MEMBARRIER(2) Manuel du programmeur Linux MEMBARRIER(2)

membarrier - Poser des barrières mémoire sur un ensemble de threads

#include <linux/membarrier.h> /* Definition of MEMBARRIER_* constants */
#include <sys/syscall.h>      /* Definition of SYS_* constants */
#include <unistd.h>
int syscall(SYS_membarrier, int cmd, unsigned int flags, int cpu_id);

Note: glibc provides no wrapper for membarrier(), necessitating the use of syscall(2).

L'appel système membarrier() aide à réduire le temps-système des instructions de barrières mémoire nécessaire pour organiser les accès à la mémoire sur des systèmes à plusieurs cœurs. Cependant, cet appel système est plus lourd qu'une barrière mémoire, donc l'utiliser efficacement « n'est pas » aussi simple que de remplacer une barrière mémoire par cet appel système, mais nécessite de comprendre les détails ci-dessous.

L'utilisation de barrières mémoire doit se faire en tenant compte du fait qu'elles doivent soit être associées avec leurs homologues, ou que le modèle de mémoire de l'architecture n'a pas besoin de barrières associées.

Dans certains cas, une face des barrières associées (qu'on appellera la « face rapide ») est sollicitée beaucoup plus souvent que l'autre (qu'on appellera la « face lente »). C'est le motif principal pour utiliser membarrier(). L'idée clé est de remplacer, pour ces barrières associées, les barrières mémoire de la face rapide par de simples barrières du compilateur, par exemple :


asm volatile ("" : : : "memory")

et de remplacer les barrières mémoire de la face lente par des appels à membarrier().

Cela ajoutera du temps-système à la face lente et en supprimera de la face rapide, d'où une augmentation globale de performances tant que la face lente est si peu utilisée que le temps-système d'appels membarrier() ne l’emporte pas sur le gain de performance de la face rapide.

Le paramètre cmd est l'un des suivants :

Rechercher l'ensemble des commandes prises en charge. Le code de retour de l'appel est un masque de bits des commandes prises en charge. MEMBARRIER_CMD_QUERY, dont la valeur est 0, n'est pas inclus dans ce masque de bits. Cette commande est toujours prise en charge (sur les noyaux où membarrier() est fourni).
S'assurer que tous les threads de tous les processus du système passent par un état où tous les accès mémoire aux adresses de l'espace utilisateur correspondent à l'organisation du programme entre l'entrée et le retour de l'appel système membarrier(). Tous les threads du système sont visés par cette commande.
Mettre une barrière mémoire sur tous les threads en cours de tous les processus qui se sont enregistrés précédemment avec MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED.
Lors du retour de l'appel système, le thread appelant a la garantie que tous les threads en cours sont passés par un état où tous les accès mémoire aux adresses de l'espace utilisateur correspondent à l'organisation du programme entre l'entrée et le retour de l'appel système (les threads non en cours sont dans cet état de facto). Cette garantie n'est apportée qu'aux threads des processus qui se sont précédemment enregistrés avec MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED.
Étant donné que l'enregistrement concerne l'intention de recevoir des barrières, il est possible d'appeler MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED à partir d’un processus qui n’a pas utilisé MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED.
Les commandes « accélérées » (expedited) se terminent plus vite que celles non accélérées ; elles ne se bloquent jamais, mais elles causent aussi un temps-système supplémentaire.
Enregistrer l'intention du processus de recevoir des barrières mémoire MEMBARRIER_CMD_GLOBAL_EXPEDITED.
Poser une barrière mémoire sur chaque thread en cours appartenant au même processus que le thread appelant.
Au retour de l'appel système, le thread appelant a la garantie que tous ses homologues en cours passent par un état où tous les accès mémoire aux adresses de l'espace utilisateur correspondent à l'ordre du programme entre l'entrée et le retour de l'appel système (les threads non en cours sont dans cet état de facto). Cette garantie n'est apportée qu'aux threads du même processus que le thread appelant.
Les commandes « accélérées » (expedited) se terminent plus vite que celles non accélérées ; elles ne se bloquent jamais, mais elles causent aussi un temps-système supplémentaire.
Un processus doit enregistrer son intention d'utiliser la commande accélérée privée avant de le faire.
Enregistrer l'intention du processus d'utiliser MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED.
Outre les garanties d'organisation de la mémoire décrites dans MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED, lors du retour de l'appel système, le thread appelant a la garantie que tous ses homologues ont exécuté une instruction de sérialisation du cœur. Cette garantie n'est apportée que pour les threads du même processus que celui appelant.
Les commandes « accélérées » se terminent plus vite que celles non accélérées, elles ne se bloquent jamais, mais demandent aussi un temps-système supplémentaire.
Un processus doit enregistrer son intention d'utiliser la commande accélérée privée de synchronisation de cœur avant de le faire.
Enregistrer l'intention du processus d'utiliser MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE.
Assurer au thread appelant, pendant le retour de l'appel système, que tous ses homologues en cours ont toutes les sections critiques rseq (restartable sequence) en cours redémarrées si le paramètre flags vaut 0 ; s'il vaut MEMBARRIER_CMD_FLAG_CPU, cette opération n'est effectuée que sur le processeur indiqué par cpu_id. Cette garantie n'est apportée qu'aux threads du même processus que le thread appelant.
RSEQ membarrier n'est disponible que sous la forme « private expedited ».
Un processus doit enregistrer son intention d'utiliser la commande accélérée privée rseq avant de le faire.
Enregistrer l'intention du processus d'utiliser MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_RSEQ.
Il s'agit d'un alias pour MEMBARRIER_CMD_GLOBAL pour la rétrocompatibilité de l'entête.

