]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/stable/10.git/blob - share/man/man9/mutex.9
MFC: r275751
[FreeBSD/stable/10.git] / share / man / man9 / mutex.9
1 .\"
2 .\" Copyright (c) 1998 Berkeley Software Design, Inc. All rights reserved.
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 .\" 3. Berkeley Software Design Inc's name may not be used to endorse or
13 .\"    promote products derived from this software without specific prior
14 .\"    written permission.
15 .\"
16 .\" THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY BERKELEY SOFTWARE DESIGN INC ``AS IS'' AND
17 .\" ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
18 .\" IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
19 .\" ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL BERKELEY SOFTWARE DESIGN INC BE LIABLE
20 .\" FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
21 .\" DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
22 .\" OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
23 .\" HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
24 .\" LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
25 .\" OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
26 .\" SUCH DAMAGE.
27 .\"
28 .\"     from BSDI $Id: mutex.4,v 1.1.2.3 1998/04/27 22:53:13 ewv Exp $
29 .\" $FreeBSD$
30 .\"
31 .Dd July 18, 2016
32 .Dt MUTEX 9
33 .Os
34 .Sh NAME
35 .Nm mutex ,
36 .Nm mtx_init ,
37 .Nm mtx_destroy ,
38 .Nm mtx_lock ,
39 .Nm mtx_lock_spin ,
40 .Nm mtx_lock_flags ,
41 .Nm mtx_lock_spin_flags ,
42 .Nm mtx_trylock ,
43 .Nm mtx_trylock_flags ,
44 .Nm mtx_trylock_spin ,
45 .Nm mtx_trylock_spin_flags ,
46 .Nm mtx_unlock ,
47 .Nm mtx_unlock_spin ,
48 .Nm mtx_unlock_flags ,
49 .Nm mtx_unlock_spin_flags ,
50 .Nm mtx_sleep ,
51 .Nm mtx_initialized ,
52 .Nm mtx_owned ,
53 .Nm mtx_recursed ,
54 .Nm mtx_assert ,
55 .Nm MTX_SYSINIT
56 .Nd kernel synchronization primitives
57 .Sh SYNOPSIS
58 .In sys/param.h
59 .In sys/lock.h
60 .In sys/mutex.h
61 .Ft void
62 .Fn mtx_init "struct mtx *mutex" "const char *name" "const char *type" "int opts"
63 .Ft void
64 .Fn mtx_destroy "struct mtx *mutex"
65 .Ft void
66 .Fn mtx_lock "struct mtx *mutex"
67 .Ft void
68 .Fn mtx_lock_spin "struct mtx *mutex"
69 .Ft void
70 .Fn mtx_lock_flags "struct mtx *mutex" "int flags"
71 .Ft void
72 .Fn mtx_lock_spin_flags "struct mtx *mutex" "int flags"
73 .Ft int
74 .Fn mtx_trylock "struct mtx *mutex"
75 .Ft int
76 .Fn mtx_trylock_flags "struct mtx *mutex" "int flags"
77 .Ft void
78 .Fn mtx_trylock_spin "struct mtx *mutex"
79 .Ft int
80 .Fn mtx_trylock_spin_flags "struct mtx *mutex" "int flags"
81 .Ft void
82 .Fn mtx_unlock "struct mtx *mutex"
83 .Ft void
84 .Fn mtx_unlock_spin "struct mtx *mutex"
85 .Ft void
86 .Fn mtx_unlock_flags "struct mtx *mutex" "int flags"
87 .Ft void
88 .Fn mtx_unlock_spin_flags "struct mtx *mutex" "int flags"
89 .Ft int
90 .Fn mtx_sleep "void *chan" "struct mtx *mtx" "int priority" "const char *wmesg" "int timo"
91 .Ft int
92 .Fn mtx_initialized "const struct mtx *mutex"
93 .Ft int
94 .Fn mtx_owned "const struct mtx *mutex"
95 .Ft int
96 .Fn mtx_recursed "const struct mtx *mutex"
97 .Pp
98 .Cd "options INVARIANTS"
99 .Cd "options INVARIANT_SUPPORT"
100 .Ft void
101 .Fn mtx_assert "const struct mtx *mutex" "int what"
102 .In sys/kernel.h
103 .Fn MTX_SYSINIT "name" "struct mtx *mtx" "const char *description" "int opts"
104 .Sh DESCRIPTION
105 Mutexes are the most basic and primary method of thread synchronization.
106 The major design considerations for mutexes are:
107 .Bl -enum
108 .It
109 Acquiring and releasing uncontested mutexes should be as cheap
110 as possible.
111 .It
112 They must have the information and storage space to support
113 priority propagation.
114 .It
115 A thread must be able to recursively acquire a mutex,
116 provided that the mutex is initialized to support recursion.
