]> Git Repo - qemu.git/blob - docs/devel/atomics.txt
docs: Add docs/devel/testing.rst
[qemu.git] / docs / devel / atomics.txt
1 CPUs perform independent memory operations effectively in random order.
2 but this can be a problem for CPU-CPU interaction (including interactions
3 between QEMU and the guest).  Multi-threaded programs use various tools
4 to instruct the compiler and the CPU to restrict the order to something
5 that is consistent with the expectations of the programmer.
6
7 The most basic tool is locking.  Mutexes, condition variables and
8 semaphores are used in QEMU, and should be the default approach to
9 synchronization.  Anything else is considerably harder, but it's
10 also justified more often than one would like.  The two tools that
11 are provided by qemu/atomic.h are memory barriers and atomic operations.
12
13 Macros defined by qemu/atomic.h fall in three camps:
14
15 - compiler barriers: barrier();
16
17 - weak atomic access and manual memory barriers: atomic_read(),
18   atomic_set(), smp_rmb(), smp_wmb(), smp_mb(), smp_mb_acquire(),
19   smp_mb_release(), smp_read_barrier_depends();
20
21 - sequentially consistent atomic access: everything else.
22
23
24 COMPILER MEMORY BARRIER
25 =======================
26
27 barrier() prevents the compiler from moving the memory accesses either
28 side of it to the other side.  The compiler barrier has no direct effect
29 on the CPU, which may then reorder things however it wishes.
30
31 barrier() is mostly used within qemu/atomic.h itself.  On some
32 architectures, CPU guarantees are strong enough that blocking compiler
33 optimizations already ensures the correct order of execution.  In this
34 case, qemu/atomic.h will reduce stronger memory barriers to simple
35 compiler barriers.
36
37 Still, barrier() can be useful when writing code that can be interrupted
38 by signal handlers.
39
40
41 SEQUENTIALLY CONSISTENT ATOMIC ACCESS
42 =====================================
43
44 Most of the operations in the qemu/atomic.h header ensure *sequential
45 consistency*, where "the result of any execution is the same as if the
46 operations of all the processors were executed in some sequential order,
47 and the operations of each individual processor appear in this sequence
48 in the order specified by its program".
49
50 qemu/atomic.h provides the following set of atomic read-modify-write
51 operations:
52
53     void atomic_inc(ptr)
54     void atomic_dec(ptr)
55     void atomic_add(ptr, val)
56     void atomic_sub(ptr, val)
57     void atomic_and(ptr, val)
58     void atomic_or(ptr, val)
59
60     typeof(*ptr) atomic_fetch_inc(ptr)
61     typeof(*ptr) atomic_fetch_dec(ptr)
62     typeof(*ptr) atomic_fetch_add(ptr, val)
63     typeof(*ptr) atomic_fetch_sub(ptr, val)
64     typeof(*ptr) atomic_fetch_and(ptr, val)
65     typeof(*ptr) atomic_fetch_or(ptr, val)
66     typeof(*ptr) atomic_fetch_xor(ptr, val)
67     typeof(*ptr) atomic_fetch_inc_nonzero(ptr)
68     typeof(*ptr) atomic_xchg(ptr, val)
69     typeof(*ptr) atomic_cmpxchg(ptr, old, new)
70
71 all of which return the old value of *ptr.  These operations are
72 polymorphic; they operate on any type that is as wide as a pointer.
73
74 Similar operations return the new value of *ptr:
75
76     typeof(*ptr) atomic_inc_fetch(ptr)
77     typeof(*ptr) atomic_dec_fetch(ptr)
78     typeof(*ptr) atomic_add_fetch(ptr, val)
79     typeof(*ptr) atomic_sub_fetch(ptr, val)
80     typeof(*ptr) atomic_and_fetch(ptr, val)
81     typeof(*ptr) atomic_or_fetch(ptr, val)
82     typeof(*ptr) atomic_xor_fetch(ptr, val)
83
84 Sequentially consistent loads and stores can be done using:
85
86     atomic_fetch_add(ptr, 0) for loads
87     atomic_xchg(ptr, val) for stores
88
89 However, they are quite expensive on some platforms, notably POWER and
90 ARM.  Therefore, qemu/atomic.h provides two primitives with slightly
91 weaker constraints:
92
93     typeof(*ptr) atomic_mb_read(ptr)
94     void         atomic_mb_set(ptr, val)
95
96 The semantics of these primitives map to Java volatile variables,
97 and are strongly related to memory barriers as used in the Linux
98 kernel (see below).
