Linux 3.9-rc4
[linux-2.6/cjktty.git] / Documentation / RCU / rcubarrier.txt
blob38428c125135504de8737943088a4e0f3df6f213
1 RCU and Unloadable Modules
3 [Originally published in LWN Jan. 14, 2007: http://lwn.net/Articles/217484/]
5 RCU (read-copy update) is a synchronization mechanism that can be thought
6 of as a replacement for read-writer locking (among other things), but with
7 very low-overhead readers that are immune to deadlock, priority inversion,
8 and unbounded latency. RCU read-side critical sections are delimited
9 by rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), which, in non-CONFIG_PREEMPT
10 kernels, generate no code whatsoever.
12 This means that RCU writers are unaware of the presence of concurrent
13 readers, so that RCU updates to shared data must be undertaken quite
14 carefully, leaving an old version of the data structure in place until all
15 pre-existing readers have finished. These old versions are needed because
16 such readers might hold a reference to them. RCU updates can therefore be
17 rather expensive, and RCU is thus best suited for read-mostly situations.
19 How can an RCU writer possibly determine when all readers are finished,
20 given that readers might well leave absolutely no trace of their
21 presence? There is a synchronize_rcu() primitive that blocks until all
22 pre-existing readers have completed. An updater wishing to delete an
23 element p from a linked list might do the following, while holding an
24 appropriate lock, of course:
26         list_del_rcu(p);
27         synchronize_rcu();
28         kfree(p);
30 But the above code cannot be used in IRQ context -- the call_rcu()
31 primitive must be used instead. This primitive takes a pointer to an
32 rcu_head struct placed within the RCU-protected data structure and
33 another pointer to a function that may be invoked later to free that
34 structure. Code to delete an element p from the linked list from IRQ
35 context might then be as follows:
37         list_del_rcu(p);
38         call_rcu(&p->rcu, p_callback);
40 Since call_rcu() never blocks, this code can safely be used from within
41 IRQ context. The function p_callback() might be defined as follows:
43         static void p_callback(struct rcu_head *rp)
44         {
45                 struct pstruct *p = container_of(rp, struct pstruct, rcu);
47                 kfree(p);
48         }
51 Unloading Modules That Use call_rcu()
53 But what if p_callback is defined in an unloadable module?
55 If we unload the module while some RCU callbacks are pending,
56 the CPUs executing these callbacks are going to be severely
57 disappointed when they are later invoked, as fancifully depicted at
58 http://lwn.net/images/ns/kernel/rcu-drop.jpg.
60 We could try placing a synchronize_rcu() in the module-exit code path,
61 but this is not sufficient. Although synchronize_rcu() does wait for a
62 grace period to elapse, it does not wait for the callbacks to complete.
64 One might be tempted to try several back-to-back synchronize_rcu()
65 calls, but this is still not guaranteed to work. If there is a very
66 heavy RCU-callback load, then some of the callbacks might be deferred
67 in order to allow other processing to proceed. Such deferral is required
68 in realtime kernels in order to avoid excessive scheduling latencies.
71 rcu_barrier()
73 We instead need the rcu_barrier() primitive. This primitive is similar
74 to synchronize_rcu(), but instead of waiting solely for a grace
75 period to elapse, it also waits for all outstanding RCU callbacks to
76 complete. Pseudo-code using rcu_barrier() is as follows:
78    1. Prevent any new RCU callbacks from being posted.
79    2. Execute rcu_barrier().
80    3. Allow the module to be unloaded.
