]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - share/man/man9/atomic.9
MFV r358616:
[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 August 18, 2019
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_load ,
35 .Nm atomic_readandclear ,
36 .Nm atomic_set ,
37 .Nm atomic_subtract ,
38 .Nm atomic_store ,
39 .Nm atomic_thread_fence
40 .Nd atomic operations
41 .Sh SYNOPSIS
42 .In sys/types.h
43 .In machine/atomic.h
44 .Ft void
45 .Fn atomic_add_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
46 .Ft void
47 .Fn atomic_clear_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
48 .Ft int
49 .Fo atomic_cmpset_[acq_|rel_]<type>
50 .Fa "volatile <type> *dst"
51 .Fa "<type> old"
52 .Fa "<type> new"
53 .Fc
54 .Ft int
55 .Fo atomic_fcmpset_[acq_|rel_]<type>
56 .Fa "volatile <type> *dst"
57 .Fa "<type> *old"
58 .Fa "<type> new"
59 .Fc
60 .Ft <type>
61 .Fn atomic_fetchadd_<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
62 .Ft <type>
63 .Fn atomic_load_[acq_]<type> "volatile <type> *p"
64 .Ft <type>
65 .Fn atomic_readandclear_<type> "volatile <type> *p"
66 .Ft void
67 .Fn atomic_set_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
68 .Ft void
69 .Fn atomic_subtract_[acq_|rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
70 .Ft void
71 .Fn atomic_store_[rel_]<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
72 .Ft <type>
73 .Fn atomic_swap_<type> "volatile <type> *p" "<type> v"
74 .Ft int
75 .Fn atomic_testandclear_<type> "volatile <type> *p" "u_int v"
76 .Ft int
77 .Fn atomic_testandset_<type> "volatile <type> *p" "u_int v"
78 .Ft void
79 .Fn atomic_thread_fence_[acq|acq_rel|rel|seq_cst] "void"
80 .Sh DESCRIPTION
81 Atomic operations are commonly used to implement reference counts and as
82 building blocks for synchronization primitives, such as mutexes.
83 .Pp
84 All of these operations are performed
85 .Em atomically
86 across multiple threads and in the presence of interrupts, meaning that they
87 are performed in an indivisible manner from the perspective of concurrently
88 running threads and interrupt handlers.
89 .Pp
90 On all architectures supported by
91 .Fx ,
92 ordinary loads and stores of integers in cache-coherent memory are
93 inherently atomic if the integer is naturally aligned and its size does not
94 exceed the processor's word size.
95 However, such loads and stores may be elided from the program by
96 the compiler, whereas atomic operations are always performed.
97 .Pp
98 When atomic operations are performed on cache-coherent memory, all
99 operations on the same location are totally ordered.
100 .Pp
101 When an atomic load is performed on a location in cache-coherent memory,
102 it reads the entire value that was defined by the last atomic store to
103 each byte of the location.
104 An atomic load will never return a value out of thin air.
105 When an atomic store is performed on a location, no other thread or
106 interrupt handler will observe a
107 .Em torn write ,
108 or partial modification of the location.
109 .Pp
110 Except as noted below, the semantics of these operations are almost
111 identical to the semantics of similarly named C11 atomic operations.
112 .Ss Types
113 Most atomic operations act upon a specific
114 .Fa type .
115 That type is indicated in the function name.
116 In contrast to C11 atomic operations,
117 .Fx Ns 's
118 atomic operations are performed on ordinary integer types.
119 The available types are:
120 .Pp
121 .Bl -tag -offset indent -width short -compact
122 .It Li int
123 unsigned integer
124 .It Li long
125 unsigned long integer
126 .It Li ptr
127 unsigned integer the size of a pointer
128 .It Li 32
129 unsigned 32-bit integer
130 .It Li 64
131 unsigned 64-bit integer
132 .El
133 .Pp
134 For example, the function to atomically add two integers is called
135 .Fn atomic_add_int .
