sys/kern/kern_synch.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
   3  *
   4  * Copyright (c) 1982, 1986, 1990, 1991, 1993
   5  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
   6  * (c) UNIX System Laboratories, Inc.
   7  * All or some portions of this file are derived from material licensed
   8  * to the University of California by American Telephone and Telegraph
   9  * Co. or Unix System Laboratories, Inc. and are reproduced herein with
  10  * the permission of UNIX System Laboratories, Inc.
  11  *
  12  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  13  * modification, are permitted provided that the following conditions
  14  * are met:
  15  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  16  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  17  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  18  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  19  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  20  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  21  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  22  *    without specific prior written permission.
  23  *
  24  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  25  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  26  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  27  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  28  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  29  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  30  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  31  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  32  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  33  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  34  * SUCH DAMAGE.
  35  *
  36  *      @(#)kern_synch.c        8.9 (Berkeley) 5/19/95
  37  */
  38
  39 #include <sys/cdefs.h>
  40 __FBSDID("$FreeBSD$");
  41
  42 #include "opt_ktrace.h"
  43 #include "opt_sched.h"
  44
  45 #include <sys/param.h>
  46 #include <sys/systm.h>
  47 #include <sys/condvar.h>
  48 #include <sys/kdb.h>
  49 #include <sys/kernel.h>
  50 #include <sys/ktr.h>
  51 #include <sys/lock.h>
  52 #include <sys/mutex.h>
  53 #include <sys/proc.h>
  54 #include <sys/resourcevar.h>
  55 #include <sys/sched.h>
  56 #include <sys/sdt.h>
  57 #include <sys/signalvar.h>
  58 #include <sys/sleepqueue.h>
  59 #include <sys/smp.h>
  60 #include <sys/sx.h>
  61 #include <sys/sysctl.h>
  62 #include <sys/sysproto.h>
  63 #include <sys/vmmeter.h>
  64 #ifdef KTRACE
  65 #include <sys/uio.h>
  66 #include <sys/ktrace.h>
  67 #endif
  68
  69 #include <machine/cpu.h>
  70
  71 static void synch_setup(void *dummy);
  72 SYSINIT(synch_setup, SI_SUB_KICK_SCHEDULER, SI_ORDER_FIRST, synch_setup,
  73     NULL);
  74
  75 int     hogticks;
  76 static uint8_t pause_wchan[MAXCPU];
  77
  78 static struct callout loadav_callout;
  79
  80 struct loadavg averunnable =
  81         { {0, 0, 0}, FSCALE };  /* load average, of runnable procs */
  82 /*
  83  * Constants for averages over 1, 5, and 15 minutes
  84  * when sampling at 5 second intervals.
  85  */
  86 static fixpt_t cexp[3] = {
  87         0.9200444146293232 * FSCALE,    /* exp(-1/12) */
  88         0.9834714538216174 * FSCALE,    /* exp(-1/60) */
  89         0.9944598480048967 * FSCALE,    /* exp(-1/180) */
  90 };
  91
  92 /* kernel uses `FSCALE', userland (SHOULD) use kern.fscale */
  93 SYSCTL_INT(_kern, OID_AUTO, fscale, CTLFLAG_RD, SYSCTL_NULL_INT_PTR, FSCALE, "");
  94
  95 static void     loadav(void *arg);
  96
  97 SDT_PROVIDER_DECLARE(sched);
  98 SDT_PROBE_DEFINE(sched, , , preempt);
  99
 100 static void
 101 sleepinit(void *unused)
 102 {
 103
 104         hogticks = (hz / 10) * 2;       /* Default only. */
 105         init_sleepqueues();
 106 }
 107
 108 /*
 109  * vmem tries to lock the sleepq mutexes when free'ing kva, so make sure
 110  * it is available.
