Quelle  qspinlock_paravirt.h   Sprache: C

/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
#ifndef _GEN_PV_LOCK_SLOWPATH
#error "do not include this file"
#endif

#include <linux/hash.h>
#include <linux/memblock.h>
#include <linux/debug_locks.h>

/*
 * Implement paravirt qspinlocks; the general idea is to halt the vcpus instead
 * of spinning them.
 *
 * This relies on the architecture to provide two paravirt hypercalls:
 *
 *   pv_wait(u8 *ptr, u8 val) -- suspends the vcpu if *ptr == val
 *   pv_kick(cpu)             -- wakes a suspended vcpu
 *
 * Using these we implement __pv_queued_spin_lock_slowpath() and
 * __pv_queued_spin_unlock() to replace native_queued_spin_lock_slowpath() and
 * native_queued_spin_unlock().
 */

#define _Q_SLOW_VAL (3U << _Q_LOCKED_OFFSET)

/*
 * Queue Node Adaptive Spinning
 *
 * A queue node vCPU will stop spinning if the vCPU in the previous node is
 * not running. The one lock stealing attempt allowed at slowpath entry
 * mitigates the slight slowdown for non-overcommitted guest with this
 * aggressive wait-early mechanism.
 *
 * The status of the previous node will be checked at fixed interval
 * controlled by PV_PREV_CHECK_MASK. This is to ensure that we won't
 * pound on the cacheline of the previous node too heavily.
 */
#define PV_PREV_CHECK_MASK 0xff

/*
 * Queue node uses: VCPU_RUNNING & VCPU_HALTED.
 * Queue head uses: VCPU_RUNNING & VCPU_HASHED.
 */
enum vcpu_state {
 VCPU_RUNNING = 0,
 VCPU_HALTED,  /* Used only in pv_wait_node */
 VCPU_HASHED,  /* = pv_hash'ed + VCPU_HALTED */
};

struct pv_node {
 struct mcs_spinlock mcs;
 int   cpu;
 u8   state;
};

/*
 * Hybrid PV queued/unfair lock
 *
 * By replacing the regular queued_spin_trylock() with the function below,
 * it will be called once when a lock waiter enter the PV slowpath before
 * being queued.
 *
 * The pending bit is set by the queue head vCPU of the MCS wait queue in
 * pv_wait_head_or_lock() to signal that it is ready to spin on the lock.
 * When that bit becomes visible to the incoming waiters, no lock stealing
 * is allowed. The function will return immediately to make the waiters
 * enter the MCS wait queue. So lock starvation shouldn't happen as long
 * as the queued mode vCPUs are actively running to set the pending bit
 * and hence disabling lock stealing.
 *
 * When the pending bit isn't set, the lock waiters will stay in the unfair
 * mode spinning on the lock unless the MCS wait queue is empty. In this
 * case, the lock waiters will enter the queued mode slowpath trying to
 * become the queue head and set the pending bit.
 *
 * This hybrid PV queued/unfair lock combines the best attributes of a
 * queued lock (no lock starvation) and an unfair lock (good performance
 * on not heavily contended locks).
 */
#define queued_spin_trylock(l) pv_hybrid_queued_unfair_trylock(l)
static inline bool pv_hybrid_queued_unfair_trylock(struct qspinlock *lock)
{
 /*
 * Stay in unfair lock mode as long as queued mode waiters are
 * present in the MCS wait queue but the pending bit isn't set.
 */
 for (;;) {
  int val = atomic_read(&lock->val);
  u8 old = 0;

  if (!(val & _Q_LOCKED_PENDING_MASK) &&
      try_cmpxchg_acquire(&lock->locked, &old, _Q_LOCKED_VAL)) {
   lockevent_inc(pv_lock_stealing);
   return true;
  }
  if (!(val & _Q_TAIL_MASK) || (val & _Q_PENDING_MASK))
   break;

  cpu_relax();
 }

 return false;
}

/*
 * The pending bit is used by the queue head vCPU to indicate that it
 * is actively spinning on the lock and no lock stealing is allowed.
 */
#if _Q_PENDING_BITS == 8
static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
{
 WRITE_ONCE(lock->pending, 1);
}

