xref: /linux/Documentation/translations/sp_SP/memory-barriers.txt (revision c532de5a67a70f8533d495f8f2aaa9a0491c3ad0)
1NOTE:
2This is a version of Documentation/memory-barriers.txt translated into
3Spanish by Carlos Bilbao <carlos.bilbao.osdev@gmail.com>. If you find any
4difference between this document and the original file or a problem with
5the translation, please contact the maintainer of this file. Please also
6note that the purpose of this file is to be easier to read for non English
7(read: Spanish) speakers and is not intended as a fork. So if you have any
8comments or updates for this file please update the original English file
9first. The English version is definitive, and readers should look there if
10they have any doubt.
11
12			 ======================================
13			 BARRERAS DE MEMORIA EN EL KERNEL LINUX
14			 ======================================
15
16Documento original: David Howells <dhowells@redhat.com>
17    Paul E. McKenney <paulmck@linux.ibm.com>
18    Will Deacon <will.deacon@arm.com>
19    Peter Zijlstra <peterz@infradead.org>
20
21Traducido por: Carlos Bilbao <carlos.bilbao.osdev@gmail.com>
22Nota: Si tiene alguna duda sobre la exactitud del contenido de esta
23traducción, la única referencia válida es la documentación oficial en
24inglés.
25
26===========
27ADVERTENCIA
28===========
29
30Este documento no es una especificación; es intencionalmente (por motivos
31de brevedad) y sin querer (por ser humanos) incompleta. Este documento
32pretende ser una guía para usar las diversas barreras de memoria
33proporcionadas por Linux, pero ante cualquier duda (y hay muchas) por favor
34pregunte. Algunas dudas pueden ser resueltas refiriéndose al modelo de
35consistencia de memoria formal y documentación en tools/memory-model/. Sin
36embargo, incluso este modelo debe ser visto como la opinión colectiva de
37sus maintainers en lugar de que como un oráculo infalible.
38
39De nuevo, este documento no es una especificación de lo que Linux espera
40del hardware.
41
42El propósito de este documento es doble:
43
44 (1) especificar la funcionalidad mínima en la que se puede confiar para
45     cualquier barrera en concreto, y
46
47 (2) proporcionar una guía sobre cómo utilizar las barreras disponibles.
48
49Tenga en cuenta que una arquitectura puede proporcionar más que el
50requisito mínimo para cualquier barrera en particular, pero si la
51arquitectura proporciona menos de eso, dicha arquitectura es incorrecta.
52
53Tenga en cuenta también que es posible que una barrera no valga (sea no-op)
54para alguna arquitectura porque por la forma en que funcione dicha
55arquitectura, la barrera explícita resulte innecesaria en ese caso.
56
57==========
58CONTENIDOS
59==========
60
61 (*) Modelo abstracto de acceso a memoria.
62
63     - Operaciones del dispositivo.
64     - Garantías.
65
66 (*) ¿Qué son las barreras de memoria?
67
68     - Variedades de barrera de memoria.
69     - ¿Qué no se puede asumir sobre las barreras de memoria?
70     - Barreras de dirección-dependencia (históricas).
71     - Dependencias de control.
72     - Emparejamiento de barreras smp.
73     - Ejemplos de secuencias de barrera de memoria.
74     - Barreras de memoria de lectura frente a especulación de carga.
75     - Atomicidad multicopia.
76
77 (*) Barreras explícitas del kernel.
78
79     - Barrera del compilador.
80     - Barreras de memoria de la CPU.
81
82 (*) Barreras de memoria implícitas del kernel.
83
84     - Funciones de adquisición de cerrojo.
85     - Funciones de desactivación de interrupciones.
86     - Funciones de dormir y despertar.
87     - Funciones varias.
88
89 (*) Efectos de barrera adquiriendo intra-CPU.
90
91     - Adquisición vs accesos a memoria.
92
93 (*) ¿Dónde se necesitan barreras de memoria?
94
95     - Interacción entre procesadores.
96     - Operaciones atómicas.
97     - Acceso a dispositivos.
98     - Interrupciones.
99
100 (*) Efectos de barrera de E/S del kernel.
101
102 (*) Modelo de orden mínimo de ejecución asumido.
103
104 (*) Efectos de la memoria caché de la CPU.
105
106     - Coherencia de caché.
107     - Coherencia de caché frente a DMA.
108     - Coherencia de caché frente a MMIO.
109
110 (*) Cosas que hacen las CPU.
111
112     - Y luego está el Alfa.
113     - Guests de máquinas virtuales.
114
115 (*) Ejemplos de usos.
116
117     - Buffers circulares.
118
119 (*) Referencias.
120
121
122====================================
123MODELO ABSTRACTO DE ACCESO A MEMORIA
124====================================
125
126Considere el siguiente modelo abstracto del sistema:
127
128		            :                :
129		            :                :
130		            :                :
131		+-------+   :   +--------+   :   +-------+
132		|       |   :   |        |   :   |       |
133		|       |   :   |        |   :   |       |
134		| CPU 1 |<----->| Memoria|<----->| CPU 2 |
135		|       |   :   |        |   :   |       |
136		|       |   :   |        |   :   |       |
137		+-------+   :   +--------+   :   +-------+
138		    ^       :       ^        :       ^
139		    |       :       |        :       |
140		    |       :       |        :       |
141		    |       :       v        :       |
142		    |       :   +--------+   :       |
143		    |       :   |        |   :       |
144		    |       :   | Disposi|   :       |
145		    +---------->| tivo   |<----------+
146		            :   |        |   :
147		            :   |        |   :
148		            :   +--------+   :
149		            :                :
150
151Cada CPU ejecuta un programa que genera operaciones de acceso a la memoria.
152En la CPU abstracta, el orden de las operaciones de memoria es muy
153relajado, y una CPU en realidad puede realizar las operaciones de memoria
154en el orden que desee, siempre que la causalidad del programa parezca
155mantenerse. De manera similar, el compilador también puede organizar las
156instrucciones que emite en el orden que quiera, siempre que no afecte al
157funcionamiento aparente del programa.
158
159Entonces, en el diagrama anterior, los efectos de las operaciones de
160memoria realizadas por un CPU son percibidos por el resto del sistema a
161medida que las operaciones cruzan la interfaz entre la CPU y el resto del
162sistema (las líneas discontinuas a puntos).
163
164Por ejemplo, considere la siguiente secuencia de eventos:
165
166	CPU 1		CPU 2
167	===============	===============
168	{ A == 1; B == 2 }
169	A = 3;		x = B;
170	B = 4;		y = A;
171
172El conjunto de accesos visto por el sistema de memoria en el medio se puede
173organizar en 24 combinaciones diferentes (donde LOAD es cargar y STORE es
174guardar):
175
176STORE A=3,	STORE B=4,	y=LOAD A->3,	x=LOAD B->4
177STORE A=3,	STORE B=4,	x=LOAD B->4,	y=LOAD A->3
178STORE A=3,	y=LOAD A->3,	STORE B=4,	x=LOAD B->4
179STORE A=3,	y=LOAD A->3,	x=LOAD B->2,	STORE B=4
180STORE A=3,	x=LOAD B->2,	STORE B=4,	y=LOAD A->3
181STORE A=3,	x=LOAD B->2,	y=LOAD A->3,	STORE B=4
182STORE B=4,	STORE A=3,	y=LOAD A->3,	x=LOAD B->4
183STORE B=4, ...
184...
185
186y por lo tanto puede resultar en cuatro combinaciones diferentes de
187valores:
188
189x == 2, y == 1
190x == 2, y == 3
191x == 4, y == 1
192x == 4, y == 3
193
194Además, los stores asignados por una CPU al sistema de memoria pueden no
195ser percibidos por los loads realizados por otra CPU en el mismo orden en
196que fueron realizados.
197
198Como otro ejemplo, considere esta secuencia de eventos:
199
200	CPU 1		CPU 2
201	===============	===============
202	{ A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
203	B = 4;		Q = P;
204	P = &B;		D = *Q;
205
206Aquí hay una dependencia obvia de la dirección, ya que el valor cargado en
207D depende en la dirección recuperada de P por la CPU 2. Al final de la
208secuencia, cualquiera de los siguientes resultados son posibles:
209
210  (Q == &A) y (D == 1)
211  (Q == &B) y (D == 2)
212  (Q == &B) y (D == 4)
213
214Tenga en cuenta que la CPU 2 nunca intentará cargar C en D porque la CPU
215cargará P en Q antes de emitir la carga de *Q.
216
217OPERACIONES DEL DISPOSITIVO
218---------------------------
219
220Algunos dispositivos presentan sus interfaces de control como colecciones
221de ubicaciones de memoria, pero el orden en que se accede a los registros
222de control es muy importante. Por ejemplo, imagine una tarjeta ethernet con
223un conjunto de registros a los que se accede a través de un registro de
224puerto de dirección (A) y un registro de datos del puerto (D). Para leer el
225registro interno 5, el siguiente código podría entonces ser usado:
226
227  *A = 5;
228  x = *D;
229
230pero esto podría aparecer como cualquiera de las siguientes dos secuencias:
231
232  STORE *A = 5, x = LOAD *D
233  x = LOAD *D, STORE *A = 5
234
235el segundo de las cuales casi con certeza resultará en mal funcionamiento,
236ya que se estableció la dirección _después_ de intentar leer el registro.
237
238
239GARANTÍAS
240---------
241
242Hay algunas garantías mínimas que se pueden esperar de una CPU:
243
244 (*) En cualquier CPU dada, los accesos a la memoria dependiente se
245     emitirán en orden, con respeto a sí mismo. Esto significa que para:
246
247	Q = READ_ONCE(P); D = READ_ONCE(*Q);
248
249     donde READ_ONCE() es LEER_UNA_VEZ(), la CPU emitirá las siguientes
250     operaciones de memoria:
251
252	Q = LOAD P, D = LOAD *Q
253
254     y siempre en ese orden. Sin embargo, en DEC Alpha, READ_ONCE() también
255     emite una instrucción de barrera de memoria, de modo que una CPU DEC
256     Alpha, sin embargo emite las siguientes operaciones de memoria:
257
258	Q = LOAD P, MEMORY_BARRIER, D = LOAD *Q, MEMORY_BARRIER
259
260     Ya sea en DEC Alpha o no, READ_ONCE() también evita que el compilador
261     haga cosas inapropiadas.
262
263 (*) Los loads y stores superpuestos dentro de una CPU en particular
264     parecerán ser ordenados dentro de esa CPU. Esto significa que para:
265
266	a = READ_ONCE(*X); WRITE_ONCE(*X, b);
267
268     donde WRITE_ONCE() es ESCRIBIR_UNA_VEZ(), la CPU solo emitirá la
269     siguiente secuencia de operaciones de memoria:
270
271	a = LOAD *X, STORE *X = b
272
273     Y para:
274
275	WRITE_ONCE(*X, c); d = READ_ONCE(*X);
276
277     la CPU solo emitirá:
278
279	STORE *X = c, d = LOAD *X
280
281  (Los loads y stores se superponen si están destinados a piezas
282  superpuestas de memoria).
283
284Y hay una serie de cosas que _deben_ o _no_ deben asumirse:
285
286 (*) _No_debe_ asumirse que el compilador hará lo que usted quiera
287     con referencias de memoria que no están protegidas por READ_ONCE() y
288     WRITE ONCE(). Sin ellos, el compilador tiene derecho a hacer todo tipo
289     de transformaciones "creativas", que se tratan en la sección BARRERA
290     DEL COMPILADOR.
291
292   (*) _No_debe_ suponerse que se emitirán loads y stores independientes
293       en el orden dado. Esto significa que para:
294
295	X = *A; Y = *B; *D = Z;
296
297     podemos obtener cualquiera de las siguientes secuencias:
298
299    X = LOAD *A,  Y = LOAD *B,  STORE *D = Z
300   	X = LOAD *A,  STORE *D = Z, Y = LOAD *B
301   	Y = LOAD *B,  X = LOAD *A,  STORE *D = Z
302   	Y = LOAD *B,  STORE *D = Z, X = LOAD *A
303   	STORE *D = Z, X = LOAD *A,  Y = LOAD *B
304   	STORE *D = Z, Y = LOAD *B,  X = LOAD *A
305
306 (*) Se _debe_ suponer que los accesos de memoria superpuestos pueden
307     fusionarse o ser descartados. Esto significa que para:
308
309	X = *A; Y = *(A + 4);
310
311  podemos obtener cualquiera de las siguientes secuencias:
312
313X = LOAD *A; Y = LOAD *(A + 4);
314Y = LOAD *(A + 4); X = LOAD *A;
315{X, Y} = LOAD {*A, *(A + 4) };
316
317  Y para:
318
319*A = X; *(A + 4) = Y;
320
321  podemos obtener cualquiera de:
322
323STORE *A = X; STORE *(A + 4) = Y;
324STORE *(A + 4) = Y; STORE *A = X;
325STORE {*A, *(A + 4) } = {X, Y};
326
327Y hay anti-garantías:
328
329(*) Estas garantías no se aplican a los campos de bits, porque los
330    compiladores a menudo generan código para modificarlos usando
331    secuencias de lectura-modificación-escritura no atómica. No intente
332    utilizar campos de bits para sincronizar algoritmos paralelos.
333
334(*) Incluso en los casos en que los campos de bits están protegidos por
335    cerrojos (o "cerrojos", o "locks"), todos los componentes en un campo
336    de bits dado deben estar protegidos por un candado. Si dos campos en un
337    campo de bits dado están protegidos por diferentes locks, las
338    secuencias de lectura-modificación-escritura no atómicas del lock
339    pueden causar una actualización a una campo para corromper el valor de
340    un campo adyacente.
341
342(*) Estas garantías se aplican solo a escalares correctamente alineados y
343    dimensionados. De "tamaño adecuado" significa actualmente variables que
344    son del mismo tamaño que "char", "short", "int" y "long".
345    "Adecuadamente alineado" significa la alineación natural, por lo tanto,
346    no hay restricciones para "char", alineación de dos bytes para "short",
347    alineación de cuatro bytes para "int", y alineación de cuatro u ocho
348    bytes para "long", en sistemas de 32 y 64 bits, respectivamente. Tenga
349    en cuenta que estos garantías se introdujeron en el estándar C11, así
350    que tenga cuidado cuando utilice compiladores anteriores a C11 (por
351    ejemplo, gcc 4.6). La parte de la norma que contiene esta garantía es
352    la Sección 3.14, que define "ubicación de memoria" de la siguiente
353    manera:
354
355    ubicación de memoria
356  ya sea un objeto de tipo escalar, o una secuencia máxima
357  de campos de bits adyacentes, todos con ancho distinto de cero
358
359  NOTE 1: Dos hilos de ejecución pueden actualizar y acceder
360  ubicaciones de memoria separadas sin interferir entre
361  ellos.
