sys/sys/seqc.h

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2014 Mateusz Guzik <mjg@FreeBSD.org>
   3  *
   4  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   5  * modification, are permitted provided that the following conditions
   6  * are met:
   7  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
   8  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
   9  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  10  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  11  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  12  *
  13  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  14  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  15  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  16  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  17  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  18  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  19  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  20  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  21  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  22  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  23  * SUCH DAMAGE.
  24  *
  25  * $FreeBSD$
  26  */
  27
  28 #ifndef _SYS_SEQC_H_
  29 #define _SYS_SEQC_H_
  30
  31 #ifdef _KERNEL
  32 #include <sys/systm.h>
  33 #endif
  34 #include <sys/types.h>
  35
  36 /*
  37  * seqc_t may be included in structs visible to userspace
  38  */
  39 typedef uint32_t seqc_t;
  40
  41 #ifdef _KERNEL
  42
  43 /*
  44  * seqc allows readers and writers to work with a consistent snapshot. Modifying
  45  * operations must be enclosed within a transaction delineated by
  46  * seqc_write_beg/seqc_write_end. The trick works by having the writer increment
  47  * the seqcuence number twice, at the beginning and end of the transaction.
  48  * The reader detects that the seqcuence number has not changed between its start
  49  * and end, and that the seqcuence number is even, to validate consistency.
  50  *
  51  * Some fencing (both hard fencing and compiler barriers) may be needed,
  52  * depending on the cpu. Modern AMD cpus provide strong enough guarantees to not
  53  * require any fencing by the reader or writer.
  54  *
  55  * Example usage:
  56  *
  57  * writers:
  58  *     lock_exclusive(&obj->lock);
  59  *     seqc_write_begin(&obj->seqc);
  60  *     obj->var1 = ...;
  61  *     obj->var2 = ...;
  62  *     seqc_write_end(&obj->seqc);
  63  *     unlock_exclusive(&obj->lock);
  64  *
  65  * readers:
  66  *    int var1, var2;
  67  *    seqc_t seqc;
  68  *
  69  *    for (;;) {
  70  *            seqc = seqc_read(&obj->seqc);
  71  *            var1 = obj->var1;
  72  *            var2 = obj->var2;
  73  *            if (seqc_consistent(&obj->seqc, seqc))
  74  *                   break;
  75  *    }
  76  *    .....
  77  *
  78  * Writers may not block or sleep in any way.
  79  *
  80  * There are 2 minor caveats in this implementation:
  81  *
  82  * 1. There is no guarantee of progress. That is, a large number of writers can
  83  * interfere with the execution of the readers and cause the code to live-lock
  84  * in a loop trying to acquire a consistent snapshot.
  85  *
  86  * 2. If the reader loops long enough, the counter may overflow and eventually
  87  * wrap back to its initial value, fooling the reader into accepting the
  88  * snapshot.  Given that this needs 4 billion transactional writes across a
  89  * single contended reader, it is unlikely to ever happen.
  90  */
  91
  92 /* A hack to get MPASS macro */
  93 #include <sys/lock.h>
  94
  95 #include <machine/cpu.h>
  96
  97 static __inline bool
  98 seqc_in_modify(seqc_t seqcp)
  99 {
 100
 101         return (seqcp & 1);
 102 }
 103
 104 static __inline void
 105 seqc_write_begin(seqc_t *seqcp)
 106 {
 107
 108         critical_enter();
 109         MPASS(!seqc_in_modify(*seqcp));
 110         *seqcp += 1;
 111         atomic_thread_fence_rel();
 112 }
 113
 114 static __inline void
 115 seqc_write_end(seqc_t *seqcp)
 116 {
 117
 118         atomic_store_rel_int(seqcp, *seqcp + 1);
 119         MPASS(!seqc_in_modify(*seqcp));
 120         critical_exit();
 121 }
 122
 123 static __inline seqc_t
 124 seqc_read(const seqc_t *seqcp)
 125 {
 126         seqc_t ret;
 127
 128         for (;;) {
 129                 ret = atomic_load_acq_int(__DECONST(seqc_t *, seqcp));
 130                 if (seqc_in_modify(ret)) {
 131                         cpu_spinwait();
 132                         continue;
 133                 }
 134                 break;
 135         }
 136
 137         return (ret);
 138 }
 139
 140 static __inline seqc_t
 141 seqc_consistent_nomb(const seqc_t *seqcp, seqc_t oldseqc)
 142 {
 143
 144         return (*seqcp == oldseqc);
 145 }
 146
 147 static __inline seqc_t
 148 seqc_consistent(const seqc_t *seqcp, seqc_t oldseqc)
 149 {
 150
 151         atomic_thread_fence_acq();
 152         return (seqc_consistent_nomb(seqcp, oldseqc));
 153 }
 154
 155 #endif  /* _KERNEL */
 156 #endif  /* _SYS_SEQC_H_ */