GNU Linux-libre 4.14.290-gnu1
[releases.git] / kernel / locking / qspinlock_paravirt.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _GEN_PV_LOCK_SLOWPATH
3 #error "do not include this file"
4 #endif
5
6 #include <linux/hash.h>
7 #include <linux/bootmem.h>
8 #include <linux/debug_locks.h>
9
10 /*
11  * Implement paravirt qspinlocks; the general idea is to halt the vcpus instead
12  * of spinning them.
13  *
14  * This relies on the architecture to provide two paravirt hypercalls:
15  *
16  *   pv_wait(u8 *ptr, u8 val) -- suspends the vcpu if *ptr == val
17  *   pv_kick(cpu)             -- wakes a suspended vcpu
18  *
19  * Using these we implement __pv_queued_spin_lock_slowpath() and
20  * __pv_queued_spin_unlock() to replace native_queued_spin_lock_slowpath() and
21  * native_queued_spin_unlock().
22  */
23
24 #define _Q_SLOW_VAL     (3U << _Q_LOCKED_OFFSET)
25
26 /*
27  * Queue Node Adaptive Spinning
28  *
29  * A queue node vCPU will stop spinning if the vCPU in the previous node is
30  * not running. The one lock stealing attempt allowed at slowpath entry
31  * mitigates the slight slowdown for non-overcommitted guest with this
32  * aggressive wait-early mechanism.
33  *
34  * The status of the previous node will be checked at fixed interval
35  * controlled by PV_PREV_CHECK_MASK. This is to ensure that we won't
36  * pound on the cacheline of the previous node too heavily.
37  */
38 #define PV_PREV_CHECK_MASK      0xff
39
40 /*
41  * Queue node uses: vcpu_running & vcpu_halted.
42  * Queue head uses: vcpu_running & vcpu_hashed.
43  */
44 enum vcpu_state {
45         vcpu_running = 0,
46         vcpu_halted,            /* Used only in pv_wait_node */
47         vcpu_hashed,            /* = pv_hash'ed + vcpu_halted */
48 };
49
50 struct pv_node {
51         struct mcs_spinlock     mcs;
52         struct mcs_spinlock     __res[3];
53
54         int                     cpu;
55         u8                      state;
56 };
57
58 /*
59  * Include queued spinlock statistics code
60  */
61 #include "qspinlock_stat.h"
62
63 /*
64  * By replacing the regular queued_spin_trylock() with the function below,
65  * it will be called once when a lock waiter enter the PV slowpath before
66  * being queued. By allowing one lock stealing attempt here when the pending
67  * bit is off, it helps to reduce the performance impact of lock waiter
68  * preemption without the drawback of lock starvation.
69  */
70 #define queued_spin_trylock(l)  pv_queued_spin_steal_lock(l)
71 static inline bool pv_queued_spin_steal_lock(struct qspinlock *lock)
72 {
73         if (!(atomic_read(&lock->val) & _Q_LOCKED_PENDING_MASK) &&
74             (cmpxchg_acquire(&lock->locked, 0, _Q_LOCKED_VAL) == 0)) {
75                 qstat_inc(qstat_pv_lock_stealing, true);
76                 return true;
77         }
78
79         return false;
80 }
81
82 /*
83  * The pending bit is used by the queue head vCPU to indicate that it
84  * is actively spinning on the lock and no lock stealing is allowed.
85  */
86 #if _Q_PENDING_BITS == 8
87 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
88 {
89         WRITE_ONCE(lock->pending, 1);
90 }
91
92 /*
93  * The pending bit check in pv_queued_spin_steal_lock() isn't a memory
94  * barrier. Therefore, an atomic cmpxchg_acquire() is used to acquire the
95  * lock just to be sure that it will get it.
