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[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / driver-api / dma-buf.rst
1 Buffer Sharing and Synchronization
2 ==================================
3
4 The dma-buf subsystem provides the framework for sharing buffers for
5 hardware (DMA) access across multiple device drivers and subsystems, and
6 for synchronizing asynchronous hardware access.
7
8 This is used, for example, by drm "prime" multi-GPU support, but is of
9 course not limited to GPU use cases.
10
11 The three main components of this are: (1) dma-buf, representing a
12 sg_table and exposed to userspace as a file descriptor to allow passing
13 between devices, (2) fence, which provides a mechanism to signal when
14 one device has finished access, and (3) reservation, which manages the
15 shared or exclusive fence(s) associated with the buffer.
16
17 Shared DMA Buffers
18 ------------------
19
20 This document serves as a guide to device-driver writers on what is the dma-buf
21 buffer sharing API, how to use it for exporting and using shared buffers.
22
23 Any device driver which wishes to be a part of DMA buffer sharing, can do so as
24 either the 'exporter' of buffers, or the 'user' or 'importer' of buffers.
25
26 Say a driver A wants to use buffers created by driver B, then we call B as the
27 exporter, and A as buffer-user/importer.
28
29 The exporter
30
31  - implements and manages operations in :c:type:`struct dma_buf_ops
32    <dma_buf_ops>` for the buffer,
33  - allows other users to share the buffer by using dma_buf sharing APIs,
34  - manages the details of buffer allocation, wrapped in a :c:type:`struct
35    dma_buf <dma_buf>`,
36  - decides about the actual backing storage where this allocation happens,
37  - and takes care of any migration of scatterlist - for all (shared) users of
38    this buffer.
39
40 The buffer-user
41
42  - is one of (many) sharing users of the buffer.
43  - doesn't need to worry about how the buffer is allocated, or where.
44  - and needs a mechanism to get access to the scatterlist that makes up this
45    buffer in memory, mapped into its own address space, so it can access the
46    same area of memory. This interface is provided by :c:type:`struct
47    dma_buf_attachment <dma_buf_attachment>`.
48
49 Any exporters or users of the dma-buf buffer sharing framework must have a
50 'select DMA_SHARED_BUFFER' in their respective Kconfigs.
51
52 Userspace Interface Notes
53 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
54
55 Mostly a DMA buffer file descriptor is simply an opaque object for userspace,
56 and hence the generic interface exposed is very minimal. There's a few things to
57 consider though:
58
59 - Since kernel 3.12 the dma-buf FD supports the llseek system call, but only
60   with offset=0 and whence=SEEK_END|SEEK_SET. SEEK_SET is supported to allow
61   the usual size discover pattern size = SEEK_END(0); SEEK_SET(0). Every other
62   llseek operation will report -EINVAL.
63
64   If llseek on dma-buf FDs isn't support the kernel will report -ESPIPE for all
65   cases. Userspace can use this to detect support for discovering the dma-buf
66   size using llseek.
67
68 - In order to avoid fd leaks on exec, the FD_CLOEXEC flag must be set
69   on the file descriptor.  This is not just a resource leak, but a
70   potential security hole.  It could give the newly exec'd application
71   access to buffers, via the leaked fd, to which it should otherwise
72   not be permitted access.
73
74   The problem with doing this via a separate fcntl() call, versus doing it
75   atomically when the fd is created, is that this is inherently racy in a
76   multi-threaded app[3].  The issue is made worse when it is library code
77   opening/creating the file descriptor, as the application may not even be
78   aware of the fd's.
79
80   To avoid this problem, userspace must have a way to request O_CLOEXEC
81   flag be set when the dma-buf fd is created.  So any API provided by
82   the exporting driver to create a dmabuf fd must provide a way to let
83   userspace control setting of O_CLOEXEC flag passed in to dma_buf_fd().
84
85 - Memory mapping the contents of the DMA buffer is also supported. See the
86   discussion below on `CPU Access to DMA Buffer Objects`_ for the full details.
87
88 - The DMA buffer FD is also pollable, see `Implicit Fence Poll Support`_ below for
89   details.
90
91 - The DMA buffer FD also supports a few dma-buf-specific ioctls, see
92   `DMA Buffer ioctls`_ below for details.