99
100 As long as you use atomic_mb_read and atomic_mb_set, accesses cannot
101 be reordered with each other, and it is also not possible to reorder
102 "normal" accesses around them.
103
104 However, and this is the important difference between
105 atomic_mb_read/atomic_mb_set and sequential consistency, it is important
106 for both threads to access the same volatile variable.  It is not the
107 case that everything visible to thread A when it writes volatile field f
108 becomes visible to thread B after it reads volatile field g. The store
109 and load have to "match" (i.e., be performed on the same volatile
110 field) to achieve the right semantics.
111
112
113 These operations operate on any type that is as wide as an int or smaller.
114
115
116 WEAK ATOMIC ACCESS AND MANUAL MEMORY BARRIERS
117 =============================================
118
119 Compared to sequentially consistent atomic access, programming with
120 weaker consistency models can be considerably more complicated.
121 In general, if the algorithm you are writing includes both writes
122 and reads on the same side, it is generally simpler to use sequentially
123 consistent primitives.
124
125 When using this model, variables are accessed with atomic_read() and
126 atomic_set(), and restrictions to the ordering of accesses is enforced
127 using the memory barrier macros: smp_rmb(), smp_wmb(), smp_mb(),
128 smp_mb_acquire(), smp_mb_release(), smp_read_barrier_depends().
129
130 atomic_read() and atomic_set() prevents the compiler from using
131 optimizations that might otherwise optimize accesses out of existence
132 on the one hand, or that might create unsolicited accesses on the other.
133 In general this should not have any effect, because the same compiler
134 barriers are already implied by memory barriers.  However, it is useful
135 to do so, because it tells readers which variables are shared with
136 other threads, and which are local to the current thread or protected
137 by other, more mundane means.
138
139 Memory barriers control the order of references to shared memory.
140 They come in six kinds:
141
142 - smp_rmb() guarantees that all the LOAD operations specified before
143   the barrier will appear to happen before all the LOAD operations
144   specified after the barrier with respect to the other components of
145   the system.
146
147   In other words, smp_rmb() puts a partial ordering on loads, but is not
148   required to have any effect on stores.
149
150 - smp_wmb() guarantees that all the STORE operations specified before
151   the barrier will appear to happen before all the STORE operations
152   specified after the barrier with respect to the other components of
153   the system.
154
155   In other words, smp_wmb() puts a partial ordering on stores, but is not
156   required to have any effect on loads.
157
158 - smp_mb_acquire() guarantees that all the LOAD operations specified before
159   the barrier will appear to happen before all the LOAD or STORE operations
160   specified after the barrier with respect to the other components of
161   the system.
162
163 - smp_mb_release() guarantees that all the STORE operations specified *after*
164   the barrier will appear to happen after all the LOAD or STORE operations
165   specified *before* the barrier with respect to the other components of
166   the system.
167
168 - smp_mb() guarantees that all the LOAD and STORE operations specified
169   before the barrier will appear to happen before all the LOAD and
170   STORE operations specified after the barrier with respect to the other
171   components of the system.
172
173   smp_mb() puts a partial ordering on both loads and stores.  It is
174   stronger than both a read and a write memory barrier; it implies both
175   smp_mb_acquire() and smp_mb_release(), but it also prevents STOREs
176   coming before the barrier from overtaking LOADs coming after the
177   barrier and vice versa.
178
179 - smp_read_barrier_depends() is a weaker kind of read barrier.  On
180   most processors, whenever two loads are performed such that the
181   second depends on the result of the first (e.g., the first load
182   retrieves the address to which the second load will be directed),
183   the processor will guarantee that the first LOAD will appear to happen
184   before the second with respect to the other components of the system.
185   However, this is not always true---for example, it was not true on
186   Alpha processors.  Whenever this kind of access happens to shared
187   memory (that is not protected by a lock), a read barrier is needed,
188   and smp_read_barrier_depends() can be used instead of smp_rmb().
189
190   Note that the first load really has to have a _data_ dependency and not
191   a control dependency.  If the address for the second load is dependent
192   on the first load, but the dependency is through a conditional rather
193   than actually loading the address itself, then it's a _control_
194   dependency and a full read barrier or better is required.
