sys/kern/subr_smp.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (c) 2001, John Baldwin <jhb@FreeBSD.org>.
   5  *
   6  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   7  * modification, are permitted provided that the following conditions
   8  * are met:
   9  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  10  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  11  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  13  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  14  *
  15  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  16  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  17  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  18  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  19  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  20  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  21  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  22  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  23  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  24  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  25  * SUCH DAMAGE.
  26  */
  27
  28 /*
  29  * This module holds the global variables and machine independent functions
  30  * used for the kernel SMP support.
  31  */
  32
  33 #include <sys/cdefs.h>
  34 __FBSDID("$FreeBSD$");
  35
  36 #include <sys/param.h>
  37 #include <sys/systm.h>
  38 #include <sys/kernel.h>
  39 #include <sys/ktr.h>
  40 #include <sys/proc.h>
  41 #include <sys/bus.h>
  42 #include <sys/lock.h>
  43 #include <sys/malloc.h>
  44 #include <sys/mutex.h>
  45 #include <sys/pcpu.h>
  46 #include <sys/sched.h>
  47 #include <sys/smp.h>
  48 #include <sys/sysctl.h>
  49
  50 #include <machine/cpu.h>
  51 #include <machine/smp.h>
  52
  53 #include "opt_sched.h"
  54
  55 #ifdef SMP
  56 MALLOC_DEFINE(M_TOPO, "toponodes", "SMP topology data");
  57
  58 volatile cpuset_t stopped_cpus;
  59 volatile cpuset_t started_cpus;
  60 volatile cpuset_t suspended_cpus;
  61 cpuset_t hlt_cpus_mask;
  62 cpuset_t logical_cpus_mask;
  63
  64 void (*cpustop_restartfunc)(void);
  65 #endif
  66
  67 static int sysctl_kern_smp_active(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
  68
  69 /* This is used in modules that need to work in both SMP and UP. */
  70 cpuset_t all_cpus;
  71
  72 int mp_ncpus;
  73 /* export this for libkvm consumers. */
  74 int mp_maxcpus = MAXCPU;
  75
  76 volatile int smp_started;
  77 u_int mp_maxid;
  78
  79 static SYSCTL_NODE(_kern, OID_AUTO, smp,
  80     CTLFLAG_RD | CTLFLAG_CAPRD | CTLFLAG_MPSAFE, NULL,
  81     "Kernel SMP");
  82
  83 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, maxid, CTLFLAG_RD|CTLFLAG_CAPRD, &mp_maxid, 0,
  84     "Max CPU ID.");
  85
  86 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, maxcpus, CTLFLAG_RD|CTLFLAG_CAPRD, &mp_maxcpus,
  87     0, "Max number of CPUs that the system was compiled for.");
  88
  89 SYSCTL_PROC(_kern_smp, OID_AUTO, active, CTLFLAG_RD|CTLTYPE_INT|CTLFLAG_MPSAFE,
  90     NULL, 0, sysctl_kern_smp_active, "I",
  91     "Indicates system is running in SMP mode");
  92
  93 int smp_disabled = 0;   /* has smp been disabled? */
  94 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, disabled, CTLFLAG_RDTUN|CTLFLAG_CAPRD,
  95     &smp_disabled, 0, "SMP has been disabled from the loader");
  96
  97 int smp_cpus = 1;       /* how many cpu's running */
  98 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, cpus, CTLFLAG_RD|CTLFLAG_CAPRD, &smp_cpus, 0,
  99     "Number of CPUs online");
 100
 101 int smp_threads_per_core = 1;   /* how many SMT threads are running per core */
 102 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, threads_per_core, CTLFLAG_RD|CTLFLAG_CAPRD,
 103     &smp_threads_per_core, 0, "Number of SMT threads online per core");
 104
 105 int mp_ncores = -1;     /* how many physical cores running */
 106 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, cores, CTLFLAG_RD|CTLFLAG_CAPRD, &mp_ncores, 0,
 107     "Number of physical cores online");
 108
 109 int smp_topology = 0;   /* Which topology we're using. */
 110 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, topology, CTLFLAG_RDTUN, &smp_topology, 0,
 111     "Topology override setting; 0 is default provided by hardware.");
 112
 113 #ifdef SMP
 114 /* Enable forwarding of a signal to a process running on a different CPU */
 115 static int forward_signal_enabled = 1;
 116 SYSCTL_INT(_kern_smp, OID_AUTO, forward_signal_enabled, CTLFLAG_RW,
 117            &forward_signal_enabled, 0,
 118            "Forwarding of a signal to a process on a different CPU");
 119
 120 /* Variables needed for SMP rendezvous. */
 121 static volatile int smp_rv_ncpus;
 122 static void (*volatile smp_rv_setup_func)(void *arg);
 123 static void (*volatile smp_rv_action_func)(void *arg);
 124 static void (*volatile smp_rv_teardown_func)(void *arg);
 125 static void *volatile smp_rv_func_arg;
 126 static volatile int smp_rv_waiters[4];
 127
 128 /*
 129  * Shared mutex to restrict busywaits between smp_rendezvous() and
 130  * smp(_targeted)_tlb_shootdown().  A deadlock occurs if both of these
 131  * functions trigger at once and cause multiple CPUs to busywait with
 132  * interrupts disabled.
 133  */
 134 struct mtx smp_ipi_mtx;
 135
 136 /*
 137  * Let the MD SMP code initialize mp_maxid very early if it can.
 138  */
 139 static void
 140 mp_setmaxid(void *dummy)
 141 {
 142
 143         cpu_mp_setmaxid();
 144
 145         KASSERT(mp_ncpus >= 1, ("%s: CPU count < 1", __func__));
 146         KASSERT(mp_ncpus > 1 || mp_maxid == 0,
 147             ("%s: one CPU but mp_maxid is not zero", __func__));
 148         KASSERT(mp_maxid >= mp_ncpus - 1,
 149             ("%s: counters out of sync: max %d, count %d", __func__,
 150                 mp_maxid, mp_ncpus));
 151 }
 152 SYSINIT(cpu_mp_setmaxid, SI_SUB_TUNABLES, SI_ORDER_FIRST, mp_setmaxid, NULL);
 153
 154 /*
 155  * Call the MD SMP initialization code.