362
363  NOTE 2: Un campo de bits y un miembro adyacente que no es un campo de
364  bits están en ubicaciones de memoria separadas. Lo mismo sucede con
365  dos campos de bits, si uno se declara dentro de un declaración de
366  estructura anidada y el otro no, o si las dos están separados por una
367  declaración de campo de bits de longitud cero, o si están separados por
368  un miembro no declarado como campo de bits. No es seguro actualizar
369  simultáneamente dos campos de bits en la misma estructura si entre
370  todos los miembros declarados también hay campos de bits, sin importar
371  cuál resulta ser el tamaño de estos campos de bits intermedios.
372
373
374==================================
375¿QUÉ SON LAS BARRERAS DE MEMORIA?
376==================================
377
378Como se puede leer arriba, las operaciones independientes de memoria se
379realizan de manera efectiva en orden aleatorio, pero esto puede ser un
380problema para la interacción CPU-CPU y para la E/S ("I/O"). Lo que se
381requiere es alguna forma de intervenir para instruir al compilador y al
382CPU para restringir el orden.
383
384Las barreras de memoria son este tipo de intervenciones. Imponen una
385percepción de orden parcial, sobre las operaciones de memoria a ambos lados
386de la barrera.
387
388Tal cumplimiento es importante porque las CPUs y otros dispositivos en un
389sistema pueden usar una variedad de trucos para mejorar el rendimiento,
390incluido el reordenamiento, diferimiento y combinación de operaciones de
391memoria; cargas especulativas; predicción de "branches" especulativos y
392varios tipos de almacenamiento en caché. Las barreras de memoria se
393utilizan para anular o suprimir estos trucos, permitiendo que el código
394controle sensatamente la interacción de múltiples CPU y/o dispositivos.
395
396
397VARIEDADES DE BARRERA DE MEMORIA
398---------------------------------
399
400Las barreras de memoria vienen en cuatro variedades básicas:
401
402 (1) Barreras de memoria al escribir o almacenar (Write or store memory
403     barriers).
404
405     Una barrera de memoria de escritura garantiza que todas las
406     operaciones de STORE especificadas antes de que la barrera aparezca
407     suceden antes de todas las operaciones STORE especificadas después
408     de la barrera, con respecto a los otros componentes del sistema.
409
410     Una barrera de escritura es un orden parcial solo en los stores; No
411     es requerido que tenga ningún efecto sobre los loads.
412
413     Se puede considerar que una CPU envía una secuencia de operaciones de
414     store al sistema de memoria a medida que pasa el tiempo. Todos los
415     stores _antes_ de una barrera de escritura ocurrirán _antes_ de todos
416     los stores después de la barrera de escritura.
417
418     [!] Tenga en cuenta que las barreras de escritura normalmente deben
419     combinarse con read o barreras de address-dependency barriers
420     (dependencia de dirección); consulte la subsección
421     "Emparejamiento de barreras smp".
422
423
424 (2) Barrera de dependencia de dirección (histórico).
425
426     Una barrera de dependencia de dirección es una forma más débil de
427     barrera de lectura. En el caso de que se realicen dos loads de manera
428     que la segunda dependa del resultado de la primera (por ejemplo: el
429     primer load recupera la dirección a la que se dirigirá el segundo
430     load), una barrera de dependencia de dirección sería necesaria para
431     asegurarse de que el objetivo de la segunda carga esté actualizado
432     después de acceder a la dirección obtenida por la primera carga.
433
434     Una barrera de dependencia de direcciones es una ordenación parcial en
435     laods de direcciones interdependientes; no se requiere que tenga
436     ningún efecto en los stores, ya sean cargas de memoria o cargas
437     de memoria superpuestas.
438
439     Como se mencionó en (1), las otras CPU en el sistema pueden verse como
440     secuencias de stores en el sistema de memoria que la considerada CPU
441     puede percibir. Una barrera de dependencia de dirección emitida por
442     la CPU en cuestión garantiza que para cualquier carga que la preceda,
443     si esa carga toca alguna secuencia de stores de otra CPU, entonces
444     en el momento en que la barrera se complete, los efectos de todos los
445     stores antes del cambio del load serán perceptibles por cualquier
446     carga emitida después la barrera de la dependencia de la dirección.
447
448     Consulte la subsección "Ejemplos de secuencias de barrera de memoria"
449     para ver los diagramas mostrando las restricciones de orden.
450
451     [!] Tenga en cuenta que la primera carga realmente tiene que tener una
452     dependencia de _dirección_ y no es una dependencia de control. Si la
453     dirección para la segunda carga depende de la primera carga, pero la
454     dependencia es a través de un condicional en lugar de -en realidad-
455     cargando la dirección en sí, entonces es una dependencia de _control_
456     y se requiere una barrera de lectura completa o superior. Consulte la
457     subsección "Dependencias de control" para más información.
458
459     [!] Tenga en cuenta que las barreras de dependencia de dirección
460     normalmente deben combinarse con barreras de escritura; consulte la
461     subsección "Emparejamiento de barreras smp".
462
463     [!] Desde el kernel v5.9, se eliminó la API del kernel para barreras
464     de memoria de direcciones explícitas. Hoy en día, las APIs para marcar
465     cargas de variables compartidas, como READ_ONCE() y rcu_dereference(),
466     proporcionan barreras de dependencia de dirección implícitas.
467
468 (3) Barreras de memoria al leer o cargar (Read or load memory
469    barriers).
470
471     Una barrera de lectura es una barrera de dependencia de direcciones,
472     más una garantía de que todas las operaciones de LOAD especificadas
473     antes de la barrera parecerán ocurrir antes de todas las operaciones
474     de LOAD especificadas después de la barrera con respecto a los demás
475     componentes del sistema.
476
477     Una barrera de lectura es un orden parcial solo en cargas; no es
478     necesario que tenga ningún efecto en los stores.
479
480     Las barreras de memoria de lectura implican barreras de dependencia de
481     direcciones, y por tanto puede sustituirlas por estas.
482
483     [!] Tenga en mente que las barreras de lectura normalmente deben
484     combinarse con barreras de escritura; consulte la subsección
485     "Emparejamiento de barreras smp".
486
487 (4) Barreras de memoria generales
488
489     Una barrera de memoria general proporciona la garantía de que todas
490     las operaciones LOAD y STORE especificadas antes de que la barrera
491     aparezca suceden antes de que todas las operaciones LOAD y STORE
492     especificadas después de la barrera con respecto a los demás
493     componentes del sistema.
494
495     Una barrera de memoria general es un orden parcial tanto en
496     operaciones de carga como de almacenamiento.
497
498     Las barreras de memoria generales implican barreras de memoria tanto
499     de lectura como de escritura, de modo que pueden sustituir a
500     cualquiera.
501
502Y un par de variedades implícitas:
503
504 (5)  ACQUIRE (de adquisición).
505
506     Esto actúa como una barrera permeable unidireccional. Garantiza que
507     toda las operaciones de memoria después de la operación ACQUIRE
508     parezcan suceder después de la ACQUIRE con respecto a los demás
509     componentes del sistema. Las operaciones ACQUIRE incluyen operaciones
510     LOCK y smp_load_acquire(), y operaciones smp_cond_load_acquire().
511
512     Las operaciones de memoria que ocurren antes de una operación ACQUIRE
513     pueden parecer suceder después de que se complete.
514
515     Una operación ACQUIRE casi siempre debe estar emparejada con una
516     operación RELEASE (de liberación).
517
518
519 (6) Operaciones RELEASE (de liberación).
520
521     Esto también actúa como una barrera permeable unidireccional.
522     Garantiza que todas las operaciones de memoria antes de la operación
523     RELEASE parecerán ocurrir antes de la operación RELEASE con respecto a
524     los demás componentes del sistema. Las operaciones de RELEASE incluyen
525     operaciones de UNLOCK y operaciones smp_store_release().
526
527     Las operaciones de memoria que ocurren después de una operación
528     RELEASE pueden parecer suceder antes de que se complete.
529
530     El uso de las operaciones ACQUIRE y RELEASE generalmente excluye la
531     necesidad de otros tipos de barrera de memoria. Además, un par
532     RELEASE+ACQUIRE NO garantiza actuar como una barrera de memoria
533     completa. Sin embargo, después de un ACQUIRE de una variable dada,
534     todos los accesos a la memoria que preceden a cualquier anterior
535     RELEASE en esa misma variable están garantizados como visibles. En
536     otras palabras, dentro de la sección crítica de una variable dada,
537     todos los accesos de todas las secciones críticas anteriores para esa
538     variable habrán terminado de forma garantizada.
539
540     Esto significa que ACQUIRE actúa como una operación mínima de
541     "adquisición" y RELEASE actúa como una operación mínima de
542     "liberación".
543
544Un subconjunto de las operaciones atómicas descritas en atomic_t.txt
545contiene variantes de ACQUIRE y RELEASE, además de definiciones
546completamente ordenadas o relajadas (sin barrera semántica). Para
547composiciones atómicas que realizan tanto un load como store, la semántica
548ACQUIRE se aplica solo a la carga y la semántica RELEASE se aplica sólo a
549la parte de la operación del store.
550
551Las barreras de memoria solo son necesarias cuando existe la posibilidad de
552interacción entre dos CPU o entre una CPU y un dispositivo. Si se puede
553garantizar que no habrá tal interacción en ninguna pieza de código en
554particular, entonces las barreras de memoria son innecesarias en ese
555fragmento de código.
556
557Tenga en cuenta que estas son las garantías _mínimas_. Diferentes
558arquitecturas pueden proporcionar garantías más sustanciales, pero no se
559puede confiar en estas fuera de esa arquitectura en específico.
560
561
562¿QUÉ NO SE PUEDE ASUMIR SOBRE LAS BARRERAS DE LA MEMORIA?
563---------------------------------------------------------
564
565Hay ciertas cosas que las barreras de memoria del kernel Linux no
566garantizan:
567
568 (*) No hay garantía de que ninguno de los accesos a la memoria
569     especificados antes de una barrera de memoria estará _completo_ al
570     completarse una instrucción de barrera de memoria; se puede considerar
571     que la barrera dibuja una línea en la cola de acceso del CPU que no
572     pueden cruzar los accesos del tipo correspondiente.
573
574 (*) No hay garantía de que la emisión de una barrera de memoria en una CPU
575     tenga cualquier efecto directo en otra CPU o cualquier otro hardware
576     en el sistema. El efecto indirecto será el orden en que la segunda CPU
577     ve los efectos de los primeros accesos que ocurren de la CPU, pero lea
578     el siguiente argumento:
579
580 (*) No hay garantía de que una CPU vea el orden correcto de los efectos
581     de los accesos de una segunda CPU, incluso _si_ la segunda CPU usa una
582     barrera de memoria, a menos que la primera CPU _también_ use una
583     barrera de memoria coincidente (vea el subapartado "Emparejamiento de
584     barrera SMP").
585
586 (*) No hay garantía de que alguna pieza intermedia fuera del hardware[*]
587     del CPU no reordenará los accesos a la memoria. Los mecanismos de
588     coherencia de caché del CPU deben propagar los efectos indirectos de
589     una barrera de memoria entre las CPU, pero es posible que no lo hagan
590     en orden.
591
592	[*] Para obtener información sobre bus mastering DMA y coherencia, lea:
593
594	    Documentation/driver-api/pci/pci.rst
595	    Documentation/core-api/dma-api-howto.rst
596	    Documentation/core-api/dma-api.rst
597
598
599BARRERA DE DEPENDENCIA DE DIRECCIÓN (HISTÓRICO)
600-----------------------------------------------
601
602A partir de la versión 4.15 del kernel Linux, se agregó un smp_mb() a
603READ_ONCE() para DEC Alpha, lo que significa que las únicas personas que
604necesitan prestar atención a esta sección son aquellas que trabajan en el
605código específico de la arquitectura DEC Alpha y aquellas que trabajan en
606READ_ONCE() por dentro. Para aquellos que lo necesitan, y para aquellos que
607estén interesados desde un punto de vista histórico, aquí está la historia
608de las barreras de dependencia de dirección.
609
610[!] Si bien las dependencias de direcciones se observan tanto en carga a
611carga como en relaciones de carga a store, las barreras de dependencia de
612dirección no son necesarias para situaciones de carga a store.
613
614El requisito de las barreras de dependencia de dirección es un poco sutil,
615y no siempre es obvio que sean necesarias. Para ilustrar, considere la
616siguiente secuencia de eventos:
617
618	CPU 1		      CPU 2
619	===============	      ===============
620	{ A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
621	B = 4;
622	<barrera de escritura>
623	WRITE_ONCE(P, &B);
624			      Q = READ_ONCE_OLD(P);
625			      D = *Q;
626
627[!] READ_ONCE_OLD() corresponde a READ_ONCE() del kernel anterior a 4.15,
628que no implica una barrera de dependencia de direcciones.
629
630Hay una clara dependencia de dirección aquí, y parecería que al final de
631la secuencia, Q debe ser &A o &B, y que:
632
633	(Q == &A) implica (D == 1)
634	(Q == &B) implica (D == 4)
635
636¡Pero! La percepción de la CPU 2 de P puede actualizarse _antes_ de su
637percepción de B, por lo tanto dando lugar a la siguiente situación:
638
639	(Q == &B) y (D == 2) ????
640
641Si bien esto puede parecer una falla en el mantenimiento de la coherencia
642o la causalidad, no lo es, y este comportamiento se puede observar en
643ciertas CPU reales (como DEC Alfa).
644
645Para lidiar con esto, READ_ONCE() proporciona una barrera de dependencia
646de dirección implícita desde el lanzamiento del kernel v4.15:
647
648	CPU 1		      CPU 2
649	===============	      ===============
650	{ A == 1, B == 2, C == 3, P == &A, Q == &C }
651	B = 4;
652	<barrera de escritura>
653	WRITE_ONCE(P, &B);
654			      Q = READ_ONCE(P);
655			      <barrera de dependencia de dirección implícita>
656			      D = *Q;
657
658Esto refuerza la ocurrencia de una de las dos implicaciones, y previene la
659tercera posibilidad de surgir.
660
661
662[!] Tenga en cuenta que esta situación extremadamente contraria a la
663intuición surge más fácilmente en máquinas con cachés divididos, de modo
664que, por ejemplo, un banco de caché procesa líneas de caché pares y el otro
665banco procesa líneas impares de caché. El puntero P podría almacenarse en
666una línea de caché impar y la variable B podría almacenarse en una línea de
667caché con número par. Entonces, si el banco de números pares de la memoria
668caché de la CPU de lectura está extremadamente ocupado mientras que el
669banco impar está inactivo, uno podría ver el nuevo valor del puntero P
670(&B), pero el antiguo valor de la variable B (2).