117 .El
118 .Pp
119 There are currently two flavors of mutexes, those that context switch
120 when they block and those that do not.
121 .Pp
122 By default,
123 .Dv MTX_DEF
124 mutexes will context switch when they are already held.
125 As an optimization,
126 they may spin for some amount
127 of time before context switching.
128 It is important to remember that since a thread may be preempted at any time,
129 the possible context switch introduced by acquiring a mutex is guaranteed
130 to not break anything that is not already broken.
131 .Pp
132 Mutexes which do not context switch are
133 .Dv MTX_SPIN
134 mutexes.
135 These should only be used to protect data shared with primary interrupt
136 code.
137 This includes interrupt filters and low level scheduling code.
138 In all architectures both acquiring and releasing of a
139 uncontested spin mutex is more expensive than the same operation
140 on a non-spin mutex.
141 In order to protect an interrupt service routine from blocking
142 against itself all interrupts are either blocked or deferred on a processor
143 while holding a spin lock.
144 It is permissible to hold multiple spin mutexes.
145 .Pp
146 Once a spin mutex has been acquired it is not permissible to acquire a
147 blocking mutex.
148 .Pp
149 The storage needed to implement a mutex is provided by a
150 .Vt struct mtx .
151 In general this should be treated as an opaque object and
152 referenced only with the mutex primitives.
153 .Pp
154 The
155 .Fn mtx_init
156 function must be used to initialize a mutex
157 before it can be passed to any of the other mutex functions.
158 The
159 .Fa name
160 option is used to identify the lock in debugging output etc.
161 The
162 .Fa type
163 option is used by the witness code to classify a mutex when doing checks
164 of lock ordering.
165 If
166 .Fa type
167 is
168 .Dv NULL ,
169 .Fa name
170 is used in its place.
171 The pointer passed in as
172 .Fa name
173 and
174 .Fa type
175 is saved rather than the data it points to.
176 The data pointed to must remain stable
177 until the mutex is destroyed.
178 The
179 .Fa opts
180 argument is used to set the type of mutex.
181 It may contain either
182 .Dv MTX_DEF
183 or
184 .Dv MTX_SPIN
185 but not both.
186 If the kernel has been compiled with
187 .Cd "option INVARIANTS" ,
188 .Fn mtx_init
189 will assert that the
190 .Fa mutex
191 has not been initialized multiple times without intervening calls to
192 .Fn mtx_destroy
193 unless the
194 .Dv MTX_NEW
195 option is specified.
196 See below for additional initialization options.
197 .Pp
198 The
199 .Fn mtx_lock
200 function acquires a
201 .Dv MTX_DEF
202 mutual exclusion lock
203 on behalf of the currently running kernel thread.
204 If another kernel thread is holding the mutex,
205 the caller will be disconnected from the CPU
206 until the mutex is available
207 (i.e., it will block).
208 .Pp
209 The
210 .Fn mtx_lock_spin
211 function acquires a
212 .Dv MTX_SPIN
213 mutual exclusion lock
214 on behalf of the currently running kernel thread.
215 If another kernel thread is holding the mutex,
216 the caller will spin until the mutex becomes available.
217 Interrupts are disabled during the spin and remain disabled
218 following the acquiring of the lock.
219 .Pp
220 It is possible for the same thread to recursively acquire a mutex
221 with no ill effects, provided that the
222 .Dv MTX_RECURSE
223 bit was passed to
224 .Fn mtx_init
225 during the initialization of the mutex.
226 .Pp
227 The
228 .Fn mtx_lock_flags
229 and
230 .Fn mtx_lock_spin_flags
231 functions acquire a
232 .Dv MTX_DEF
233 or
234 .Dv MTX_SPIN
235 lock, respectively, and also accept a
236 .Fa flags
237 argument.
238 In both cases, the only flags presently available for lock acquires are
239 .Dv MTX_QUIET
240 and
241 .Dv MTX_RECURSE .
242 If the
243 .Dv MTX_QUIET
244 bit is turned on in the
245 .Fa flags
246 argument, then if
247 .Dv KTR_LOCK
248 tracing is being done,
249 it will be silenced during the lock acquire.
250 If the
251 .Dv MTX_RECURSE
252 bit is turned on in the
253 .Fa flags
254 argument, then the mutex can be acquired recursively.
255 .Pp
256 The
257 .Fn mtx_trylock
258 and
259 .Fn mtx_trylock_spin
260 functions attempt to acquire a
261 .Dv MTX_DEF
262 or
263 .Dv MTX_SPIN
264 mutex, respectively, pointed to by
265 .Fa mutex .
266 If the mutex cannot be immediately acquired, the functions will return 0,
267 otherwise the mutex will be acquired and a non-zero value will be returned.