 156  */
 157 static void
 158 mp_start(void *dummy)
 159 {
 160
 161         mtx_init(&smp_ipi_mtx, "smp rendezvous", NULL, MTX_SPIN);
 162
 163         /* Probe for MP hardware. */
 164         if (smp_disabled != 0 || cpu_mp_probe() == 0) {
 165                 mp_ncores = 1;
 166                 mp_ncpus = 1;
 167                 CPU_SETOF(PCPU_GET(cpuid), &all_cpus);
 168                 return;
 169         }
 170
 171         cpu_mp_start();
 172         printf("FreeBSD/SMP: Multiprocessor System Detected: %d CPUs\n",
 173             mp_ncpus);
 174
 175         /* Provide a default for most architectures that don't have SMT/HTT. */
 176         if (mp_ncores < 0)
 177                 mp_ncores = mp_ncpus;
 178
 179         cpu_mp_announce();
 180 }
 181 SYSINIT(cpu_mp, SI_SUB_CPU, SI_ORDER_THIRD, mp_start, NULL);
 182
 183 void
 184 forward_signal(struct thread *td)
 185 {
 186         int id;
 187
 188         /*
 189          * signotify() has already set TDF_ASTPENDING and TDF_NEEDSIGCHECK on
 190          * this thread, so all we need to do is poke it if it is currently
 191          * executing so that it executes ast().
 192          */
 193         THREAD_LOCK_ASSERT(td, MA_OWNED);
 194         KASSERT(TD_IS_RUNNING(td),
 195             ("forward_signal: thread is not TDS_RUNNING"));
 196
 197         CTR1(KTR_SMP, "forward_signal(%p)", td->td_proc);
 198
 199         if (!smp_started || cold || KERNEL_PANICKED())
 200                 return;
 201         if (!forward_signal_enabled)
 202                 return;
 203
 204         /* No need to IPI ourself. */
 205         if (td == curthread)
 206                 return;
 207
 208         id = td->td_oncpu;
 209         if (id == NOCPU)
 210                 return;
 211         ipi_cpu(id, IPI_AST);
 212 }
 213
 214 /*
 215  * When called the executing CPU will send an IPI to all other CPUs
 216  *  requesting that they halt execution.
 217  *
 218  * Usually (but not necessarily) called with 'other_cpus' as its arg.
 219  *
 220  *  - Signals all CPUs in map to stop.
 221  *  - Waits for each to stop.
 222  *
 223  * Returns:
 224  *  -1: error
 225  *   0: NA
 226  *   1: ok
 227  *
 228  */
 229 #if defined(__amd64__) || defined(__i386__)
 230 #define X86     1
 231 #else
 232 #define X86     0
 233 #endif
 234 static int
 235 generic_stop_cpus(cpuset_t map, u_int type)
 236 {
 237 #ifdef KTR
 238         char cpusetbuf[CPUSETBUFSIZ];
 239 #endif
 240         static volatile u_int stopping_cpu = NOCPU;
 241         int i;
 242         volatile cpuset_t *cpus;
 243
 244         KASSERT(
 245             type == IPI_STOP || type == IPI_STOP_HARD
 246 #if X86
 247             || type == IPI_SUSPEND
 248 #endif
 249             , ("%s: invalid stop type", __func__));
 250
 251         if (!smp_started)
 252                 return (0);
 253
 254         CTR2(KTR_SMP, "stop_cpus(%s) with %u type",
 255             cpusetobj_strprint(cpusetbuf, &map), type);
 256
 257 #if X86
 258         /*
 259          * When suspending, ensure there are are no IPIs in progress.
 260          * IPIs that have been issued, but not yet delivered (e.g.
 261          * not pending on a vCPU when running under virtualization)
 262          * will be lost, violating FreeBSD's assumption of reliable
 263          * IPI delivery.
 264          */
 265         if (type == IPI_SUSPEND)
 266                 mtx_lock_spin(&smp_ipi_mtx);
 267 #endif
 268
 269 #if X86
 270         if (!nmi_is_broadcast || nmi_kdb_lock == 0) {
 271 #endif
 272         if (stopping_cpu != PCPU_GET(cpuid))
 273                 while (atomic_cmpset_int(&stopping_cpu, NOCPU,
 274                     PCPU_GET(cpuid)) == 0)
 275                         while (stopping_cpu != NOCPU)
 276                                 cpu_spinwait(); /* spin */
 277
 278         /* send the stop IPI to all CPUs in map */
 279         ipi_selected(map, type);
 280 #if X86
 281         }
 282 #endif
 283
 284 #if X86
 285         if (type == IPI_SUSPEND)
 286                 cpus = &suspended_cpus;
 287         else
 288 #endif
 289                 cpus = &stopped_cpus;
 290
 291         i = 0;
 292         while (!CPU_SUBSET(cpus, &map)) {
 293                 /* spin */
 294                 cpu_spinwait();
 295                 i++;
 296                 if (i == 100000000) {
 297                         printf("timeout stopping cpus\n");
 298                         break;
 299                 }
 300         }
 301
 302 #if X86
 303         if (type == IPI_SUSPEND)
 304                 mtx_unlock_spin(&smp_ipi_mtx);
 305 #endif
 306
 307         stopping_cpu = NOCPU;
 308         return (1);
 309 }
 310
 311 int
 312 stop_cpus(cpuset_t map)
 313 {
 314
 315         return (generic_stop_cpus(map, IPI_STOP));
 316 }
 317
 318 int
 319 stop_cpus_hard(cpuset_t map)
 320 {
 321
 322         return (generic_stop_cpus(map, IPI_STOP_HARD));
 323 }
 324
 325 #if X86
 326 int
 327 suspend_cpus(cpuset_t map)
 328 {
 329
 330         return (generic_stop_cpus(map, IPI_SUSPEND));
 331 }
 332 #endif
 333
 334 /*
 335  * Called by a CPU to restart stopped CPUs.