82 The rcutorture module makes use of rcu_barrier in its exit function
83 as follows:
85  1 static void
86  2 rcu_torture_cleanup(void)
87  3 {
88  4   int i;
89  5
90  6   fullstop = 1;
91  7   if (shuffler_task != NULL) {
92  8     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_shuffle task");
93  9     kthread_stop(shuffler_task);
94 10   }
95 11   shuffler_task = NULL;
97 13   if (writer_task != NULL) {
98 14     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_writer task");
99 15     kthread_stop(writer_task);
100 16   }
101 17   writer_task = NULL;
103 19   if (reader_tasks != NULL) {
104 20     for (i = 0; i < nrealreaders; i++) {
105 21       if (reader_tasks[i] != NULL) {
106 22         VERBOSE_PRINTK_STRING(
107 23           "Stopping rcu_torture_reader task");
108 24         kthread_stop(reader_tasks[i]);
109 25       }
110 26       reader_tasks[i] = NULL;
111 27     }
112 28     kfree(reader_tasks);
113 29     reader_tasks = NULL;
114 30   }
115 31   rcu_torture_current = NULL;
117 33   if (fakewriter_tasks != NULL) {
118 34     for (i = 0; i < nfakewriters; i++) {
119 35       if (fakewriter_tasks[i] != NULL) {
120 36         VERBOSE_PRINTK_STRING(
121 37           "Stopping rcu_torture_fakewriter task");
122 38         kthread_stop(fakewriter_tasks[i]);
123 39       }
124 40       fakewriter_tasks[i] = NULL;
125 41     }
126 42     kfree(fakewriter_tasks);
127 43     fakewriter_tasks = NULL;
128 44   }
130 46   if (stats_task != NULL) {
131 47     VERBOSE_PRINTK_STRING("Stopping rcu_torture_stats task");
132 48     kthread_stop(stats_task);
133 49   }
134 50   stats_task = NULL;
136 52   /* Wait for all RCU callbacks to fire. */
137 53   rcu_barrier();
139 55   rcu_torture_stats_print(); /* -After- the stats thread is stopped! */
141 57   if (cur_ops->cleanup != NULL)
142 58     cur_ops->cleanup();
143 59   if (atomic_read(&n_rcu_torture_error))
144 60     rcu_torture_print_module_parms("End of test: FAILURE");
145 61   else
146 62     rcu_torture_print_module_parms("End of test: SUCCESS");
147 63 }
149 Line 6 sets a global variable that prevents any RCU callbacks from
150 re-posting themselves. This will not be necessary in most cases, since
151 RCU callbacks rarely include calls to call_rcu(). However, the rcutorture
152 module is an exception to this rule, and therefore needs to set this
153 global variable.
155 Lines 7-50 stop all the kernel tasks associated with the rcutorture
156 module. Therefore, once execution reaches line 53, no more rcutorture
157 RCU callbacks will be posted. The rcu_barrier() call on line 53 waits
158 for any pre-existing callbacks to complete.
160 Then lines 55-62 print status and do operation-specific cleanup, and
161 then return, permitting the module-unload operation to be completed.
163 Quick Quiz #1: Is there any other situation where rcu_barrier() might
164         be required?
166 Your module might have additional complications. For example, if your
167 module invokes call_rcu() from timers, you will need to first cancel all
168 the timers, and only then invoke rcu_barrier() to wait for any remaining
169 RCU callbacks to complete.
171 Of course, if you module uses call_rcu_bh(), you will need to invoke
172 rcu_barrier_bh() before unloading.  Similarly, if your module uses
173 call_rcu_sched(), you will need to invoke rcu_barrier_sched() before
174 unloading.  If your module uses call_rcu(), call_rcu_bh(), -and-
175 call_rcu_sched(), then you will need to invoke each of rcu_barrier(),
176 rcu_barrier_bh(), and rcu_barrier_sched().
179 Implementing rcu_barrier()
181 Dipankar Sarma's implementation of rcu_barrier() makes use of the fact
182 that RCU callbacks are never reordered once queued on one of the per-CPU
183 queues. His implementation queues an RCU callback on each of the per-CPU
184 callback queues, and then waits until they have all started executing, at
185 which point, all earlier RCU callbacks are guaranteed to have completed.
187 The original code for rcu_barrier() was as follows:
189  1 void rcu_barrier(void)
190  2 {
191  3   BUG_ON(in_interrupt());
192  4   /* Take cpucontrol mutex to protect against CPU hotplug */
193  5   mutex_lock(&rcu_barrier_mutex);
194  6   init_completion(&rcu_barrier_completion);
195  7   atomic_set(&rcu_barrier_cpu_count, 0);
196  8   on_each_cpu(rcu_barrier_func, NULL, 0, 1);
197  9   wait_for_completion(&rcu_barrier_completion);
198 10   mutex_unlock(&rcu_barrier_mutex);
199 11 }
201 Line 3 verifies that the caller is in process context, and lines 5 and 10
202 use rcu_barrier_mutex to ensure that only one rcu_barrier() is using the
203 global completion and counters at a time, which are initialized on lines
204 6 and 7. Line 8 causes each CPU to invoke rcu_barrier_func(), which is
205 shown below. Note that the final "1" in on_each_cpu()'s argument list
206 ensures that all the calls to rcu_barrier_func() will have completed
207 before on_each_cpu() returns. Line 9 then waits for the completion.