Le paramètre flags doit être indiqué en tant que 0, sauf si la commande est MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_RSEQ, auquel cas flags peut être soit 0, soit MEMBARRIER_CMD_FLAG_CPU.

Le paramètre cpu_id est ignoré sauf si flags est MEMBARRIER_CMD_FLAG_CPU, auquel cas il doit indiquer le processeur ciblé par cette commande membarrier.

Tous les accès mémoire effectués dans l'organisation du programme à partir de chaque thread visé sont garantis d'être organisés par rapport à membarrier().

Si nous utilisons la sémantique barrier() pour représenter une barrière du compilateur qui force les accès mémoire à s'opérer dans l'ordre du programme le long des barrières, et smp_mb() pour représenter les barrières explicites de la mémoire qui forcent toute la mémoire à s'organiser le long de la barrière, nous obtenons le tableau d'organisation suivant pour chaque paire de barrier(), membarrier() et smp_mb(). L'organisation de la paire est détaillée ainsi (O : organisée, X : non organisée) :


barrier() smp_mb() membarrier()
barrier() X X O
smp_mb() X O O
membarrier() O O O

On success, the MEMBARRIER_CMD_QUERY operation returns a bit mask of supported commands, and the MEMBARRIER_CMD_GLOBAL, MEMBARRIER_CMD_GLOBAL_EXPEDITED, MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED, MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED, MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED, MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE, and MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE operations return zero. On error, -1 is returned, and errno is set to indicate the error.

Pour une commande donnée, quand flags est positionné sur 0, cet appel système est garanti de renvoyer toujours la même valeur jusqu'au redémarrage. Les appels suivants ayant les mêmes paramètres conduiront au même résultat. Donc, quand flags est positionné sur 0, une gestion des erreurs n'est nécessaire que pour le premier appel à membarrier().

cmd n'est pas valable ou flags ne vaut pas zéro ou la commande MEMBARRIER_CMD_GLOBAL est désactivée car le paramètre nohz_full du processeur a été positionné ou les commandes MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE et MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE ne sont pas implémentées par l'architecture.
L'appel système membarrier() n'est pas implémenté par ce noyau.
Le processus actuel n'était pas enregistré avant d'utiliser les commandes accélérées privées.

L'appel système membarrier() a été ajouté dans Linux 4.3.

Avant Linux 5.10, le prototype de membarrier() était :


int membarrier(int cmd, int flags);

membarrier() est spécifique à Linux.

Une instruction de barrière mémoire fait partie du jeu d'instructions des architectures ayant des modèles de mémoire faiblement organisés. Elle organise les accès mémoire avant et après la barrière par rapport à celles correspondantes sur les autres cœurs. Par exemple, une barrière de charge peut organiser les charges avant et après elle par rapport aux stockages conservés dans les barrières de stockage.