671
672
673No se requiere una barrera de dependencia de dirección para ordenar
674escrituras dependientes porque las CPU que admite el kernel Linux no
675escriben hasta que están seguros (1) de que la escritura realmente
676sucederá, (2) de la ubicación de la escritura, y (3) del valor a escribir.
677Pero, por favor, lea atentamente la sección "DEPENDENCIAS DEL CONTROL" y el
678archivo Documentation/RCU/rcu_dereference.rst: el compilador puede romperse
679y romper dependencias en muchas formas altamente creativas.
680
681	CPU 1		      CPU 2
682	===============	      ===============
683	{ A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }
684	B = 4;
685	<barrera de escritura>
686	WRITE_ONCE(P, &B);
687			      Q = READ_ONCE_OLD(P);
688			      WRITE_ONCE(*Q, 5);
689
690Por lo tanto, no se requiere ninguna barrera de dependencia de direcciones
691para ordenar la lectura en Q con el load en *Q. En otras palabras, este
692resultado está prohibido, incluso sin una barrera de dependencia de
693dirección implícita del READ_ONCE() moderno:
694
695	(Q == &B) && (B == 4)
696
697Tenga en cuenta que este patrón debe ser raro. Después de todo, el objetivo
698del orden de dependencia es -prevenir- escrituras en la estructura de
699datos, junto con los costosos errores de caché asociados con tales
700escrituras. Este patrón se puede utilizar para registrar raras condiciones
701de error y similares, y el orden natural de las CPUs evita que se pierdan
702tales registros.
703
704
705Tenga en cuenta que el orden proporcionado por una dependencia de dirección
706es local para la CPU que lo contiene. Lea la sección sobre "Atomicidad
707multicopia" para más información.
708
709
710La barrera de dependencia de dirección es muy importante para el sistema
711RCU, por ejemplo. Vea rcu_assign_pointer() y rcu_dereference() en
712include/linux/rcupdate.h. Esto permite que el objetivo actual de un puntero
713RCU sea reemplazado con un nuevo objetivo modificado, sin que el objetivo
714del reemplazo parezca estar inicializado de manera incompleta.
715
716Consulte también la subsección sobre "Coherencia de caché" para obtener un
717ejemplo más completo.
718
719DEPENDENCIAS DE CONTROL
720-----------------------
721
722Las dependencias de control pueden ser un poco complicadas porque los
723compiladores actuales no las entienden. El propósito de esta sección es
724ayudarle a prevenir que la ignorancia del compilador rompa su código.
725
726Una dependencia de control load-load (de carga a carga) requiere una
727barrera de memoria de lectura completa, no simplemente una barrera
728(implícita) de dependencia de direcciones para que funcione correctamente.
729Considere el siguiente fragmento de código:
730
731	q = READ_ONCE(a);
732	<barrera implícita de dependencia de direcciones>
733	if (q) {
734		/* BUG: No hay dependencia de dirección!!! */
735		p = READ_ONCE(b);
736	}
737
738Esto no tendrá el efecto deseado porque no hay una dependencia de dirección
739real, sino más bien una dependencia de control que la CPU puede
740cortocircuitar al intentar predecir el resultado por adelantado, para que
741otras CPU vean la carga de b como si hubiera ocurrido antes que la carga de
742a. En cuyo caso lo que realmente se requiere es:
743
744  	q = READ_ONCE(a);
745  	if (q) {
746  		<barrera de lectura>
747  		p = READ_ONCE(b);
748  	}
749
750Sin embargo, los stores no se especulan. Esto significa que ordenar -es-
751provisto para dependencias de control de load-store, como en el siguiente
752ejemplo:
753
754	q = READ_ONCE(a);
755	if (q) {
756		WRITE_ONCE(b, 1);
757	}
758
759Las dependencias de control se emparejan normalmente con otros tipos de
760barreras. Dicho esto, tenga en cuenta que ni READ_ONCE() ni WRITE_ONCE()
761son opcionales! Sin READ_ONCE(), el compilador podría combinar la carga de
762'a' con otras cargas de 'a'. Sin WRITE_ONCE(), el compilador podría
763combinar el store de 'b' con otros stores de 'b'. Cualquiera de estos casos
764puede dar lugar a efectos en el orden muy contrarios a la intuición.
765
766Peor aún, si el compilador puede probar (decir) que el valor de la
767variable 'a' siempre es distinta de cero, estaría dentro de sus derechos
768para optimizar el ejemplo original eliminando la declaración "if", como:
769
770	q = a;
771	b = 1;  /* BUG: Compilador y CPU pueden ambos reordernar!!! */
772
773Así que no deje de lado READ_ONCE().
774
775Es tentador tratar de hacer cumplir el orden en stores idénticos en ambos
776caminos del "if" de la siguiente manera:
777
778	q = READ_ONCE(a);
779	if (q) {
780		barrier();
781		WRITE_ONCE(b, 1);
782		hacer_algo();
783	} else {
784		barrier();
785		WRITE_ONCE(b, 1);
786		hacer_otra_cosa();
787	}
788
789Desafortunadamente, los compiladores actuales transformarán esto de la
790siguiente manera en casos de alto nivel de optimización:
791
792  	q = READ_ONCE(a);
793  	barrier();
794  	WRITE_ONCE(b, 1);  /* BUG: No hay orden en load de a!!! */
795  	if (q) {
796  		/* WRITE_ONCE(b, 1); -- movido arriba, BUG!!! */
797  		hacer_algo();
798  	} else {
799  		/* WRITE_ONCE(b, 1); -- movido arriba, BUG!!! */
800  		hacer_otra_cosa();
801  	}
802
803Ahora no hay condicional entre la carga de 'a' y el store de 'b', lo que
804significa que la CPU está en su derecho de reordenarlos: El condicional es
805absolutamente necesario y debe estar presente en el código ensamblador
806incluso después de que se hayan aplicado todas las optimizaciones del
807compilador. Por lo tanto, si necesita ordenar en este ejemplo, necesita
808explícitamente barreras de memoria, por ejemplo, smp_store_release():
809
810
811	q = READ_ONCE(a);
812	if (q) {
813		smp_store_release(&b, 1);
814		hacer_algo();
815	} else {
816		smp_store_release(&b, 1);
817		hacer_otra_cosa();
818	}
819
820Por el contrario, sin barreras de memoria explícita, el control de un if
821con dos opciones está garantizado solo cuando los stores difieren, por
822ejemplo:
823
824  	q = READ_ONCE(a);
825  	if (q) {
826  		WRITE_ONCE(b, 1);
827  		hacer_algo();
828  	} else {
829  		WRITE_ONCE(b, 2);
830  		hacer_otra_cosa();
831  	}
832
833Aún se requiere el inicial READ_ONCE() para evitar que el compilador toque
834el valor de 'a'.
835
836Además, debe tener cuidado con lo que hace con la variable local 'q', de lo
837contrario, el compilador podría adivinar el valor y volver a eliminar el
838necesario condicional. Por ejemplo:
839
840  	q = READ_ONCE(a);
841  	if (q % MAX) {
842  		WRITE_ONCE(b, 1);
843  		hacer_algo();
844  	} else {
845  		WRITE_ONCE(b, 2);
846  		hacer_otra_cosa();
847  	}
848
849Si MAX se define como 1, entonces el compilador sabe que (q % MAX) es igual
850a cero, en cuyo caso el compilador tiene derecho a transformar el código
851anterior en el siguiente:
852
853  	q = READ_ONCE(a);
854  	WRITE_ONCE(b, 2);
855  	hacer_otra_cosa();
856
857Dada esta transformación, la CPU no está obligada a respetar el orden entre
858la carga de la variable 'a' y el store de la variable 'b'. Es tentador
859agregar una barrier(), pero esto no ayuda. El condicional se ha ido, y la
860barrera no lo traerá de vuelta. Por lo tanto, si confia en este orden, debe
861asegurarse de que MAX sea mayor que uno, tal vez de la siguiente manera:
862
863  	q = READ_ONCE(a);
864  	BUILD_BUG_ON(MAX <= 1); /* Orden de carga de a con store de b */
865  	if (q % MAX) {
866  		WRITE_ONCE(b, 1);
867  		hacer_algo();
868  	} else {
869  		WRITE_ONCE(b, 2);
870  		hacer_otra_cosa();
871  	}
872
873Tenga en cuenta una vez más que los stores de 'b' difieren. Si fueran
874idénticos, como se señaló anteriormente, el compilador podría sacar ese
875store fuera de la declaración 'if'.
876
877También debe tener cuidado de no confiar demasiado en el cortocircuito
878de la evaluación booleana. Considere este ejemplo:
879
880  	q = READ_ONCE(a);
881  	if (q || 1 > 0)
882  	WRITE_ONCE(b, 1);
883
884Debido a que la primera condición no puede fallar y la segunda condición es
885siempre cierta, el compilador puede transformar este ejemplo de la
886siguiente manera, rompiendo la dependencia del control:
887
888  	q = READ_ONCE(a);
889  	WRITE_ONCE(b, 1);
890
891Este ejemplo subraya la necesidad de asegurarse de que el compilador no
892pueda adivinar su código. Más generalmente, aunque READ_ONCE() fuerza
893al compilador para emitir código para una carga dada, no fuerza al
894compilador para usar los resultados.
895
896Además, las dependencias de control se aplican solo a la cláusula then y
897la cláusula else de la sentencia if en cuestión. En particular, no se
898aplica necesariamente al código que sigue a la declaración if:
899
900  	q = READ_ONCE(a);
901  	if (q) {
902  		WRITE_ONCE(b, 1);
903  	} else {
904  		WRITE_ONCE(b, 2);
905  	}
906  	WRITE_ONCE(c, 1);  /* BUG: No hay orden para la lectura de 'a'. */
907
908Es tentador argumentar que, de hecho, existe un orden porque el compilador
909no puede reordenar accesos volátiles y tampoco puede reordenar escrituras
910en 'b' con la condición. Desafortunadamente para esta línea de
911razonamiento, el compilador podría compilar las dos escrituras en 'b' como
912instrucciones de movimiento condicional, como en este fantástico idioma
913pseudo-ensamblador:
914
915        	ld r1,a
916        	cmp r1,$0
917        	cmov,ne r4,$1
918        	cmov,eq r4,$2
919        	st r4,b
920        	st $1,c
921
922Una CPU débilmente ordenada no tendría dependencia de ningún tipo entre la
923carga de 'a' y el store de 'c'. Las dependencias de control se extenderían
924solo al par de instrucciones cmov y el store dependiente de ellas. En
925resumen, las dependencias de control se aplican solo a los stores en la
926cláusula then y la cláusula else de la sentencia if en cuestión (incluidas
927las funciones invocado por esas dos cláusulas), no al código que sigue a
928esa declaración if.
929
930
931Tenga muy en cuenta que el orden proporcionado por una dependencia de
932control es local a la CPU que lo contiene. Vea el apartado de "Atomicidad
933multicopia" para más información.
934
935
936En resumen:
937
938  (*) Las dependencias de control pueden ordenar cargas anteriores para
939      stores posteriores. Sin embargo, no garantizan ningún otro tipo de
940      orden: No cargas previas contra cargas posteriores, ni
941      almacenamientos previos y luego nada. Si necesita tales formas de
942      orden, use smp_rmb(), smp_wmb() o, en el caso de stores anteriores y
943      cargas posteriores, smp_mb().
944
945  (*) Si ambos caminos de la declaración "if" comienzan con stores
946      idénticos de la misma variable, entonces esos stores deben ser
947      ordenados, ya sea precediéndoles a ambos con smp_mb() o usando
948      smp_store_release() para realizar el store. Tenga en cuenta que -no-
949      es suficiente usar barrier() al comienzo de cada caso de la
950      declaración "if" porque, como se muestra en el ejemplo anterior, la
951      optimización de los compiladores puede destruir la dependencia de
952      control respetando al pie de la letra la ley de barrier().
953
954  (*) Las dependencias de control requieren al menos un condicional en
955      tiempo de ejecución entre la carga anterior y el almacenamiento
956      posterior, y este condicional debe implicar la carga previa. Si el
957      compilador es capaz de optimizar el condicional y quitarlo, también
958      habrá optimizado el ordenar. El uso cuidadoso de READ_ONCE() y
959      WRITE_ONCE() puede ayudar a preservar el necesario condicional.
960
961  (*) Las dependencias de control requieren que el compilador evite
962      reordenar las dependencia hasta su inexistencia. El uso cuidadoso de
963      READ_ONCE() o atomic{,64}_read() puede ayudarle a preservar la
964      dependencia de control. Consulte la sección BARRERA DEL COMPILADOR
965      para obtener más información al respecto.
966
967  (*) Las dependencias de control se aplican solo a la cláusula then y la
968      cláusula else de la sentencia "if" que contiene la dependencia de
969      control, incluyendo cualquier función a la que llamen dichas dos
970      cláusulas. Las dependencias de control no se aplican al código que
971      sigue a la instrucción if que contiene la dependencia de control.
972
973  (*) Las dependencias de control se emparejan normalmente con otros tipos
974      de barreras.
975
976  (*) Las dependencias de control no proporcionan atomicidad multicopia. Si
977      usted necesita todas las CPU para ver un store dado al mismo tiempo,
978      emplee smp_mb().
979
980  (*) Los compiladores no entienden las dependencias de control. Por lo
981      tanto es su trabajo asegurarse de que no rompan su código.
982
983
984EMPAREJAMIENTO DE BARRERAS SMP
985------------------------------
986
987Cuando se trata de interacciones CPU-CPU, ciertos tipos de barrera de
988memoria deben estar siempre emparejados. La falta del apropiado
989emparejamiento es casi seguro un error.
990
991Las barreras generales se emparejan entre sí, aunque también se emparejan
992con la mayoría de otro tipo de barreras, aunque sin atomicidad multicopia.
