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, 0);
 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         if (priority & PDROP)
 151                 KASSERT(lock != NULL && lock != &Giant.lock_object,
 152                     ("PDROP requires a non-Giant lock"));
 153         if (lock != NULL)
 154                 class = LOCK_CLASS(lock);
 155         else
 156                 class = NULL;
 157
 158         if (SCHEDULER_STOPPED_TD(td)) {
 159                 if (lock != NULL && priority & PDROP)
 160                         class->lc_unlock(lock);
 161                 return (0);
 162         }
 163         catch = priority & PCATCH;
 164         pri = priority & PRIMASK;
 165
 166         KASSERT(!TD_ON_SLEEPQ(td), ("recursive sleep"));
 167
 168         if ((uint8_t *)ident >= &pause_wchan[0] &&
 169             (uint8_t *)ident <= &pause_wchan[MAXCPU - 1])
 170                 sleepq_flags = SLEEPQ_PAUSE;
 171         else
 172                 sleepq_flags = SLEEPQ_SLEEP;
 173         if (catch)
 174                 sleepq_flags |= SLEEPQ_INTERRUPTIBLE;
 175
 176         sleepq_lock(ident);
 177         CTR5(KTR_PROC, "sleep: thread %ld (pid %ld, %s) on %s (%p)",
 178             td->td_tid, td->td_proc->p_pid, td->td_name, wmesg, ident);
 179
 180         if (lock == &Giant.lock_object)
 181                 mtx_assert(&Giant, MA_OWNED);
 182         DROP_GIANT();
 183         if (lock != NULL && lock != &Giant.lock_object &&
 184             !(class->lc_flags & LC_SLEEPABLE)) {
 185                 WITNESS_SAVE(lock, lock_witness);
 186                 lock_state = class->lc_unlock(lock);
 187         } else
 188                 /* GCC needs to follow the Yellow Brick Road */
 189                 lock_state = -1;
 190
 191         /*
 192          * We put ourselves on the sleep queue and start our timeout
 193          * before calling thread_suspend_check, as we could stop there,
 194          * and a wakeup or a SIGCONT (or both) could occur while we were
 195          * stopped without resuming us.  Thus, we must be ready for sleep
 196          * when cursig() is called.  If the wakeup happens while we're
 197          * stopped, then td will no longer be on a sleep queue upon
 198          * return from cursig().
 199          */
 200         sleepq_add(ident, lock, wmesg, sleepq_flags, 0);
 201         if (sbt != 0)
 202                 sleepq_set_timeout_sbt(ident, sbt, pr, flags);
 203         if (lock != NULL && class->lc_flags & LC_SLEEPABLE) {
 204                 sleepq_release(ident);
 205                 WITNESS_SAVE(lock, lock_witness);
 206                 lock_state = class->lc_unlock(lock);
 207                 sleepq_lock(ident);
 208         }
 209         if (sbt != 0 && catch)
 210                 rval = sleepq_timedwait_sig(ident, pri);
 211         else if (sbt != 0)
 212                 rval = sleepq_timedwait(ident, pri);
 213         else if (catch)
 214                 rval = sleepq_wait_sig(ident, pri);
 215         else {
 216                 sleepq_wait(ident, pri);
 217                 rval = 0;
 218         }
 219 #ifdef KTRACE
 220         if (KTRPOINT(td, KTR_CSW))
 221                 ktrcsw(0, 0, wmesg);
 222 #endif
 223         PICKUP_GIANT();
 224         if (lock != NULL && lock != &Giant.lock_object && !(priority & PDROP)) {
 225                 class->lc_lock(lock, lock_state);
 226                 WITNESS_RESTORE(lock, lock_witness);
 227         }
 228         return (rval);
 229 }
 230
 231 int
 232 msleep_spin_sbt(void *ident, struct mtx *mtx, const char *wmesg,
 233     sbintime_t sbt, sbintime_t pr, int flags)
 234 {
 235         struct thread *td;
 236         int rval;
 237         WITNESS_SAVE_DECL(mtx);
 238
 239         td = curthread;
 240         KASSERT(mtx != NULL, ("sleeping without a mutex"));
 241         KASSERT(ident != NULL, ("msleep_spin_sbt: NULL ident"));
 242         KASSERT(TD_IS_RUNNING(td), ("msleep_spin_sbt: curthread not running"));
 243
 244         if (SCHEDULER_STOPPED_TD(td))
 245                 return (0);
 246
 247         sleepq_lock(ident);
 248         CTR5(KTR_PROC, "msleep_spin: thread %ld (pid %ld, %s) on %s (%p)",
 249             td->td_tid, td->td_proc->p_pid, td->td_name, wmesg, ident);
 250
 251         DROP_GIANT();
 252         mtx_assert(mtx, MA_OWNED | MA_NOTRECURSED);
 253         WITNESS_SAVE(&mtx->lock_object, mtx);
 254         mtx_unlock_spin(mtx);
 255
 256         /*
 257          * We put ourselves on the sleep queue and start our timeout.
