]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - share/man/man9/atomic.9
atomic: add atomic_interrupt_fence()
[FreeBSD/FreeBSD.git] / share / man / man9 / atomic.9
1 .\" Copyright (c) 2000-2001 John H. Baldwin <jhb@FreeBSD.org>
2 .\"
3 .\" Redistribution and use in source and binary forms, with or without
4 .\" modification, are permitted provided that the following conditions
5 .\" are met:
6 .\" 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
7 .\"    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
8 .\" 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
9 .\"    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
10 .\"    documentation and/or other materials provided with the distribution.
11 .\"
12 .\" THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE DEVELOPERS ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR
13 .\" IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES
14 .\" OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.
15 .\" IN NO EVENT SHALL THE DEVELOPERS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
16 .\" INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT
17 .\" NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
18 .\" DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
19 .\" THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
20 .\" (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF
21 .\" THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
22 .\"
23 .\" $FreeBSD$
24 .\"
25 .Dd February 24, 2021
26 .Dt ATOMIC 9
27 .Os
28 .Sh NAME
29 .Nm atomic_add ,
30 .Nm atomic_clear ,
31 .Nm atomic_cmpset ,
32 .Nm atomic_fcmpset ,
33 .Nm atomic_fetchadd ,
34 .Nm atomic_interrupt_fence ,
35 .Nm atomic_load ,
36 .Nm atomic_readandclear ,
37 .Nm atomic_set ,
38 .Nm atomic_subtract ,
39 .Nm atomic_store ,
40 .Nm atomic_thread_fence
41 .Nd atomic operations
42 .Sh SYNOPSIS
43 .In sys/types.h
44 .In machine/atomic.h
45 .Ft void
46 .Fn atomic_add_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
47 .Ft void
48 .Fn atomic_clear_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
49 .Ft int
50 .Fo atomic_cmpset_[acq_|rel_]<type>
51 .Fa "volatile <type> *dst"
52 .Fa "<type> old"
53 .Fa "<type> new"
54 .Fc
55 .Ft int
56 .Fo atomic_fcmpset_[acq_|rel_]<type>
57 .Fa "volatile <type> *dst"
58 .Fa "<type> *old"
59 .Fa "<type> new"
60 .Fc
61 .Ft <type>
62 .Fn atomic_fetchadd_<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
63 .Ft void
64 .Fn atomic_interrupt_fence "void"
65 .Ft <type>
66 .Fn atomic_load_[acq_]<type> "volatile <type> *p"
67 .Ft <type>
68 .Fn atomic_readandclear_<type> "volatile <type> *p"
69 .Ft void
70 .Fn atomic_set_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
71 .Ft void
72 .Fn atomic_subtract_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
73 .Ft void
74 .Fn atomic_store_[rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
75 .Ft <type>
76 .Fn atomic_swap_<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
77 .Ft int
78 .Fn atomic_testandclear_<type> "volatile <type> *p" "u_int v"
79 .Ft int
80 .Fn atomic_testandset_<type> "volatile <type> *p" "u_int v"
81 .Ft void
82 .Fn atomic_thread_fence_[acq|acq_rel|rel|seq_cst] "void"
83 .Sh DESCRIPTION
84 Atomic operations are commonly used to implement reference counts and as
85 building blocks for synchronization primitives, such as mutexes.
86 .Pp
87 All of these operations are performed
88 .Em atomically
89 across multiple threads and in the presence of interrupts, meaning that they
90 are performed in an indivisible manner from the perspective of concurrently
91 running threads and interrupt handlers.
92 .Pp
93 On all architectures supported by
94 .Fx ,
95 ordinary loads and stores of integers in cache-coherent memory are
96 inherently atomic if the integer is naturally aligned and its size does not
97 exceed the processor's word size.
98 However, such loads and stores may be elided from the program by
99 the compiler, whereas atomic operations are always performed.
100 .Pp
101 When atomic operations are performed on cache-coherent memory, all
102 operations on the same location are totally ordered.
103 .Pp
104 When an atomic load is performed on a location in cache-coherent memory,
105 it reads the entire value that was defined by the last atomic store to
106 each byte of the location.