136 .Pp
137 Certain architectures also provide operations for types smaller than
138 .Dq Li int .
139 .Pp
140 .Bl -tag -offset indent -width short -compact
141 .It Li char
142 unsigned character
143 .It Li short
144 unsigned short integer
145 .It Li 8
146 unsigned 8-bit integer
147 .It Li 16
148 unsigned 16-bit integer
149 .El
150 .Pp
151 These types must not be used in machine-independent code.
152 .Ss Acquire and Release Operations
153 By default, a thread's accesses to different memory locations might not be
154 performed in
155 .Em program order ,
156 that is, the order in which the accesses appear in the source code.
157 To optimize the program's execution, both the compiler and processor might
158 reorder the thread's accesses.
159 However, both ensure that their reordering of the accesses is not visible to
160 the thread.
161 Otherwise, the traditional memory model that is expected by single-threaded
162 programs would be violated.
163 Nonetheless, other threads in a multithreaded program, such as the
164 .Fx
165 kernel, might observe the reordering.
166 Moreover, in some cases, such as the implementation of synchronization between
167 threads, arbitrary reordering might result in the incorrect execution of the
168 program.
169 To constrain the reordering that both the compiler and processor might perform
170 on a thread's accesses, a programmer can use atomic operations with
171 .Em acquire
172 and
173 .Em release
174 semantics.
175 .Pp
176 Atomic operations on memory have up to three variants.
177 The first, or
178 .Em relaxed
179 variant, performs the operation without imposing any ordering constraints on
180 accesses to other memory locations.
181 This variant is the default.
182 The second variant has acquire semantics, and the third variant has release
183 semantics.
184 .Pp
185 When an atomic operation has acquire semantics, the operation must have
186 completed before any subsequent load or store (by program order) is
187 performed.
188 Conversely, acquire semantics do not require that prior loads or stores have
189 completed before the atomic operation is performed.
190 An atomic operation can only have acquire semantics if it performs a load
191 from memory.
192 To denote acquire semantics, the suffix
193 .Dq Li _acq
194 is inserted into the function name immediately prior to the
195 .Dq Li _ Ns Aq Fa type
196 suffix.
197 For example, to subtract two integers ensuring that the subtraction is
198 completed before any subsequent loads and stores are performed, use
199 .Fn atomic_subtract_acq_int .
200 .Pp
201 When an atomic operation has release semantics, all prior loads or stores
202 (by program order) must have completed before the operation is performed.
203 Conversely, release semantics do not require that the atomic operation must
204 have completed before any subsequent load or store is performed.
205 An atomic operation can only have release semantics if it performs a store
206 to memory.
207 To denote release semantics, the suffix
208 .Dq Li _rel
209 is inserted into the function name immediately prior to the
210 .Dq Li _ Ns Aq Fa type
211 suffix.
212 For example, to add two long integers ensuring that all prior loads and
213 stores are completed before the addition is performed, use
214 .Fn atomic_add_rel_long .
215 .Pp
216 When a release operation by one thread
217 .Em synchronizes with
218 an acquire operation by another thread, usually meaning that the acquire
219 operation reads the value written by the release operation, then the effects
220 of all prior stores by the releasing thread must become visible to
221 subsequent loads by the acquiring thread.
222 Moreover, the effects of all stores (by other threads) that were visible to
223 the releasing thread must also become visible to the acquiring thread.
224 These rules only apply to the synchronizing threads.
225 Other threads might observe these stores in a different order.
226 .Pp
227 In effect, atomic operations with acquire and release semantics establish
228 one-way barriers to reordering that enable the implementations of
229 synchronization primitives to express their ordering requirements without
230 also imposing unnecessary ordering.
231 For example, for a critical section guarded by a mutex, an acquire operation
232 when the mutex is locked and a release operation when the mutex is unlocked
233 will prevent any loads or stores from moving outside of the critical
234 section.