268 .Pp
269 The
270 .Fn mtx_trylock_flags
271 and
272 .Fn mtx_trylock_spin_flags
273 functions have the same behavior as
274 .Fn mtx_trylock
275 and
276 .Fn mtx_trylock_spin
277 respectively, but should be used when the caller desires to pass in a
278 .Fa flags
279 value.
280 Presently, the only valid value in the
281 .Fn mtx_trylock
282 and
283 .Fn mtx_trylock_spin
284 cases is
285 .Dv MTX_QUIET ,
286 and its effects are identical to those described for
287 .Fn mtx_lock
288 above.
289 .Pp
290 The
291 .Fn mtx_unlock
292 function releases a
293 .Dv MTX_DEF
294 mutual exclusion lock.
295 The current thread may be preempted if a higher priority thread is waiting
296 for the mutex.
297 .Pp
298 The
299 .Fn mtx_unlock_spin
300 function releases a
301 .Dv MTX_SPIN
302 mutual exclusion lock.
303 .Pp
304 The
305 .Fn mtx_unlock_flags
306 and
307 .Fn mtx_unlock_spin_flags
308 functions behave in exactly the same way as do the standard mutex
309 unlock routines above, while also allowing a
310 .Fa flags
311 argument which may specify
312 .Dv MTX_QUIET .
313 The behavior of
314 .Dv MTX_QUIET
315 is identical to its behavior in the mutex lock routines.
316 .Pp
317 The
318 .Fn mtx_destroy
319 function is used to destroy
320 .Fa mutex
321 so the data associated with it may be freed
322 or otherwise overwritten.
323 Any mutex which is destroyed
324 must previously have been initialized with
325 .Fn mtx_init .
326 It is permissible to have a single hold count
327 on a mutex when it is destroyed.
328 It is not permissible to hold the mutex recursively,
329 or have another thread blocked on the mutex
330 when it is destroyed.
331 .Pp
332 The
333 .Fn mtx_sleep
334 function is used to atomically release
335 .Fa mtx
336 while waiting for an event.
337 For more details on the parameters to this function,
338 see
339 .Xr sleep 9 .
340 .Pp
341 The
342 .Fn mtx_initialized
343 function returns non-zero if
344 .Fa mutex
345 has been initialized and zero otherwise.
346 .Pp
347 The
348 .Fn mtx_owned
349 function returns non-zero
350 if the current thread holds
351 .Fa mutex .
352 If the current thread does not hold
353 .Fa mutex
354 zero is returned.
355 .Pp
356 The
357 .Fn mtx_recursed
358 function returns non-zero if the
359 .Fa mutex
360 is recursed.
361 This check should only be made if the running thread already owns
362 .Fa mutex .
363 .Pp
364 The
365 .Fn mtx_assert
366 function allows assertions specified in
367 .Fa what
368 to be made about
369 .Fa mutex .
370 If the assertions are not true and the kernel is compiled with
371 .Cd "options INVARIANTS"
372 and
373 .Cd "options INVARIANT_SUPPORT" ,
374 the kernel will panic.
375 Currently the following assertions are supported:
376 .Bl -tag -width MA_NOTRECURSED
377 .It Dv MA_OWNED
378 Assert that the current thread
379 holds the mutex
380 pointed to by the first argument.
381 .It Dv MA_NOTOWNED
382 Assert that the current thread
383 does not hold the mutex
384 pointed to by the first argument.
385 .It Dv MA_RECURSED
386 Assert that the current thread has recursed on the mutex
387 pointed to by the first argument.
388 This assertion is only valid in conjunction with
389 .Dv MA_OWNED .
390 .It Dv MA_NOTRECURSED
391 Assert that the current thread has not recursed on the mutex
392 pointed to by the first argument.
393 This assertion is only valid in conjunction with
394 .Dv MA_OWNED .
395 .El
396 .Pp
397 The
398 .Fn MTX_SYSINIT
399 macro is used to generate a call to the
400 .Fn mtx_sysinit
401 routine at system startup in order to initialize a given mutex lock.
402 The parameters are the same as
403 .Fn mtx_init
404 but with an additional argument,
405 .Fa name ,
406 that is used in generating unique variable names for the related structures associated with the lock and the sysinit routine.
407 .Ss The Default Mutex Type
408 Most kernel code should use the default lock type,
409 .Dv MTX_DEF .
410 The default lock type will allow the thread
411 to be disconnected from the CPU
412 if the lock is already held by another thread.
413 The implementation
414 may treat the lock as a short term spin lock
415 under some circumstances.
416 However, it is always safe to use these forms of locks
417 in an interrupt thread
418 without fear of deadlock
419 against an interrupted thread on the same CPU.
420 .Ss The Spin Mutex Type
421 A
422 .Dv MTX_SPIN
423 mutex will not relinquish the CPU
424 when it cannot immediately get the requested lock,
425 but will loop, waiting for the mutex to be released by another CPU.