195
196
197 This is the set of barriers that is required *between* two atomic_read()
198 and atomic_set() operations to achieve sequential consistency:
199
200                     |               2nd operation                   |
201                     |-----------------------------------------------|
202      1st operation  | (after last)   | atomic_read | atomic_set     |
203      ---------------+----------------+-------------+----------------|
204      (before first) |                | none        | smp_mb_release |
205      ---------------+----------------+-------------+----------------|
206      atomic_read    | smp_mb_acquire | smp_rmb     | **             |
207      ---------------+----------------+-------------+----------------|
208      atomic_set     | none           | smp_mb()*** | smp_wmb()      |
209      ---------------+----------------+-------------+----------------|
210
211        * Or smp_read_barrier_depends().
212
213       ** This requires a load-store barrier.  This is achieved by
214          either smp_mb_acquire() or smp_mb_release().
215
216      *** This requires a store-load barrier.  On most machines, the only
217          way to achieve this is a full barrier.
218
219
220 You can see that the two possible definitions of atomic_mb_read()
221 and atomic_mb_set() are the following:
222
223     1) atomic_mb_read(p)   = atomic_read(p); smp_mb_acquire()
224        atomic_mb_set(p, v) = smp_mb_release(); atomic_set(p, v); smp_mb()
225
226     2) atomic_mb_read(p)   = smp_mb() atomic_read(p); smp_mb_acquire()
227        atomic_mb_set(p, v) = smp_mb_release(); atomic_set(p, v);
228
229 Usually the former is used, because smp_mb() is expensive and a program
230 normally has more reads than writes.  Therefore it makes more sense to
231 make atomic_mb_set() the more expensive operation.
232
233 There are two common cases in which atomic_mb_read and atomic_mb_set
234 generate too many memory barriers, and thus it can be useful to manually
235 place barriers instead:
236
237 - when a data structure has one thread that is always a writer
238   and one thread that is always a reader, manual placement of
239   memory barriers makes the write side faster.  Furthermore,
240   correctness is easy to check for in this case using the "pairing"
241   trick that is explained below:
242
243      thread 1                                thread 1
244      -------------------------               ------------------------
245      (other writes)
246                                              smp_mb_release()
247      atomic_mb_set(&a, x)                    atomic_set(&a, x)
248                                              smp_wmb()
249      atomic_mb_set(&b, y)                    atomic_set(&b, y)
250
251                                        =>
252      thread 2                                thread 2
253      -------------------------               ------------------------
254      y = atomic_mb_read(&b)                  y = atomic_read(&b)
255                                              smp_rmb()
256      x = atomic_mb_read(&a)                  x = atomic_read(&a)
257                                              smp_mb_acquire()
258
259   Note that the barrier between the stores in thread 1, and between
260   the loads in thread 2, has been optimized here to a write or a
261   read memory barrier respectively.  On some architectures, notably
262   ARMv7, smp_mb_acquire and smp_mb_release are just as expensive as
263   smp_mb, but smp_rmb and/or smp_wmb are more efficient.
264
265 - sometimes, a thread is accessing many variables that are otherwise
266   unrelated to each other (for example because, apart from the current
267   thread, exactly one other thread will read or write each of these
268   variables).  In this case, it is possible to "hoist" the implicit
269   barriers provided by atomic_mb_read() and atomic_mb_set() outside
270   a loop.  For example, the above definition atomic_mb_read() gives
271   the following transformation:
272
273      n = 0;                                  n = 0;
274      for (i = 0; i < 10; i++)          =>    for (i = 0; i < 10; i++)
275        n += atomic_mb_read(&a[i]);             n += atomic_read(&a[i]);
276                                              smp_mb_acquire();
277
278   Similarly, atomic_mb_set() can be transformed as follows:
279   smp_mb():
280
281                                              smp_mb_release();
282      for (i = 0; i < 10; i++)          =>    for (i = 0; i < 10; i++)
283        atomic_mb_set(&a[i], false);            atomic_set(&a[i], false);
284                                              smp_mb();
285
286
287 The two tricks can be combined.  In this case, splitting a loop in
288 two lets you hoist the barriers out of the loops _and_ eliminate the
289 expensive smp_mb():
290
291                                              smp_mb_release();
292      for (i = 0; i < 10; i++) {        =>    for (i = 0; i < 10; i++)
293        atomic_mb_set(&a[i], false);            atomic_set(&a[i], false);
294        atomic_mb_set(&b[i], false);          smb_wmb();
295      }                                       for (i = 0; i < 10; i++)
296                                                atomic_set(&a[i], false);
297                                              smp_mb();
298
299   The other thread can still use atomic_mb_read()/atomic_mb_set()
300
301
302 Memory barrier pairing
303 ----------------------
304
305 A useful rule of thumb is that memory barriers should always, or almost
306 always, be paired with another barrier.  In the case of QEMU, however,
307 note that the other barrier may actually be in a driver that runs in
308 the guest!