93
94 Basic Operation and Device DMA Access
95 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
96
97 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-buf.c
98    :doc: dma buf device access
99
100 CPU Access to DMA Buffer Objects
101 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
102
103 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-buf.c
104    :doc: cpu access
105
106 Implicit Fence Poll Support
107 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
108
109 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-buf.c
110    :doc: implicit fence polling
111
112 DMA-BUF statistics
113 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
114 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-buf-sysfs-stats.c
115    :doc: overview
116
117 DMA Buffer ioctls
118 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
119
120 .. kernel-doc:: include/uapi/linux/dma-buf.h
121
122 Kernel Functions and Structures Reference
123 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
124
125 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-buf.c
126    :export:
127
128 .. kernel-doc:: include/linux/dma-buf.h
129    :internal:
130
131 Reservation Objects
132 -------------------
133
134 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-resv.c
135    :doc: Reservation Object Overview
136
137 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-resv.c
138    :export:
139
140 .. kernel-doc:: include/linux/dma-resv.h
141    :internal:
142
143 DMA Fences
144 ----------
145
146 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
147    :doc: DMA fences overview
148
149 DMA Fence Cross-Driver Contract
150 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
151
152 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
153    :doc: fence cross-driver contract
154
155 DMA Fence Signalling Annotations
156 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
157
158 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
159    :doc: fence signalling annotation
160
161 DMA Fences Functions Reference
162 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
163
164 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
165    :export:
166
167 .. kernel-doc:: include/linux/dma-fence.h
168    :internal:
169
170 DMA Fence Array
171 ~~~~~~~~~~~~~~~
172
173 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence-array.c
174    :export:
175
176 .. kernel-doc:: include/linux/dma-fence-array.h
177    :internal:
178
179 DMA Fence Chain
180 ~~~~~~~~~~~~~~~
181
182 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence-chain.c
183    :export:
184
185 .. kernel-doc:: include/linux/dma-fence-chain.h
186    :internal:
187
188 DMA Fence unwrap
189 ~~~~~~~~~~~~~~~~
190
191 .. kernel-doc:: include/linux/dma-fence-unwrap.h
192    :internal:
193
194 DMA Fence uABI/Sync File
195 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
196
197 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/sync_file.c
198    :export:
199
200 .. kernel-doc:: include/linux/sync_file.h
201    :internal:
202
203 Indefinite DMA Fences
204 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
205
206 At various times struct dma_fence with an indefinite time until dma_fence_wait()
207 finishes have been proposed. Examples include:
208
209 * Future fences, used in HWC1 to signal when a buffer isn't used by the display
210   any longer, and created with the screen update that makes the buffer visible.
211   The time this fence completes is entirely under userspace's control.
212
213 * Proxy fences, proposed to handle &drm_syncobj for which the fence has not yet
214   been set. Used to asynchronously delay command submission.
215
216 * Userspace fences or gpu futexes, fine-grained locking within a command buffer
217   that userspace uses for synchronization across engines or with the CPU, which
218   are then imported as a DMA fence for integration into existing winsys
219   protocols.
220
221 * Long-running compute command buffers, while still using traditional end of
222   batch DMA fences for memory management instead of context preemption DMA
223   fences which get reattached when the compute job is rescheduled.
224
225 Common to all these schemes is that userspace controls the dependencies of these
226 fences and controls when they fire. Mixing indefinite fences with normal
227 in-kernel DMA fences does not work, even when a fallback timeout is included to
228 protect against malicious userspace:
229
230 * Only the kernel knows about all DMA fence dependencies, userspace is not aware
231   of dependencies injected due to memory management or scheduler decisions.
232
233 * Only userspace knows about all dependencies in indefinite fences and when
234   exactly they will complete, the kernel has no visibility.
235
236 Furthermore the kernel has to be able to hold up userspace command submission
237 for memory management needs, which means we must support indefinite fences being
238 dependent upon DMA fences. If the kernel also support indefinite fences in the
239 kernel like a DMA fence, like any of the above proposal would, there is the
240 potential for deadlocks.
241
242 .. kernel-render:: DOT
243    :alt: Indefinite Fencing Dependency Cycle
244    :caption: Indefinite Fencing Dependency Cycle
245
246    digraph "Fencing Cycle" {
247       node [shape=box bgcolor=grey style=filled]
248       kernel [label="Kernel DMA Fences"]
249       userspace [label="userspace controlled fences"]
250       kernel -> userspace [label="memory management"]
251       userspace -> kernel [label="Future fence, fence proxy, ..."]