993Una barrera de adquisición se empareja con una barrera de liberación, pero
994ambas también pueden emparejarse con otras barreras, incluidas, por
995supuesto, las barreras generales. Una barrera de escritura se empareja con
996una barrera de dependencia de dirección, una dependencia de control, una
997barrera de adquisición, una barrera de liberación, una barrera de lectura
998o una barrera general. Del mismo modo, una barrera de lectura se empareja
999con una de dependencia de control o barrera de dependencia de dirección con
1000una barrera de escritura, una barrera de adquisición, una barrera de
1001liberación o una barrera general:
1002
1003	CPU 1		      CPU 2
1004	===============	      ===============
1005	WRITE_ONCE(a, 1);
1006	<barrera de escritura>
1007	WRITE_ONCE(b, 2);     x = READ_ONCE(b);
1008			      <barrera de lectura>
1009			      y = READ_ONCE(a);
1010
1011O bien:
1012
1013	CPU 1		      CPU 2
1014	===============	      ===============================
1015	a = 1;
1016	<barrera de escritura>
1017	WRITE_ONCE(b, &a);    x = READ_ONCE(b);
1018			      <barrera de dependencia de dirección implícita>
1019			      y = *x;
1020
1021O incluso:
1022
1023	CPU 1		      CPU 2
1024	===============	      ===============================
1025	r1 = READ_ONCE(y);
1026	<barrera general>
1027	WRITE_ONCE(x, 1);     if (r2 = READ_ONCE(x)) {
1028			         <barrera de control implícita>
1029			         WRITE_ONCE(y, 1);
1030			      }
1031
1032	assert(r1 == 0 || r2 == 0);
1033
1034Básicamente, la barrera de lectura siempre tiene que estar ahí, aunque
1035puede ser del tipo "más débil".
1036
1037[!] Tenga en cuenta que normalmente se esperaría que los stores antes de la
1038barrera de escritura se hagan coincidir con los stores después de la
1039barrera de lectura o la barrera de dependencia de dirección, y viceversa:
1040
1041	CPU 1                               CPU 2
1042	===================                 ===================
1043	WRITE_ONCE(a, 1);    }----   --->{  v = READ_ONCE(c);
1044	WRITE_ONCE(b, 2);    }    \ /    {  w = READ_ONCE(d);
1045	<barrera de escritura>            \        <barrera de lectura>
1046	WRITE_ONCE(c, 3);    }    / \    {  x = READ_ONCE(a);
1047	WRITE_ONCE(d, 4);    }----   --->{  y = READ_ONCE(b);
1048
1049
1050EJEMPLOS DE SECUENCIAS DE BARRERA DE MEMORIA
1051--------------------------------------------
1052
1053En primer lugar, las barreras de escritura actúan como orden parcial en las
1054operaciones de store. Considere la siguiente secuencia de eventos:
1055
1056	CPU 1
1057	=======================
1058	STORE A = 1
1059	STORE B = 2
1060	STORE C = 3
1061	<barrera de escritura>
1062	STORE D = 4
1063	STORE E = 5
1064
1065Esta secuencia de eventos es finalizado para con el sistema de coherencia
1066de memoria en un orden que el resto del sistema podría percibir como el
1067conjunto desordenado { STORE A, STORE B, STORE C} todo ocurriendo antes del
1068conjunto desordenado { STORE D, STORE E}:
1069
1070
1071	+-------+       :      :
1072	|       |       +------+
1073	|       |------>| C=3  |     }     /\
1074	|       |  :    +------+     }-----  \  -----> Eventos perceptibles para
1075	|       |  :    | A=1  |     }        \/       el resto del sistema
1076	|       |  :    +------+     }
1077	| CPU 1 |  :    | B=2  |     }
1078	|       |       +------+     }
1079	|       |   wwwwwwwwwwwwwwww }   <--- En este momento la barrera de
1080	|       |       +------+     }        escritura requiere que todos los
1081	|       |  :    | E=5  |     }        stores anteriores a la barrera
1082	|       |  :    +------+     }        sean confirmados antes de que otros
1083	|       |------>| D=4  |     }        store puedan suceder
1084	|       |       +------+
1085	+-------+       :      :
1086	                   |
1087	                   | Secuencia por la cual los stores son confirmados al
1088	                   | sistema de memoria por parte del CPU 1
1089	                   V
1090
1091En segundo lugar, las barreras de dependencia de dirección actúan como
1092órdenes parciales sobre la dirección de cargas dependientes. Considere la
1093siguiente secuencia de eventos:
1094
1095	CPU 1			CPU 2
1096	=======================	=======================
1097		{ B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
1098	STORE A = 1
1099	STORE B = 2
1100	<barrera de escritura>
1101	STORE C = &B		LOAD X
1102	STORE D = 4		LOAD C (consigue &B)
1103				LOAD *C (lee B)
1104
1105Sin intervención, la CPU 2 puede percibir los eventos en la CPU 1 en orden
1106aleatorio a efectos prácticos, a pesar de la barrera de escritura emitida
1107por la CPU 1:
1108
1109	+-------+       :      :                :       :
1110	|       |       +------+                +-------+  | Secuencia de
1111	|       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |  | actualizado de
1112	|       |  :    +------+     \          +-------+  | percepción en CPU 2
1113	| CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |  V
1114	|       |       +------+       |        +-------+
1115	|       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1116	|       |       +------+       |        :       :
1117	|       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1118	|       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1119	|       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1120	|       |       +------+       |        +-------+       |       |
1121	+-------+       :      :       |        :       :       |       |
1122	                               |        :       :       |       |
1123	                               |        :       :       | CPU 2 |
1124	                               |        +-------+       |       |
1125	    Percepción de B      --->  |        | B->7  |------>|       |
1126	    aparentemente incorrecta!  |        +-------+       |       |
1127	                               |        :       :       |       |
1128	                               |        +-------+       |       |
1129	    La carga de X frena --->    \       | X->9  |------>|       |
1130	    el mantenimiento de          \      +-------+       |       |
1131	    la coherencia de B            ----->| B->2  |       +-------+
1132	                                        +-------+
1133	                                        :       :
1134
1135
1136En el ejemplo anterior, la CPU 2 percibe que B es 7, a pesar de la carga de
1137*C (que sería B) viniendo después del LOAD de C.
1138
1139Sin embargo, si se colocara una barrera de dependencia de dirección entre
1140la carga de C y la carga de *C (es decir: B) en la CPU 2:
1141
1142	CPU 1			CPU 2
1143	=======================	=======================
1144		{ B = 7; X = 9; Y = 8; C = &Y }
1145	STORE A = 1
1146	STORE B = 2
1147	<barrera de escritura>
1148	STORE C = &B		LOAD X
1149	STORE D = 4		LOAD C (consigue &B)
1150				<barrera de dependencia de dirección>
1151				LOAD *C (reads B)
1152
1153entonces ocurrirá lo siguiente:
1154
1155	+-------+       :      :                :       :
1156	|       |       +------+                +-------+
1157	|       |------>| B=2  |-----       --->| Y->8  |
1158	|       |  :    +------+     \          +-------+
1159	| CPU 1 |  :    | A=1  |      \     --->| C->&Y |
1160	|       |       +------+       |        +-------+
1161	|       |   wwwwwwwwwwwwwwww   |        :       :
1162	|       |       +------+       |        :       :
1163	|       |  :    | C=&B |---    |        :       :       +-------+
1164	|       |  :    +------+   \   |        +-------+       |       |
1165	|       |------>| D=4  |    ----------->| C->&B |------>|       |
1166	|       |       +------+       |        +-------+       |       |
1167	+-------+       :      :       |        :       :       |       |
1168	                               |        :       :       |       |
1169	                               |        :       :       | CPU 2 |
1170	                               |        +-------+       |       |
1171	                               |        | X->9  |------>|       |
1172	                               |        +-------+       |       |
1173	  Se asegura de que      --->   \   aaaaaaaaaaaaaaaaa   |       |
1174	  los efectos anteriores al      \      +-------+       |       |
1175	  store de C sean percibidos      ----->| B->2  |------>|       |
1176	  por los siguientes loads              +-------+       |       |
1177	                                        :       :       +-------+
1178
1179
1180Y en tercer lugar, una barrera de lectura actúa como un orden parcial sobre
1181las cargas. Considere la siguiente secuencia de eventos:
1182
1183	CPU 1			CPU 2
1184	=======================	=======================
1185		{ A = 0, B = 9 }
1186	STORE A=1
1187	<barrera de escritura>
1188	STORE B=2
1189				LOAD B
1190				LOAD A
1191
1192Sin intervención, la CPU 2 puede elegir percibir los eventos en la CPU 1 en
1193algún orden aleatorio a efectos prácticos, a pesar de la barrera de
1194escritura emitida por la CPU 1:
1195
1196	+-------+       :      :                :       :
1197	|       |       +------+                +-------+
1198	|       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1199	|       |       +------+      \         +-------+
1200	| CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1201	|       |       +------+        |       +-------+
1202	|       |------>| B=2  |---     |       :       :
1203	|       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1204	+-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1205	                             ---------->| B->2  |------>|       |
1206	                                |       +-------+       | CPU 2 |
1207	                                |       | A->0  |------>|       |
1208	                                |       +-------+       |       |
1209	                                |       :       :       +-------+
1210	                                 \      :       :
1211	                                  \     +-------+
1212	                                   ---->| A->1  |
1213	                                        +-------+
1214	                                        :       :
1215
1216Sin embargo, si se colocara una barrera de lectura entre la carga de B y la
1217carga de A en la CPU 2:
1218
1219	CPU 1			CPU 2
1220	=======================	=======================
1221		{ A = 0, B = 9 }
1222	STORE A=1
1223	<barrera de escritura>
1224	STORE B=2
1225				LOAD B
1226				<barrera de lectura>
1227				LOAD A
1228
1229entonces el orden parcial impuesto por la CPU 1 será percibido
1230correctamente por la CPU 2:
1231
1232	+-------+       :      :                :       :
1233	|       |       +------+                +-------+
1234	|       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1235	|       |       +------+      \         +-------+
1236	| CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1237	|       |       +------+        |       +-------+
1238	|       |------>| B=2  |---     |       :       :
1239	|       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1240	+-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1241	                             ---------->| B->2  |------>|       |
1242	                                |       +-------+       | CPU 2 |
1243	                                |       :       :       |       |
1244	                                |       :       :       |       |
1245	  En este punto la barrera ----> \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1246	  de lectura consigue que         \     +-------+       |       |
1247	  todos los efectos anteriores     ---->| A->1  |------>|       |
1248	  al almacenamiento de B sean           +-------+       |       |
1249	  perceptibles por la CPU 2             :       :       +-------+
1250
1251
1252Para ilustrar esto de manera más completa, considere lo que podría pasar si
1253el código contenía una carga de A a cada lado de la barrera de lectura:
1254
1255	CPU 1			CPU 2
1256	=======================	=======================
1257		{ A = 0, B = 9 }
1258	STORE A=1
1259	<barrera de escritura>
1260	STORE B=2
1261				LOAD B
1262				LOAD A [primer load de A]
1263				<rbarrera de lectura>
1264				LOAD A [segundo load de A]
1265
1266Aunque las dos cargas de A ocurren después de la carga de B, ambas pueden
1267obtener diferentes valores:
1268
1269	+-------+       :      :                :       :
1270	|       |       +------+                +-------+
1271	|       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1272	|       |       +------+      \         +-------+
1273	| CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1274	|       |       +------+        |       +-------+
1275	|       |------>| B=2  |---     |       :       :
1276	|       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1277	+-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1278	                             ---------->| B->2  |------>|       |
1279	                                |       +-------+       | CPU 2 |
1280	                                |       :       :       |       |
1281	                                |       :       :       |       |
1282	                                |       +-------+       |       |
1283	                                |       | A->0  |------>| 1st   |
1284	                                |       +-------+       |       |
1285	  En este punto la barrera ----> \  rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1286	  de lectura consigue que         \     +-------+       |       |
1287	  todos los efectos anteriores     ---->| A->1  |------>|       |
1288	  al almacenamiento de B sean           +-------+       |       |
1289	  perceptibles por la CPU 2             :       :       +-------+
1290
1291Pero puede ser que la actualización a A desde la CPU 1 se vuelva
1292perceptible para la CPU 2 antes de que la barrera de lectura se complete de
1293todos modos:
1294
1295	+-------+       :      :                :       :
1296	|       |       +------+                +-------+
1297	|       |------>| A=1  |------      --->| A->0  |
1298	|       |       +------+      \         +-------+
1299	| CPU 1 |   wwwwwwwwwwwwwwww   \    --->| B->9  |
1300	|       |       +------+        |       +-------+
1301	|       |------>| B=2  |---     |       :       :
1302	|       |       +------+   \    |       :       :       +-------+
1303	+-------+       :      :    \   |       +-------+       |       |
1304	                             ---------->| B->2  |------>|       |
1305	                                |       +-------+       | CPU 2 |
1306	                                |       :       :       |       |
1307	                                 \      :       :       |       |
1308	                                  \     +-------+       |       |
1309	                                   ---->| A->1  |------>| 1st   |
1310	                                        +-------+       |       |
1311	                                    rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1312	                                        +-------+       |       |
1313	                                        | A->1  |------>| 2nd   |
1314	                                        +-------+       |       |
1315	                                        :       :       +-------+
1316
1317La garantía es que la segunda carga siempre dará como resultado A == 1 si
1318la carga de B resultó en B == 2. No existe tal garantía para la primera
1319carga de A; esto puede dar como resultado A == 0 o A == 1.
1320
1321
1322BARRERAS DE MEMORIA DE LECTURA FRENTE A ESPECULACIÓN DE CARGA
1323-------------------------------------------------------------
1324
1325Muchas CPU especulan con las cargas: es decir, ven que necesitarán cargar
1326un elemento de la memoria, y encuentran un momento en el que no están
1327usando el bus para ningún otra carga, y también en la carga por adelantado,
1328aunque en realidad no lo hayan llegado a ese punto en el flujo de ejecución
1329de instrucciones todavía. Esto permite que la instrucción de carga real
1330potencialmente complete de inmediato, porque la CPU ya tiene el valor a
1331mano.
1332
1333Puede resultar que la CPU en realidad no necesitara el valor, tal vez
1334porque una condición eludió la carga, en cuyo caso puede descartar el valor
1335o simplemente almacenar en caché para su uso posterior.