 336  *
 337  * Usually (but not necessarily) called with 'stopped_cpus' as its arg.
 338  *
 339  *  - Signals all CPUs in map to restart.
 340  *  - Waits for each to restart.
 341  *
 342  * Returns:
 343  *  -1: error
 344  *   0: NA
 345  *   1: ok
 346  */
 347 static int
 348 generic_restart_cpus(cpuset_t map, u_int type)
 349 {
 350 #ifdef KTR
 351         char cpusetbuf[CPUSETBUFSIZ];
 352 #endif
 353         volatile cpuset_t *cpus;
 354
 355 #if X86
 356         KASSERT(type == IPI_STOP || type == IPI_STOP_HARD
 357             || type == IPI_SUSPEND, ("%s: invalid stop type", __func__));
 358
 359         if (!smp_started)
 360                 return (0);
 361
 362         CTR1(KTR_SMP, "restart_cpus(%s)", cpusetobj_strprint(cpusetbuf, &map));
 363
 364         if (type == IPI_SUSPEND)
 365                 cpus = &resuming_cpus;
 366         else
 367                 cpus = &stopped_cpus;
 368
 369         /* signal other cpus to restart */
 370         if (type == IPI_SUSPEND)
 371                 CPU_COPY_STORE_REL(&map, &toresume_cpus);
 372         else
 373                 CPU_COPY_STORE_REL(&map, &started_cpus);
 374
 375         /*
 376          * Wake up any CPUs stopped with MWAIT.  From MI code we can't tell if
 377          * MONITOR/MWAIT is enabled, but the potentially redundant writes are
 378          * relatively inexpensive.
 379          */
 380         if (type == IPI_STOP) {
 381                 struct monitorbuf *mb;
 382                 u_int id;
 383
 384                 CPU_FOREACH(id) {
 385                         if (!CPU_ISSET(id, &map))
 386                                 continue;
 387
 388                         mb = &pcpu_find(id)->pc_monitorbuf;
 389                         atomic_store_int(&mb->stop_state,
 390                             MONITOR_STOPSTATE_RUNNING);
 391                 }
 392         }
 393
 394         if (!nmi_is_broadcast || nmi_kdb_lock == 0) {
 395                 /* wait for each to clear its bit */
 396                 while (CPU_OVERLAP(cpus, &map))
 397                         cpu_spinwait();
 398         }
 399 #else /* !X86 */
 400         KASSERT(type == IPI_STOP || type == IPI_STOP_HARD,
 401             ("%s: invalid stop type", __func__));
 402
 403         if (!smp_started)
 404                 return (0);
 405
 406         CTR1(KTR_SMP, "restart_cpus(%s)", cpusetobj_strprint(cpusetbuf, &map));
 407
 408         cpus = &stopped_cpus;
 409
 410         /* signal other cpus to restart */
 411         CPU_COPY_STORE_REL(&map, &started_cpus);
 412
 413         /* wait for each to clear its bit */
 414         while (CPU_OVERLAP(cpus, &map))
 415                 cpu_spinwait();
 416 #endif
 417         return (1);
 418 }
 419
 420 int
 421 restart_cpus(cpuset_t map)
 422 {
 423
 424         return (generic_restart_cpus(map, IPI_STOP));
 425 }
 426
 427 #if X86
 428 int
 429 resume_cpus(cpuset_t map)
 430 {
 431
 432         return (generic_restart_cpus(map, IPI_SUSPEND));
 433 }
 434 #endif
 435 #undef X86
 436
 437 /*
 438  * All-CPU rendezvous.  CPUs are signalled, all execute the setup function
 439  * (if specified), rendezvous, execute the action function (if specified),
 440  * rendezvous again, execute the teardown function (if specified), and then
 441  * resume.
 442  *
 443  * Note that the supplied external functions _must_ be reentrant and aware
 444  * that they are running in parallel and in an unknown lock context.
 445  */
 446 void
 447 smp_rendezvous_action(void)
 448 {
 449         struct thread *td;
 450         void *local_func_arg;
 451         void (*local_setup_func)(void*);
 452         void (*local_action_func)(void*);
 453         void (*local_teardown_func)(void*);
 454 #ifdef INVARIANTS
 455         int owepreempt;
 456 #endif
 457
 458         /* Ensure we have up-to-date values. */
 459         atomic_add_acq_int(&smp_rv_waiters[0], 1);
 460         while (smp_rv_waiters[0] < smp_rv_ncpus)
 461                 cpu_spinwait();
 462
 463         /* Fetch rendezvous parameters after acquire barrier. */
 464         local_func_arg = smp_rv_func_arg;
 465         local_setup_func = smp_rv_setup_func;
 466         local_action_func = smp_rv_action_func;
 467         local_teardown_func = smp_rv_teardown_func;
 468
 469         /*
 470          * Use a nested critical section to prevent any preemptions
 471          * from occurring during a rendezvous action routine.
 472          * Specifically, if a rendezvous handler is invoked via an IPI
 473          * and the interrupted thread was in the critical_exit()
 474          * function after setting td_critnest to 0 but before
 475          * performing a deferred preemption, this routine can be
 476          * invoked with td_critnest set to 0 and td_owepreempt true.
 477          * In that case, a critical_exit() during the rendezvous
 478          * action would trigger a preemption which is not permitted in
 479          * a rendezvous action.  To fix this, wrap all of the
 480          * rendezvous action handlers in a critical section.  We
 481          * cannot use a regular critical section however as having
 482          * critical_exit() preempt from this routine would also be
 483          * problematic (the preemption must not occur before the IPI
 484          * has been acknowledged via an EOI).  Instead, we
 485          * intentionally ignore td_owepreempt when leaving the
 486          * critical section.  This should be harmless because we do
 487          * not permit rendezvous action routines to schedule threads,
 488          * and thus td_owepreempt should never transition from 0 to 1
 489          * during this routine.