/*
 * The pending bit check in pv_queued_spin_steal_lock() isn't a memory
 * barrier. Therefore, an atomic cmpxchg_acquire() is used to acquire the
 * lock just to be sure that it will get it.
 */
static __always_inline bool trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
{
 u16 old = _Q_PENDING_VAL;

 return !READ_ONCE(lock->locked) &&
        try_cmpxchg_acquire(&lock->locked_pending, &old, _Q_LOCKED_VAL);
}
#else /* _Q_PENDING_BITS == 8 */
static __always_inline void set_pending(struct qspinlock *lock)
{
 atomic_or(_Q_PENDING_VAL, &lock->val);
}

static __always_inline bool trylock_clear_pending(struct qspinlock *lock)
{
 int old, new;

 old = atomic_read(&lock->val);
 do {
  if (old & _Q_LOCKED_MASK)
   return false;
  /*
 * Try to clear pending bit & set locked bit
 */
  new = (old & ~_Q_PENDING_MASK) | _Q_LOCKED_VAL;
 } while (!atomic_try_cmpxchg_acquire (&lock->val, &old, new));

 return true;
}
#endif /* _Q_PENDING_BITS == 8 */

/*
 * Lock and MCS node addresses hash table for fast lookup
 *
 * Hashing is done on a per-cacheline basis to minimize the need to access
 * more than one cacheline.
 *
 * Dynamically allocate a hash table big enough to hold at least 4X the
 * number of possible cpus in the system. Allocation is done on page
 * granularity. So the minimum number of hash buckets should be at least
 * 256 (64-bit) or 512 (32-bit) to fully utilize a 4k page.
 *
 * Since we should not be holding locks from NMI context (very rare indeed) the
 * max load factor is 0.75, which is around the point where open addressing
 * breaks down.
 *
 */
struct pv_hash_entry {
 struct qspinlock *lock;
 struct pv_node   *node;
};

#define PV_HE_PER_LINE (SMP_CACHE_BYTES / sizeof(struct pv_hash_entry))
#define PV_HE_MIN (PAGE_SIZE / sizeof(struct pv_hash_entry))

static struct pv_hash_entry *pv_lock_hash;
static unsigned int pv_lock_hash_bits __read_mostly;

/*
 * Allocate memory for the PV qspinlock hash buckets
 *
 * This function should be called from the paravirt spinlock initialization
 * routine.
 */
void __init __pv_init_lock_hash(void)
{
 int pv_hash_size = ALIGN(4 * num_possible_cpus(), PV_HE_PER_LINE);

 if (pv_hash_size < PV_HE_MIN)
  pv_hash_size = PV_HE_MIN;

 /*
 * Allocate space from bootmem which should be page-size aligned
 * and hence cacheline aligned.
 */
 pv_lock_hash = alloc_large_system_hash("PV qspinlock",
            sizeof(struct pv_hash_entry),
            pv_hash_size, 0,
            HASH_EARLY | HASH_ZERO,
            &pv_lock_hash_bits, NULL,
            pv_hash_size, pv_hash_size);
}

#define for_each_hash_entry(he, offset, hash)      \
 for (hash &= ~(PV_HE_PER_LINE - 1), he = &pv_lock_hash[hash], offset = 0; \
      offset < (1 << pv_lock_hash_bits);      \
      offset++, he = &pv_lock_hash[(hash + offset) & ((1 << pv_lock_hash_bits) - 1)])

static struct qspinlock **pv_hash(struct qspinlock *lock, struct pv_node *node)
{
 unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
 struct pv_hash_entry *he;
 int hopcnt = 0;

 for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
  struct qspinlock *old = NULL;
  hopcnt++;
  if (try_cmpxchg(&he->lock, &old, lock)) {
   WRITE_ONCE(he->node, node);
   lockevent_pv_hop(hopcnt);
   return &he->lock;
  }
 }
 /*
 * Hard assume there is a free entry for us.
 *
 * This is guaranteed by ensuring every blocked lock only ever consumes
 * a single entry, and since we only have 4 nesting levels per CPU
 * and allocated 4*nr_possible_cpus(), this must be so.
 *
 * The single entry is guaranteed by having the lock owner unhash
 * before it releases.
 */
 BUG();
}

static struct pv_node *pv_unhash(struct qspinlock *lock)
{
 unsigned long offset, hash = hash_ptr(lock, pv_lock_hash_bits);
 struct pv_hash_entry *he;
 struct pv_node *node;

 for_each_hash_entry(he, offset, hash) {
  if (READ_ONCE(he->lock) == lock) {
   node = READ_ONCE(he->node);
   WRITE_ONCE(he->lock, NULL);
   return node;
  }
 }
 /*
 * Hard assume we'll find an entry.
 *
 * This guarantees a limited lookup time and is itself guaranteed by
 * having the lock owner do the unhash -- IFF the unlock sees the
 * SLOW flag, there MUST be a hash entry.
 */
 BUG();
}

/*
 * Return true if when it is time to check the previous node which is not
 * in a running state.
 */
static inline bool
pv_wait_early(struct pv_node *prev, int loop)
{
 if ((loop & PV_PREV_CHECK_MASK) != 0)
  return false;

 return READ_ONCE(prev->state) != VCPU_RUNNING;
}

/*
 * Initialize the PV part of the mcs_spinlock node.
 */
static void pv_init_node(struct mcs_spinlock *node)
{
 struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;