 111  */
 112 SYSINIT(sleepinit, SI_SUB_KMEM, SI_ORDER_ANY, sleepinit, NULL);
 113
 114 /*
 115  * General sleep call.  Suspends the current thread until a wakeup is
 116  * performed on the specified identifier.  The thread will then be made
 117  * runnable with the specified priority.  Sleeps at most sbt units of time
 118  * (0 means no timeout).  If pri includes the PCATCH flag, let signals
 119  * interrupt the sleep, otherwise ignore them while sleeping.  Returns 0 if
 120  * awakened, EWOULDBLOCK if the timeout expires.  If PCATCH is set and a
 121  * signal becomes pending, ERESTART is returned if the current system
 122  * call should be restarted if possible, and EINTR is returned if the system
 123  * call should be interrupted by the signal (return EINTR).
 124  *
 125  * The lock argument is unlocked before the caller is suspended, and
 126  * re-locked before _sleep() returns.  If priority includes the PDROP
 127  * flag the lock is not re-locked before returning.
 128  */
 129 int
 130 _sleep(void *ident, struct lock_object *lock, int priority,
 131     const char *wmesg, sbintime_t sbt, sbintime_t pr, int flags)
 132 {
 133         struct thread *td;
 134         struct lock_class *class;
 135         uintptr_t lock_state;
 136         int catch, pri, rval, sleepq_flags;
 137         WITNESS_SAVE_DECL(lock_witness);
 138
 139         td = curthread;
 140 #ifdef KTRACE
 141         if (KTRPOINT(td, KTR_CSW))
 142                 ktrcsw(1, 0, wmesg);
 143 #endif
 144         WITNESS_WARN(WARN_GIANTOK | WARN_SLEEPOK, lock,
 145             "Sleeping on \"%s\"", wmesg);
 146         KASSERT(sbt != 0 || mtx_owned(&Giant) || lock != NULL,
 147             ("sleeping without a lock"));
 148         KASSERT(ident != NULL, ("_sleep: NULL ident"));
 149         KASSERT(TD_IS_RUNNING(td), ("_sleep: curthread not running"));
 150         KASSERT(td->td_epochnest == 0, ("sleeping in an epoch section"));
 151         if (priority & PDROP)
 152                 KASSERT(lock != NULL && lock != &Giant.lock_object,
 153                     ("PDROP requires a non-Giant lock"));
 154         if (lock != NULL)
 155                 class = LOCK_CLASS(lock);
 156         else
 157                 class = NULL;
 158
 159         if (SCHEDULER_STOPPED_TD(td)) {
 160                 if (lock != NULL && priority & PDROP)
 161                         class->lc_unlock(lock);
 162                 return (0);
 163         }
 164         catch = priority & PCATCH;
 165         pri = priority & PRIMASK;
 166
 167         KASSERT(!TD_ON_SLEEPQ(td), ("recursive sleep"));
 168
 169         if ((uint8_t *)ident >= &pause_wchan[0] &&
 170             (uint8_t *)ident <= &pause_wchan[MAXCPU - 1])
 171                 sleepq_flags = SLEEPQ_PAUSE;
 172         else
 173                 sleepq_flags = SLEEPQ_SLEEP;
 174         if (catch)
 175                 sleepq_flags |= SLEEPQ_INTERRUPTIBLE;
 176
 177         sleepq_lock(ident);
 178         CTR5(KTR_PROC, "sleep: thread %ld (pid %ld, %s) on %s (%p)",
 179             td->td_tid, td->td_proc->p_pid, td->td_name, wmesg, ident);
 180
 181         if (lock == &Giant.lock_object)
 182                 mtx_assert(&Giant, MA_OWNED);
 183         DROP_GIANT();
 184         if (lock != NULL && lock != &Giant.lock_object &&
 185             !(class->lc_flags & LC_SLEEPABLE)) {
 186                 WITNESS_SAVE(lock, lock_witness);
 187                 lock_state = class->lc_unlock(lock);
 188         } else
 189                 /* GCC needs to follow the Yellow Brick Road */
 190                 lock_state = -1;
 191
 192         /*
 193          * We put ourselves on the sleep queue and start our timeout
 194          * before calling thread_suspend_check, as we could stop there,
 195          * and a wakeup or a SIGCONT (or both) could occur while we were
 196          * stopped without resuming us.  Thus, we must be ready for sleep
 197          * when cursig() is called.  If the wakeup happens while we're
 198          * stopped, then td will no longer be on a sleep queue upon
 199          * return from cursig().