235 However, they will not prevent the compiler or processor from moving loads
236 or stores into the critical section, which does not violate the semantics of
237 a mutex.
238 .Ss Thread Fence Operations
239 Alternatively, a programmer can use atomic thread fence operations to
240 constrain the reordering of accesses.
241 In contrast to other atomic operations, fences do not, themselves, access
242 memory.
243 .Pp
244 When a fence has acquire semantics, all prior loads (by program order) must
245 have completed before any subsequent load or store is performed.
246 Thus, an acquire fence is a two-way barrier for load operations.
247 To denote acquire semantics, the suffix
248 .Dq Li _acq
249 is appended to the function name, for example,
250 .Fn atomic_thread_fence_acq .
251 .Pp
252 When a fence has release semantics, all prior loads or stores (by program
253 order) must have completed before any subsequent store operation is
254 performed.
255 Thus, a release fence is a two-way barrier for store operations.
256 To denote release semantics, the suffix
257 .Dq Li _rel
258 is appended to the function name, for example,
259 .Fn atomic_thread_fence_rel .
260 .Pp
261 Although
262 .Fn atomic_thread_fence_acq_rel
263 implements both acquire and release semantics, it is not a full barrier.
264 For example, a store prior to the fence (in program order) may be completed
265 after a load subsequent to the fence.
266 In contrast,
267 .Fn atomic_thread_fence_seq_cst
268 implements a full barrier.
269 Neither loads nor stores may cross this barrier in either direction.
270 .Pp
271 In C11, a release fence by one thread synchronizes with an acquire fence by
272 another thread when an atomic load that is prior to the acquire fence (by
273 program order) reads the value written by an atomic store that is subsequent
274 to the release fence.
275 In constrast, in FreeBSD, because of the atomicity of ordinary, naturally
276 aligned loads and stores, fences can also be synchronized by ordinary loads
277 and stores.
278 This simplifies the implementation and use of some synchronization
279 primitives in
280 .Fx .
281 .Pp
282 Since neither a compiler nor a processor can foresee which (atomic) load
283 will read the value written by an (atomic) store, the ordering constraints
284 imposed by fences must be more restrictive than acquire loads and release
285 stores.
286 Essentially, this is why fences are two-way barriers.
287 .Pp
288 Although fences impose more restrictive ordering than acquire loads and
289 release stores, by separating access from ordering, they can sometimes
290 facilitate more efficient implementations of synchronization primitives.
291 For example, they can be used to avoid executing a memory barrier until a
292 memory access shows that some condition is satisfied.
293 .Ss Multiple Processors
294 In multiprocessor systems, the atomicity of the atomic operations on memory
295 depends on support for cache coherence in the underlying architecture.
296 In general, cache coherence on the default memory type,
297 .Dv VM_MEMATTR_DEFAULT ,
298 is guaranteed by all architectures that are supported by
299 .Fx .
300 For example, cache coherence is guaranteed on write-back memory by the
301 .Tn amd64
302 and
303 .Tn i386
304 architectures.
305 However, on some architectures, cache coherence might not be enabled on all
306 memory types.
307 To determine if cache coherence is enabled for a non-default memory type,
308 consult the architecture's documentation.
309 .Ss Semantics
310 This section describes the semantics of each operation using a C like notation.
311 .Bl -hang
312 .It Fn atomic_add p v
313 .Bd -literal -compact
314 *p += v;
315 .Ed
316 .It Fn atomic_clear p v
317 .Bd -literal -compact
318 *p &= ~v;
319 .Ed
320 .It Fn atomic_cmpset dst old new
321 .Bd -literal -compact
322 if (*dst == old) {
323         *dst = new;
324         return (1);
325 } else
326         return (0);
327 .Ed
328 .El
329 .Pp
330 Some architectures do not implement the
331 .Fn atomic_cmpset
332 functions for the types
333 .Dq Li char ,
334 .Dq Li short ,
335 .Dq Li 8 ,
336 and
337 .Dq Li 16 .