 BUILD_BUG_ON(sizeof(struct pv_node) > sizeof(struct qnode));

 pn->cpu = smp_processor_id();
 pn->state = VCPU_RUNNING;
}

/*
 * Wait for node->locked to become true, halt the vcpu after a short spin.
 * pv_kick_node() is used to set _Q_SLOW_VAL and fill in hash table on its
 * behalf.
 */
static void pv_wait_node(struct mcs_spinlock *node, struct mcs_spinlock *prev)
{
 struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
 struct pv_node *pp = (struct pv_node *)prev;
 bool wait_early;
 int loop;

 for (;;) {
  for (wait_early = false, loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
   if (READ_ONCE(node->locked))
    return;
   if (pv_wait_early(pp, loop)) {
    wait_early = true;
    break;
   }
   cpu_relax();
  }

  /*
 * Order pn->state vs pn->locked thusly:
 *
 * [S] pn->state = VCPU_HALTED   [S] next->locked = 1
 *     MB       MB
 * [L] pn->locked [RmW] pn->state = VCPU_HASHED
 *
 * Matches the cmpxchg() from pv_kick_node().
 */
  smp_store_mb(pn->state, VCPU_HALTED);

  if (!READ_ONCE(node->locked)) {
   lockevent_inc(pv_wait_node);
   lockevent_cond_inc(pv_wait_early, wait_early);
   pv_wait(&pn->state, VCPU_HALTED);
  }

  /*
 * If pv_kick_node() changed us to VCPU_HASHED, retain that
 * value so that pv_wait_head_or_lock() knows to not also try
 * to hash this lock.
 */
  cmpxchg(&pn->state, VCPU_HALTED, VCPU_RUNNING);

  /*
 * If the locked flag is still not set after wakeup, it is a
 * spurious wakeup and the vCPU should wait again. However,
 * there is a pretty high overhead for CPU halting and kicking.
 * So it is better to spin for a while in the hope that the
 * MCS lock will be released soon.
 */
  lockevent_cond_inc(pv_spurious_wakeup,
      !READ_ONCE(node->locked));
 }

 /*
 * By now our node->locked should be 1 and our caller will not actually
 * spin-wait for it. We do however rely on our caller to do a
 * load-acquire for us.
 */
}

/*
 * Called after setting next->locked = 1 when we're the lock owner.
 *
 * Instead of waking the waiters stuck in pv_wait_node() advance their state
 * such that they're waiting in pv_wait_head_or_lock(), this avoids a
 * wake/sleep cycle.
 */
static void pv_kick_node(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
{
 struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
 u8 old = VCPU_HALTED;
 /*
 * If the vCPU is indeed halted, advance its state to match that of
 * pv_wait_node(). If OTOH this fails, the vCPU was running and will
 * observe its next->locked value and advance itself.
 *
 * Matches with smp_store_mb() and cmpxchg() in pv_wait_node()
 *
 * The write to next->locked in arch_mcs_spin_unlock_contended()
 * must be ordered before the read of pn->state in the cmpxchg()
 * below for the code to work correctly. To guarantee full ordering
 * irrespective of the success or failure of the cmpxchg(),
 * a relaxed version with explicit barrier is used. The control
 * dependency will order the reading of pn->state before any
 * subsequent writes.
 */
 smp_mb__before_atomic();
 if (!try_cmpxchg_relaxed(&pn->state, &old, VCPU_HASHED))
  return;

 /*
 * Put the lock into the hash table and set the _Q_SLOW_VAL.
 *
 * As this is the same vCPU that will check the _Q_SLOW_VAL value and
 * the hash table later on at unlock time, no atomic instruction is
 * needed.
 */
 WRITE_ONCE(lock->locked, _Q_SLOW_VAL);
 (void)pv_hash(lock, pn);
}

/*
 * Wait for l->locked to become clear and acquire the lock;
 * halt the vcpu after a short spin.
 * __pv_queued_spin_unlock() will wake us.
 *
 * The current value of the lock will be returned for additional processing.
 */
static u32
pv_wait_head_or_lock(struct qspinlock *lock, struct mcs_spinlock *node)
{
 struct pv_node *pn = (struct pv_node *)node;
 struct qspinlock **lp = NULL;
 int waitcnt = 0;
 int loop;

 /*
 * If pv_kick_node() already advanced our state, we don't need to
 * insert ourselves into the hash table anymore.
 */
 if (READ_ONCE(pn->state) == VCPU_HASHED)
  lp = (struct qspinlock **)1;

 /*
 * Tracking # of slowpath locking operations
 */
 lockevent_inc(lock_slowpath);

 for (;; waitcnt++) {
  /*
 * Set correct vCPU state to be used by queue node wait-early
 * mechanism.
 */
  WRITE_ONCE(pn->state, VCPU_RUNNING);