 200          */
 201         sleepq_add(ident, lock, wmesg, sleepq_flags, 0);
 202         if (sbt != 0)
 203                 sleepq_set_timeout_sbt(ident, sbt, pr, flags);
 204         if (lock != NULL && class->lc_flags & LC_SLEEPABLE) {
 205                 sleepq_release(ident);
 206                 WITNESS_SAVE(lock, lock_witness);
 207                 lock_state = class->lc_unlock(lock);
 208                 sleepq_lock(ident);
 209         }
 210         if (sbt != 0 && catch)
 211                 rval = sleepq_timedwait_sig(ident, pri);
 212         else if (sbt != 0)
 213                 rval = sleepq_timedwait(ident, pri);
 214         else if (catch)
 215                 rval = sleepq_wait_sig(ident, pri);
 216         else {
 217                 sleepq_wait(ident, pri);
 218                 rval = 0;
 219         }
 220 #ifdef KTRACE
 221         if (KTRPOINT(td, KTR_CSW))
 222                 ktrcsw(0, 0, wmesg);
 223 #endif
 224         PICKUP_GIANT();
 225         if (lock != NULL && lock != &Giant.lock_object && !(priority & PDROP)) {
 226                 class->lc_lock(lock, lock_state);
 227                 WITNESS_RESTORE(lock, lock_witness);
 228         }
 229         return (rval);
 230 }
 231
 232 int
 233 msleep_spin_sbt(void *ident, struct mtx *mtx, const char *wmesg,
 234     sbintime_t sbt, sbintime_t pr, int flags)
 235 {
 236         struct thread *td;
 237         int rval;
 238         WITNESS_SAVE_DECL(mtx);
 239
 240         td = curthread;
 241         KASSERT(mtx != NULL, ("sleeping without a mutex"));
 242         KASSERT(ident != NULL, ("msleep_spin_sbt: NULL ident"));
 243         KASSERT(TD_IS_RUNNING(td), ("msleep_spin_sbt: curthread not running"));
 244
 245         if (SCHEDULER_STOPPED_TD(td))
 246                 return (0);
 247
 248         sleepq_lock(ident);
 249         CTR5(KTR_PROC, "msleep_spin: thread %ld (pid %ld, %s) on %s (%p)",
 250             td->td_tid, td->td_proc->p_pid, td->td_name, wmesg, ident);
 251
 252         DROP_GIANT();
 253         mtx_assert(mtx, MA_OWNED | MA_NOTRECURSED);
 254         WITNESS_SAVE(&mtx->lock_object, mtx);
 255         mtx_unlock_spin(mtx);
 256
 257         /*
 258          * We put ourselves on the sleep queue and start our timeout.
 259          */
 260         sleepq_add(ident, &mtx->lock_object, wmesg, SLEEPQ_SLEEP, 0);
 261         if (sbt != 0)
 262                 sleepq_set_timeout_sbt(ident, sbt, pr, flags);
 263
 264         /*
 265          * Can't call ktrace with any spin locks held so it can lock the
 266          * ktrace_mtx lock, and WITNESS_WARN considers it an error to hold
 267          * any spin lock.  Thus, we have to drop the sleepq spin lock while
 268          * we handle those requests.  This is safe since we have placed our
 269          * thread on the sleep queue already.