 258          */
 259         sleepq_add(ident, &mtx->lock_object, wmesg, SLEEPQ_SLEEP, 0);
 260         if (sbt != 0)
 261                 sleepq_set_timeout_sbt(ident, sbt, pr, flags);
 262
 263         /*
 264          * Can't call ktrace with any spin locks held so it can lock the
 265          * ktrace_mtx lock, and WITNESS_WARN considers it an error to hold
 266          * any spin lock.  Thus, we have to drop the sleepq spin lock while
 267          * we handle those requests.  This is safe since we have placed our
 268          * thread on the sleep queue already.
 269          */
 270 #ifdef KTRACE
 271         if (KTRPOINT(td, KTR_CSW)) {
 272                 sleepq_release(ident);
 273                 ktrcsw(1, 0, wmesg);
 274                 sleepq_lock(ident);
 275         }
 276 #endif
 277 #ifdef WITNESS
 278         sleepq_release(ident);
 279         WITNESS_WARN(WARN_GIANTOK | WARN_SLEEPOK, NULL, "Sleeping on \"%s\"",
 280             wmesg);
 281         sleepq_lock(ident);
 282 #endif
 283         if (sbt != 0)
 284                 rval = sleepq_timedwait(ident, 0);
 285         else {
 286                 sleepq_wait(ident, 0);
 287                 rval = 0;
 288         }
 289 #ifdef KTRACE
 290         if (KTRPOINT(td, KTR_CSW))
 291                 ktrcsw(0, 0, wmesg);
 292 #endif
 293         PICKUP_GIANT();
 294         mtx_lock_spin(mtx);
 295         WITNESS_RESTORE(&mtx->lock_object, mtx);
 296         return (rval);
 297 }
 298
 299 /*
 300  * pause() delays the calling thread by the given number of system ticks.
 301  * During cold bootup, pause() uses the DELAY() function instead of
 302  * the tsleep() function to do the waiting. The "timo" argument must be
 303  * greater than or equal to zero. A "timo" value of zero is equivalent
 304  * to a "timo" value of one.
 305  */
 306 int
 307 pause_sbt(const char *wmesg, sbintime_t sbt, sbintime_t pr, int flags)
 308 {
 309         KASSERT(sbt >= 0, ("pause: timeout must be >= 0"));
 310
 311         /* silently convert invalid timeouts */
 312         if (sbt == 0)
 313                 sbt = tick_sbt;
 314
 315         if ((cold && curthread == &thread0) || kdb_active ||
 316             SCHEDULER_STOPPED()) {
 317                 /*
 318                  * We delay one second at a time to avoid overflowing the
 319                  * system specific DELAY() function(s):
 320                  */
 321                 while (sbt >= SBT_1S) {
 322                         DELAY(1000000);
 323                         sbt -= SBT_1S;
 324                 }
 325                 /* Do the delay remainder, if any */
 326                 sbt = howmany(sbt, SBT_1US);
 327                 if (sbt > 0)
 328                         DELAY(sbt);
 329                 return (0);
 330         }
 331         return (_sleep(&pause_wchan[curcpu], NULL, 0, wmesg, sbt, pr, flags));
 332 }
 333
 334 /*
 335  * Make all threads sleeping on the specified identifier runnable.
 336  */
 337 void
 338 wakeup(void *ident)
 339 {
 340         int wakeup_swapper;
 341
 342         sleepq_lock(ident);
 343         wakeup_swapper = sleepq_broadcast(ident, SLEEPQ_SLEEP, 0, 0);
 344         sleepq_release(ident);
 345         if (wakeup_swapper) {
 346                 KASSERT(ident != &proc0,
 347                     ("wakeup and wakeup_swapper and proc0"));
 348                 kick_proc0();
 349         }
 350 }
 351
 352 /*
 353  * Make a thread sleeping on the specified identifier runnable.