1336
1337Considere:
1338
1339	CPU 1			CPU 2
1340	=======================	=======================
1341				LOAD B
1342				DIVIDE		} Instrucciones de división
1343				DIVIDE		} tardan mucho en terminar
1344				LOAD A
1345
1346donde DIVIDE es DIVIDIR. Que podría aparecer como esto:
1347
1348	                                        :       :       +-------+
1349	                                        +-------+       |       |
1350	                                    --->| B->2  |------>|       |
1351	                                        +-------+       | CPU 2 |
1352	                                        :       :DIVIDE |       |
1353	                                        +-------+       |       |
1354	La CPU ocupada con la división ---> --->| A->0  |~~~~   |       |
1355	especula sobre el LOAD de A             +-------+   ~   |       |
1356	                                        :       :   ~   |       |
1357	                                        :       :DIVIDE |       |
1358	                                        :       :   ~   |       |
1359	Una vez completadas las divisiones  --> :       :   ~-->|       |
1360	la CPU puede realizar el                :       :       |       |
1361	LOAD con efecto inmediato               :       :       +-------+
1362
1363
1364Colocando una barrera de lectura o una barrera de dependencia de dirección
1365justo antes de la segundo carga:
1366
1367
1368
1369	CPU 1			CPU 2
1370	=======================	=======================
1371				LOAD B
1372				DIVIDE
1373				DIVIDE
1374				<rbarrera de lectura>
1375				LOAD A
1376
1377obligará a reconsiderar cualquier valor obtenido especulativamente en una
1378medida dependiente del tipo de barrera utilizada. Si no se hizo ningún
1379cambio en la ubicación de memoria especulada, entonces el valor especulado
1380solo se usará:
1381
1382	                                        :       :       +-------+
1383	                                        +-------+       |       |
1384	                                    --->| B->2  |------>|       |
1385	                                        +-------+       | CPU 2 |
1386	                                        :       :DIVIDE |       |
1387	                                        +-------+       |       |
1388  La CPU ocupada con la división ---> --->| A->0  |~~~~   |       |
1389  especula sobre el LOAD de A             +-------+   ~   |       |
1390	                                        :       :   ~   |       |
1391	                                        :       :DIVIDE |       |
1392	                                        :       :   ~   |       |
1393	                                        :       :   ~   |       |
1394	                                    rrrrrrrrrrrrrrrr~   |       |
1395	                                        :       :   ~   |       |
1396	                                        :       :   ~-->|       |
1397	                                        :       :       |       |
1398	                                        :       :       +-------+
1399
1400
1401pero si había una actualización o una invalidación de otra CPU pendiente,
1402entonces la especulación será cancelada y el valor recargado:
1403
1404	                                        :       :       +-------+
1405	                                        +-------+       |       |
1406	                                    --->| B->2  |------>|       |
1407	                                        +-------+       | CPU 2 |
1408	                                        :       :DIVIDE |       |
1409	                                        +-------+       |       |
1410  La CPU ocupada con la división ---> --->| A->0  |~~~~   |       |
1411  especula sobre el LOAD de A             +-------+   ~   |       |
1412	                                        :       :   ~   |       |
1413	                                        :       :DIVIDE |       |
1414	                                        :       :   ~   |       |
1415	                                        :       :   ~   |       |
1416	                                    rrrrrrrrrrrrrrrrr   |       |
1417	                                        +-------+       |       |
1418	La especulación es descartada --->  --->| A->1  |------>|       |
1419	y un valor actualizado                  +-------+       |       |
1420	es conseguido                           :       :       +-------+
1421
1422ATOMICIDAD MULTICOPIA
1423---------------------
1424
1425La atomicidad multicopia es una noción profundamente intuitiva sobre el
1426orden que no es siempre proporcionada por los sistemas informáticos reales,
1427a saber, que un determinada store se vuelve visible al mismo tiempo para
1428todos las CPU o, alternativamente, que todas las CPU acuerdan el orden en
1429que todos los stores se vuelven visibles. Sin embargo, el soporte para
1430atomicidad multicopia completa descartaría valiosas optimizaciones
1431hardware, por lo que una versión más débil conocida como ``otra atomicidad
1432multicopia'' en cambio, solo garantiza que un store dado se vuelva visible
1433al mismo tiempo en todas las -otras- CPUs. El resto de este documento
1434discute esta versión más débil, pero por brevedad lo llamaremos simplemente
1435``atomicidad multicopia''.
1436
1437El siguiente ejemplo demuestra la atomicidad multicopia:
1438
1439	CPU 1			CPU 2			CPU 3
1440	=======================	=======================	=======================
1441		{ X = 0, Y = 0 }
1442	STORE X=1		r1=LOAD X (reads 1)	LOAD Y (reads 1)
1443				<barrera general>	<barrera de lectura>
1444				STORE Y=r1		LOAD X
1445
1446Suponga que la carga de la CPU 2 desde X devuelve 1, que luego almacena en
1447Y, y la carga de la CPU 3 desde Y devuelve 1. Esto indica que el store de
1448la CPU 1 a X precede a la carga de la CPU 2 desde X y el store de esa CPU 2
1449a Y precede la carga de la CPU 3 desde Y. Además, las barreras de memoria
1450garantizan que la CPU 2 ejecuta su carga antes que su almacenamiento, y la
1451CPU 3 carga desde Y antes de cargar desde X. La pregunta entonces es
1452"¿Puede la carga de la CPU 3 desde X devolver 0?"
1453
1454Debido a que la carga de la CPU 3 desde X en cierto sentido viene después
1455de la carga de la CPU 2, es natural esperar que la carga de la CPU 3 desde
1456X deba devolver 1. Esta expectativa se deriva de la atomicidad multicopia:
1457si una carga que se ejecuta en la CPU B sigue una carga de la misma
1458variable que se ejecuta en la CPU A (y la CPU A no almacenó originalmente
1459el valor que leyó), entonces en sistemas atómicos multicopia, la carga de
1460la CPU B debe devolver el mismo valor que hizo la carga de la CPU A o algún
1461valor posterior. Sin embargo, el kernel Linux no requiere que los sistemas
1462sean atómicos multicopia.
1463
1464El uso de una barrera de memoria general en el ejemplo anterior compensa
1465cualquier falta de atomicidad multicopia. En el ejemplo, si la carga de la
1466CPU 2 de X devuelve 1 y la carga de la CPU 3 de Y devuelve 1, entonces la
1467carga de la CPU 3 desde X debe de hecho también devolver 1.
1468
1469Sin embargo, las dependencias, las barreras de lectura y las barreras de
1470escritura no siempre son capaces de compensar la atomicidad no multicopia.
1471Por ejemplo, supongamos que la barrera general de la CPU 2 se elimina del
1472ejemplo anterior, dejando solo la dependencia de datos que se muestra a
1473continuación:
1474
1475	CPU 1			CPU 2			CPU 3
1476	=======================	=======================	=======================
1477		{ X = 0, Y = 0 }
1478	STORE X=1		r1=LOAD X (escribe 1)	LOAD Y (lee 1)
1479				<dependencia de datos>	<barrera de lectura>
1480				STORE Y=r1		LOAD X (lee 0)
1481
1482Esta sustitución permite que la atomicidad no multicopia se desenfrene: en
1483este ejemplo, es perfectamente legal que la carga de la CPU 2 desde X
1484devuelva 1, la carga de la CPU 3 desde Y devuelva 1, y su carga desde X
1485tenga valor 0.
1486
1487El punto clave es que aunque la dependencia de datos de la CPU 2 ordena su
1488carga y store, no garantiza ordenar el store de la CPU 1. De forma que, si
1489este ejemplo se ejecuta en un sistema atómico no multicopia donde las CPU 1
1490y 2 comparten un buffer de almacenamiento o un nivel de caché, la CPU 2
1491podría tener acceso anticipado de escritura a CPU 1. Por lo tanto, se
1492requieren barreras generales para garantizar que todas las CPU acurden el
1493orden combinado de accesos múltiples.
1494
1495Las barreras generales pueden compensar no solo la atomicidad no
1496multicopia, pero también pueden generar orden adicional que puede asegurar
1497que -todas- las CPU percibirán el mismo orden de -todas- las operaciones.
1498Por el contrario, una cadena de parejas de liberación-adquisición no
1499proporciona este orden adicional, lo que significa que solo se garantiza
1500que las CPU de la cadena estén de acuerdo en el orden combinado de los
1501accesos. Por ejemplo, cambiando a código C en deferencia al fantasma de
1502Herman Hollerith:
1503
1504	int u, v, x, y, z;
1505
1506	void cpu0(void)
1507	{
1508		r0 = smp_load_acquire(&x);
1509		WRITE_ONCE(u, 1);
1510		smp_store_release(&y, 1);
1511	}
1512
1513	void cpu1(void)
1514	{
1515		r1 = smp_load_acquire(&y);
1516		r4 = READ_ONCE(v);
1517		r5 = READ_ONCE(u);
1518		smp_store_release(&z, 1);
1519	}
1520
1521	void cpu2(void)
1522	{
1523		r2 = smp_load_acquire(&z);
1524		smp_store_release(&x, 1);
1525	}
1526
1527	void cpu3(void)
1528	{
1529		WRITE_ONCE(v, 1);
1530		smp_mb();
1531		r3 = READ_ONCE(u);
1532	}
1533
1534Dado que cpu0(), cpu1() y cpu2() participan en una cadena de parejas
1535smp_store_release()/smp_load_acquire(), el siguiente resultado estaría
1536prohibido:
1537
1538	r0 == 1 && r1 == 1 && r2 == 1
1539
1540Además, debido a la relación liberación-adquisición entre cpu0() y cpu1(),
1541cpu1() debe ver las escrituras de cpu0(), de modo que el siguiente
1542resultado estaría prohibido:
1543
1544	r1 == 1 && r5 == 0
1545
1546Sin embargo, el orden proporcionado por una cadena de
1547liberación-adquisición es local a las CPU que participan en esa cadena y no
1548se aplica a cpu3(), al menos aparte de los stores. Por lo tanto, es posible
1549el siguiente resultado:
1550
1551	r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0
1552
1553Por otro lado, también el siguiente resultado es posible:
1554
1555	r0 == 0 && r1 == 1 && r2 == 1 && r3 == 0 && r4 == 0 && r5 == 1
1556
1557Aunque cpu0(), cpu1() y cpu2() verán sus respectivas lecturas y escrituras
1558en orden, las CPU que no participan en la cadena de liberación-adquisición
1559pueden estar en desacuerdo con el orden. Este desacuerdo se debe al hecho
1560de que las instrucciones de barrera de memoria débiles utilizadas para
1561implementar smp_load_acquire() y smp_store_release() no son necesarios para
1562ordenar stores anteriores contra cargas posteriores en todos los casos.
1563Esto significa que cpu3() puede ver el store de cpu0() suceder -después- de
1564la carga de cpu1() desde v, aunque tanto cpu0() como cpu1() están de
1565acuerdo en que estas dos operaciones ocurrieron en el orden previsto.
1566
1567Sin embargo, tenga en cuenta que smp_load_acquire() no es mágico. En
1568particular, simplemente lee de su argumento en orden. Es decir, -no-
1569asegura que se leerá cualquier valor en particular. Por lo tanto, los
1570siguiente resultados son posibles:
1571
1572	r0 == 0 && r1 == 0 && r2 == 0 && r5 == 0
1573
1574Tenga en cuenta que este resultado puede ocurrir incluso en un mítico
1575sistema, consistente en secuencia, donde nunca se reordena nada.
1576
1577Para reiterar, si su código requiere un orden completo de todas las
1578operaciones, utilice barreras generales en todo momento.
1579
1580
1581==============================
1582BARRERAS EXPLÍCITAS DEL KERNEL
1583==============================
1584
1585El kernel Linux tiene una variedad de diferentes barreras que actúan a
1586diferentes niveles:
1587
1588  (*) Barrera del compilador.
1589
1590  (*) Barreras de memoria de la CPU.
1591
1592
1593BARRERA DEL COMPILADOR
1594-----------------------
1595
1596El kernel de Linux tiene una función de barrera del compilador explícita
1597que evita que el el compilador mueva los accesos a la memoria de cualquier
1598lado al otro:
1599
1600	barrier();
1601
1602Esta es una barrera general: no hay variantes de barrier() para casos de
1603lectura-lectura o escritura-escritura. Sin embargo, READ_ONCE() y
1604WRITE_ONCE() pueden ser considerado como formas débiles de barrier() que
1605afectan solo específicos accesos marcados por READ_ONCE() o WRITE_ONCE().
1606
1607La función barrier() produce los siguientes efectos:
1608
1609 (*) Evita que el compilador reordene los accesos tras barrier() para
1610     preceder a cualquier acceso que preceda a barrier(). Un ejemplo de uso
1611     de esta propiedad es facilitar la comunicación entre código del
1612     interrupt-handler (encargo de gestionar interrupciones) y el código
1613     que fue interrumpido.
1614
1615 (*) Dentro de un bucle ("loop"), obliga al compilador a cargar las
1616     variables utilizadas en ese loop condicional en cada paso a través de
1617     ese loop.
1618
1619Las funciones READ_ONCE() y WRITE_ONCE() pueden evitar cualquier cantidad
1620de optimizaciones que, si bien son perfectamente seguras en código de un
1621solo subproceso, pueden resultar fatales en código concurrente. Aquí hay
1622algunos ejemplos de tal tipo de optimizaciones:
1623
1624(*) El compilador está en su derecho de reordenar cargas y stores de la
1625    misma variable, y en algunos casos, la CPU está dentro de su
1626    derecho de reordenar cargas a la misma variable. Esto significa que
1627    el siguiente código:
1628
1629 a[0] = x;
1630 a[1] = x;
1631
1632     Podría resultar en un valor más antiguo de x almacenado en a[1] que en
1633     a[0]. Evite que tanto el compilador como la CPU hagan esto de la
1634     siguiente manera:
1635
1636	a[0] = READ_ONCE(x);
1637	a[1] = READ_ONCE(x);
1638
1639     En resumen, READ_ONCE() y WRITE_ONCE() proporcionan coherencia de
1640     caché para accesos desde múltiples CPUs a una sola variable.
1641
1642     (*) El compilador tiene derecho a juntar cargas sucesivas de la misma
1643         variable. Tal fusión puede hacer que el compilador "optimice" el
1644         siguiente código:
1645
1646    	while (tmp = a)
1647    		hacer_algo_con(tmp);
1648
1649        en el siguiente código, que, aunque en cierto sentido es legítimo
1650        para un código de un solo subproceso, es casi seguro que no es lo
1651        que el desarrollador pretendía:
1652
1653   	if (tmp = a)
1654   		for (;;)
1655   			hacer_algo_con(tmp);
1656
1657        Use READ_ONCE() para evitar que el compilador le haga esto:
1658
1659   	while (tmp = READ_ONCE(a))
1660   		hacer_algo_con(tmp);
1661
1662 (*) El compilador tiene derecho a recargar una variable, por ejemplo,
1663    en los casos en que la alta presión de los registros impida que el
1664    compilador mantenga todos los datos de interés en registros. El
1665    compilador podría por lo tanto, optimizar la variable 'tmp' de nuestro
1666    ejemplo anterior:
1667
1668	while (tmp = a)
1669		hacer_algo_con(tmp);
1670
1671     Esto podría resultar en el siguiente código, que es perfectamente
1672     seguro en código de subproceso único, pero puede ser fatal en código
1673     concurrente:
1674
1675	while (a)
1676		hacer_algo_con(a);
1677
1678    Por ejemplo, la versión optimizada de este código podría resultar en
1679    pasar un cero a hacer_algo_con() en el caso de que la variable a sea
1680    modificada por alguna otra CPU, entre la instrucción "while" y la
1681    llamada a hacer_algo_con().