107 An atomic load will never return a value out of thin air.
108 When an atomic store is performed on a location, no other thread or
109 interrupt handler will observe a
110 .Em torn write ,
111 or partial modification of the location.
112 .Pp
113 Except as noted below, the semantics of these operations are almost
114 identical to the semantics of similarly named C11 atomic operations.
115 .Ss Types
116 Most atomic operations act upon a specific
117 .Fa type .
118 That type is indicated in the function name.
119 In contrast to C11 atomic operations,
120 .Fx Ns 's
121 atomic operations are performed on ordinary integer types.
122 The available types are:
123 .Pp
124 .Bl -tag -offset indent -width short -compact
125 .It Li int
126 unsigned integer
127 .It Li long
128 unsigned long integer
129 .It Li ptr
130 unsigned integer the size of a pointer
131 .It Li 32
132 unsigned 32-bit integer
133 .It Li 64
134 unsigned 64-bit integer
135 .El
136 .Pp
137 For example, the function to atomically add two integers is called
138 .Fn atomic_add_int .
139 .Pp
140 Certain architectures also provide operations for types smaller than
141 .Dq Li int .
142 .Pp
143 .Bl -tag -offset indent -width short -compact
144 .It Li char
145 unsigned character
146 .It Li short
147 unsigned short integer
148 .It Li 8
149 unsigned 8-bit integer
150 .It Li 16
151 unsigned 16-bit integer
152 .El
153 .Pp
154 These types must not be used in machine-independent code.
155 .Ss Acquire and Release Operations
156 By default, a thread's accesses to different memory locations might not be
157 performed in
158 .Em program order ,
159 that is, the order in which the accesses appear in the source code.
160 To optimize the program's execution, both the compiler and processor might
161 reorder the thread's accesses.
162 However, both ensure that their reordering of the accesses is not visible to
163 the thread.
164 Otherwise, the traditional memory model that is expected by single-threaded
165 programs would be violated.
166 Nonetheless, other threads in a multithreaded program, such as the
167 .Fx
168 kernel, might observe the reordering.
169 Moreover, in some cases, such as the implementation of synchronization between
170 threads, arbitrary reordering might result in the incorrect execution of the
171 program.
172 To constrain the reordering that both the compiler and processor might perform
173 on a thread's accesses, a programmer can use atomic operations with
174 .Em acquire
175 and
176 .Em release
177 semantics.
178 .Pp
179 Atomic operations on memory have up to three variants.
180 The first, or
181 .Em relaxed
182 variant, performs the operation without imposing any ordering constraints on
183 accesses to other memory locations.
184 This variant is the default.
185 The second variant has acquire semantics, and the third variant has release
186 semantics.
187 .Pp
188 When an atomic operation has acquire semantics, the operation must have
189 completed before any subsequent load or store (by program order) is
190 performed.
191 Conversely, acquire semantics do not require that prior loads or stores have
192 completed before the atomic operation is performed.
193 An atomic operation can only have acquire semantics if it performs a load
194 from memory.
195 To denote acquire semantics, the suffix
196 .Dq Li _acq
197 is inserted into the function name immediately prior to the
198 .Dq Li _ Ns Aq Fa type
199 suffix.
200 For example, to subtract two integers ensuring that the subtraction is
201 completed before any subsequent loads and stores are performed, use
202 .Fn atomic_subtract_acq_int .
203 .Pp
204 When an atomic operation has release semantics, all prior loads or stores
205 (by program order) must have completed before the operation is performed.
206 Conversely, release semantics do not require that the atomic operation must
207 have completed before any subsequent load or store is performed.
208 An atomic operation can only have release semantics if it performs a store
209 to memory.
210 To denote release semantics, the suffix
211 .Dq Li _rel
212 is inserted into the function name immediately prior to the
213 .Dq Li _ Ns Aq Fa type
214 suffix.
215 For example, to add two long integers ensuring that all prior loads and
216 stores are completed before the addition is performed, use
217 .Fn atomic_add_rel_long .
218 .Pp
219 When a release operation by one thread
220 .Em synchronizes with
221 an acquire operation by another thread, usually meaning that the acquire
222 operation reads the value written by the release operation, then the effects
223 of all prior stores by the releasing thread must become visible to
224 subsequent loads by the acquiring thread.
