]> bbs.cooldavid.org Git - net-next-2.6.git/blob - Documentation/RCU/checklist.txt
rcu: 1Q2010 update for RCU documentation
[net-next-2.6.git] / Documentation / RCU / checklist.txt
1 Review Checklist for RCU Patches
2
3
4 This document contains a checklist for producing and reviewing patches
5 that make use of RCU.  Violating any of the rules listed below will
6 result in the same sorts of problems that leaving out a locking primitive
7 would cause.  This list is based on experiences reviewing such patches
8 over a rather long period of time, but improvements are always welcome!
9
10 0.      Is RCU being applied to a read-mostly situation?  If the data
11         structure is updated more than about 10% of the time, then you
12         should strongly consider some other approach, unless detailed
13         performance measurements show that RCU is nonetheless the right
14         tool for the job.  Yes, RCU does reduce read-side overhead by
15         increasing write-side overhead, which is exactly why normal uses
16         of RCU will do much more reading than updating.
17
18         Another exception is where performance is not an issue, and RCU
19         provides a simpler implementation.  An example of this situation
20         is the dynamic NMI code in the Linux 2.6 kernel, at least on
21         architectures where NMIs are rare.
22
23         Yet another exception is where the low real-time latency of RCU's
24         read-side primitives is critically important.
25
26 1.      Does the update code have proper mutual exclusion?
27
28         RCU does allow -readers- to run (almost) naked, but -writers- must
29         still use some sort of mutual exclusion, such as:
30
31         a.      locking,
32         b.      atomic operations, or
33         c.      restricting updates to a single task.
34
35         If you choose #b, be prepared to describe how you have handled
36         memory barriers on weakly ordered machines (pretty much all of
37         them -- even x86 allows later loads to be reordered to precede
38         earlier stores), and be prepared to explain why this added
39         complexity is worthwhile.  If you choose #c, be prepared to
40         explain how this single task does not become a major bottleneck on
41         big multiprocessor machines (for example, if the task is updating
42         information relating to itself that other tasks can read, there
43         by definition can be no bottleneck).
44
45 2.      Do the RCU read-side critical sections make proper use of
46         rcu_read_lock() and friends?  These primitives are needed
47         to prevent grace periods from ending prematurely, which
48         could result in data being unceremoniously freed out from
49         under your read-side code, which can greatly increase the
50         actuarial risk of your kernel.
51
52         As a rough rule of thumb, any dereference of an RCU-protected
53         pointer must be covered by rcu_read_lock(), rcu_read_lock_bh(),
54         rcu_read_lock_sched(), or by the appropriate update-side lock.
55         Disabling of preemption can serve as rcu_read_lock_sched(), but
56         is less readable.
57
58 3.      Does the update code tolerate concurrent accesses?
59
60         The whole point of RCU is to permit readers to run without
61         any locks or atomic operations.  This means that readers will
62         be running while updates are in progress.  There are a number
63         of ways to handle this concurrency, depending on the situation:
64
65         a.      Use the RCU variants of the list and hlist update
66                 primitives to add, remove, and replace elements on
67                 an RCU-protected list.  Alternatively, use the other
68                 RCU-protected data structures that have been added to
69                 the Linux kernel.
70
71                 This is almost always the best approach.
72
73         b.      Proceed as in (a) above, but also maintain per-element
74                 locks (that are acquired by both readers and writers)
75                 that guard per-element state.  Of course, fields that
76                 the readers refrain from accessing can be guarded by
77                 some other lock acquired only by updaters, if desired.
78
79                 This works quite well, also.
80
81         c.      Make updates appear atomic to readers.  For example,
82                 pointer updates to properly aligned fields will
83                 appear atomic, as will individual atomic primitives.
84                 Sequences of perations performed under a lock will -not-
85                 appear to be atomic to RCU readers, nor will sequences
86                 of multiple atomic primitives.
87
88                 This can work, but is starting to get a bit tricky.
89
90         d.      Carefully order the updates and the reads so that
91                 readers see valid data at all phases of the update.
92                 This is often more difficult than it sounds, especially
93                 given modern CPUs' tendency to reorder memory references.
94                 One must usually liberally sprinkle memory barriers
95                 (smp_wmb(), smp_rmb(), smp_mb()) through the code,
96                 making it difficult to understand and to test.