1682
1683    De nuevo, use READ_ONCE() para evitar que el compilador haga esto:
1684
1685	while (tmp = READ_ONCE(a))
1686		hacer_algo_con(tmp);
1687
1688     Tenga en cuenta que si el compilador se queda sin registros, podría
1689     guardar tmp en la pila ("stack"). El overhead (coste en eficiencia) de
1690     este guardado y posterior restauración es por lo que los compiladores
1691     recargan las variables. Hacerlo es perfectamente seguro para código de
1692     subproceso único, por lo que debe informar al compilador sobre los
1693     casos donde no sea seguro.
1694
1695 (*) El compilador está en su derecho de omitir una carga por completo si
1696     sabe cual será su valor. Por ejemplo, si el compilador puede probar
1697     que el valor de la variable 'a' siempre es cero, puede optimizar este
1698     código:
1699
1700	while (tmp = a)
1701		hacer_algo_con(tmp);
1702
1703     En esto:
1704
1705	do { } while (0);
1706
1707     Esta transformación es una victoria para un código de un solo
1708     subproceso, porque se deshace de una carga y un branch. El problema es
1709     que el compilador llevará a cabo su prueba asumiendo que la CPU actual
1710     es la única actualizando la variable 'a'. Si la variable 'a' es
1711     compartida, entonces la prueba del compilador será errónea. Use
1712     READ_ONCE() para decirle al compilador que no sabe tanto como cree:
1713
1714	while (tmp = READ_ONCE(a))
1715		hacer_algo_con(tmp);
1716
1717     Pero, por favor, tenga en cuenta que el compilador también está
1718     observando de cerca lo que usted hace con el valor después de
1719     READ_ONCE(). Por ejemplo, suponga que Ud. hace lo siguiente y MAX es
1720     una macro de preprocesador con el valor 1:
1721
1722	while ((tmp = READ_ONCE(a)) % MAX)
1723		hacer_algo_con(tmp);
1724
1725     Entonces el compilador sabe que el resultado del operador "%" aplicado
1726     a MAX siempre será cero, nuevamente permitiendo que el compilador
1727     optimice el código hasta su casi inexistencia. (Aún se cargará desde
1728     la variable 'a'.)
1729
1730 (*) De manera similar, el compilador tiene derecho a omitir un store por
1731     completo si sabe que la variable ya tiene el valor almacenado.
1732     Nuevamente, el compilador asume que la CPU actual es la única que
1733     almacena la variable, lo que puede hacer que el compilador haga
1734     algo incorrecto para las variables compartidas. Por ejemplo, suponga
1735     que tiene lo siguiente:
1736
1737	a = 0;
1738	... Código que no almacena la variable a ...
1739	a = 0;
1740
1741     El compilador observa que el valor de la variable 'a' ya es cero, por
1742     lo que bien podría omitir el segundo store. Esto supondría una fatal
1743     sorpresa, si alguna otra CPU hubiera almacenado la variable 'a'
1744     mientras tanto.
1745
1746     Use WRITE_ONCE() para evitar que el compilador haga este tipo de
1747     suposición equivocada:
1748
1749	WRITE_ONCE(a, 0);
1750	... Código que no almacena la variable a  ...
1751	WRITE_ONCE(a, 0);
1752
1753  (*) El compilador tiene derecho a reordenar los accesos a memoria a menos
1754     que le diga que no. Por ejemplo, considere la siguiente interacción
1755     entre el código de nivel de proceso y un controlador de interrupción:
1756
1757	void nivel_de_procesamiento(void)
1758	{
1759		msg = ACQUIRE_mensaje();
1760		flag = true;
1761	}
1762
1763	void controlador_interrupcion(void)
1764	{
1765		if (flag)
1766			procesar_mensaje(msg);
1767	}
1768
1769     No hay nada que impida que el compilador transforme
1770     nivel_de_procesamiento() a lo siguiente, que de hecho, bien podría ser
1771     una victoria para código de un solo subproceso:
1772
1773	void nivel_de_procesamiento(void)
1774	{
1775		flag = true;
1776		msg = ACQUIRE_mensaje();
1777	}
1778
1779     Si la interrupción ocurre entre estas dos declaraciones, entonces
1780     controlador_interrupcion() podría recibir un mensaje ilegible. Use
1781     READ_ONCE() para evitar esto de la siguiente manera:
1782
1783	void nivel_de_procesamiento(void)
1784	{
1785		WRITE_ONCE(msg, ACQUIRE_mensaje());
1786		WRITE_ONCE(flag, true);
1787	}
1788
1789	void controlador_interrupcion(void)
1790	{
1791		if (READ_ONCE(flag))
1792			procesar_mensaje(READ_ONCE(msg));
1793	}
1794
1795     Tenga en cuenta que los envoltorios ("wrappers") READ_ONCE() y
1796     WRITE_ONCE() en controlador_interrupcion() son necesarios si este
1797     controlador de interrupciones puede ser interrumpido por algo que
1798     también accede a 'flag' y 'msg', por ejemplo, una interrupción anidada
1799     o un NMI. De lo contrario, READ_ONCE() y WRITE_ONCE() no son
1800     necesarios en controlador_interrupcion() aparte de con fines de
1801     documentación. (Tenga también en cuenta que las interrupciones
1802     anidadas no ocurren típicamente en los kernels Linux modernos, de
1803     hecho, si un controlador de interrupciones regresa con interrupciones
1804     habilitadas, obtendrá un WARN_ONCE().)
1805
1806     Debe suponer que el compilador puede mover READ_ONCE() y WRITE_ONCE()
1807     a código que no contiene READ_ONCE(), WRITE_ONCE(), barrier(), o
1808     primitivas similares.
1809
1810     Este efecto también podría lograrse usando barrier(), pero READ_ONCE()
1811     y WRITE_ONCE() son más selectivos: Con READ_ONCE() y WRITE_ONCE(), el
1812     compilador solo necesita olvidar el contenido de ubicaciones de
1813     memoria indicadas, mientras que con barrier() el compilador debe
1814     descartar el valor de todas las ubicaciones de memoria que tiene
1815     actualmente almacenadas en caché, en cualquier registro de la máquina.
1816     Por supuesto, el compilador también debe respetar el orden en que
1817     ocurren READ_ONCE() y WRITE_ONCE(), aunque la CPU, efectivamente, no
1818     necesita hacerlo.
1819
1820 (*) El compilador tiene derecho a inventar stores para una variable,
1821     como en el siguiente ejemplo:
1822
1823	if (a)
1824		b = a;
1825	else
1826		b = 42;
1827
1828    El compilador podría ahorrar un branch al optimizar esto de la
1829    siguiente manera:
1830
1831    	b = 42;
1832    	if (a)
1833    		b = a;
1834
1835     En el código de un solo subproceso, esto no solo es seguro, sino que
1836     también ahorra un branch. Desafortunadamente, en código concurrente,
1837     esta optimización podría causar que alguna otra CPU vea un valor falso
1838     de 42, incluso si la variable 'a' nunca fue cero, al cargar la
1839     variable 'b'. Use WRITE_ONCE() para evitar esto de la siguiente
1840     manera:
1841
1842	if (a)
1843		WRITE_ONCE(b, a);
1844	else
1845		WRITE_ONCE(b, 42);
1846
1847    El compilador también puede inventar cargas. Estos casos suelen ser
1848    menos perjudiciales, pero pueden dar como resultado "bouncing" de la
1849    línea de caché y, por lo tanto, bajo rendimiento y escalabilidad.
1850    Utilice READ_ONCE() para evitar cargas inventadas.
1851
1852 (*) Para ubicaciones de memoria alineadas cuyo tamaño les permita
1853     acceder con una sola instrucción de referencia de memoria, evite el
1854     "desgarro de la carga" (load tearing) y "desgarro del store" (store
1855     tearing), en el que un solo gran acceso es reemplazado por múltiples
1856     accesos menores. Por ejemplo, dada una arquitectura que tiene
1857     instrucciones de almacenamiento de 16 bits con campos inmediatos de 7
1858     bits, el compilador podría tener la tentación de usar dos
1859     instrucciones inmediatas de almacenamiento de 16 bits para implementar
1860     el siguiente store de 32 bits:
1861
1862	p = 0x00010002;
1863
1864     Tenga en cuenta que GCC realmente usa este tipo de optimización, lo
1865     cual no es sorprendente dado que probablemente costaría más de dos
1866     instrucciones el construir la constante y luego almacenarla. Por lo
1867     tanto, esta optimización puede ser una victoria en un código de un
1868     solo subproceso. De hecho, un error reciente (desde que se solucionó)
1869     hizo que GCC usara incorrectamente esta optimización en un store
1870     volátil. En ausencia de tales errores, el uso de WRITE_ONCE() evita el
1871     desgarro del store en el siguiente ejemplo:
1872
1873	struct __attribute__((__packed__)) foo {
1874		short a;
1875		int b;
1876		short c;
1877	};
1878	struct foo foo1, foo2;
1879	...
1880
1881	foo2.a = foo1.a;
1882	foo2.b = foo1.b;
1883	foo2.c = foo1.c;
1884
1885     Debido a que no hay envoltorios READ_ONCE() o WRITE_ONCE() y no
1886     hay markings volátiles, el compilador estaría en su derecho de
1887     implementar estas tres declaraciones de asignación como un par de
1888     cargas de 32 bits, seguido de un par de stores de 32 bits. Esto
1889     resultaría en una carga con desgarro en 'foo1.b' y store del desgarro
1890     en 'foo2.b'. READ_ONCE() y WRITE_ONCE() nuevamente evitan el desgarro
1891     en este ejemplo:
1892
1893	foo2.a = foo1.a;
1894	WRITE_ONCE(foo2.b, READ_ONCE(foo1.b));
1895	foo2.c = foo1.c;
1896
1897Aparte de esto, nunca es necesario usar READ_ONCE() y WRITE_ONCE() en una
1898variable que se ha marcado como volátil. Por ejemplo, dado que 'jiffies'
1899está marcado como volátil, nunca es necesario usar READ_ONCE(jiffies). La
1900razón de esto es que READ_ONCE() y WRITE_ONCE() se implementan como
1901conversiones volátiles, lo que no tiene efecto cuando su argumento ya está
1902marcado como volátil.
1903
1904Tenga en cuenta que estas barreras del compilador no tienen un efecto
1905directo en la CPU, que luego puede reordenar las cosas como quiera.
1906
1907
1908BARRERAS DE MEMORIA DE LA CPU
1909-----------------------------
1910
1911El kernel de Linux tiene siete barreras básicas de memoria de CPU:
1912
1913TIPO			OBLIGATORIO	SMP CONDICIONAL
1914=======================	===============	===============
1915GENERAL			mb()		smp_mb()
1916WRITE			wmb()		smp_wmb()
1917READ			rmb()		smp_rmb()
1918DEPEDENCIA DE DIRECCIÓN			READ_ONCE()
1919
1920
1921Todas las barreras de memoria, excepto las barreras de dependencia de
1922direcciones, implican una barrera del compilador. Las dependencias de
1923direcciones no imponen ningún orden de compilación adicional.
1924
1925Además: en el caso de las dependencias de direcciones, se esperaría que el
1926compilador emita las cargas en el orden correcto (por ejemplo, `a[b]`
1927tendría que cargar el valor de b antes de cargar a[b]), sin embargo, no hay
1928garantía alguna en la especificación de C sobre que el compilador no puede
1929especular el valor de b (por ejemplo, es igual a 1) y carga a[b] antes que
1930b (ej. tmp = a[1]; if (b != 1) tmp = a[b]; ). También existe el problema de
1931que un compilador vuelva a cargar b después de haber cargado a[b], teniendo
1932así una copia más nueva de b que a[b]. Aún no se ha conseguido un consenso
1933acerca de estos problemas, sin embargo, el macro READ_ONCE() es un buen
1934lugar para empezar a buscar.
1935
1936Las barreras de memoria SMP se reducen a barreras de compilador cuando se
1937compila a monoprocesador, porque se supone que una CPU parecerá ser
1938auto-consistente, y ordenará correctamente los accesos superpuestos
1939respecto a sí misma. Sin embargo, consulte la subsección "Guests de
1940máquinas virtuales" mas adelante.
1941
1942[!] Tenga en cuenta que las barreras de memoria SMP _deben_ usarse para
1943controlar el orden de referencias a memoria compartida en sistemas SMP,
1944aunque el uso de bloqueo en su lugar sea suficiente.
1945
1946Las barreras obligatorias no deben usarse para controlar los efectos de
1947SMP, ya que dichas barreras imponen una sobrecarga innecesaria en los
1948sistemas SMP y UP. Se pueden, sin embargo, usar para controlar los efectos
1949MMIO en los accesos a través de ventanas E/S de memoria relajada. Estas
1950barreras son necesarias incluso en sistemas que no son SMP, ya que afectan
1951al orden en que las operaciones de memoria aparecen en un dispositivo, al
1952prohibir tanto al compilador como a la CPU que sean reordenados.
1953
1954
1955Hay algunas funciones de barrera más avanzadas:
1956
1957 (*) smp_store_mb(var, valor)
1958
1959     Asigna el valor a la variable y luego inserta una barrera de memoria
1960     completa después de ella. No se garantiza insertar nada más que una
1961     barrera del compilador en una compilación UP.
1962
1963
1964 (*) smp_mb__before_atomic();
1965 (*) smp_mb__after_atomic();
1966
1967     Estos se pueden usar con funciones RMW atómicas que no implican
1968     barreras de memoria, pero donde el código necesita una barrera de
1969     memoria. Ejemplos de funciones RMW atómicas que no implican una
1970     barrera de memoria son, por ejemplo, agregar, restar, operaciones
1971     condicionales (fallidas), funciones _relaxed, pero no atomic_read o
1972     atomic_set. Un ejemplo común donde se puede requerir una barrera es
1973     cuando se usan operaciones atómicas como referencia de contador.
1974
1975     Estos también se utilizan para funciones atómicas RMW bitop que no
1976     implican una barrera de memoria (como set_bit y clear_bit).
1977
1978     Como ejemplo, considere una pieza de código que marca un objeto como
1979     muerto y luego disminuye el contador de referencias del objeto:
1980
1981	obj->dead = 1;
1982	smp_mb__before_atomic();
1983	atomic_dec(&obj->ref_count);
1984
1985     Esto asegura que la marca de muerte en el objeto se perciba como
1986     fijada *antes* de que disminuya el contador de referencia.
1987
1988     Consulte Documentation/atomic_{t,bitops}.txt para obtener más
1989     información.