252
253       { rank=same; kernel userspace }
254    }
255
256 This means that the kernel might accidentally create deadlocks
257 through memory management dependencies which userspace is unaware of, which
258 randomly hangs workloads until the timeout kicks in. Workloads, which from
259 userspace's perspective, do not contain a deadlock.  In such a mixed fencing
260 architecture there is no single entity with knowledge of all dependencies.
261 Thefore preventing such deadlocks from within the kernel is not possible.
262
263 The only solution to avoid dependencies loops is by not allowing indefinite
264 fences in the kernel. This means:
265
266 * No future fences, proxy fences or userspace fences imported as DMA fences,
267   with or without a timeout.
268
269 * No DMA fences that signal end of batchbuffer for command submission where
270   userspace is allowed to use userspace fencing or long running compute
271   workloads. This also means no implicit fencing for shared buffers in these
272   cases.
273
274 Recoverable Hardware Page Faults Implications
275 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
276
277 Modern hardware supports recoverable page faults, which has a lot of
278 implications for DMA fences.
279
280 First, a pending page fault obviously holds up the work that's running on the
281 accelerator and a memory allocation is usually required to resolve the fault.
282 But memory allocations are not allowed to gate completion of DMA fences, which
283 means any workload using recoverable page faults cannot use DMA fences for
284 synchronization. Synchronization fences controlled by userspace must be used
285 instead.
286
287 On GPUs this poses a problem, because current desktop compositor protocols on
288 Linux rely on DMA fences, which means without an entirely new userspace stack
289 built on top of userspace fences, they cannot benefit from recoverable page
290 faults. Specifically this means implicit synchronization will not be possible.
291 The exception is when page faults are only used as migration hints and never to
292 on-demand fill a memory request. For now this means recoverable page
293 faults on GPUs are limited to pure compute workloads.
294
295 Furthermore GPUs usually have shared resources between the 3D rendering and
296 compute side, like compute units or command submission engines. If both a 3D
297 job with a DMA fence and a compute workload using recoverable page faults are
298 pending they could deadlock:
299
300 - The 3D workload might need to wait for the compute job to finish and release
301   hardware resources first.
302
303 - The compute workload might be stuck in a page fault, because the memory
304   allocation is waiting for the DMA fence of the 3D workload to complete.
305
306 There are a few options to prevent this problem, one of which drivers need to
307 ensure:
308
309 - Compute workloads can always be preempted, even when a page fault is pending
310   and not yet repaired. Not all hardware supports this.
311
312 - DMA fence workloads and workloads which need page fault handling have
313   independent hardware resources to guarantee forward progress. This could be
314   achieved through e.g. through dedicated engines and minimal compute unit
315   reservations for DMA fence workloads.
316
317 - The reservation approach could be further refined by only reserving the
318   hardware resources for DMA fence workloads when they are in-flight. This must
319   cover the time from when the DMA fence is visible to other threads up to
320   moment when fence is completed through dma_fence_signal().
321
322 - As a last resort, if the hardware provides no useful reservation mechanics,
323   all workloads must be flushed from the GPU when switching between jobs
324   requiring DMA fences or jobs requiring page fault handling: This means all DMA
325   fences must complete before a compute job with page fault handling can be
326   inserted into the scheduler queue. And vice versa, before a DMA fence can be
327   made visible anywhere in the system, all compute workloads must be preempted
328   to guarantee all pending GPU page faults are flushed.
329
330 - Only a fairly theoretical option would be to untangle these dependencies when
331   allocating memory to repair hardware page faults, either through separate
332   memory blocks or runtime tracking of the full dependency graph of all DMA
333   fences. This results very wide impact on the kernel, since resolving the page
334   on the CPU side can itself involve a page fault. It is much more feasible and
335   robust to limit the impact of handling hardware page faults to the specific
336   driver.
337
338 Note that workloads that run on independent hardware like copy engines or other
339 GPUs do not have any impact. This allows us to keep using DMA fences internally
340 in the kernel even for resolving hardware page faults, e.g. by using copy
341 engines to clear or copy memory needed to resolve the page fault.
342
343 In some ways this page fault problem is a special case of the `Infinite DMA
344 Fences` discussions: Infinite fences from compute workloads are allowed to
345 depend on DMA fences, but not the other way around. And not even the page fault
346 problem is new, because some other CPU thread in userspace might
347 hit a page fault which holds up a userspace fence - supporting page faults on
348 GPUs doesn't anything fundamentally new.