96  */
97 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
98 {
99         return !READ_ONCE(lock->locked) &&
100                (cmpxchg_acquire(&lock->locked_pending, _Q_PENDING_VAL,
101                                 _Q_LOCKED_VAL) == _Q_PENDING_VAL);
102 }
103 #else /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
104 static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
105 {
106         atomic_or(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
107 }
108
109 static __always_inline int trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
110 {
111         int val = atomic_read(&lock->val);
112
113         for (;;) {
114                 int old, new;
115
116                 if (val  & _Q_LOCKED_MASK)
117                         break;
118
119                 /*
120                  * Try to clear pending bit & set locked bit
121                  */
122                 old = val;
123                 new = (val & ~_Q_PENDING_MASK) | _Q_LOCKED_VAL;
124                 val = atomic_cmpxchg_acquire(&lock->val, old, new);
125
126                 if (val == old)
127                         return 1;
128         }
129         return 0;
130 }
131 #endif /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
132
133 /*
134  * Lock and MCS node addresses hash table for fast lookup
135  *
136  * Hashing is done on a per-cacheline basis to minimize the need to access
137  * more than one cacheline.
138  *
139  * Dynamically allocate a hash table big enough to hold at least 4X the
140  * number of possible cpus in the system. Allocation is done on page
141  * granularity. So the minimum number of hash buckets should be at least
142  * 256 (64-bit) or 512 (32-bit) to fully utilize a 4k page.
143  *
144  * Since we should not be holding locks from NMI context (very rare indeed) the
145  * max load factor is 0.75, which is around the point where open addressing
146  * breaks down.
147  *
148  */
149 struct pv_hash_entry {
150         struct qspinlock *lock;
151         struct pv_node   *node;
152 };
153
154 #define PV_HE_PER_LINE  (SMP_CACHE_BYTES / sizeof(struct pv_hash_entry))
155 #define PV_HE_MIN       (PAGE_SIZE / sizeof(struct pv_hash_entry))
156
157 static struct pv_hash_entry *pv_lock_hash;
158 static unsigned int pv_lock_hash_bits __read_mostly;
159
160 /*
161  * Allocate memory for the PV qspinlock hash buckets
162  *
163  * This function should be called from the paravirt spinlock initialization
164  * routine.
165  */
166 void __init __pv_init_lock_hash(void)
167 {
168         int pv_hash_size = ALIGN(4 * num_possible_cpus(), PV_HE_PER_LINE);
169
170         if (pv_hash_size < PV_HE_MIN)
171                 pv_hash_size = PV_HE_MIN;
172
173         /*
174          * Allocate space from bootmem which should be page-size aligned
175          * and hence cacheline aligned.
176          */
177         pv_lock_hash = alloc_large_system_hash("PV qspinlock",
178                                                sizeof(struct pv_hash_entry),
179                                                pv_hash_size, 0,
180                                                HASH_EARLY | HASH_ZERO,
181                                                &pv_lock_hash_bits, NULL,
182                                                pv_hash_size, pv_hash_size);
183 }
184
185 #define for_each_hash_entry(he, offset, hash)                                           \
186         for (hash &= ~(PV_HE_PER_LINE - 1), he = &pv_lock_hash[hash], offset = 0;       \
187              offset < (1 << pv_lock_hash_bits);                                         \
188              offset++, he = &pv_lock_hash[(hash + offset) & ((1 << pv_lock_hash_bits) - 1)])
189
190 static struct qspinlock **pv_hash(struct qspinlock *lock, struct pv_node *node)
191 {
192         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
193         struct pv_hash_entry *he;
194         int hopcnt = 0;
195
196         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
197                 hopcnt++;
198                 if (!cmpxchg(&he->lock, NULL, lock)) {
199                         WRITE_ONCE(he->node, node);
200                         qstat_hop(hopcnt);
201                         return &he->lock;
202                 }
203         }
204         /*
205          * Hard assume there is a free entry for us.
206          *
207          * This is guaranteed by ensuring every blocked lock only ever consumes
208          * a single entry, and since we only have 4 nesting levels per CPU
209          * and allocated 4*nr_possible_cpus(), this must be so.