 490          */
 491         td = curthread;
 492         td->td_critnest++;
 493 #ifdef INVARIANTS
 494         owepreempt = td->td_owepreempt;
 495 #endif
 496
 497         /*
 498          * If requested, run a setup function before the main action
 499          * function.  Ensure all CPUs have completed the setup
 500          * function before moving on to the action function.
 501          */
 502         if (local_setup_func != smp_no_rendezvous_barrier) {
 503                 if (smp_rv_setup_func != NULL)
 504                         smp_rv_setup_func(smp_rv_func_arg);
 505                 atomic_add_int(&smp_rv_waiters[1], 1);
 506                 while (smp_rv_waiters[1] < smp_rv_ncpus)
 507                         cpu_spinwait();
 508         }
 509
 510         if (local_action_func != NULL)
 511                 local_action_func(local_func_arg);
 512
 513         if (local_teardown_func != smp_no_rendezvous_barrier) {
 514                 /*
 515                  * Signal that the main action has been completed.  If a
 516                  * full exit rendezvous is requested, then all CPUs will
 517                  * wait here until all CPUs have finished the main action.
 518                  */
 519                 atomic_add_int(&smp_rv_waiters[2], 1);
 520                 while (smp_rv_waiters[2] < smp_rv_ncpus)
 521                         cpu_spinwait();
 522
 523                 if (local_teardown_func != NULL)
 524                         local_teardown_func(local_func_arg);
 525         }
 526
 527         /*
 528          * Signal that the rendezvous is fully completed by this CPU.
 529          * This means that no member of smp_rv_* pseudo-structure will be
 530          * accessed by this target CPU after this point; in particular,
 531          * memory pointed by smp_rv_func_arg.
 532          *
 533          * The release semantic ensures that all accesses performed by
 534          * the current CPU are visible when smp_rendezvous_cpus()
 535          * returns, by synchronizing with the
 536          * atomic_load_acq_int(&smp_rv_waiters[3]).
 537          */
 538         atomic_add_rel_int(&smp_rv_waiters[3], 1);
 539
 540         td->td_critnest--;
 541         KASSERT(owepreempt == td->td_owepreempt,
 542             ("rendezvous action changed td_owepreempt"));
 543 }
 544
 545 void
 546 smp_rendezvous_cpus(cpuset_t map,
 547         void (* setup_func)(void *),
 548         void (* action_func)(void *),
 549         void (* teardown_func)(void *),
 550         void *arg)
 551 {
 552         int curcpumap, i, ncpus = 0;
 553
 554         /* See comments in the !SMP case. */
 555         if (!smp_started) {
 556                 spinlock_enter();
 557                 if (setup_func != NULL)
 558                         setup_func(arg);
 559                 if (action_func != NULL)
 560                         action_func(arg);
 561                 if (teardown_func != NULL)
 562                         teardown_func(arg);
 563                 spinlock_exit();
 564                 return;
 565         }
 566
 567         /*
 568          * Make sure we come here with interrupts enabled.  Otherwise we
 569          * livelock if smp_ipi_mtx is owned by a thread which sent us an IPI.
 570          */
 571         MPASS(curthread->td_md.md_spinlock_count == 0);
 572
 573         CPU_FOREACH(i) {
 574                 if (CPU_ISSET(i, &map))
 575                         ncpus++;
 576         }
 577         if (ncpus == 0)
 578                 panic("ncpus is 0 with non-zero map");
 579
 580         mtx_lock_spin(&smp_ipi_mtx);
 581
 582         /* Pass rendezvous parameters via global variables. */
 583         smp_rv_ncpus = ncpus;
 584         smp_rv_setup_func = setup_func;
 585         smp_rv_action_func = action_func;
 586         smp_rv_teardown_func = teardown_func;
 587         smp_rv_func_arg = arg;
 588         smp_rv_waiters[1] = 0;
 589         smp_rv_waiters[2] = 0;
 590         smp_rv_waiters[3] = 0;
 591         atomic_store_rel_int(&smp_rv_waiters[0], 0);
 592
 593         /*
 594          * Signal other processors, which will enter the IPI with
 595          * interrupts off.
 596          */
 597         curcpumap = CPU_ISSET(curcpu, &map);
 598         CPU_CLR(curcpu, &map);
 599         ipi_selected(map, IPI_RENDEZVOUS);
 600
 601         /* Check if the current CPU is in the map */
 602         if (curcpumap != 0)
 603                 smp_rendezvous_action();
 604
 605         /*
 606          * Ensure that the master CPU waits for all the other
 607          * CPUs to finish the rendezvous, so that smp_rv_*
 608          * pseudo-structure and the arg are guaranteed to not
 609          * be in use.
 610          *
 611          * Load acquire synchronizes with the release add in
 612          * smp_rendezvous_action(), which ensures that our caller sees
 613          * all memory actions done by the called functions on other
 614          * CPUs.
 615          */
 616         while (atomic_load_acq_int(&smp_rv_waiters[3]) < ncpus)
 617                 cpu_spinwait();
 618
 619         mtx_unlock_spin(&smp_ipi_mtx);
 620 }
 621
 622 void
 623 smp_rendezvous(void (* setup_func)(void *),
 624                void (* action_func)(void *),
 625                void (* teardown_func)(void *),
 626                void *arg)
 627 {
 628         smp_rendezvous_cpus(all_cpus, setup_func, action_func, teardown_func, arg);
 629 }
 630
 631 static struct cpu_group group[MAXCPU * MAX_CACHE_LEVELS + 1];
 632
 633 struct cpu_group *
 634 smp_topo(void)
 635 {
 636         char cpusetbuf[CPUSETBUFSIZ], cpusetbuf2[CPUSETBUFSIZ];
 637         struct cpu_group *top;
 638
 639         /*
 640          * Check for a fake topology request for debugging purposes.