338 .Bl -hang
339 .It Fn atomic_fcmpset dst *old new
340 .El
341 .Pp
342 On architectures implementing
343 .Em Compare And Swap
344 operation in hardware, the functionality can be described as
345 .Bd -literal -offset indent -compact
346 if (*dst == *old) {
347         *dst = new;
348         return (1);
349 } else {
350         *old = *dst;
351         return (0);
352 }
353 .Ed
354 On architectures which provide
355 .Em Load Linked/Store Conditional
356 primitive, the write to
357 .Dv *dst
358 might also fail for several reasons, most important of which
359 is a parallel write to
360 .Dv *dst
361 cache line by other CPU.
362 In this case
363 .Fn atomic_fcmpset
364 function also returns
365 .Dv false ,
366 despite
367 .Dl *old == *dst .
368 .Pp
369 Some architectures do not implement the
370 .Fn atomic_fcmpset
371 functions for the types
372 .Dq Li char ,
373 .Dq Li short ,
374 .Dq Li 8 ,
375 and
376 .Dq Li 16 .
377 .Bl -hang
378 .It Fn atomic_fetchadd p v
379 .Bd -literal -compact
380 tmp = *p;
381 *p += v;
382 return (tmp);
383 .Ed
384 .El
385 .Pp
386 The
387 .Fn atomic_fetchadd
388 functions are only implemented for the types
389 .Dq Li int ,
390 .Dq Li long
391 and
392 .Dq Li 32
393 and do not have any variants with memory barriers at this time.
394 .Bl -hang
395 .It Fn atomic_load p
396 .Bd -literal -compact
397 return (*p);
398 .Ed
399 .It Fn atomic_readandclear p
400 .Bd -literal -compact
401 tmp = *p;
402 *p = 0;
403 return (tmp);
404 .Ed
405 .El
406 .Pp
407 The
408 .Fn atomic_readandclear
409 functions are not implemented for the types
410 .Dq Li char ,
411 .Dq Li short ,
412 .Dq Li ptr ,
413 .Dq Li 8 ,
414 and
415 .Dq Li 16
416 and do not have any variants with memory barriers at this time.
417 .Bl -hang
418 .It Fn atomic_set p v
419 .Bd -literal -compact
420 *p |= v;
421 .Ed
422 .It Fn atomic_subtract p v
423 .Bd -literal -compact
424 *p -= v;
425 .Ed
426 .It Fn atomic_store p v
427 .Bd -literal -compact
428 *p = v;
429 .Ed
430 .It Fn atomic_swap p v
431 .Bd -literal -compact
432 tmp = *p;
433 *p = v;
434 return (tmp);
435 .Ed
436 .El
437 .Pp
438 The
439 .Fn atomic_swap
440 functions are not implemented for the types
441 .Dq Li char ,
442 .Dq Li short ,
443 .Dq Li ptr ,
444 .Dq Li 8 ,
445 and
446 .Dq Li 16
447 and do not have any variants with memory barriers at this time.
448 .Bl -hang
449 .It Fn atomic_testandclear p v
450 .Bd -literal -compact
451 bit = 1 << (v % (sizeof(*p) * NBBY));
452 tmp = (*p & bit) != 0;
453 *p &= ~bit;
454 return (tmp);
455 .Ed
456 .El
457 .Bl -hang
458 .It Fn atomic_testandset p v
459 .Bd -literal -compact
460 bit = 1 << (v % (sizeof(*p) * NBBY));
461 tmp = (*p & bit) != 0;
462 *p |= bit;
463 return (tmp);
464 .Ed
465 .El
466 .Pp
467 The
468 .Fn atomic_testandset
469 and
470 .Fn atomic_testandclear
471 functions are only implemented for the types
472 .Dq Li int ,
473 .Dq Li long
474 and
475 .Dq Li 32
476 and do not have any variants with memory barriers at this time.