 270          */
 271 #ifdef KTRACE
 272         if (KTRPOINT(td, KTR_CSW)) {
 273                 sleepq_release(ident);
 274                 ktrcsw(1, 0, wmesg);
 275                 sleepq_lock(ident);
 276         }
 277 #endif
 278 #ifdef WITNESS
 279         sleepq_release(ident);
 280         WITNESS_WARN(WARN_GIANTOK | WARN_SLEEPOK, NULL, "Sleeping on \"%s\"",
 281             wmesg);
 282         sleepq_lock(ident);
 283 #endif
 284         if (sbt != 0)
 285                 rval = sleepq_timedwait(ident, 0);
 286         else {
 287                 sleepq_wait(ident, 0);
 288                 rval = 0;
 289         }
 290 #ifdef KTRACE
 291         if (KTRPOINT(td, KTR_CSW))
 292                 ktrcsw(0, 0, wmesg);
 293 #endif
 294         PICKUP_GIANT();
 295         mtx_lock_spin(mtx);
 296         WITNESS_RESTORE(&mtx->lock_object, mtx);
 297         return (rval);
 298 }
 299
 300 /*
 301  * pause_sbt() delays the calling thread by the given signed binary
 302  * time. During cold bootup, pause_sbt() uses the DELAY() function
 303  * instead of the _sleep() function to do the waiting. The "sbt"
 304  * argument must be greater than or equal to zero. A "sbt" value of
 305  * zero is equivalent to a "sbt" value of one tick.
 306  */
 307 int
 308 pause_sbt(const char *wmesg, sbintime_t sbt, sbintime_t pr, int flags)
 309 {
 310         KASSERT(sbt >= 0, ("pause_sbt: timeout must be >= 0"));
 311
 312         /* silently convert invalid timeouts */
 313         if (sbt == 0)
 314                 sbt = tick_sbt;
 315
 316         if ((cold && curthread == &thread0) || kdb_active ||
 317             SCHEDULER_STOPPED()) {
 318                 /*
 319                  * We delay one second at a time to avoid overflowing the
 320                  * system specific DELAY() function(s):
 321                  */
 322                 while (sbt >= SBT_1S) {
 323                         DELAY(1000000);
 324                         sbt -= SBT_1S;
 325                 }
 326                 /* Do the delay remainder, if any */
 327                 sbt = howmany(sbt, SBT_1US);
 328                 if (sbt > 0)
 329                         DELAY(sbt);
 330                 return (EWOULDBLOCK);
 331         }
 332         return (_sleep(&pause_wchan[curcpu], NULL,
 333             (flags & C_CATCH) ? PCATCH : 0, wmesg, sbt, pr, flags));
 334 }
 335
 336 /*
 337  * Make all threads sleeping on the specified identifier runnable.
 338  */
 339 void
 340 wakeup(void *ident)
 341 {
 342         int wakeup_swapper;
 343
 344         sleepq_lock(ident);
 345         wakeup_swapper = sleepq_broadcast(ident, SLEEPQ_SLEEP, 0, 0);
 346         sleepq_release(ident);
 347         if (wakeup_swapper) {
 348                 KASSERT(ident != &proc0,
 349                     ("wakeup and wakeup_swapper and proc0"));
 350                 kick_proc0();
 351         }
 352 }
 353
 354 /*
 355  * Make a thread sleeping on the specified identifier runnable.
 356  * May wake more than one thread if a target thread is currently
 357  * swapped out.
 358  */
 359 void
 360 wakeup_one(void *ident)
 361 {
 362         int wakeup_swapper;
 363
 364         sleepq_lock(ident);
 365         wakeup_swapper = sleepq_signal(ident, SLEEPQ_SLEEP, 0, 0);
 366         sleepq_release(ident);
 367         if (wakeup_swapper)
 368                 kick_proc0();
 369 }
 370
 371 void
 372 wakeup_any(void *ident)
 373 {
 374         int wakeup_swapper;
 375
 376         sleepq_lock(ident);
 377         wakeup_swapper = sleepq_signal(ident, SLEEPQ_SLEEP | SLEEPQ_UNFAIR,
 378             0, 0);
 379         sleepq_release(ident);
 380         if (wakeup_swapper)
 381                 kick_proc0();
 382 }
 383
 384 static void
 385 kdb_switch(void)
 386 {
 387         thread_unlock(curthread);
 388         kdb_backtrace();
 389         kdb_reenter();
 390         panic("%s: did not reenter debugger", __func__);
 391 }
 392
 393 /*
 394  * The machine independent parts of context switching.