1990
1991
1992 (*) dma_wmb();
1993 (*) dma_rmb();
1994 (*) dma_mb();
1995
1996     Estos son usados con memoria consistente para garantizar el orden de
1997     escrituras o lecturas de memoria compartida accesible tanto para la
1998     CPU como para un dispositivo compatible con DMA.
1999
2000     Por ejemplo, considere un controlador de dispositivo que comparte
2001     memoria con otro dispositivo y usa un valor de estado del descriptor
2002     para indicar si el descriptor pertenece al dispositivo o a la CPU, y
2003     un "doorbell" (timbre, punto de acceso) para avisarle cuando haya
2004     nuevos descriptores disponibles:
2005
2006	if (desc->status != DEVICE_OWN) {
2007		/* no leer los datos hasta que tengamos el descriptor */
2008		dma_rmb();
2009
2010		/* leer/modificar datos */
2011		read_data = desc->data;
2012		desc->data = write_data;
2013
2014		/* flush de modificaciones antes de la actualización de estado */
2015		dma_wmb();
2016
2017		/* asignar propiedad */
2018		desc->status = DEVICE_OWN;
2019
2020		/* notificar al dispositivo de nuevos descriptores */
2021		writel(DESC_NOTIFY, doorbell);
2022	}
2023
2024     El dma_rmb() nos permite garantizar que el dispositivo ha liberado su
2025     propiedad antes de que leamos los datos del descriptor, y el dma_wmb()
2026     permite garantizar que los datos se escriben en el descriptor antes de
2027     que el dispositivo pueda ver que ahora tiene la propiedad. El dma_mb()
2028     implica tanto un dma_rmb() como un dma_wmb(). Tenga en cuenta que, al
2029     usar writel(), no se necesita un wmb() anterior para garantizar que
2030     las escrituras de la memoria caché coherente se hayan completado antes
2031     escribiendo a la región MMIO. El writel_relaxed() más barato no
2032     proporciona esta garantía y no debe utilizarse aquí.
2033
2034     Consulte la subsección "Efectos de barrera de E/S del kernel" para
2035     obtener más información sobre accesorios de E/S relajados y el archivo
2036     Documentation/core-api/dma-api.rst para más información sobre memoria
2037     consistente.
2038
2039 (*) pmem_wmb();
2040
2041     Es es para uso con memoria persistente para garantizar que los stores
2042     para los que las modificaciones se escriben en el almacenamiento
2043     persistente llegaron a dominio de durabilidad de la plataforma.
2044
2045     Por ejemplo, después de una escritura no temporal en la región pmem,
2046     usamos pmem_wmb() para garantizar que los stores hayan alcanzado el
2047     dominio de durabilidad de la plataforma. Esto garantiza que los stores
2048     han actualizado el almacenamiento persistente antes de cualquier
2049     acceso a datos o transferencia de datos causada por instrucciones
2050     posteriores. Esto es además del orden realizado por wmb().
2051
2052     Para la carga desde memoria persistente, las barreras de memoria de
2053     lectura existentes son suficientes para garantizar el orden de
2054     lectura.
2055
2056 (*) io_stop_wc();
2057
2058     Para accesos a memoria con atributos de combinación de escritura (por
2059     ejemplo, los devueltos por ioremap_wc(), la CPU puede esperar a que
2060     los accesos anteriores se junten con posteriores. io_stop_wc() se
2061     puede utilizar para evitar la combinación de accesos a memoria de
2062     de escritura antes de esta macro, con los posteriores, cuando dicha
2063     espera tenga implicaciones en el rendimiento.
2064
2065=========================================
2066BARRERAS DE MEMORIA IMPLÍCITAS DEL KERNEL
2067=========================================
2068
2069Algunas de las otras funciones en el kernel Linux implican barreras de
2070memoria, entre estas encontramos funciones de bloqueo y planificación
2071("scheduling").
2072
2073Esta especificación es una garantía _mínima_; cualquier arquitectura
2074particular puede proporcionar garantías más sustanciales, pero no se puede
2075confiar en estas fuera de código específico de arquitectura.
2076
2077
2078FUNCIONES DE ADQUISICIÓN DE CERROJO
2079-----------------------------------
2080
2081El kernel Linux tiene una serie de abstracciones de bloqueo:
2082
2083 (*) spin locks (cerrojos en loop)
2084 (*) R/W spin lock (cerrojos de escritura/lectura)
2085 (*) mutex
2086 (*) semáforos
2087 (*) R/W semáforos
2088
2089En todos los casos existen variantes de las operaciones "ACQUIRE" y
2090"RELEASE" para cada uno de ellos. Todas estas operaciones implican ciertas
2091barreras:
2092
2093 (1) Implicaciones de la operación ACQUIRE:
2094
2095     Las operaciones de memoria emitidas después del ACQUIRE se completarán
2096     después de que la operación ACQUIRE haya finalizado.
2097
2098     Las operaciones de memoria emitidas antes de ACQUIRE pueden
2099     completarse después que la operación ACQUIRE se ha completado.
2100
2101 (2) Implicaciones de la operación RELEASE:
2102
2103     Las operaciones de memoria emitidas antes de la RELEASE se
2104     completarán antes de que la operación de RELEASE se haya completado.
2105
2106     Las operaciones de memoria emitidas después de la RELEASE pueden
2107     completarse antes de que la operación de RELEASE se haya completado.
2108
2109 (3) Implicación de ACQUIRE vs ACQUIRE:
2110
2111     Todas las operaciones ACQUIRE emitidas antes de otra operación
2112     ACQUIRE serán completadas antes de esa operación ACQUIRE.
2113
2114 (4) Implicación de ACQUIRE vs RELEASE:
2115
2116     Todas las operaciones ACQUIRE emitidas antes de una operación RELEASE
2117     serán completadas antes de la operación RELEASE.
2118
2119 (5) Implicación de ACQUIRE condicional fallido:
2120
2121     Ciertas variantes de bloqueo de la operación ACQUIRE pueden fallar, ya
2122     sea debido a no poder obtener el bloqueo de inmediato, o debido a que
2123     recibieron una señal de desbloqueo mientras dormían esperando que el
2124     cerrojo estuviera disponible. Los fallos en cerrojos no implican
2125     ningún tipo de barrera.
2126
2127[!] Nota: una de las consecuencias de que los cerrojos en ACQUIRE y RELEASE
2128sean barreras unidireccionales, es que los efectos de las instrucciones
2129fuera de una sección crítica pueden filtrarse al interior de la sección
2130crítica.
2131
2132No se puede suponer que un ACQUIRE seguido de una RELEASE sea una barrera
2133de memoria completa dado que es posible que un acceso anterior a ACQUIRE
2134suceda después del ACQUIRE, y un acceso posterior a la RELEASE suceda antes
2135del RELEASE, y los dos accesos puedan entonces cruzarse:
2136
2137	*A = a;
2138	ACQUIRE M
2139	RELEASE M
2140	*B = b;
2141
2142puede ocurrir como:
2143
2144	ACQUIRE M, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
2145
2146Cuando ACQUIRE y RELEASE son bloqueo de adquisición y liberación,
2147respectivamente, este mismo orden puede ocurrir si el cerrojo ACQUIRE y
2148RELEASE son para la misma variable de bloqueo, pero solo desde la
2149perspectiva de otra CPU que no tiene ese bloqueo. En resumen, un ACQUIRE
2150seguido de un RELEASE NO puede entenderse como una barrera de memoria
2151completa.
2152
2153De manera similar, el caso inverso de un RELEASE seguido de un ACQUIRE no
2154implica una barrera de memoria completa. Por lo tanto, la ejecución de la
2155CPU de los tramos críticos correspondientes a la RELEASE y la ACQUIRE
2156pueden cruzarse, de modo que:
2157
2158	*A = a;
2159	RELEASE M
2160	ACQUIRE N
2161	*B = b;
2162
2163puede ocurrir como:
2164
2165	ACQUIRE N, STORE *B, STORE *A, RELEASE M
2166
2167Podría parecer que este nuevo orden podría introducir un punto muerto.
2168Sin embargo, esto no puede suceder porque si tal punto muerto amenazara
2169con suceder, el RELEASE simplemente se completaría, evitando así el
2170interbloqueo ("deadlock", punto muerto).
2171
2172	¿Por qué funciona esto?
2173
2174	Un punto clave es que solo estamos hablando de la CPU re-haciendo el
2175  orden, no el compilador. Si el compilador (o, ya puestos, el
2176  desarrollador) cambió las operaciones, un deadlock -podría- ocurrir.
2177
2178	Pero supongamos que la CPU reordenó las operaciones. En este caso, el
2179	desbloqueo precede al bloqueo en el código ensamblador. La CPU
2180  simplemente eligió intentar ejecutar primero la última operación de
2181  bloqueo. Si hay un interbloqueo, esta operación de bloqueo simplemente
2182  esperará (o tratará de dormir, pero hablaremos de eso más adelante). La
2183  CPU eventualmente ejecutará la operación de desbloqueo (que precedió a la
2184	operación de bloqueo en el código ensamblador), lo que desenmascará el
2185  potencial punto muerto, permitiendo que la operación de bloqueo tenga
2186  éxito.
2187
2188	Pero, ¿y si el cerrojo es un cerrojo que duerme ("sleeplock")? En tal
2189  caso, el código intentará entrar al scheduler, donde eventualmente
2190  encontrará una barrera de memoria, que forzará la operación de desbloqueo
2191  anterior para completar, nuevamente desentrañando el punto muerto. Podría
2192	haber una carrera de desbloqueo del sueño ("sleep-unlock race"), pero la
2193  primitiva de bloqueo necesita resolver tales carreras correctamente en
2194  cualquier caso.
2195
2196Es posible que los cerrojos y los semáforos no proporcionen ninguna
2197garantía de orden en sistemas compilados en UP, por lo que no se puede
2198contar con tal situación para lograr realmente nada en absoluto,
2199especialmente con respecto a los accesos de E/S, a menos que se combinen
2200con operaciones de inhabilitación de interrupciones.
2201
2202Consulte también la sección "Efectos de barrera adquiriendo intra-CPU".
2203
2204
2205Como ejemplo, considere lo siguiente:
2206
2207	*A = a;
2208	*B = b;
2209	ACQUIRE
2210	*C = c;
2211	*D = d;
2212	RELEASE
2213	*E = e;
2214	*F = f;
2215
2216La siguiente secuencia de eventos es aceptable:
2217
2218	ACQUIRE, {*F,*A}, *E, {*C,*D}, *B, RELEASE
2219
2220  [+] Tenga en cuenta que {*F,*A} indica un acceso combinado.
2221
2222Pero ninguno de los siguientes lo son:
2223
2224	{*F,*A}, *B,	ACQUIRE, *C, *D,	RELEASE, *E
2225	*A, *B, *C,	ACQUIRE, *D,		RELEASE, *E, *F
2226	*A, *B,		ACQUIRE, *C,		RELEASE, *D, *E, *F
2227	*B,		ACQUIRE, *C, *D,	RELEASE, {*F,*A}, *E
2228
2229
2230
2231FUNCIONES DE DESACTIVACIÓN DE INTERRUPCIONES
2232--------------------------------------------
2233
2234Las funciones que deshabilitan interrupciones (equivalentes a ACQUIRE) y
2235habilitan interrupciones (equivalentes a RELEASE) actuarán únicamente como
2236barrera del compilador. Por consiguiente, si la memoria o la E/S requieren
2237barreras en tal situación, deben ser provistas por algún otro medio.
2238
2239
2240FUNCIONES DE DORMIR Y DESPERTAR
2241-------------------------------
2242
2243Dormir y despertar son eventos marcados ("flagged") en los datos globales
2244que se pueden ver como una interacción entre dos piezas de datos: el estado
2245de la task (hilo, proceso, tarea) que espera el evento y los datos globales
2246utilizados para indicar el evento. Para asegurarse de que estos parezcan
2247suceder en el orden correcto, las primitivas para comenzar el proceso de ir
2248a dormir, y las primitivas para iniciar un despertar implican ciertas
2249barreras.
2250
2251En primer lugar, el agente durmiente normalmente sigue algo similar a esta
2252secuencia de eventos:
2253
2254	for (;;) {
2255		set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
2256		if (evento_indicado)
2257			break;
2258		schedule(); // planificar
2259	}
2260
2261Una barrera de memoria general se obtiene automáticamente mediante
2262set_current_state() después de haber alterado el estado de la tarea:
2263
2264	CPU 1
2265	===============================
2266	set_current_state(); // hacer_estado_actual()
2267	  smp_store_mb();
2268	    STORE current->state
2269	    <barrera general>
2270	LOAD evento_indicado
2271
2272set_current_state() puede estar envuelto por:
2273
2274	prepare_to_wait(); // preparese_para_esperar();
2275	prepare_to_wait_exclusive(); // prepararse_para_solo_esperar();
2276
2277que por lo tanto también implican una barrera de memoria general después de
2278establecer el estado. Toda la secuencia anterior está disponible en varias
2279formas, todas las cuales obtienen la barrera de memoria en el lugar
2280correcto:
2281
2282	wait_event();
2283	wait_event_interruptible();
2284	wait_event_interruptible_exclusive();
2285	wait_event_interruptible_timeout();
2286	wait_event_killable();
2287	wait_event_timeout();
2288	wait_on_bit();
2289	wait_on_bit_lock();
2290
2291
2292En segundo lugar, el código que realiza una activación normalmente se
2293asemeja a algo como esto:
2294
2295	evento_indicado = 1;
2296	wake_up(&event_wait_queue); // despertar
2297
2298o:
2299
2300	evento_indicado = 1;
2301	wake_up_process(event_daemon); // despertar proceso
2302
2303wake_up() ejecuta una barrera de memoria general si despierta algo. Si no
2304despierta nada, entonces una barrera de memoria puede o no ser ejecutada;
2305no debe confiar en ello. La barrera se produce antes del acceso al estado
2306de la tarea. En particular, se encuentra entre el STORE para indicar el
2307evento y el STORE para configurar TASK_RUNNING (hilo ejecutando):
2308
2309	CPU 1 (Durmiente)			CPU 2 (Despertadora)
2310	===============================	===============================
2311	set_current_state();		STORE evento_indicado
2312	  smp_store_mb();		wake_up();
2313	    STORE current->state	  ...
2314	    <barrera general>		  <barrera general>
2315	LOAD evento_indicado		  if ((LOAD task->state) & TASK_NORMAL)
2316					    STORE task->state
2317
2318donde "task" es el subproceso que se está despertando y es igual al
2319"current" (hilo actual) de la CPU 1.