210          *
211          * The single entry is guaranteed by having the lock owner unhash
212          * before it releases.
213          */
214         BUG();
215 }
216
217 static struct pv_node *pv_unhash(struct qspinlock *lock)
218 {
219         unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
220         struct pv_hash_entry *he;
221         struct pv_node *node;
222
223         for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
224                 if (READ_ONCE(he->lock) == lock) {
225                         node = READ_ONCE(he->node);
226                         WRITE_ONCE(he->lock, NULL);
227                         return node;
228                 }
229         }
230         /*
231          * Hard assume we'll find an entry.
232          *
233          * This guarantees a limited lookup time and is itself guaranteed by
234          * having the lock owner do the unhash -- IFF the unlock sees the
235          * SLOW flag, there MUST be a hash entry.
236          */
237         BUG();
238 }
239
240 /*
241  * Return true if when it is time to check the previous node which is not
242  * in a running state.
243  */
244 static inline bool
245 pv_wait_early(struct pv_node *prev, int loop)
246 {
247         if ((loop & PV_PREV_CHECK_MASK) != 0)
248                 return false;
249
250         return READ_ONCE(prev->state) != vcpu_running;
251 }
252
253 /*
254  * Initialize the PV part of the mcs_spinlock node.
255  */
256 static void pv_init_node(struct mcs_spinlock *node)
257 {
258         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
259
260         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct pv_node) > 5*sizeof(struct mcs_spinlock));
261
262         pn->cpu = smp_processor_id();
263         pn->state = vcpu_running;
264 }
265
266 /*
267  * Wait for node->locked to become true, halt the vcpu after a short spin.
268  * pv_kick_node() is used to set _Q_SLOW_VAL and fill in hash table on its
269  * behalf.
270  */
271 static void pv_wait_node(struct mcs_spinlock *node, struct mcs_spinlock *prev)
272 {
273         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
274         struct pv_node *pp = (struct pv_node *)prev;
275         int loop;
276         bool wait_early;
277
278         for (;;) {
279                 for (wait_early = false, loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
280                         if (READ_ONCE(node->locked))
281                                 return;
282                         if (pv_wait_early(pp, loop)) {
283                                 wait_early = true;
284                                 break;
285                         }
286                         cpu_relax();
287                 }
288
289                 /*
290                  * Order pn->state vs pn->locked thusly:
291                  *
292                  * [S] pn->state = vcpu_halted    [S] next->locked = 1
293                  *     MB                             MB
294                  * [L] pn->locked               [RmW] pn->state = vcpu_hashed
295                  *
296                  * Matches the cmpxchg() from pv_kick_node().
297                  */
298                 smp_store_mb(pn->state, vcpu_halted);
299
300                 if (!READ_ONCE(node->locked)) {
301                         qstat_inc(qstat_pv_wait_node, true);
302                         qstat_inc(qstat_pv_wait_early, wait_early);
303                         pv_wait(&pn->state, vcpu_halted);
304                 }
305
306                 /*
307                  * If pv_kick_node() changed us to vcpu_hashed, retain that
308                  * value so that pv_wait_head_or_lock() knows to not also try
309                  * to hash this lock.
310                  */
311                 cmpxchg(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_running);
312
313                 /*
314                  * If the locked flag is still not set after wakeup, it is a
315                  * spurious wakeup and the vCPU should wait again. However,
316                  * there is a pretty high overhead for CPU halting and kicking.
317                  * So it is better to spin for a while in the hope that the
318                  * MCS lock will be released soon.
319                  */
320                 qstat_inc(qstat_pv_spurious_wakeup, !READ_ONCE(node->locked));
321         }
322
323         /*
324          * By now our node->locked should be 1 and our caller will not actually
325          * spin-wait for it. We do however rely on our caller to do a
326          * load-acquire for us.