97
98                 It is usually better to group the changing data into
99                 a separate structure, so that the change may be made
100                 to appear atomic by updating a pointer to reference
101                 a new structure containing updated values.
102
103 4.      Weakly ordered CPUs pose special challenges.  Almost all CPUs
104         are weakly ordered -- even x86 CPUs allow later loads to be
105         reordered to precede earlier stores.  RCU code must take all of
106         the following measures to prevent memory-corruption problems:
107
108         a.      Readers must maintain proper ordering of their memory
109                 accesses.  The rcu_dereference() primitive ensures that
110                 the CPU picks up the pointer before it picks up the data
111                 that the pointer points to.  This really is necessary
112                 on Alpha CPUs.  If you don't believe me, see:
113
114                         http://www.openvms.compaq.com/wizard/wiz_2637.html
115
116                 The rcu_dereference() primitive is also an excellent
117                 documentation aid, letting the person reading the code
118                 know exactly which pointers are protected by RCU.
119                 Please note that compilers can also reorder code, and
120                 they are becoming increasingly aggressive about doing
121                 just that.  The rcu_dereference() primitive therefore
122                 also prevents destructive compiler optimizations.
123
124                 The rcu_dereference() primitive is used by the
125                 various "_rcu()" list-traversal primitives, such
126                 as the list_for_each_entry_rcu().  Note that it is
127                 perfectly legal (if redundant) for update-side code to
128                 use rcu_dereference() and the "_rcu()" list-traversal
129                 primitives.  This is particularly useful in code that
130                 is common to readers and updaters.  However, neither
131                 rcu_dereference() nor the "_rcu()" list-traversal
132                 primitives can substitute for a good concurrency design
133                 coordinating among multiple updaters.
134
135         b.      If the list macros are being used, the list_add_tail_rcu()
136                 and list_add_rcu() primitives must be used in order
137                 to prevent weakly ordered machines from misordering
138                 structure initialization and pointer planting.
139                 Similarly, if the hlist macros are being used, the
140                 hlist_add_head_rcu() primitive is required.
141
142         c.      If the list macros are being used, the list_del_rcu()
143                 primitive must be used to keep list_del()'s pointer
144                 poisoning from inflicting toxic effects on concurrent
145                 readers.  Similarly, if the hlist macros are being used,
146                 the hlist_del_rcu() primitive is required.
147
148                 The list_replace_rcu() and hlist_replace_rcu() primitives
149                 may be used to replace an old structure with a new one
150                 in their respective types of RCU-protected lists.
151
152         d.      Rules similar to (4b) and (4c) apply to the "hlist_nulls"
153                 type of RCU-protected linked lists.
154
155         e.      Updates must ensure that initialization of a given
156                 structure happens before pointers to that structure are
157                 publicized.  Use the rcu_assign_pointer() primitive
158                 when publicizing a pointer to a structure that can
159                 be traversed by an RCU read-side critical section.
160
161 5.      If call_rcu(), or a related primitive such as call_rcu_bh() or
162         call_rcu_sched(), is used, the callback function must be
163         written to be called from softirq context.  In particular,
164         it cannot block.
165
166 6.      Since synchronize_rcu() can block, it cannot be called from
167         any sort of irq context.  The same rule applies for
168         synchronize_rcu_bh(), synchronize_sched(), synchronize_srcu(),
169         synchronize_rcu_expedited(), synchronize_rcu_bh_expedited(),
170         synchronize_sched_expedite(), and synchronize_srcu_expedited().
171
172         The expedited forms of these primitives have the same semantics
173         as the non-expedited forms, but expediting is both expensive
174         and unfriendly to real-time workloads.  Use of the expedited
175         primitives should be restricted to rare configuration-change
176         operations that would not normally be undertaken while a real-time
177         workload is running.
178
179 7.      If the updater uses call_rcu() or synchronize_rcu(), then the
180         corresponding readers must use rcu_read_lock() and
181         rcu_read_unlock().  If the updater uses call_rcu_bh() or
182         synchronize_rcu_bh(), then the corresponding readers must
183         use rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh().  If the
184         updater uses call_rcu_sched() or synchronize_sched(), then
185         the corresponding readers must disable preemption, possibly
186         by calling rcu_read_lock_sched() and rcu_read_unlock_sched().