225 Moreover, the effects of all stores (by other threads) that were visible to
226 the releasing thread must also become visible to the acquiring thread.
227 These rules only apply to the synchronizing threads.
228 Other threads might observe these stores in a different order.
229 .Pp
230 In effect, atomic operations with acquire and release semantics establish
231 one-way barriers to reordering that enable the implementations of
232 synchronization primitives to express their ordering requirements without
233 also imposing unnecessary ordering.
234 For example, for a critical section guarded by a mutex, an acquire operation
235 when the mutex is locked and a release operation when the mutex is unlocked
236 will prevent any loads or stores from moving outside of the critical
237 section.
238 However, they will not prevent the compiler or processor from moving loads
239 or stores into the critical section, which does not violate the semantics of
240 a mutex.
241 .Ss Thread Fence Operations
242 Alternatively, a programmer can use atomic thread fence operations to
243 constrain the reordering of accesses.
244 In contrast to other atomic operations, fences do not, themselves, access
245 memory.
246 .Pp
247 When a fence has acquire semantics, all prior loads (by program order) must
248 have completed before any subsequent load or store is performed.
249 Thus, an acquire fence is a two-way barrier for load operations.
250 To denote acquire semantics, the suffix
251 .Dq Li _acq
252 is appended to the function name, for example,
253 .Fn atomic_thread_fence_acq .
254 .Pp
255 When a fence has release semantics, all prior loads or stores (by program
256 order) must have completed before any subsequent store operation is
257 performed.
258 Thus, a release fence is a two-way barrier for store operations.
259 To denote release semantics, the suffix
260 .Dq Li _rel
261 is appended to the function name, for example,
262 .Fn atomic_thread_fence_rel .
263 .Pp
264 Although
265 .Fn atomic_thread_fence_acq_rel
266 implements both acquire and release semantics, it is not a full barrier.
267 For example, a store prior to the fence (in program order) may be completed
268 after a load subsequent to the fence.
269 In contrast,
270 .Fn atomic_thread_fence_seq_cst
271 implements a full barrier.
272 Neither loads nor stores may cross this barrier in either direction.
273 .Pp
274 In C11, a release fence by one thread synchronizes with an acquire fence by
275 another thread when an atomic load that is prior to the acquire fence (by
276 program order) reads the value written by an atomic store that is subsequent
277 to the release fence.
278 In constrast, in
279 .Fx ,
280 because of the atomicity of ordinary, naturally
281 aligned loads and stores, fences can also be synchronized by ordinary loads
282 and stores.
283 This simplifies the implementation and use of some synchronization
284 primitives in
285 .Fx .
286 .Pp
287 Since neither a compiler nor a processor can foresee which (atomic) load
288 will read the value written by an (atomic) store, the ordering constraints
289 imposed by fences must be more restrictive than acquire loads and release
290 stores.
291 Essentially, this is why fences are two-way barriers.
292 .Pp
293 Although fences impose more restrictive ordering than acquire loads and
294 release stores, by separating access from ordering, they can sometimes
295 facilitate more efficient implementations of synchronization primitives.
296 For example, they can be used to avoid executing a memory barrier until a
297 memory access shows that some condition is satisfied.
298 .Ss Interrupt Fence Operations
299 The
300 .Fn atomic_interrupt_fence()
301 function establishes ordering between its call location and any interrupt
302 handler executing on the same CPU.
303 It is modeled after the similar C11 function
304 .Fn atomic_signal_fence() ,
305 and adapted for the kernel environment.
306 .Ss Multiple Processors
307 In multiprocessor systems, the atomicity of the atomic operations on memory
308 depends on support for cache coherence in the underlying architecture.
309 In general, cache coherence on the default memory type,
310 .Dv VM_MEMATTR_DEFAULT ,
311 is guaranteed by all architectures that are supported by
312 .Fx .
313 For example, cache coherence is guaranteed on write-back memory by the
314 .Tn amd64
315 and
316 .Tn i386
317 architectures.
318 However, on some architectures, cache coherence might not be enabled on all
319 memory types.
320 To determine if cache coherence is enabled for a non-default memory type,
321 consult the architecture's documentation.