  /*
 * Set the pending bit in the active lock spinning loop to
 * disable lock stealing before attempting to acquire the lock.
 */
  set_pending(lock);
  for (loop = SPIN_THRESHOLD; loop; loop--) {
   if (trylock_clear_pending(lock))
    goto gotlock;
   cpu_relax();
  }
  clear_pending(lock);


  if (!lp) { /* ONCE */
   lp = pv_hash(lock, pn);

   /*
 * We must hash before setting _Q_SLOW_VAL, such that
 * when we observe _Q_SLOW_VAL in __pv_queued_spin_unlock()
 * we'll be sure to be able to observe our hash entry.
 *
 *   [S] <hash>                 [Rmw] l->locked == _Q_SLOW_VAL
 *       MB                           RMB
 * [RmW] l->locked = _Q_SLOW_VAL  [L] <unhash>
 *
 * Matches the smp_rmb() in __pv_queued_spin_unlock().
 */
   if (xchg(&lock->locked, _Q_SLOW_VAL) == 0) {
    /*
 * The lock was free and now we own the lock.
 * Change the lock value back to _Q_LOCKED_VAL
 * and unhash the table.
 */
    WRITE_ONCE(lock->locked, _Q_LOCKED_VAL);
    WRITE_ONCE(*lp, NULL);
    goto gotlock;
   }
  }
  WRITE_ONCE(pn->state, VCPU_HASHED);
  lockevent_inc(pv_wait_head);
  lockevent_cond_inc(pv_wait_again, waitcnt);
  pv_wait(&lock->locked, _Q_SLOW_VAL);

  /*
 * Because of lock stealing, the queue head vCPU may not be
 * able to acquire the lock before it has to wait again.
 */
 }

 /*
 * The cmpxchg() or xchg() call before coming here provides the
 * acquire semantics for locking. The dummy ORing of _Q_LOCKED_VAL
 * here is to indicate to the compiler that the value will always
 * be nozero to enable better code optimization.
 */
gotlock:
 return (u32)(atomic_read(&lock->val) | _Q_LOCKED_VAL);
}

/*
 * Include the architecture specific callee-save thunk of the
 * __pv_queued_spin_unlock(). This thunk is put together with
 * __pv_queued_spin_unlock() to make the callee-save thunk and the real unlock
 * function close to each other sharing consecutive instruction cachelines.
 * Alternatively, architecture specific version of __pv_queued_spin_unlock()
 * can be defined.
 */
#include <asm/qspinlock_paravirt.h>

/*
 * PV versions of the unlock fastpath and slowpath functions to be used
 * instead of queued_spin_unlock().
 */
__visible __lockfunc void
__pv_queued_spin_unlock_slowpath(struct qspinlock *lock, u8 locked)
{
 struct pv_node *node;

 if (unlikely(locked != _Q_SLOW_VAL)) {
  WARN(!debug_locks_silent,
       "pvqspinlock: lock 0x%lx has corrupted value 0x%x!\n",
       (unsigned long)lock, atomic_read(&lock->val));
  return;
 }

 /*
 * A failed cmpxchg doesn't provide any memory-ordering guarantees,
 * so we need a barrier to order the read of the node data in
 * pv_unhash *after* we've read the lock being _Q_SLOW_VAL.
 *
 * Matches the cmpxchg() in pv_wait_head_or_lock() setting _Q_SLOW_VAL.
 */
 smp_rmb();

 /*
 * Since the above failed to release, this must be the SLOW path.
 * Therefore start by looking up the blocked node and unhashing it.
 */
 node = pv_unhash(lock);

 /*
 * Now that we have a reference to the (likely) blocked pv_node,
 * release the lock.
 */
 smp_store_release(&lock->locked, 0);

 /*
 * At this point the memory pointed at by lock can be freed/reused,
 * however we can still use the pv_node to kick the CPU.
 * The other vCPU may not really be halted, but kicking an active
 * vCPU is harmless other than the additional latency in completing
 * the unlock.
 */
 lockevent_inc(pv_kick_unlock);
 pv_kick(node->cpu);
}

#ifndef __pv_queued_spin_unlock
__visible __lockfunc void __pv_queued_spin_unlock(struct qspinlock *lock)
{
 u8 locked = _Q_LOCKED_VAL;

 /*
 * We must not unlock if SLOW, because in that case we must first
 * unhash. Otherwise it would be possible to have multiple @lock
 * entries, which would be BAD.
 */
 if (try_cmpxchg_release(&lock->locked, &locked, 0))
  return;

 __pv_queued_spin_unlock_slowpath(lock, locked);
}
#endif /* __pv_queued_spin_unlock */