477 .Pp
478 The type
479 .Dq Li 64
480 is currently not implemented for some of the atomic operations on the
481 .Tn arm ,
482 .Tn i386 ,
483 and
484 .Tn powerpc
485 architectures.
486 .Sh RETURN VALUES
487 The
488 .Fn atomic_cmpset
489 function returns the result of the compare operation.
490 The
491 .Fn atomic_fcmpset
492 function returns
493 .Dv true
494 if the operation succeeded.
495 Otherwise it returns
496 .Dv false
497 and sets
498 .Va *old
499 to the found value.
500 The
501 .Fn atomic_fetchadd ,
502 .Fn atomic_load ,
503 .Fn atomic_readandclear ,
504 and
505 .Fn atomic_swap
506 functions return the value at the specified address.
507 The
508 .Fn atomic_testandset
509 and
510 .Fn atomic_testandclear
511 function returns the result of the test operation.
512 .Sh EXAMPLES
513 This example uses the
514 .Fn atomic_cmpset_acq_ptr
515 and
516 .Fn atomic_set_ptr
517 functions to obtain a sleep mutex and handle recursion.
518 Since the
519 .Va mtx_lock
520 member of a
521 .Vt "struct mtx"
522 is a pointer, the
523 .Dq Li ptr
524 type is used.
525 .Bd -literal
526 /* Try to obtain mtx_lock once. */
527 #define _obtain_lock(mp, tid)                                           \\
528         atomic_cmpset_acq_ptr(&(mp)->mtx_lock, MTX_UNOWNED, (tid))
529
530 /* Get a sleep lock, deal with recursion inline. */
531 #define _get_sleep_lock(mp, tid, opts, file, line) do {                 \\
532         uintptr_t _tid = (uintptr_t)(tid);                              \\
533                                                                         \\
534         if (!_obtain_lock(mp, tid)) {                                   \\
535                 if (((mp)->mtx_lock & MTX_FLAGMASK) != _tid)            \\
536                         _mtx_lock_sleep((mp), _tid, (opts), (file), (line));\\
537                 else {                                                  \\
538                         atomic_set_ptr(&(mp)->mtx_lock, MTX_RECURSE);   \\
539                         (mp)->mtx_recurse++;                            \\
540                 }                                                       \\
541         }                                                               \\
542 } while (0)
543 .Ed
544 .Sh HISTORY
545 The
546 .Fn atomic_add ,
547 .Fn atomic_clear ,
548 .Fn atomic_set ,
549 and
550 .Fn atomic_subtract
551 operations were introduced in
552 .Fx 3.0 .
553 Initially, these operations were defined on the types
554 .Dq Li char ,
555 .Dq Li short ,
556 .Dq Li int ,
557 and
558 .Dq Li long .
559 .Pp
560 The
561 .Fn atomic_cmpset ,
562 .Fn atomic_load_acq ,
563 .Fn atomic_readandclear ,
564 and
565 .Fn atomic_store_rel
566 operations were added in
567 .Fx 5.0 .
568 Simultaneously, the acquire and release variants were introduced, and
569 support was added for operation on the types
570 .Dq Li 8 ,
571 .Dq Li 16 ,
572 .Dq Li 32 ,
573 .Dq Li 64 ,
574 and
575 .Dq Li ptr .
576 .Pp
577 The
578 .Fn atomic_fetchadd
579 operation was added in
580 .Fx 6.0 .
581 .Pp
582 The
583 .Fn atomic_swap
584 and
585 .Fn atomic_testandset
586 operations were added in
587 .Fx 10.0 .
588 .Pp
589 The
590 .Fn atomic_testandclear
591 and
592 .Fn atomic_thread_fence
593 operations were added in
594 .Fx 11.0 .
595 .Pp
596 The relaxed variants of
597 .Fn atomic_load
598 and
599 .Fn atomic_store
600 were added in
601 .Fx 12.0 .