 395  */
 396 void
 397 mi_switch(int flags, struct thread *newtd)
 398 {
 399         uint64_t runtime, new_switchtime;
 400         struct thread *td;
 401
 402         td = curthread;                 /* XXX */
 403         THREAD_LOCK_ASSERT(td, MA_OWNED | MA_NOTRECURSED);
 404         KASSERT(!TD_ON_RUNQ(td), ("mi_switch: called by old code"));
 405 #ifdef INVARIANTS
 406         if (!TD_ON_LOCK(td) && !TD_IS_RUNNING(td))
 407                 mtx_assert(&Giant, MA_NOTOWNED);
 408 #endif
 409         KASSERT(td->td_critnest == 1 || panicstr,
 410             ("mi_switch: switch in a critical section"));
 411         KASSERT((flags & (SW_INVOL | SW_VOL)) != 0,
 412             ("mi_switch: switch must be voluntary or involuntary"));
 413         KASSERT(newtd != curthread, ("mi_switch: preempting back to ourself"));
 414
 415         /*
 416          * Don't perform context switches from the debugger.
 417          */
 418         if (kdb_active)
 419                 kdb_switch();
 420         if (SCHEDULER_STOPPED_TD(td))
 421                 return;
 422         if (flags & SW_VOL) {
 423                 td->td_ru.ru_nvcsw++;
 424                 td->td_swvoltick = ticks;
 425         } else {
 426                 td->td_ru.ru_nivcsw++;
 427                 td->td_swinvoltick = ticks;
 428         }
 429 #ifdef SCHED_STATS
 430         SCHED_STAT_INC(sched_switch_stats[flags & SW_TYPE_MASK]);
 431 #endif
 432         /*
 433          * Compute the amount of time during which the current
 434          * thread was running, and add that to its total so far.
 435          */
 436         new_switchtime = cpu_ticks();
 437         runtime = new_switchtime - PCPU_GET(switchtime);
 438         td->td_runtime += runtime;
 439         td->td_incruntime += runtime;
 440         PCPU_SET(switchtime, new_switchtime);
 441         td->td_generation++;    /* bump preempt-detect counter */
 442         VM_CNT_INC(v_swtch);
 443         PCPU_SET(switchticks, ticks);
 444         CTR4(KTR_PROC, "mi_switch: old thread %ld (td_sched %p, pid %ld, %s)",
 445             td->td_tid, td_get_sched(td), td->td_proc->p_pid, td->td_name);
 446 #ifdef KDTRACE_HOOKS
 447         if (__predict_false(sdt_probes_enabled) &&
 448             ((flags & SW_PREEMPT) != 0 || ((flags & SW_INVOL) != 0 &&
 449             (flags & SW_TYPE_MASK) == SWT_NEEDRESCHED)))
 450                 SDT_PROBE0(sched, , , preempt);
 451 #endif
 452         sched_switch(td, newtd, flags);
 453         CTR4(KTR_PROC, "mi_switch: new thread %ld (td_sched %p, pid %ld, %s)",
 454             td->td_tid, td_get_sched(td), td->td_proc->p_pid, td->td_name);
 455
 456         /*
 457          * If the last thread was exiting, finish cleaning it up.
 458          */
 459         if ((td = PCPU_GET(deadthread))) {
 460                 PCPU_SET(deadthread, NULL);
 461                 thread_stash(td);
 462         }
 463 }
 464
 465 /*
 466  * Change thread state to be runnable, placing it on the run queue if
 467  * it is in memory.  If it is swapped out, return true so our caller
 468  * will know to awaken the swapper.