322 .Ss Semantics
323 This section describes the semantics of each operation using a C like notation.
324 .Bl -hang
325 .It Fn atomic_add p v
326 .Bd -literal -compact
327 *p += v;
328 .Ed
329 .It Fn atomic_clear p v
330 .Bd -literal -compact
331 *p &= ~v;
332 .Ed
333 .It Fn atomic_cmpset dst old new
334 .Bd -literal -compact
335 if (*dst == old) {
336         *dst = new;
337         return (1);
338 } else
339         return (0);
340 .Ed
341 .El
342 .Pp
343 Some architectures do not implement the
344 .Fn atomic_cmpset
345 functions for the types
346 .Dq Li char ,
347 .Dq Li short ,
348 .Dq Li 8 ,
349 and
350 .Dq Li 16 .
351 .Bl -hang
352 .It Fn atomic_fcmpset dst *old new
353 .El
354 .Pp
355 On architectures implementing
356 .Em Compare And Swap
357 operation in hardware, the functionality can be described as
358 .Bd -literal -offset indent -compact
359 if (*dst == *old) {
360         *dst = new;
361         return (1);
362 } else {
363         *old = *dst;
364         return (0);
365 }
366 .Ed
367 On architectures which provide
368 .Em Load Linked/Store Conditional
369 primitive, the write to
370 .Dv *dst
371 might also fail for several reasons, most important of which
372 is a parallel write to
373 .Dv *dst
374 cache line by other CPU.
375 In this case
376 .Fn atomic_fcmpset
377 function also returns
378 .Dv false ,
379 despite
380 .Dl *old == *dst .
381 .Pp
382 Some architectures do not implement the
383 .Fn atomic_fcmpset
384 functions for the types
385 .Dq Li char ,
386 .Dq Li short ,
387 .Dq Li 8 ,
388 and
389 .Dq Li 16 .
390 .Bl -hang
391 .It Fn atomic_fetchadd p v
392 .Bd -literal -compact
393 tmp = *p;
394 *p += v;
395 return (tmp);
396 .Ed
397 .El
398 .Pp
399 The
400 .Fn atomic_fetchadd
401 functions are only implemented for the types
402 .Dq Li int ,
403 .Dq Li long
404 and
405 .Dq Li 32
406 and do not have any variants with memory barriers at this time.
407 .Bl -hang
408 .It Fn atomic_load p
409 .Bd -literal -compact
410 return (*p);
411 .Ed
412 .It Fn atomic_readandclear p
413 .Bd -literal -compact
414 tmp = *p;
415 *p = 0;
416 return (tmp);
417 .Ed
418 .El
419 .Pp
420 The
421 .Fn atomic_readandclear
422 functions are not implemented for the types
423 .Dq Li char ,
424 .Dq Li short ,
425 .Dq Li ptr ,
426 .Dq Li 8 ,
427 and
428 .Dq Li 16
429 and do not have any variants with memory barriers at this time.
430 .Bl -hang
431 .It Fn atomic_set p v
432 .Bd -literal -compact
433 *p |= v;
434 .Ed
435 .It Fn atomic_subtract p v
436 .Bd -literal -compact
437 *p -= v;
438 .Ed
439 .It Fn atomic_store p v
440 .Bd -literal -compact
441 *p = v;
442 .Ed
443 .It Fn atomic_swap p v
444 .Bd -literal -compact
445 tmp = *p;
446 *p = v;
447 return (tmp);
448 .Ed
449 .El
450 .Pp
451 The
452 .Fn atomic_swap
453 functions are not implemented for the types
454 .Dq Li char ,
455 .Dq Li short ,
456 .Dq Li ptr ,
457 .Dq Li 8 ,
458 and
459 .Dq Li 16
460 and do not have any variants with memory barriers at this time.
461 .Bl -hang
462 .It Fn atomic_testandclear p v
463 .Bd -literal -compact
464 bit = 1 << (v % (sizeof(*p) * NBBY));
465 tmp = (*p & bit) != 0;
466 *p &= ~bit;
467 return (tmp);
468 .Ed
469 .El
470 .Bl -hang
471 .It Fn atomic_testandset p v
472 .Bd -literal -compact
473 bit = 1 << (v % (sizeof(*p) * NBBY));
474 tmp = (*p & bit) != 0;
475 *p |= bit;
476 return (tmp);
477 .Ed
478 .El
479 .Pp
480 The
481 .Fn atomic_testandset
482 and
483 .Fn atomic_testandclear
484 functions are only implemented for the types
485 .Dq Li int ,
486 .Dq Li long
487 and
488 .Dq Li 32
489 and do not have any variants with memory barriers at this time.