 641          */
 642         switch (smp_topology) {
 643         case 1:
 644                 /* Dual core with no sharing.  */
 645                 top = smp_topo_1level(CG_SHARE_NONE, 2, 0);
 646                 break;
 647         case 2:
 648                 /* No topology, all cpus are equal. */
 649                 top = smp_topo_none();
 650                 break;
 651         case 3:
 652                 /* Dual core with shared L2.  */
 653                 top = smp_topo_1level(CG_SHARE_L2, 2, 0);
 654                 break;
 655         case 4:
 656                 /* quad core, shared l3 among each package, private l2.  */
 657                 top = smp_topo_1level(CG_SHARE_L3, 4, 0);
 658                 break;
 659         case 5:
 660                 /* quad core,  2 dualcore parts on each package share l2.  */
 661                 top = smp_topo_2level(CG_SHARE_NONE, 2, CG_SHARE_L2, 2, 0);
 662                 break;
 663         case 6:
 664                 /* Single-core 2xHTT */
 665                 top = smp_topo_1level(CG_SHARE_L1, 2, CG_FLAG_HTT);
 666                 break;
 667         case 7:
 668                 /* quad core with a shared l3, 8 threads sharing L2.  */
 669                 top = smp_topo_2level(CG_SHARE_L3, 4, CG_SHARE_L2, 8,
 670                     CG_FLAG_SMT);
 671                 break;
 672         default:
 673                 /* Default, ask the system what it wants. */
 674                 top = cpu_topo();
 675                 break;
 676         }
 677         /*
 678          * Verify the returned topology.
 679          */
 680         if (top->cg_count != mp_ncpus)
 681                 panic("Built bad topology at %p.  CPU count %d != %d",
 682                     top, top->cg_count, mp_ncpus);
 683         if (CPU_CMP(&top->cg_mask, &all_cpus))
 684                 panic("Built bad topology at %p.  CPU mask (%s) != (%s)",
 685                     top, cpusetobj_strprint(cpusetbuf, &top->cg_mask),
 686                     cpusetobj_strprint(cpusetbuf2, &all_cpus));
 687
 688         /*
 689          * Collapse nonsense levels that may be created out of convenience by
 690          * the MD layers.  They cause extra work in the search functions.
 691          */
 692         while (top->cg_children == 1) {
 693                 top = &top->cg_child[0];
 694                 top->cg_parent = NULL;
 695         }
 696         return (top);
 697 }
 698
 699 struct cpu_group *
 700 smp_topo_alloc(u_int count)
 701 {
 702         static u_int index;
 703         u_int curr;
 704
 705         curr = index;
 706         index += count;
 707         return (&group[curr]);
 708 }
 709
 710 struct cpu_group *
 711 smp_topo_none(void)
 712 {
 713         struct cpu_group *top;
 714
 715         top = &group[0];
 716         top->cg_parent = NULL;
 717         top->cg_child = NULL;
 718         top->cg_mask = all_cpus;
 719         top->cg_count = mp_ncpus;
 720         top->cg_children = 0;
 721         top->cg_level = CG_SHARE_NONE;
 722         top->cg_flags = 0;
 723
 724         return (top);
 725 }
 726
 727 static int
 728 smp_topo_addleaf(struct cpu_group *parent, struct cpu_group *child, int share,
 729     int count, int flags, int start)
 730 {
 731         char cpusetbuf[CPUSETBUFSIZ], cpusetbuf2[CPUSETBUFSIZ];
 732         cpuset_t mask;
 733         int i;
 734
 735         CPU_ZERO(&mask);
 736         for (i = 0; i < count; i++, start++)
 737                 CPU_SET(start, &mask);
 738         child->cg_parent = parent;
 739         child->cg_child = NULL;
 740         child->cg_children = 0;
 741         child->cg_level = share;
 742         child->cg_count = count;
 743         child->cg_flags = flags;
 744         child->cg_mask = mask;
 745         parent->cg_children++;
 746         for (; parent != NULL; parent = parent->cg_parent) {
 747                 if (CPU_OVERLAP(&parent->cg_mask, &child->cg_mask))
 748                         panic("Duplicate children in %p.  mask (%s) child (%s)",
 749                             parent,
 750                             cpusetobj_strprint(cpusetbuf, &parent->cg_mask),
 751                             cpusetobj_strprint(cpusetbuf2, &child->cg_mask));
 752                 CPU_OR(&parent->cg_mask, &child->cg_mask);
 753                 parent->cg_count += child->cg_count;
 754         }
 755
 756         return (start);
 757 }
 758
 759 struct cpu_group *
 760 smp_topo_1level(int share, int count, int flags)
 761 {
 762         struct cpu_group *child;
 763         struct cpu_group *top;
 764         int packages;
 765         int cpu;
 766         int i;
 767
 768         cpu = 0;
 769         top = &group[0];
 770         packages = mp_ncpus / count;
 771         top->cg_child = child = &group[1];
 772         top->cg_level = CG_SHARE_NONE;
 773         for (i = 0; i < packages; i++, child++)
 774                 cpu = smp_topo_addleaf(top, child, share, count, flags, cpu);
 775         return (top);
 776 }
 777
 778 struct cpu_group *
 779 smp_topo_2level(int l2share, int l2count, int l1share, int l1count,
 780     int l1flags)
 781 {
 782         struct cpu_group *top;
 783         struct cpu_group *l1g;
 784         struct cpu_group *l2g;
 785         int cpu;
 786         int i;
 787         int j;
 788
 789         cpu = 0;
 790         top = &group[0];
 791         l2g = &group[1];
 792         top->cg_child = l2g;
 793         top->cg_level = CG_SHARE_NONE;
 794         top->cg_children = mp_ncpus / (l2count * l1count);
 795         l1g = l2g + top->cg_children;
 796         for (i = 0; i < top->cg_children; i++, l2g++) {
 797                 l2g->cg_parent = top;
 798                 l2g->cg_child = l1g;
 799                 l2g->cg_level = l2share;
 800                 for (j = 0; j < l2count; j++, l1g++)
 801                         cpu = smp_topo_addleaf(l2g, l1g, l1share, l1count,
 802                             l1flags, cpu);
 803         }
 804         return (top);
 805 }
 806
 807 struct cpu_group *
 808 smp_topo_find(struct cpu_group *top, int cpu)
 809 {
 810         struct cpu_group *cg;
 811         cpuset_t mask;
 812         int children;
 813         int i;
 814
 815         CPU_SETOF(cpu, &mask);
 816         cg = top;
 817         for (;;) {
 818                 if (!CPU_OVERLAP(&cg->cg_mask, &mask))
 819                         return (NULL);
 820                 if (cg->cg_children == 0)
 821                         return (cg);
 822                 children = cg->cg_children;
 823                 for (i = 0, cg = cg->cg_child; i < children; cg++, i++)
 824                         if (CPU_OVERLAP(&cg->cg_mask, &mask))
 825                                 break;
 826         }
 827         return (NULL);
 828 }
 829 #else /* !SMP */
 830
 831 void
 832 smp_rendezvous_cpus(cpuset_t map,
 833         void (*setup_func)(void *),
 834         void (*action_func)(void *),
 835         void (*teardown_func)(void *),
 836         void *arg)
 837 {
 838         /*
 839          * In the !SMP case we just need to ensure the same initial conditions
 840          * as the SMP case.