187         If the updater uses synchronize_srcu(), the the corresponding
188         readers must use srcu_read_lock() and srcu_read_unlock(),
189         and with the same srcu_struct.  The rules for the expedited
190         primitives are the same as for their non-expedited counterparts.
191         Mixing things up will result in confusion and broken kernels.
192
193         One exception to this rule: rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
194         may be substituted for rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh()
195         in cases where local bottom halves are already known to be
196         disabled, for example, in irq or softirq context.  Commenting
197         such cases is a must, of course!  And the jury is still out on
198         whether the increased speed is worth it.
199
200 8.      Although synchronize_rcu() is slower than is call_rcu(), it
201         usually results in simpler code.  So, unless update performance
202         is critically important or the updaters cannot block,
203         synchronize_rcu() should be used in preference to call_rcu().
204
205         An especially important property of the synchronize_rcu()
206         primitive is that it automatically self-limits: if grace periods
207         are delayed for whatever reason, then the synchronize_rcu()
208         primitive will correspondingly delay updates.  In contrast,
209         code using call_rcu() should explicitly limit update rate in
210         cases where grace periods are delayed, as failing to do so can
211         result in excessive realtime latencies or even OOM conditions.
212
213         Ways of gaining this self-limiting property when using call_rcu()
214         include:
215
216         a.      Keeping a count of the number of data-structure elements
217                 used by the RCU-protected data structure, including those
218                 waiting for a grace period to elapse.  Enforce a limit
219                 on this number, stalling updates as needed to allow
220                 previously deferred frees to complete.
221
222                 Alternatively, limit only the number awaiting deferred
223                 free rather than the total number of elements.
224
225         b.      Limiting update rate.  For example, if updates occur only
226                 once per hour, then no explicit rate limiting is required,
227                 unless your system is already badly broken.  The dcache
228                 subsystem takes this approach -- updates are guarded
229                 by a global lock, limiting their rate.
230
231         c.      Trusted update -- if updates can only be done manually by
232                 superuser or some other trusted user, then it might not
233                 be necessary to automatically limit them.  The theory
234                 here is that superuser already has lots of ways to crash
235                 the machine.
236
237         d.      Use call_rcu_bh() rather than call_rcu(), in order to take
238                 advantage of call_rcu_bh()'s faster grace periods.
239
240         e.      Periodically invoke synchronize_rcu(), permitting a limited
241                 number of updates per grace period.
242
243         The same cautions apply to call_rcu_bh() and call_rcu_sched().
244
245 9.      All RCU list-traversal primitives, which include
246         rcu_dereference(), list_for_each_entry_rcu(),
247         list_for_each_continue_rcu(), and list_for_each_safe_rcu(),
248         must be either within an RCU read-side critical section or
249         must be protected by appropriate update-side locks.  RCU
250         read-side critical sections are delimited by rcu_read_lock()
251         and rcu_read_unlock(), or by similar primitives such as
252         rcu_read_lock_bh() and rcu_read_unlock_bh().
253
254         The reason that it is permissible to use RCU list-traversal
255         primitives when the update-side lock is held is that doing so
256         can be quite helpful in reducing code bloat when common code is
257         shared between readers and updaters.
258
259 10.     Conversely, if you are in an RCU read-side critical section,
260         and you don't hold the appropriate update-side lock, you -must-
261         use the "_rcu()" variants of the list macros.  Failing to do so
262         will break Alpha, cause aggressive compilers to generate bad code,
263         and confuse people trying to read your code.
264
265 11.     Note that synchronize_rcu() -only- guarantees to wait until
266         all currently executing rcu_read_lock()-protected RCU read-side
267         critical sections complete.  It does -not- necessarily guarantee
268         that all currently running interrupts, NMIs, preempt_disable()
269         code, or idle loops will complete.  Therefore, if you do not have
270         rcu_read_lock()-protected read-side critical sections, do -not-
271         use synchronize_rcu().
272
273         Similarly, disabling preemption is not an acceptable substitute
274         for rcu_read_lock().  Code that attempts to use preemption
275         disabling where it should be using rcu_read_lock() will break
276         in real-time kernel builds.
