier() solves
314         this problem as well.
315
316 :ref:`Back to Quick Quiz #1 <rcubarrier_quiz_1>`
317
318 .. _answer_rcubarrier_quiz_2:
319
320 Quick Quiz #2:
321         What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
322         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
323         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
324         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
325         rcu_barrier() returning prematurely?
326
327 Answer: This cannot happen. The reason is that on_each_cpu() has its last
328         argument, the wait flag, set to "1". This flag is passed through
329         to smp_call_function() and further to smp_call_function_on_cpu(),
330         causing this latter to spin until the cross-CPU invocation of
331         rcu_barrier_func() has completed. This by itself would prevent
332         a grace period from completing on non-CONFIG_PREEMPTION kernels,
333         since each CPU must undergo a context switch (or other quiescent
334         state) before the grace period can complete. However, this is
335         of no use in CONFIG_PREEMPTION kernels.
336
337         Therefore, on_each_cpu() disables preemption across its call
338         to smp_call_function() and also across the local call to
339         rcu_barrier_func(). This prevents the local CPU from context
340         switching, again preventing grace periods from completing. This
341         means that all CPUs have executed rcu_barrier_func() before
342         the first rcu_barrier_callback() can possibly execute, in turn
343         preventing rcu_barrier_cpu_count from prematurely reaching zero.
344
345         Currently, -rt implementations of RCU keep but a single global
346         queue for RCU callbacks, and thus do not suffer from this
347         problem. However, when the -rt RCU eventually does have per-CPU
348         callback queues, things will have to change. One simple change
349         is to add an rcu_read_lock() before line 8 of rcu_barrier()
350         and an rcu_read_unlock() after line 8 of this same function. If
351         you can think of a better change, please let me know!
352
353 :ref:`Back to Quick Quiz #2 <rcubarrier_quiz_2>`