 469  */
 470 int
 471 setrunnable(struct thread *td)
 472 {
 473
 474         THREAD_LOCK_ASSERT(td, MA_OWNED);
 475         KASSERT(td->td_proc->p_state != PRS_ZOMBIE,
 476             ("setrunnable: pid %d is a zombie", td->td_proc->p_pid));
 477         switch (td->td_state) {
 478         case TDS_RUNNING:
 479         case TDS_RUNQ:
 480                 return (0);
 481         case TDS_INHIBITED:
 482                 /*
 483                  * If we are only inhibited because we are swapped out
 484                  * then arange to swap in this process. Otherwise just return.
 485                  */
 486                 if (td->td_inhibitors != TDI_SWAPPED)
 487                         return (0);
 488                 /* FALLTHROUGH */
 489         case TDS_CAN_RUN:
 490                 break;
 491         default:
 492                 printf("state is 0x%x", td->td_state);
 493                 panic("setrunnable(2)");
 494         }
 495         if ((td->td_flags & TDF_INMEM) == 0) {
 496                 if ((td->td_flags & TDF_SWAPINREQ) == 0) {
 497                         td->td_flags |= TDF_SWAPINREQ;
 498                         return (1);
 499                 }
 500         } else
 501                 sched_wakeup(td);
 502         return (0);
 503 }
 504
 505 /*
 506  * Compute a tenex style load average of a quantity on
 507  * 1, 5 and 15 minute intervals.
 508  */
 509 static void
 510 loadav(void *arg)
 511 {
 512         int i, nrun;
 513         struct loadavg *avg;
 514
 515         nrun = sched_load();
 516         avg = &averunnable;
 517
 518         for (i = 0; i < 3; i++)
 519                 avg->ldavg[i] = (cexp[i] * avg->ldavg[i] +
 520                     nrun * FSCALE * (FSCALE - cexp[i])) >> FSHIFT;
 521
 522         /*
 523          * Schedule the next update to occur after 5 seconds, but add a
 524          * random variation to avoid synchronisation with processes that
 525          * run at regular intervals.
 526          */
 527         callout_reset_sbt(&loadav_callout,
 528             SBT_1US * (4000000 + (int)(random() % 2000001)), SBT_1US,
 529             loadav, NULL, C_DIRECT_EXEC | C_PREL(32));
 530 }
 531
 532 /* ARGSUSED */
 533 static void
 534 synch_setup(void *dummy)
 535 {
 536         callout_init(&loadav_callout, 1);
 537
 538         /* Kick off timeout driven events by calling first time. */
 539         loadav(NULL);
 540 }
 541
 542 int
 543 should_yield(void)
 544 {
 545
 546         return ((u_int)ticks - (u_int)curthread->td_swvoltick >= hogticks);
 547 }
 548
 549 void
 550 maybe_yield(void)
 551 {
 552
 553         if (should_yield())
 554                 kern_yield(PRI_USER);
 555 }
 556
 557 void
 558 kern_yield(int prio)
 559 {
 560         struct thread *td;
 561
 562         td = curthread;
 563         DROP_GIANT();
 564         thread_lock(td);
 565         if (prio == PRI_USER)
 566                 prio = td->td_user_pri;
 567         if (prio >= 0)
 568                 sched_prio(td, prio);
 569         mi_switch(SW_VOL | SWT_RELINQUISH, NULL);
 570         thread_unlock(td);
 571         PICKUP_GIANT();
 572 }
 573
 574 /*
 575  * General purpose yield system call.
 576  */
 577 int
 578 sys_yield(struct thread *td, struct yield_args *uap)
 579 {
 580
 581         thread_lock(td);
 582         if (PRI_BASE(td->td_pri_class) == PRI_TIMESHARE)
 583                 sched_prio(td, PRI_MAX_TIMESHARE);
 584         mi_switch(SW_VOL | SWT_RELINQUISH, NULL);
 585         thread_unlock(td);
 586         td->td_retval[0] = 0;
 587         return (0);
 588 }