277
278         If you want to wait for interrupt handlers, NMI handlers, and
279         code under the influence of preempt_disable(), you instead
280         need to use synchronize_irq() or synchronize_sched().
281
282 12.     Any lock acquired by an RCU callback must be acquired elsewhere
283         with softirq disabled, e.g., via spin_lock_irqsave(),
284         spin_lock_bh(), etc.  Failing to disable irq on a given
285         acquisition of that lock will result in deadlock as soon as
286         the RCU softirq handler happens to run your RCU callback while
287         interrupting that acquisition's critical section.
288
289 13.     RCU callbacks can be and are executed in parallel.  In many cases,
290         the callback code simply wrappers around kfree(), so that this
291         is not an issue (or, more accurately, to the extent that it is
292         an issue, the memory-allocator locking handles it).  However,
293         if the callbacks do manipulate a shared data structure, they
294         must use whatever locking or other synchronization is required
295         to safely access and/or modify that data structure.
296
297         RCU callbacks are -usually- executed on the same CPU that executed
298         the corresponding call_rcu(), call_rcu_bh(), or call_rcu_sched(),
299         but are by -no- means guaranteed to be.  For example, if a given
300         CPU goes offline while having an RCU callback pending, then that
301         RCU callback will execute on some surviving CPU.  (If this was
302         not the case, a self-spawning RCU callback would prevent the
303         victim CPU from ever going offline.)
304
305 14.     SRCU (srcu_read_lock(), srcu_read_unlock(), synchronize_srcu(),
306         and synchronize_srcu_expedited()) may only be invoked from
307         process context.  Unlike other forms of RCU, it -is- permissible
308         to block in an SRCU read-side critical section (demarked by
309         srcu_read_lock() and srcu_read_unlock()), hence the "SRCU":
310         "sleepable RCU".  Please note that if you don't need to sleep
311         in read-side critical sections, you should be using RCU rather
312         than SRCU, because RCU is almost always faster and easier to
313         use than is SRCU.
314
315         Also unlike other forms of RCU, explicit initialization
316         and cleanup is required via init_srcu_struct() and
317         cleanup_srcu_struct().  These are passed a "struct srcu_struct"
318         that defines the scope of a given SRCU domain.  Once initialized,
319         the srcu_struct is passed to srcu_read_lock(), srcu_read_unlock()
320         synchronize_srcu(), and synchronize_srcu_expedited().  A given
321         synchronize_srcu() waits only for SRCU read-side critical
322         sections governed by srcu_read_lock() and srcu_read_unlock()
323         calls that have been passed the same srcu_struct.  This property
324         is what makes sleeping read-side critical sections tolerable --
325         a given subsystem delays only its own updates, not those of other
326         subsystems using SRCU.  Therefore, SRCU is less prone to OOM the
327         system than RCU would be if RCU's read-side critical sections
328         were permitted to sleep.
329
330         The ability to sleep in read-side critical sections does not
331         come for free.  First, corresponding srcu_read_lock() and
332         srcu_read_unlock() calls must be passed the same srcu_struct.
333         Second, grace-period-detection overhead is amortized only
334         over those updates sharing a given srcu_struct, rather than
335         being globally amortized as they are for other forms of RCU.
336         Therefore, SRCU should be used in preference to rw_semaphore
337         only in extremely read-intensive situations, or in situations
338         requiring SRCU's read-side deadlock immunity or low read-side
339         realtime latency.
340
341         Note that, rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() relate to
342         SRCU just as they do to other forms of RCU.
343
344 15.     The whole point of call_rcu(), synchronize_rcu(), and friends
345         is to wait until all pre-existing readers have finished before
346         carrying out some otherwise-destructive operation.  It is
347         therefore critically important to -first- remove any path
348         that readers can follow that could be affected by the
349         destructive operation, and -only- -then- invoke call_rcu(),
350         synchronize_rcu(), or friends.
351
352         Because these primitives only wait for pre-existing readers, it
353         is the caller's responsibility to guarantee that any subsequent
354         readers will execute safely.
355
356 16.     The various RCU read-side primitives do -not- necessarily contain
357         memory barriers.  You should therefore plan for the CPU
358         and the compiler to freely reorder code into and out of RCU
359         read-side critical sections.  It is the responsibility of the
360         RCU update-side primitives to deal with this.