209 This code was rewritten in 2008 to support rcu_barrier_bh() and
210 rcu_barrier_sched() in addition to the original rcu_barrier().
212 The rcu_barrier_func() runs on each CPU, where it invokes call_rcu()
213 to post an RCU callback, as follows:
215  1 static void rcu_barrier_func(void *notused)
216  2 {
217  3 int cpu = smp_processor_id();
218  4 struct rcu_data *rdp = &per_cpu(rcu_data, cpu);
219  5 struct rcu_head *head;
221  7 head = &rdp->barrier;
222  8 atomic_inc(&rcu_barrier_cpu_count);
223  9 call_rcu(head, rcu_barrier_callback);
224 10 }
226 Lines 3 and 4 locate RCU's internal per-CPU rcu_data structure,
227 which contains the struct rcu_head that needed for the later call to
228 call_rcu(). Line 7 picks up a pointer to this struct rcu_head, and line
229 8 increments a global counter. This counter will later be decremented
230 by the callback. Line 9 then registers the rcu_barrier_callback() on
231 the current CPU's queue.
233 The rcu_barrier_callback() function simply atomically decrements the
234 rcu_barrier_cpu_count variable and finalizes the completion when it
235 reaches zero, as follows:
237  1 static void rcu_barrier_callback(struct rcu_head *notused)
238  2 {
239  3 if (atomic_dec_and_test(&rcu_barrier_cpu_count))
240  4 complete(&rcu_barrier_completion);
241  5 }
243 Quick Quiz #2: What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
244         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
245         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
246         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
247         rcu_barrier() returning prematurely?
250 rcu_barrier() Summary
252 The rcu_barrier() primitive has seen relatively little use, since most
253 code using RCU is in the core kernel rather than in modules. However, if
254 you are using RCU from an unloadable module, you need to use rcu_barrier()
255 so that your module may be safely unloaded.
258 Answers to Quick Quizzes
260 Quick Quiz #1: Is there any other situation where rcu_barrier() might
261         be required?
263 Answer: Interestingly enough, rcu_barrier() was not originally
264         implemented for module unloading. Nikita Danilov was using
265         RCU in a filesystem, which resulted in a similar situation at
266         filesystem-unmount time. Dipankar Sarma coded up rcu_barrier()
267         in response, so that Nikita could invoke it during the
268         filesystem-unmount process.
270         Much later, yours truly hit the RCU module-unload problem when
271         implementing rcutorture, and found that rcu_barrier() solves
272         this problem as well.
274 Quick Quiz #2: What happens if CPU 0's rcu_barrier_func() executes
275         immediately (thus incrementing rcu_barrier_cpu_count to the
276         value one), but the other CPU's rcu_barrier_func() invocations
277         are delayed for a full grace period? Couldn't this result in
278         rcu_barrier() returning prematurely?
280 Answer: This cannot happen. The reason is that on_each_cpu() has its last
281         argument, the wait flag, set to "1". This flag is passed through
282         to smp_call_function() and further to smp_call_function_on_cpu(),
283         causing this latter to spin until the cross-CPU invocation of
284         rcu_barrier_func() has completed. This by itself would prevent
285         a grace period from completing on non-CONFIG_PREEMPT kernels,
286         since each CPU must undergo a context switch (or other quiescent
287         state) before the grace period can complete. However, this is
288         of no use in CONFIG_PREEMPT kernels.
290         Therefore, on_each_cpu() disables preemption across its call
291         to smp_call_function() and also across the local call to
292         rcu_barrier_func(). This prevents the local CPU from context
293         switching, again preventing grace periods from completing. This
294         means that all CPUs have executed rcu_barrier_func() before
295         the first rcu_barrier_callback() can possibly execute, in turn
296         preventing rcu_barrier_cpu_count from prematurely reaching zero.
298         Currently, -rt implementations of RCU keep but a single global
299         queue for RCU callbacks, and thus do not suffer from this
300         problem. However, when the -rt RCU eventually does have per-CPU
301         callback queues, things will have to change. One simple change
302         is to add an rcu_read_lock() before line 8 of rcu_barrier()
303         and an rcu_read_unlock() after line 8 of this same function. If
304         you can think of a better change, please let me know!