426 This could result in deadlock
427 if another thread interrupted the thread which held a mutex
428 and then tried to acquire the mutex.
429 For this reason spin locks disable all interrupts on the local CPU.
430 .Pp
431 Spin locks are fairly specialized locks
432 that are intended to be held for very short periods of time.
433 Their primary purpose is to protect portions of the code
434 that implement other synchronization primitives such as default mutexes,
435 thread scheduling, and interrupt threads.
436 .Ss Initialization Options
437 The options passed in the
438 .Fa opts
439 argument of
440 .Fn mtx_init
441 specify the mutex type.
442 One of the
443 .Dv MTX_DEF
444 or
445 .Dv MTX_SPIN
446 options is required and only one of those two options may be specified.
447 The possibilities are:
448 .Bl -tag -width MTX_NOWITNESS
449 .It Dv MTX_DEF
450 Default mutexes
451 will always allow the current thread to be suspended
452 to avoid deadlock conditions against interrupt threads.
453 The implementation of this lock type
454 may spin for a while before suspending the current thread.
455 .It Dv MTX_SPIN
456 Spin mutexes
457 will never relinquish the CPU.
458 All interrupts are disabled on the local CPU
459 while any spin lock is held.
460 .It Dv MTX_RECURSE
461 Specifies that the initialized mutex is allowed to recurse.
462 This bit must be present if the mutex is permitted to recurse.
463 .Pp
464 Note that neither
465 .Fn mtx_trylock
466 nor
467 .Fn mtx_trylock_spin
468 support recursion;
469 that is, attempting to acquire an already-owned mutex fails.
470 .It Dv MTX_QUIET
471 Do not log any mutex operations for this lock.
472 .It Dv MTX_NOWITNESS
473 Instruct
474 .Xr witness 4
475 to ignore this lock.
476 .It Dv MTX_DUPOK
477 Witness should not log messages about duplicate locks being acquired.
478 .It Dv MTX_NOPROFILE
479 Do not profile this lock.
480 .It Dv MTX_NEW
481 Do not check for double-init.
482 .El
483 .Ss Lock and Unlock Flags
484 The flags passed to the
485 .Fn mtx_lock_flags ,
486 .Fn mtx_lock_spin_flags ,
487 .Fn mtx_unlock_flags ,
488 and
489 .Fn mtx_unlock_spin_flags
490 functions provide some basic options to the caller,
491 and are often used only under special circumstances to modify lock or
492 unlock behavior.
493 Standard locking and unlocking should be performed with the
494 .Fn mtx_lock ,
495 .Fn mtx_lock_spin ,
496 .Fn mtx_unlock ,
497 and
498 .Fn mtx_unlock_spin
499 functions.
500 Only if a flag is required should the corresponding
501 flags-accepting routines be used.
502 .Pp
503 Options that modify mutex behavior:
504 .Bl -tag -width MTX_QUIET
505 .It Dv MTX_QUIET
506 This option is used to quiet logging messages during individual mutex
507 operations.
508 This can be used to trim superfluous logging messages for debugging purposes.
509 .El
510 .Ss Giant
511 If
512 .Va Giant
513 must be acquired, it must be acquired prior to acquiring
514 other mutexes.
515 Put another way: it is impossible to acquire
516 .Va Giant
517 non-recursively while
518 holding another mutex.
519 It is possible to acquire other mutexes while holding
520 .Va Giant ,
521 and it is possible to acquire
522 .Va Giant
523 recursively while holding other mutexes.
524 .Ss Sleeping
525 Sleeping while holding a mutex (except for
526 .Va Giant )
527 is never safe
528 and should be avoided.
529 There are numerous assertions which will fail if this is attempted.
530 .Ss Functions Which Access Memory in Userspace
531 No mutexes should be held (except for
532 .Va Giant )
533 across functions which
534 access memory in userspace, such as
535 .Xr copyin 9 ,
536 .Xr copyout 9 ,
537 .Xr uiomove 9 ,
538 .Xr fuword 9 ,
539 etc.
540 No locks are needed when calling these functions.
541 .Sh SEE ALSO
542 .Xr condvar 9 ,
543 .Xr LOCK_PROFILING 9 ,
544 .Xr locking 9 ,
545 .Xr mtx_pool 9 ,
546 .Xr panic 9 ,
547 .Xr rwlock 9 ,
548 .Xr sema 9 ,
549 .Xr sleep 9 ,
550 .Xr sx 9
551 .Sh HISTORY
552 These
553 functions appeared in
554 .Bsx 4.1
555 and
556 .Fx 5.0 .
557 The
558 .Fn mtx_trylock_spin
559 function was added in
560 .Fx 12.0 .