 841          */
 842         spinlock_enter();
 843         if (setup_func != NULL)
 844                 setup_func(arg);
 845         if (action_func != NULL)
 846                 action_func(arg);
 847         if (teardown_func != NULL)
 848                 teardown_func(arg);
 849         spinlock_exit();
 850 }
 851
 852 void
 853 smp_rendezvous(void (*setup_func)(void *),
 854                void (*action_func)(void *),
 855                void (*teardown_func)(void *),
 856                void *arg)
 857 {
 858
 859         smp_rendezvous_cpus(all_cpus, setup_func, action_func, teardown_func,
 860             arg);
 861 }
 862
 863 /*
 864  * Provide dummy SMP support for UP kernels.  Modules that need to use SMP
 865  * APIs will still work using this dummy support.
 866  */
 867 static void
 868 mp_setvariables_for_up(void *dummy)
 869 {
 870         mp_ncpus = 1;
 871         mp_ncores = 1;
 872         mp_maxid = PCPU_GET(cpuid);
 873         CPU_SETOF(mp_maxid, &all_cpus);
 874         KASSERT(PCPU_GET(cpuid) == 0, ("UP must have a CPU ID of zero"));
 875 }
 876 SYSINIT(cpu_mp_setvariables, SI_SUB_TUNABLES, SI_ORDER_FIRST,
 877     mp_setvariables_for_up, NULL);
 878 #endif /* SMP */
 879
 880 void
 881 smp_no_rendezvous_barrier(void *dummy)
 882 {
 883 #ifdef SMP
 884         KASSERT((!smp_started),("smp_no_rendezvous called and smp is started"));
 885 #endif
 886 }
 887
 888 void
 889 smp_rendezvous_cpus_retry(cpuset_t map,
 890         void (* setup_func)(void *),
 891         void (* action_func)(void *),
 892         void (* teardown_func)(void *),
 893         void (* wait_func)(void *, int),
 894         struct smp_rendezvous_cpus_retry_arg *arg)
 895 {
 896         int cpu;
 897
 898         /*
 899          * Only one CPU to execute on.
 900          */
 901         if (!smp_started) {
 902                 spinlock_enter();
 903                 if (setup_func != NULL)
 904                         setup_func(arg);
 905                 if (action_func != NULL)
 906                         action_func(arg);
 907                 if (teardown_func != NULL)
 908                         teardown_func(arg);
 909                 spinlock_exit();
 910                 return;
 911         }
 912
 913         /*
 914          * Execute an action on all specified CPUs while retrying until they
 915          * all acknowledge completion.
 916          */
 917         CPU_COPY(&map, &arg->cpus);
 918         for (;;) {
 919                 smp_rendezvous_cpus(
 920                     arg->cpus,
 921                     setup_func,
 922                     action_func,
 923                     teardown_func,
 924                     arg);
 925
 926                 if (CPU_EMPTY(&arg->cpus))
 927                         break;
 928
 929                 CPU_FOREACH(cpu) {
 930                         if (!CPU_ISSET(cpu, &arg->cpus))
 931                                 continue;
 932                         wait_func(arg, cpu);
 933                 }
 934         }
 935 }
 936
 937 void
 938 smp_rendezvous_cpus_done(struct smp_rendezvous_cpus_retry_arg *arg)
 939 {
 940
 941         CPU_CLR_ATOMIC(curcpu, &arg->cpus);
 942 }
 943
 944 /*
 945  * Wait for specified idle threads to switch once.  This ensures that even
 946  * preempted threads have cycled through the switch function once,
 947  * exiting their codepaths.  This allows us to change global pointers
 948  * with no other synchronization.
