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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 Buffer Mapping Helpers
132 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
133
134 .. kernel-doc:: include/linux/dma-buf-map.h
135    :doc: overview
136
137 .. kernel-doc:: include/linux/dma-buf-map.h
138    :internal:
139
140 Reservation Objects
141 -------------------
142
143 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-resv.c
144    :doc: Reservation Object Overview
145
146 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-resv.c
147    :export:
148
149 .. kernel-doc:: include/linux/dma-resv.h
150    :internal:
151
152 DMA Fences
153 ----------
154
155 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
156    :doc: DMA fences overview
157
158 DMA Fence Cross-Driver Contract
159 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
160
161 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
162    :doc: fence cross-driver contract
163
164 DMA Fence Signalling Annotations
165 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
166
167 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
168    :doc: fence signalling annotation
169
170 DMA Fences Functions Reference
171 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
172
173 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence.c
174    :export:
175
176 .. kernel-doc:: include/linux/dma-fence.h
177    :internal:
178
179 Seqno Hardware Fences
180 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
181
182 .. kernel-doc:: include/linux/seqno-fence.h
183    :internal:
184
185 DMA Fence Array
186 ~~~~~~~~~~~~~~~
187
188 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence-array.c
189    :export:
190
191 .. kernel-doc:: include/linux/dma-fence-array.h
192    :internal:
193
194 DMA Fence Chain
195 ~~~~~~~~~~~~~~~
196
197 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/dma-fence-chain.c
198    :export:
199
200 .. kernel-doc:: include/linux/dma-fence-chain.h
201    :internal:
202
203 DMA Fence uABI/Sync File
204 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
205
206 .. kernel-doc:: drivers/dma-buf/sync_file.c
207    :export:
208
209 .. kernel-doc:: include/linux/sync_file.h
210    :internal:
211
212 Indefinite DMA Fences
213 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
214
215 At various times struct dma_fence with an indefinite time until dma_fence_wait()
216 finishes have been proposed. Examples include:
217
218 * Future fences, used in HWC1 to signal when a buffer isn't used by the display
219   any longer, and created with the screen update that makes the buffer visible.
220   The time this fence completes is entirely under userspace's control.
221
222 * Proxy fences, proposed to handle &drm_syncobj for which the fence has not yet
223   been set. Used to asynchronously delay command submission.
224
225 * Userspace fences or gpu futexes, fine-grained locking within a command buffer
226   that userspace uses for synchronization across engines or with the CPU, which
227   are then imported as a DMA fence for integration into existing winsys
228   protocols.
229
230 * Long-running compute command buffers, while still using traditional end of
231   batch DMA fences for memory management instead of context preemption DMA
232   fences which get reattached when the compute job is rescheduled.
233
234 Common to all these schemes is that userspace controls the dependencies of these
235 fences and controls when they fire. Mixing indefinite fences with normal
236 in-kernel DMA fences does not work, even when a fallback timeout is included to
237 protect against malicious userspace:
238
239 * Only the kernel knows about all DMA fence dependencies, userspace is not aware
240   of dependencies injected due to memory management or scheduler decisions.
241
242 * Only userspace knows about all dependencies in indefinite fences and when
243   exactly they will complete, the kernel has no visibility.
244
245 Furthermore the kernel has to be able to hold up userspace command submission
246 for memory management needs, which means we must support indefinite fences being
247 dependent upon DMA fences. If the kernel also support indefinite fences in the
248 kernel like a DMA fence, like any of the above proposal would, there is the
249 potential for deadlocks.
250
251 .. kernel-render:: DOT
252    :alt: Indefinite Fencing Dependency Cycle
253    :caption: Indefinite Fencing Dependency Cycle
254
255    digraph "Fencing Cycle" {
256       node [shape=box bgcolor=grey style=filled]
257       kernel [label="Kernel DMA Fences"]
258       userspace [label="userspace controlled fences"]
259       kernel -> userspace [label="memory management"]
260       userspace -> kernel [label="Future fence, fence proxy, ..."]
261
262       { rank=same; kernel userspace }
263    }
264
265 This means that the kernel might accidentally create deadlocks
266 through memory management dependencies which userspace is unaware of, which
267 randomly hangs workloads until the timeout kicks in. Workloads, which from
268 userspace's perspective, do not contain a deadlock.  In such a mixed fencing
269 architecture there is no single entity with knowledge of all dependencies.