490 .Pp
491 The type
492 .Dq Li 64
493 is currently not implemented for some of the atomic operations on the
494 .Tn arm ,
495 .Tn i386 ,
496 and
497 .Tn powerpc
498 architectures.
499 .Sh RETURN VALUES
500 The
501 .Fn atomic_cmpset
502 function returns the result of the compare operation.
503 The
504 .Fn atomic_fcmpset
505 function returns
506 .Dv true
507 if the operation succeeded.
508 Otherwise it returns
509 .Dv false
510 and sets
511 .Va *old
512 to the found value.
513 The
514 .Fn atomic_fetchadd ,
515 .Fn atomic_load ,
516 .Fn atomic_readandclear ,
517 and
518 .Fn atomic_swap
519 functions return the value at the specified address.
520 The
521 .Fn atomic_testandset
522 and
523 .Fn atomic_testandclear
524 function returns the result of the test operation.
525 .Sh EXAMPLES
526 This example uses the
527 .Fn atomic_cmpset_acq_ptr
528 and
529 .Fn atomic_set_ptr
530 functions to obtain a sleep mutex and handle recursion.
531 Since the
532 .Va mtx_lock
533 member of a
534 .Vt "struct mtx"
535 is a pointer, the
536 .Dq Li ptr
537 type is used.
538 .Bd -literal
539 /* Try to obtain mtx_lock once. */
540 #define _obtain_lock(mp, tid)                                           \\
541         atomic_cmpset_acq_ptr(&(mp)->mtx_lock, MTX_UNOWNED, (tid))
542
543 /* Get a sleep lock, deal with recursion inline. */
544 #define _get_sleep_lock(mp, tid, opts, file, line) do {                 \\
545         uintptr_t _tid = (uintptr_t)(tid);                              \\
546                                                                         \\
547         if (!_obtain_lock(mp, tid)) {                                   \\
548                 if (((mp)->mtx_lock & MTX_FLAGMASK) != _tid)            \\
549                         _mtx_lock_sleep((mp), _tid, (opts), (file), (line));\\
550                 else {                                                  \\
551                         atomic_set_ptr(&(mp)->mtx_lock, MTX_RECURSE);   \\
552                         (mp)->mtx_recurse++;                            \\
553                 }                                                       \\
554         }                                                               \\
555 } while (0)
556 .Ed
557 .Sh HISTORY
558 The
559 .Fn atomic_add ,
560 .Fn atomic_clear ,
561 .Fn atomic_set ,
562 and
563 .Fn atomic_subtract
564 operations were introduced in
565 .Fx 3.0 .
566 Initially, these operations were defined on the types
567 .Dq Li char ,
568 .Dq Li short ,
569 .Dq Li int ,
570 and
571 .Dq Li long .
572 .Pp
573 The
574 .Fn atomic_cmpset ,
575 .Fn atomic_load_acq ,
576 .Fn atomic_readandclear ,
577 and
578 .Fn atomic_store_rel
579 operations were added in
580 .Fx 5.0 .
581 Simultaneously, the acquire and release variants were introduced, and
582 support was added for operation on the types
583 .Dq Li 8 ,
584 .Dq Li 16 ,
585 .Dq Li 32 ,
586 .Dq Li 64 ,
587 and
588 .Dq Li ptr .
589 .Pp
590 The
591 .Fn atomic_fetchadd
592 operation was added in
593 .Fx 6.0 .
594 .Pp
595 The
596 .Fn atomic_swap
597 and
598 .Fn atomic_testandset
599 operations were added in
600 .Fx 10.0 .
601 .Pp
602 The
603 .Fn atomic_testandclear
604 and
605 .Fn atomic_thread_fence
606 operations were added in
607 .Fx 11.0 .
608 .Pp
609 The relaxed variants of
610 .Fn atomic_load
611 and
612 .Fn atomic_store
613 were added in
614 .Fx 12.0 .