 949  */
 950 int
 951 quiesce_cpus(cpuset_t map, const char *wmesg, int prio)
 952 {
 953         struct pcpu *pcpu;
 954         u_int gen[MAXCPU];
 955         int error;
 956         int cpu;
 957
 958         error = 0;
 959         for (cpu = 0; cpu <= mp_maxid; cpu++) {
 960                 if (!CPU_ISSET(cpu, &map) || CPU_ABSENT(cpu))
 961                         continue;
 962                 pcpu = pcpu_find(cpu);
 963                 gen[cpu] = pcpu->pc_idlethread->td_generation;
 964         }
 965         for (cpu = 0; cpu <= mp_maxid; cpu++) {
 966                 if (!CPU_ISSET(cpu, &map) || CPU_ABSENT(cpu))
 967                         continue;
 968                 pcpu = pcpu_find(cpu);
 969                 thread_lock(curthread);
 970                 sched_bind(curthread, cpu);
 971                 thread_unlock(curthread);
 972                 while (gen[cpu] == pcpu->pc_idlethread->td_generation) {
 973                         error = tsleep(quiesce_cpus, prio, wmesg, 1);
 974                         if (error != EWOULDBLOCK)
 975                                 goto out;
 976                         error = 0;
 977                 }
 978         }
 979 out:
 980         thread_lock(curthread);
 981         sched_unbind(curthread);
 982         thread_unlock(curthread);
 983
 984         return (error);
 985 }
 986
 987 int
 988 quiesce_all_cpus(const char *wmesg, int prio)
 989 {
 990
 991         return quiesce_cpus(all_cpus, wmesg, prio);
 992 }
 993
 994 /*
 995  * Observe all CPUs not executing in critical section.
 996  * We are not in one so the check for us is safe. If the found
 997  * thread changes to something else we know the section was
 998  * exited as well.
 999  */
1000 void
1001 quiesce_all_critical(void)
1002 {
1003         struct thread *td, *newtd;
1004         struct pcpu *pcpu;
1005         int cpu;
1006
1007         MPASS(curthread->td_critnest == 0);
1008
1009         CPU_FOREACH(cpu) {
1010                 pcpu = cpuid_to_pcpu[cpu];
1011                 td = pcpu->pc_curthread;
1012                 for (;;) {
1013                         if (td->td_critnest == 0)
1014                                 break;
1015                         cpu_spinwait();
1016                         newtd = (struct thread *)
1017                             atomic_load_acq_ptr((void *)pcpu->pc_curthread);
1018                         if (td != newtd)
1019                                 break;
1020                 }
1021         }
1022 }
1023
1024 static void
1025 cpus_fence_seq_cst_issue(void *arg __unused)
1026 {
1027
1028         atomic_thread_fence_seq_cst();
1029 }
1030
1031 /*
1032  * Send an IPI forcing a sequentially consistent fence.
1033  *
1034  * Allows replacement of an explicitly fence with a compiler barrier.
1035  * Trades speed up during normal execution for a significant slowdown when
1036  * the barrier is needed.
1037  */
1038 void
1039 cpus_fence_seq_cst(void)
1040 {
1041
1042 #ifdef SMP
1043         smp_rendezvous(
1044             smp_no_rendezvous_barrier,
1045             cpus_fence_seq_cst_issue,
1046             smp_no_rendezvous_barrier,
1047             NULL
1048         );
1049 #else
1050         cpus_fence_seq_cst_issue(NULL);
1051 #endif
1052 }
1053
1054 /* Extra care is taken with this sysctl because the data type is volatile */
1055 static int
1056 sysctl_kern_smp_active(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
1057 {
1058         int error, active;
1059
1060         active = smp_started;
1061         error = SYSCTL_OUT(req, &active, sizeof(active));
1062         return (error);
1063 }
1064
1065 #ifdef SMP
1066 void
1067 topo_init_node(struct topo_node *node)
1068 {
1069
1070         bzero(node, sizeof(*node));
1071         TAILQ_INIT(&node->children);
1072 }
1073
1074 void
1075 topo_init_root(struct topo_node *root)
1076 {
1077
1078         topo_init_node(root);
1079         root->type = TOPO_TYPE_SYSTEM;
1080 }
1081
1082 /*
1083  * Add a child node with the given ID under the given parent.
1084  * Do nothing if there is already a child with that ID.
1085  */
1086 struct topo_node *
1087 topo_add_node_by_hwid(struct topo_node *parent, int hwid,
1088     topo_node_type type, uintptr_t subtype)
1089 {
1090         struct topo_node *node;
1091
1092         TAILQ_FOREACH_REVERSE(node, &parent->children,
1093             topo_children, siblings) {
1094                 if (node->hwid == hwid
1095                     && node->type == type && node->subtype == subtype) {
1096                         return (node);
1097                 }
1098         }
1099
1100         node = malloc(sizeof(*node), M_TOPO, M_WAITOK);
1101         topo_init_node(node);
1102         node->parent = parent;
1103         node->hwid = hwid;
1104         node->type = type;
1105         node->subtype = subtype;
1106         TAILQ_INSERT_TAIL(&parent->children, node, siblings);
1107         parent->nchildren++;
1108
1109         return (node);
1110 }
1111
1112 /*
1113  * Find a child node with the given ID under the given parent.
1114  */
1115 struct topo_node *
1116 topo_find_node_by_hwid(struct topo_node *parent, int hwid,
1117     topo_node_type type, uintptr_t subtype)
1118 {
1119
1120         struct topo_node *node;
1121
1122         TAILQ_FOREACH(node, &parent->children, siblings) {
1123                 if (node->hwid == hwid
1124                     && node->type == type && node->subtype == subtype) {
1125                         return (node);
1126                 }
1127         }
1128
1129         return (NULL);
1130 }
1131
1132 /*
1133  * Given a node change the order of its parent's child nodes such
1134  * that the node becomes the firt child while preserving the cyclic
1135  * order of the children.  In other words, the given node is promoted
1136  * by rotation.
1137  */
1138 void
1139 topo_promote_child(struct topo_node *child)
1140 {
1141         struct topo_node *next;
1142         struct topo_node *node;
1143         struct topo_node *parent;
1144
1145         parent = child->parent;
1146         next = TAILQ_NEXT(child, siblings);
1147         TAILQ_REMOVE(&parent->children, child, siblings);
1148         TAILQ_INSERT_HEAD(&parent->children, child, siblings);
1149
1150         while (next != NULL) {
1151                 node = next;
1152                 next = TAILQ_NEXT(node, siblings);
1153                 TAILQ_REMOVE(&parent->children, node, siblings);
1154                 TAILQ_INSERT_AFTER(&parent->children, child, node, siblings);
1155                 child = node;
1156         }
1157 }
1158
1159 /*
1160  * Iterate to the next node in the depth-first search (traversal) of
1161  * the topology tree.