327          */
328 }
329
330 /*
331  * Called after setting next->locked = 1 when we're the lock owner.
332  *
333  * Instead of waking the waiters stuck in pv_wait_node() advance their state
334  * such that they're waiting in pv_wait_head_or_lock(), this avoids a
335  * wake/sleep cycle.
336  */
337 static void pv_kick_node(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
338 {
339         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
340
341         /*
342          * If the vCPU is indeed halted, advance its state to match that of
343          * pv_wait_node(). If OTOH this fails, the vCPU was running and will
344          * observe its next->locked value and advance itself.
345          *
346          * Matches with smp_store_mb() and cmpxchg() in pv_wait_node()
347          *
348          * The write to next->locked in arch_mcs_spin_unlock_contended()
349          * must be ordered before the read of pn->state in the cmpxchg()
350          * below for the code to work correctly. To guarantee full ordering
351          * irrespective of the success or failure of the cmpxchg(),
352          * a relaxed version with explicit barrier is used. The control
353          * dependency will order the reading of pn->state before any
354          * subsequent writes.
355          */
356         smp_mb__before_atomic();
357         if (cmpxchg_relaxed(&pn->state, vcpu_halted, vcpu_hashed)
358             != vcpu_halted)
359                 return;
360
361         /*
362          * Put the lock into the hash table and set the _Q_SLOW_VAL.
363          *
364          * As this is the same vCPU that will check the _Q_SLOW_VAL value and
365          * the hash table later on at unlock time, no atomic instruction is
366          * needed.
367          */
368         WRITE_ONCE(lock->locked, _Q_SLOW_VAL);
369         (void)pv_hash(lock, pn);
370 }
371
372 /*
373  * Wait for l->locked to become clear and acquire the lock;
374  * halt the vcpu after a short spin.
375  * __pv_queued_spin_unlock() will wake us.
376  *
377  * The current value of the lock will be returned for additional processing.
378  */
379 static u32
380 pv_wait_head_or_lock(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
381 {
382         struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
383         struct qspinlock **lp = NULL;
384         int waitcnt = 0;
385         int loop;
386
387         /*
388          * If pv_kick_node() already advanced our state, we don't need to
389          * insert ourselves into the hash table anymore.
390          */
391         if (READ_ONCE(pn->state) == vcpu_hashed)
392                 lp = (struct qspinlock **)1;
393
394         /*
395          * Tracking # of slowpath locking operations
396          */
397         qstat_inc(qstat_pv_lock_slowpath, true);
398
399         for (;; waitcnt++) {
400                 /*
401                  * Set correct vCPU state to be used by queue node wait-early
402                  * mechanism.
403                  */
404                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_running);
405
406                 /*
407                  * Set the pending bit in the active lock spinning loop to
408                  * disable lock stealing before attempting to acquire the lock.
409                  */
410                 set_pending(lock);
411                 for (loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
412                         if (trylock_clear_pending(lock))
413                                 goto gotlock;
414                         cpu_relax();
415                 }
416                 clear_pending(lock);
417
418
419                 if (!lp) { /* ONCE */
420                         lp = pv_hash(lock, pn);
421
422                         /*
423                          * We must hash before setting _Q_SLOW_VAL, such that
424                          * when we observe _Q_SLOW_VAL in __pv_queued_spin_unlock()
425                          * we'll be sure to be able to observe our hash entry.
426                          *
427                          *   [S] <hash>                 [Rmw] l->locked == _Q_SLOW_VAL
428                          *       MB                           RMB
429                          * [RmW] l->locked = _Q_SLOW_VAL  [L] <unhash>
430                          *
431                          * Matches the smp_rmb() in __pv_queued_spin_unlock().
432                          */
433                         if (xchg(&lock->locked, _Q_SLOW_VAL) == 0) {
434                                 /*
435                                  * The lock was free and now we own the lock.
436                                  * Change the lock value back to _Q_LOCKED_VAL
437                                  * and unhash the table.