309
310 For the purposes of pairing, smp_read_barrier_depends() and smp_rmb()
311 both count as read barriers.  A read barrier shall pair with a write
312 barrier or a full barrier; a write barrier shall pair with a read
313 barrier or a full barrier.  A full barrier can pair with anything.
314 For example:
315
316         thread 1             thread 2
317         ===============      ===============
318         a = 1;
319         smp_wmb();
320         b = 2;               x = b;
321                              smp_rmb();
322                              y = a;
323
324 Note that the "writing" thread is accessing the variables in the
325 opposite order as the "reading" thread.  This is expected: stores
326 before the write barrier will normally match the loads after the
327 read barrier, and vice versa.  The same is true for more than 2
328 access and for data dependency barriers:
329
330         thread 1             thread 2
331         ===============      ===============
332         b[2] = 1;
333         smp_wmb();
334         x->i = 2;
335         smp_wmb();
336         a = x;               x = a;
337                              smp_read_barrier_depends();
338                              y = x->i;
339                              smp_read_barrier_depends();
340                              z = b[y];
341
342 smp_wmb() also pairs with atomic_mb_read() and smp_mb_acquire().
343 and smp_rmb() also pairs with atomic_mb_set() and smp_mb_release().
344
345
346 COMPARISON WITH LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS
347 ============================================
348
349 Here is a list of differences between Linux kernel atomic operations
350 and memory barriers, and the equivalents in QEMU:
351
352 - atomic operations in Linux are always on a 32-bit int type and
353   use a boxed atomic_t type; atomic operations in QEMU are polymorphic
354   and use normal C types.
355
356 - Originally, atomic_read and atomic_set in Linux gave no guarantee
357   at all. Linux 4.1 updated them to implement volatile
358   semantics via ACCESS_ONCE (or the more recent READ/WRITE_ONCE).
359
360   QEMU's atomic_read/set implement, if the compiler supports it, C11
361   atomic relaxed semantics, and volatile semantics otherwise.
362   Both semantics prevent the compiler from doing certain transformations;
363   the difference is that atomic accesses are guaranteed to be atomic,
364   while volatile accesses aren't. Thus, in the volatile case we just cross
365   our fingers hoping that the compiler will generate atomic accesses,
366   since we assume the variables passed are machine-word sized and
367   properly aligned.
368   No barriers are implied by atomic_read/set in either Linux or QEMU.
369
370 - atomic read-modify-write operations in Linux are of three kinds:
371
372          atomic_OP          returns void
373          atomic_OP_return   returns new value of the variable
374          atomic_fetch_OP    returns the old value of the variable
375          atomic_cmpxchg     returns the old value of the variable
376
377   In QEMU, the second kind does not exist.  Currently Linux has
378   atomic_fetch_or only.  QEMU provides and, or, inc, dec, add, sub.
379
380 - different atomic read-modify-write operations in Linux imply
381   a different set of memory barriers; in QEMU, all of them enforce
382   sequential consistency, which means they imply full memory barriers
383   before and after the operation.
384
385 - Linux does not have an equivalent of atomic_mb_set().  In particular,
386   note that smp_store_mb() is a little weaker than atomic_mb_set().
387   atomic_mb_read() compiles to the same instructions as Linux's
388   smp_load_acquire(), but this should be treated as an implementation
389   detail.  QEMU does have atomic_load_acquire() and atomic_store_release()
390   macros, but for now they are only used within atomic.h.  This may
391   change in the future.
392
393
394 SOURCES
395 =======
396
397 * Documentation/memory-barriers.txt from the Linux kernel
398
399 * "The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers", available at
400   http://g.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html
This page took 0.046401 seconds and 4 git commands to generate.