1162  */
1163 struct topo_node *
1164 topo_next_node(struct topo_node *top, struct topo_node *node)
1165 {
1166         struct topo_node *next;
1167
1168         if ((next = TAILQ_FIRST(&node->children)) != NULL)
1169                 return (next);
1170
1171         if ((next = TAILQ_NEXT(node, siblings)) != NULL)
1172                 return (next);
1173
1174         while (node != top && (node = node->parent) != top)
1175                 if ((next = TAILQ_NEXT(node, siblings)) != NULL)
1176                         return (next);
1177
1178         return (NULL);
1179 }
1180
1181 /*
1182  * Iterate to the next node in the depth-first search of the topology tree,
1183  * but without descending below the current node.
1184  */
1185 struct topo_node *
1186 topo_next_nonchild_node(struct topo_node *top, struct topo_node *node)
1187 {
1188         struct topo_node *next;
1189
1190         if ((next = TAILQ_NEXT(node, siblings)) != NULL)
1191                 return (next);
1192
1193         while (node != top && (node = node->parent) != top)
1194                 if ((next = TAILQ_NEXT(node, siblings)) != NULL)
1195                         return (next);
1196
1197         return (NULL);
1198 }
1199
1200 /*
1201  * Assign the given ID to the given topology node that represents a logical
1202  * processor.
1203  */
1204 void
1205 topo_set_pu_id(struct topo_node *node, cpuid_t id)
1206 {
1207
1208         KASSERT(node->type == TOPO_TYPE_PU,
1209             ("topo_set_pu_id: wrong node type: %u", node->type));
1210         KASSERT(CPU_EMPTY(&node->cpuset) && node->cpu_count == 0,
1211             ("topo_set_pu_id: cpuset already not empty"));
1212         node->id = id;
1213         CPU_SET(id, &node->cpuset);
1214         node->cpu_count = 1;
1215         node->subtype = 1;
1216
1217         while ((node = node->parent) != NULL) {
1218                 KASSERT(!CPU_ISSET(id, &node->cpuset),
1219                     ("logical ID %u is already set in node %p", id, node));
1220                 CPU_SET(id, &node->cpuset);
1221                 node->cpu_count++;
1222         }
1223 }
1224
1225 static struct topology_spec {
1226         topo_node_type  type;
1227         bool            match_subtype;
1228         uintptr_t       subtype;
1229 } topology_level_table[TOPO_LEVEL_COUNT] = {
1230         [TOPO_LEVEL_PKG] = { .type = TOPO_TYPE_PKG, },
1231         [TOPO_LEVEL_GROUP] = { .type = TOPO_TYPE_GROUP, },
1232         [TOPO_LEVEL_CACHEGROUP] = {
1233                 .type = TOPO_TYPE_CACHE,
1234                 .match_subtype = true,
1235                 .subtype = CG_SHARE_L3,
1236         },
1237         [TOPO_LEVEL_CORE] = { .type = TOPO_TYPE_CORE, },
1238         [TOPO_LEVEL_THREAD] = { .type = TOPO_TYPE_PU, },
1239 };
1240
1241 static bool
1242 topo_analyze_table(struct topo_node *root, int all, enum topo_level level,
1243     struct topo_analysis *results)
1244 {
1245         struct topology_spec *spec;
1246         struct topo_node *node;
1247         int count;
1248
1249         if (level >= TOPO_LEVEL_COUNT)
1250                 return (true);
1251
1252         spec = &topology_level_table[level];
1253         count = 0;
1254         node = topo_next_node(root, root);
1255
1256         while (node != NULL) {
1257                 if (node->type != spec->type ||
1258                     (spec->match_subtype && node->subtype != spec->subtype)) {
1259                         node = topo_next_node(root, node);
1260                         continue;
1261                 }
1262                 if (!all && CPU_EMPTY(&node->cpuset)) {
1263                         node = topo_next_nonchild_node(root, node);
1264                         continue;
1265                 }
1266
1267                 count++;
1268
1269                 if (!topo_analyze_table(node, all, level + 1, results))
1270                         return (false);
1271
1272                 node = topo_next_nonchild_node(root, node);
1273         }
1274
1275         /* No explicit subgroups is essentially one subgroup. */
1276         if (count == 0) {
1277                 count = 1;
1278
1279                 if (!topo_analyze_table(root, all, level + 1, results))
1280                         return (false);
1281         }
1282
1283         if (results->entities[level] == -1)
1284                 results->entities[level] = count;
1285         else if (results->entities[level] != count)
1286                 return (false);
1287
1288         return (true);
1289 }
1290
1291 /*
1292  * Check if the topology is uniform, that is, each package has the same number
1293  * of cores in it and each core has the same number of threads (logical
1294  * processors) in it.  If so, calculate the number of packages, the number of
1295  * groups per package, the number of cachegroups per group, and the number of
1296  * logical processors per cachegroup.  'all' parameter tells whether to include
1297  * administratively disabled logical processors into the analysis.
1298  */
1299 int
1300 topo_analyze(struct topo_node *topo_root, int all,
1301     struct topo_analysis *results)
1302 {
1303
1304         results->entities[TOPO_LEVEL_PKG] = -1;
1305         results->entities[TOPO_LEVEL_CORE] = -1;
1306         results->entities[TOPO_LEVEL_THREAD] = -1;
1307         results->entities[TOPO_LEVEL_GROUP] = -1;
1308         results->entities[TOPO_LEVEL_CACHEGROUP] = -1;
1309
1310         if (!topo_analyze_table(topo_root, all, TOPO_LEVEL_PKG, results))
1311                 return (0);
1312
1313         KASSERT(results->entities[TOPO_LEVEL_PKG] > 0,
1314                 ("bug in topology or analysis"));
1315
1316         return (1);
1317 }
1318
1319 #endif /* SMP */