 354  * May wake more than one thread if a target thread is currently
 355  * swapped out.
 356  */
 357 void
 358 wakeup_one(void *ident)
 359 {
 360         int wakeup_swapper;
 361
 362         sleepq_lock(ident);
 363         wakeup_swapper = sleepq_signal(ident, SLEEPQ_SLEEP, 0, 0);
 364         sleepq_release(ident);
 365         if (wakeup_swapper)
 366                 kick_proc0();
 367 }
 368
 369 static void
 370 kdb_switch(void)
 371 {
 372         thread_unlock(curthread);
 373         kdb_backtrace();
 374         kdb_reenter();
 375         panic("%s: did not reenter debugger", __func__);
 376 }
 377
 378 /*
 379  * The machine independent parts of context switching.
 380  */
 381 void
 382 mi_switch(int flags, struct thread *newtd)
 383 {
 384         uint64_t runtime, new_switchtime;
 385         struct thread *td;
 386
 387         td = curthread;                 /* XXX */
 388         THREAD_LOCK_ASSERT(td, MA_OWNED | MA_NOTRECURSED);
 389         KASSERT(!TD_ON_RUNQ(td), ("mi_switch: called by old code"));
 390 #ifdef INVARIANTS
 391         if (!TD_ON_LOCK(td) && !TD_IS_RUNNING(td))
 392                 mtx_assert(&Giant, MA_NOTOWNED);
 393 #endif
 394         KASSERT(td->td_critnest == 1 || panicstr,
 395             ("mi_switch: switch in a critical section"));
 396         KASSERT((flags & (SW_INVOL | SW_VOL)) != 0,
 397             ("mi_switch: switch must be voluntary or involuntary"));
 398         KASSERT(newtd != curthread, ("mi_switch: preempting back to ourself"));
 399
 400         /*
 401          * Don't perform context switches from the debugger.
 402          */
 403         if (kdb_active)
 404                 kdb_switch();
 405         if (SCHEDULER_STOPPED_TD(td))
 406                 return;
 407         if (flags & SW_VOL) {
 408                 td->td_ru.ru_nvcsw++;
 409                 td->td_swvoltick = ticks;
 410         } else {
 411                 td->td_ru.ru_nivcsw++;
 412                 td->td_swinvoltick = ticks;
 413         }
 414 #ifdef SCHED_STATS
 415         SCHED_STAT_INC(sched_switch_stats[flags & SW_TYPE_MASK]);
 416 #endif
 417         /*
 418          * Compute the amount of time during which the current
 419          * thread was running, and add that to its total so far.
 420          */
 421         new_switchtime = cpu_ticks();
 422         runtime = new_switchtime - PCPU_GET(switchtime);
 423         td->td_runtime += runtime;
 424         td->td_incruntime += runtime;
 425         PCPU_SET(switchtime, new_switchtime);
 426         td->td_generation++;    /* bump preempt-detect counter */
 427         VM_CNT_INC(v_swtch);
 428         PCPU_SET(switchticks, ticks);
 429         CTR4(KTR_PROC, "mi_switch: old thread %ld (td_sched %p, pid %ld, %s)",
 430             td->td_tid, td_get_sched(td), td->td_proc->p_pid, td->td_name);
 431 #ifdef KDTRACE_HOOKS
 432         if ((flags & SW_PREEMPT) != 0 || ((flags & SW_INVOL) != 0 &&
 433             (flags & SW_TYPE_MASK) == SWT_NEEDRESCHED))
 434                 SDT_PROBE0(sched, , , preempt);
 435 #endif
 436         sched_switch(td, newtd, flags);
 437         CTR4(KTR_PROC, "mi_switch: new thread %ld (td_sched %p, pid %ld, %s)",
 438             td->td_tid, td_get_sched(td), td->td_proc->p_pid, td->td_name);
 439
 440         /*
 441          * If the last thread was exiting, finish cleaning it up.