270 Thefore preventing such deadlocks from within the kernel is not possible.
271
272 The only solution to avoid dependencies loops is by not allowing indefinite
273 fences in the kernel. This means:
274
275 * No future fences, proxy fences or userspace fences imported as DMA fences,
276   with or without a timeout.
277
278 * No DMA fences that signal end of batchbuffer for command submission where
279   userspace is allowed to use userspace fencing or long running compute
280   workloads. This also means no implicit fencing for shared buffers in these
281   cases.
282
283 Recoverable Hardware Page Faults Implications
284 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
285
286 Modern hardware supports recoverable page faults, which has a lot of
287 implications for DMA fences.
288
289 First, a pending page fault obviously holds up the work that's running on the
290 accelerator and a memory allocation is usually required to resolve the fault.
291 But memory allocations are not allowed to gate completion of DMA fences, which
292 means any workload using recoverable page faults cannot use DMA fences for
293 synchronization. Synchronization fences controlled by userspace must be used
294 instead.
295
296 On GPUs this poses a problem, because current desktop compositor protocols on
297 Linux rely on DMA fences, which means without an entirely new userspace stack
298 built on top of userspace fences, they cannot benefit from recoverable page
299 faults. Specifically this means implicit synchronization will not be possible.
300 The exception is when page faults are only used as migration hints and never to
301 on-demand fill a memory request. For now this means recoverable page
302 faults on GPUs are limited to pure compute workloads.
303
304 Furthermore GPUs usually have shared resources between the 3D rendering and
305 compute side, like compute units or command submission engines. If both a 3D
306 job with a DMA fence and a compute workload using recoverable page faults are
307 pending they could deadlock:
308
309 - The 3D workload might need to wait for the compute job to finish and release
310   hardware resources first.
311
312 - The compute workload might be stuck in a page fault, because the memory
313   allocation is waiting for the DMA fence of the 3D workload to complete.
314
315 There are a few options to prevent this problem, one of which drivers need to
316 ensure:
317
318 - Compute workloads can always be preempted, even when a page fault is pending
319   and not yet repaired. Not all hardware supports this.
320
321 - DMA fence workloads and workloads which need page fault handling have
322   independent hardware resources to guarantee forward progress. This could be
323   achieved through e.g. through dedicated engines and minimal compute unit
324   reservations for DMA fence workloads.
325
326 - The reservation approach could be further refined by only reserving the
327   hardware resources for DMA fence workloads when they are in-flight. This must
328   cover the time from when the DMA fence is visible to other threads up to
329   moment when fence is completed through dma_fence_signal().
330
331 - As a last resort, if the hardware provides no useful reservation mechanics,
332   all workloads must be flushed from the GPU when switching between jobs
333   requiring DMA fences or jobs requiring page fault handling: This means all DMA
334   fences must complete before a compute job with page fault handling can be
335   inserted into the scheduler queue. And vice versa, before a DMA fence can be
336   made visible anywhere in the system, all compute workloads must be preempted
337   to guarantee all pending GPU page faults are flushed.
338
339 - Only a fairly theoretical option would be to untangle these dependencies when
340   allocating memory to repair hardware page faults, either through separate
341   memory blocks or runtime tracking of the full dependency graph of all DMA
342   fences. This results very wide impact on the kernel, since resolving the page
343   on the CPU side can itself involve a page fault. It is much more feasible and
344   robust to limit the impact of handling hardware page faults to the specific
345   driver.
346
347 Note that workloads that run on independent hardware like copy engines or other
348 GPUs do not have any impact. This allows us to keep using DMA fences internally
349 in the kernel even for resolving hardware page faults, e.g. by using copy
350 engines to clear or copy memory needed to resolve the page fault.
351
352 In some ways this page fault problem is a special case of the `Infinite DMA
353 Fences` discussions: Infinite fences from compute workloads are allowed to
354 depend on DMA fences, but not the other way around. And not even the page fault
355 problem is new, because some other CPU thread in userspace might
356 hit a page fault which holds up a userspace fence - supporting page faults on
357 GPUs doesn't anything fundamentally new.