L'organisation du programme est l'ordre dans lequel les instructions sont ordonnées dans le code d'assembleur du programme.

Parmi les exemples où membarrier() peut être utile, figurent les implémentations des bibliothèques Read-Copy-Update et des ramasse-miettes

Supposons une application multithreadée où « fast_path() » est exécutée très souvent et où « slow_path() » l'est rarement, alors le code suivant (x86) peut être transformé en utilisant membarrier() :


#include <stdlib.h>
static volatile int a, b;
static void
fast_path(int *read_b)
{

a = 1;
asm volatile ("mfence" : : : "memory");
*read_b = b; } static void slow_path(int *read_a) {
b = 1;
asm volatile ("mfence" : : : "memory");
*read_a = a; } int main(int argc, char *argv[]) {
int read_a, read_b;
/*
* De vraies applications appelleraient fast_path() et slow_path()
* à partir de différents threads. Appel à partir de main()
* pour garder cet exemple court.
*/
slow_path(&read_a);
fast_path(&read_b);
/*
* read_b == 0 implique que read_a == 1 et
* read_a == 0 implique que read_b == 1.
*/
if (read_b == 0 && read_a == 0)
abort();
exit(EXIT_SUCCESS); }

Le code ci-dessus transformé pour utiliser membarrier() donne :


#define _GNU_SOURCE
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <linux/membarrier.h>
static volatile int a, b;
static int
membarrier(int cmd, unsigned int flags, int cpu_id)
{

return syscall(__NR_membarrier, cmd, flags, cpu_id); } static int init_membarrier(void) {
int ret;
/* Vérifier que membarrier() est pris en charge. */
ret = membarrier(MEMBARRIER_CMD_QUERY, 0, 0);
if (ret < 0) {
perror("membarrier");
return -1;
}
if (!(ret & MEMBARRIER_CMD_GLOBAL)) {
fprintf(stderr,
"membarrier ne gère pas MEMBARRIER_CMD_GLOBAL\n");
return -1;
}
return 0; } static void fast_path(int *read_b) {
a = 1;
asm volatile ("" : : : "memory");
*read_b = b; } static void slow_path(int *read_a) {
b = 1;
membarrier(MEMBARRIER_CMD_GLOBAL, 0, 0);
*read_a = a; } int main(int argc, char *argv[]) {
int read_a, read_b;
if (init_membarrier())
exit(EXIT_FAILURE);
/*
* De vraies applications appelleraient fast_path() et slow_path()
* à partir de différents threads. Appel à partir de main()
* pour garder cet exemple court.
*/
slow_path(&read_a);
fast_path(&read_b);
/*
* read_b == 0 implique que read_a == 1 et
* read_a == 0 implique que read_b == 1.
*/
if (read_b == 0 && read_a == 0)
abort();
exit(EXIT_SUCCESS); }

Cette page fait partie de la publication 5.13 du projet man-pages Linux. Une description du projet et des instructions pour signaler des anomalies et la dernière version de cette page peuvent être trouvées à l'adresse https://www.kernel.org/doc/man-pages/.

La traduction française de cette page de manuel a été créée par Christophe Blaess https://www.blaess.fr/christophe/, Stéphan Rafin <stephan.rafin@laposte.net>, Thierry Vignaud <tvignaud@mandriva.com>, François Micaux, Alain Portal <aportal@univ-montp2.fr>, Jean-Philippe Guérard <fevrier@tigreraye.org>, Jean-Luc Coulon (f5ibh) <jean-luc.coulon@wanadoo.fr>, Julien Cristau <jcristau@debian.org>, Thomas Huriaux <thomas.huriaux@gmail.com>, Nicolas François <nicolas.francois@centraliens.net>, Florentin Duneau <fduneau@gmail.com>, Simon Paillard <simon.paillard@resel.enst-bretagne.fr>, Denis Barbier <barbier@debian.org>, David Prévot <david@tilapin.org> et Jean-Philippe MENGUAL <jpmengual@debian.org>

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27 août 2021 Linux