 442          */
 443         if ((td = PCPU_GET(deadthread))) {
 444                 PCPU_SET(deadthread, NULL);
 445                 thread_stash(td);
 446         }
 447 }
 448
 449 /*
 450  * Change thread state to be runnable, placing it on the run queue if
 451  * it is in memory.  If it is swapped out, return true so our caller
 452  * will know to awaken the swapper.
 453  */
 454 int
 455 setrunnable(struct thread *td)
 456 {
 457
 458         THREAD_LOCK_ASSERT(td, MA_OWNED);
 459         KASSERT(td->td_proc->p_state != PRS_ZOMBIE,
 460             ("setrunnable: pid %d is a zombie", td->td_proc->p_pid));
 461         switch (td->td_state) {
 462         case TDS_RUNNING:
 463         case TDS_RUNQ:
 464                 return (0);
 465         case TDS_INHIBITED:
 466                 /*
 467                  * If we are only inhibited because we are swapped out
 468                  * then arange to swap in this process. Otherwise just return.
 469                  */
 470                 if (td->td_inhibitors != TDI_SWAPPED)
 471                         return (0);
 472                 /* FALLTHROUGH */
 473         case TDS_CAN_RUN:
 474                 break;
 475         default:
 476                 printf("state is 0x%x", td->td_state);
 477                 panic("setrunnable(2)");
 478         }
 479         if ((td->td_flags & TDF_INMEM) == 0) {
 480                 if ((td->td_flags & TDF_SWAPINREQ) == 0) {
 481                         td->td_flags |= TDF_SWAPINREQ;
 482                         return (1);
 483                 }
 484         } else
 485                 sched_wakeup(td);
 486         return (0);
 487 }
 488
 489 /*
 490  * Compute a tenex style load average of a quantity on
 491  * 1, 5 and 15 minute intervals.
 492  */
 493 static void
 494 loadav(void *arg)
 495 {
 496         int i, nrun;
 497         struct loadavg *avg;
 498
 499         nrun = sched_load();
 500         avg = &averunnable;
 501
 502         for (i = 0; i < 3; i++)
 503                 avg->ldavg[i] = (cexp[i] * avg->ldavg[i] +
 504                     nrun * FSCALE * (FSCALE - cexp[i])) >> FSHIFT;
 505
 506         /*
 507          * Schedule the next update to occur after 5 seconds, but add a
 508          * random variation to avoid synchronisation with processes that
 509          * run at regular intervals.
 510          */
 511         callout_reset_sbt(&loadav_callout,
 512             SBT_1US * (4000000 + (int)(random() % 2000001)), SBT_1US,
 513             loadav, NULL, C_DIRECT_EXEC | C_PREL(32));
 514 }
 515
 516 /* ARGSUSED */
 517 static void
 518 synch_setup(void *dummy)
 519 {
 520         callout_init(&loadav_callout, 1);
 521
 522         /* Kick off timeout driven events by calling first time. */
 523         loadav(NULL);
 524 }
 525
 526 int
 527 should_yield(void)
 528 {
 529
 530         return ((u_int)ticks - (u_int)curthread->td_swvoltick >= hogticks);
 531 }
 532
 533 void
 534 maybe_yield(void)
 535 {
 536
 537         if (should_yield())
 538                 kern_yield(PRI_USER);
 539 }
 540
 541 void
 542 kern_yield(int prio)
 543 {
 544         struct thread *td;
 545
 546         td = curthread;
 547         DROP_GIANT();
 548         thread_lock(td);
 549         if (prio == PRI_USER)
 550                 prio = td->td_user_pri;
 551         if (prio >= 0)
 552                 sched_prio(td, prio);
 553         mi_switch(SW_VOL | SWT_RELINQUISH, NULL);
 554         thread_unlock(td);
 555         PICKUP_GIANT();
 556 }
 557
 558 /*
 559  * General purpose yield system call.
 560  */
 561 int
 562 sys_yield(struct thread *td, struct yield_args *uap)
 563 {
 564
 565         thread_lock(td);
 566         if (PRI_BASE(td->td_pri_class) == PRI_TIMESHARE)
 567                 sched_prio(td, PRI_MAX_TIMESHARE);
 568         mi_switch(SW_VOL | SWT_RELINQUISH, NULL);
 569         thread_unlock(td);
 570         td->td_retval[0] = 0;
 571         return (0);
 572 }