438                                  */
439                                 WRITE_ONCE(lock->locked, _Q_LOCKED_VAL);
440                                 WRITE_ONCE(*lp, NULL);
441                                 goto gotlock;
442                         }
443                 }
444                 WRITE_ONCE(pn->state, vcpu_hashed);
445                 qstat_inc(qstat_pv_wait_head, true);
446                 qstat_inc(qstat_pv_wait_again, waitcnt);
447                 pv_wait(&lock->locked, _Q_SLOW_VAL);
448
449                 /*
450                  * Because of lock stealing, the queue head vCPU may not be
451                  * able to acquire the lock before it has to wait again.
452                  */
453         }
454
455         /*
456          * The cmpxchg() or xchg() call before coming here provides the
457          * acquire semantics for locking. The dummy ORing of _Q_LOCKED_VAL
458          * here is to indicate to the compiler that the value will always
459          * be nozero to enable better code optimization.
460          */
461 gotlock:
462         return (u32)(atomic_read(&lock->val) | _Q_LOCKED_VAL);
463 }
464
465 /*
466  * PV versions of the unlock fastpath and slowpath functions to be used
467  * instead of queued_spin_unlock().
468  */
469 __visible void
470 __pv_queued_spin_unlock_slowpath(struct qspinlock *lock, u8 locked)
471 {
472         struct pv_node *node;
473
474         if (unlikely(locked != _Q_SLOW_VAL)) {
475                 WARN(!debug_locks_silent,
476                      "pvqspinlock: lock 0x%lx has corrupted value 0x%x!\n",
477                      (unsigned long)lock, atomic_read(&lock->val));
478                 return;
479         }
480
481         /*
482          * A failed cmpxchg doesn't provide any memory-ordering guarantees,
483          * so we need a barrier to order the read of the node data in
484          * pv_unhash *after* we've read the lock being _Q_SLOW_VAL.
485          *
486          * Matches the cmpxchg() in pv_wait_head_or_lock() setting _Q_SLOW_VAL.
487          */
488         smp_rmb();
489
490         /*
491          * Since the above failed to release, this must be the SLOW path.
492          * Therefore start by looking up the blocked node and unhashing it.
493          */
494         node = pv_unhash(lock);
495
496         /*
497          * Now that we have a reference to the (likely) blocked pv_node,
498          * release the lock.
499          */
500         smp_store_release(&lock->locked, 0);
501
502         /*
503          * At this point the memory pointed at by lock can be freed/reused,
504          * however we can still use the pv_node to kick the CPU.
505          * The other vCPU may not really be halted, but kicking an active
506          * vCPU is harmless other than the additional latency in completing
507          * the unlock.
508          */
509         qstat_inc(qstat_pv_kick_unlock, true);
510         pv_kick(node->cpu);
511 }
512
513 /*
514  * Include the architecture specific callee-save thunk of the
515  * __pv_queued_spin_unlock(). This thunk is put together with
516  * __pv_queued_spin_unlock() to make the callee-save thunk and the real unlock
517  * function close to each other sharing consecutive instruction cachelines.
518  * Alternatively, architecture specific version of __pv_queued_spin_unlock()
519  * can be defined.
520  */
521 #include <asm/qspinlock_paravirt.h>
522
523 #ifndef __pv_queued_spin_unlock
524 __visible void __pv_queued_spin_unlock(struct qspinlock *lock)
525 {
526         u8 locked;
527
528         /*
529          * We must not unlock if SLOW, because in that case we must first
530          * unhash. Otherwise it would be possible to have multiple @lock
531          * entries, which would be BAD.
532          */
533         locked = cmpxchg_release(&lock->locked, _Q_LOCKED_VAL, 0);
534         if (likely(locked == _Q_LOCKED_VAL))
535                 return;
536
537         __pv_queued_spin_unlock_slowpath(lock, locked);
538 }
539 #endif /* __pv_queued_spin_unlock */