2320
2321Para reiterar, se garantiza la ejecución de una barrera de memoria general
2322mediante wake_up() si algo está realmente despierto, pero de lo contrario
2323no existe tal garantía. Para entender esto, considere la siguiente
2324secuencia de eventos, donde X e Y son ambos cero inicialmente:
2325
2326	CPU 1				CPU 2
2327	===============================	===============================
2328	X = 1;				Y = 1;
2329	smp_mb();			wake_up();
2330	LOAD Y				LOAD X
2331
2332Si ocurre una reactivación ("wakeup"), una (al menos) de las dos cargas
2333debe ver 1. Si, por otro lado, no ocurre una reactivación, ambas cargas
2334pueden ver 0.
2335
2336wake_up_process() siempre ejecuta una barrera de memoria general. La
2337barrera, de nuevo, ocurre antes de que se acceda al estado del hilo. En
2338particular, si wake_up(), en el fragmento anterior, fuera reemplazado por
2339una llamada a wake_up_process(), las dos cargas verían 1, garantizado.
2340
2341Las funciones de activación disponibles incluyen:
2342
2343	complete();
2344	wake_up();
2345	wake_up_all();
2346	wake_up_bit();
2347	wake_up_interruptible();
2348	wake_up_interruptible_all();
2349	wake_up_interruptible_nr();
2350	wake_up_interruptible_poll();
2351	wake_up_interruptible_sync();
2352	wake_up_interruptible_sync_poll();
2353	wake_up_locked();
2354	wake_up_locked_poll();
2355	wake_up_nr();
2356	wake_up_poll();
2357	wake_up_process();
2358
2359En términos de orden de la memoria, todas estas funciones proporcionan las
2360mismas garantías que un wake_up() (o más fuertes).
2361
2362[!] Tenga en cuenta que las barreras de la memoria implicadas por el
2363durmiente y el despierto _no_ ordenan varios stores antes del despertar con
2364respecto a cargas de los valores guardados después de que el durmiente haya
2365llamado a set_current_state(). Por ejemplo, si el durmiente hace:
2366
2367	set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2368	if (evento_indicado)
2369		break;
2370	__set_current_state(TASK_RUNNING);
2371	hacer_algo(my_data);
2372
2373y el que despierta hace:
2374
2375	my_data = valor;
2376	evento_indicado = 1;
2377	wake_up(&event_wait_queue);
2378
2379no existe garantía de que el cambio a event_indicated sea percibido por
2380el durmiente de manera que venga después del cambio a my_data. En tal
2381circunstancia, el código en ambos lados debe sacar sus propias barreras de
2382memoria entre los separados accesos a datos. Por lo tanto, el durmiente
2383anterior debería hacer:
2384
2385	set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2386	if (evento_indicado) {
2387		smp_rmb();
2388		hacer_algo(my_data);
2389	}
2390
2391y el que despierta debería hacer:
2392
2393	my_data = value;
2394	smp_wmb();
2395	evento_indicado = 1;
2396	wake_up(&event_wait_queue);
2397
2398FUNCIONES VARIAS
2399----------------
2400
2401Otras funciones que implican barreras:
2402
2403 (*) schedule() y similares implican barreras completas de memoria.
2404
2405
2406========================================
2407EFECTOS DE BARRERA ADQUIRIENDO INTRA-CPU
2408========================================
2409
2410En los sistemas SMP, las primitivas de bloqueo proveen una forma más
2411sustancial de barrera: una que afecta el orden de acceso a la memoria en
2412otras CPU, dentro del contexto de conflicto en cualquier bloqueo en
2413particular.
2414
2415
2416ADQUISICIÓN VS ACCESOS A MEMORIA
2417--------------------------------
2418
2419Considere lo siguiente: el sistema tiene un par de spinlocks (M) y (Q), y
2420tres CPU; entonces la siguiente secuencia de eventos debería ocurrir:
2421
2422	CPU 1				CPU 2
2423	===============================	===============================
2424	WRITE_ONCE(*A, a);		WRITE_ONCE(*E, e);
2425	ACQUIRE M			ACQUIRE Q
2426	WRITE_ONCE(*B, b);		WRITE_ONCE(*F, f);
2427	WRITE_ONCE(*C, c);		WRITE_ONCE(*G, g);
2428	RELEASE M			RELEASE Q
2429	WRITE_ONCE(*D, d);		WRITE_ONCE(*H, h);
2430
2431Entonces no hay garantía sobre en qué orden verá la CPU 3 los accesos a *A
2432hasta que *H ocurra, además de las restricciones impuestas por los bloqueos
2433separados en las distintas CPUs. Podría, por ejemplo, ver:
2434
2435	*E, ACQUIRE M, ACQUIRE Q, *G, *C, *F, *A, *B, RELEASE Q, *D, *H, RELEASE M
2436
2437Pero no verá ninguno de:
2438
2439	*B, *C or *D preceding ACQUIRE M
2440	*A, *B or *C following RELEASE M
2441	*F, *G or *H preceding ACQUIRE Q
2442	*E, *F or *G following RELEASE Q
2443
2444========================================
2445¿DÓNDE SE NECESITAN BARRERAS DE MEMORIA?
2446========================================
2447
2448Bajo operación normal, el re-ordenamiento de una operación de memoria
2449generalmente no va a suponer un problema, ya que para una pieza de código
2450lineal de un solo subproceso seguirá pareciendo que funciona correctamente,
2451incluso si está en un kernel SMP. Existen, sin embargo, cuatro
2452circunstancias en las que reordenar definitivamente _podría_ ser un
2453problema:
2454
2455 (*) Interacción entre procesadores.
2456
2457 (*) Operaciones atómicas.
2458
2459 (*) Acceso a dispositivos.
2460
2461 (*) Interrupciones.
2462
2463
2464INTERACCIÓN ENTRE PROCESADORES
2465------------------------------
2466
2467Cuando se da un sistema con más de un procesador, más de una CPU en el
2468sistema puede estar trabajando en el mismo conjunto de datos al mismo
2469tiempo. Esto puede causar problemas de sincronización, y la forma habitual
2470de tratar con estos es utilizar cerrojos. Sin embargo, los cerrojos son
2471bastante caros, por lo que puede ser preferible operar sin el uso de un
2472cerrojo a ser posible. En cuyo caso, es posible que las operaciones que
2473afectan a ambas CPU deban ordenarse cuidadosamente para evitar un
2474funcionamiento incorrecto.
2475
2476Considere, por ejemplo, la ruta lenta del semáforo R/W. Aquí hay un proceso
2477de espera en cola del semáforo, en virtud de que tiene una parte de su pila
2478vinculada a la lista de procesos en espera del semáforo:
2479
2480	struct rw_semaphore {
2481		...
2482		spinlock_t lock;
2483		struct list_head waiters;
2484	};
2485
2486	struct rwsem_waiter {
2487		struct list_head list;
2488		struct task_struct *task;
2489	};
2490
2491Para despertar a un proceso que espera ("waiter") en particular, las
2492funciones up_read() o up_write() tienen que:
2493
2494 (1) leer el siguiente puntero del registro de este proceso que espera,
2495     para saber dónde está el registro del siguiente waiter;
2496
2497 (2) leer el puntero a la estructura de tareas del waiter;
2498
2499 (3) borrar el puntero de la tarea para decirle al waiter que se le ha dado
2500     el semáforo;
2501
2502 (4) llamar a wake_up_process() en la tarea; y
2503
2504 (5) liberar la referencia retenida en la estructura de tareas del waiter.
2505
2506En otras palabras, tiene que realizar esta secuencia de eventos:
2507
2508	LOAD waiter->list.next;
2509	LOAD waiter->task;
2510	STORE waiter->task;
2511	CALL wakeup
2512	RELEASE task
2513
2514y si alguno de estos pasos ocurre fuera de orden, entonces todo puede que
2515funcione defectuosamente.
2516
2517Una vez que se ha puesto en cola y soltado el bloqueo de semáforo, el
2518proceso que espera no consigue el candado de nuevo; en cambio, solo espera
2519a que se borre su puntero de tarea antes de continuar. Dado que el registro
2520está en la pila del proceso que espera, esto significa que si el puntero de
2521la tarea se borra _antes_ de que se lea el siguiente puntero de la lista,
2522otra CPU podría comenzar a procesar el proceso que espera y podría romper
2523el stack del proceso que espera antes de que la función up*() tenga la
2524oportunidad de leer el puntero que sigue.
2525
2526Considere entonces lo que podría suceder con la secuencia de eventos
2527anterior:
2528
2529	CPU 1				CPU 2
2530	===============================	===============================
2531					down_xxx()
2532					Poner waiter en la "queue" (cola)
2533					Dormir
2534	up_yyy()
2535	LOAD waiter->task;
2536	STORE waiter->task;
2537					Despertado por otro evento
2538	<preempt>
2539					Reanudar el procesamiento
2540					down_xxx() regresa
2541					llamada a foo()
2542					foo() estropea *waiter
2543	</preempt>
2544	LOAD waiter->list.next;
2545	--- OOPS ---
2546
2547Esto podría solucionarse usando el bloqueo de semáforo, pero luego la
2548función down_xxx() tiene que obtener innecesariamente el spinlock
2549nuevamente, después de ser despertado el hilo.
2550
2551La forma de lidiar con esto es insertar una barrera de memoria SMP general:
2552
2553	LOAD waiter->list.next;
2554	LOAD waiter->task;
2555	smp_mb();
2556	STORE waiter->task;
2557	CALL wakeup
2558	RELEASE task
2559
2560En este caso, la barrera garantiza que todos los accesos a memoria antes de
2561la barrera parecerán suceder antes de todos los accesos a memoria después
2562de dicha barrera con respecto a las demás CPU del sistema. _No_ garantiza
2563que todos los accesos a memoria antes de la barrera se completarán en el
2564momento en que la instrucción de la barrera en sí se complete.
2565
2566En un sistema UP, donde esto no sería un problema, la función smp_mb() es
2567solo una barrera del compilador, asegurándose así de que el compilador
2568emita las instrucciones en el orden correcto sin realmente intervenir en la
2569CPU. Como solo hay un CPU, la lógica de orden de dependencias de esa CPU se
2570encargará de todo lo demás.
2571
2572
2573OPERACIONES ATÓMICAS
2574--------------------
2575
2576Si bien son, técnicamente, consideraciones de interacción entre
2577procesadores, las operaciones atómicas se destacan especialmente porque
2578algunas de ellas implican barreras de memoria completa y algunas otras no,
2579pero se confía mucho en ellos en su conjunto a lo largo del kernel.
2580
2581Consulte Documentation/atomic_t.txt para obtener más información.
2582
2583
2584ACCESO A DISPOSITIVOS
2585---------------------
2586
2587Un driver puede ser interrumpido por su propia rutina de servicio de
2588interrupción y, por lo tanto, las dos partes del driver pueden interferir
2589con los intentos de controlar o acceder al dispositivo.
2590
2591Esto puede aliviarse, al menos en parte, desactivando las interrupciones
2592locales (una forma de bloqueo), de modo que las operaciones críticas sean
2593todas contenidas dentro la sección de interrupción desactivada en el
2594controlador. Mientras la interrupción del driver está ejecutando la rutina,
2595es posible que el "core" del controlador no se ejecute en la misma CPU y no
2596se permita que su interrupción vuelva a ocurrir hasta que la interrupción
2597actual haya sido resuelta, por lo tanto, el controlador de interrupción no
2598necesita bloquearse contra esto.
2599
2600Sin embargo, considere un driver que estaba hablando con una tarjeta
2601ethernet que tiene un registro de direcciones y un registro de datos. Si
2602el core de ese controlador habla con la tarjeta estando en desactivación de
2603interrupción y luego se invoca el controlador de interrupción del
2604controlador:
2605
2606	IRQ LOCALES DESACTIVADAS
2607	writew(ADDR, 3);
2608	writew(DATA, y);
2609	IRQ LOCALES ACTIVADAS
2610	<interrupción>
2611	writew(ADDR, 4);
2612	q = readw(DATA);
2613	</interrupción>
2614
2615El almacenamiento en el registro de datos puede ocurrir después del segundo
2616almacenamiento en el registro de direcciones si las reglas de orden son lo
2617suficientemente relajadas:
2618
2619  	STORE *ADDR = 3, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = y, q = LOAD *DATA
2620
2621Si se relajan las reglas de orden, se debe asumir que los accesos
2622realizados dentro de la sección con interrupción deshabilitada pueden
2623filtrarse fuera de esta y pueden intercalarse con accesos realizados en una
2624interrupción - y viceversa - a menos que se utilicenn barreras implícita o
2625explícitas.
2626
2627Normalmente, esto no será un problema porque los accesos de E/S realizados
2628dentro de tales secciones incluirán operaciones de carga síncronas en
2629registros E/S estrictamente ordenados, que forman barreras de E/S
2630implícitas.
2631
2632
2633Una situación similar puede ocurrir entre una rutina de interrupción y dos
2634rutinas ejecutándose en separadas CPU que se comunican entre sí. Si tal
2635caso es probable, entonces se deben usar bloqueos de desactivación de
2636interrupciones para garantizar el orden.
2637
2638
2639=====================================
2640 Efectos de barrera de E/S del kernel
2641=====================================
2642
2643La interfaz con periféricos a través de accesos de E/S es profundamente
2644específica para cada arquitectura y dispositivo. Por lo tanto, los drivers
2645que son inherentemente no portátiles pueden depender de comportamientos
2646específicos de sus sistemas de destino, con el fin de lograr la
2647sincronización de la manera más ligera posible. Para drivers que deseen ser
2648portátiles entre múltiples arquitecturas e implementaciones de bus, el
2649kernel ofrece una serie de funciones de acceso que proporcionan varios
2650grados de garantías de orden:
2651
2652 (*) readX(), writeX():
2653
2654	Las funciones de acceso MMIO readX() y writeX() usan un puntero al
2655	periférico al que se accede como un parámetro __iomem *. para punteros
2656	asignados los atributos de E/S predeterminados (por ejemplo, los
2657        devueltos por ioremap()), las garantías de orden son las siguientes:
2658
2659	1. Se ordenan todos los accesos readX() y writeX() a un mismo periférico
2660	   entre estos. Esto asegura que los registros de acceso MMIO por el
2661	   mismo subproceso de la CPU a un dispositivo en particular llegarán en
2662	   el orden del programa.
2663
2664	2. Se ordena un writeX() emitido por un subproceso de CPU que contiene un
2665	   spinlock antes de un writeX() al mismo periférico desde otro
2666           subproceso de CPU, si emitido después de una adquisición posterior del
2667	   mismo spinlock. Esto garantiza que ese registro MMIO escribe en un
2668           dispositivo en particular, mientras que se obtiene un spinlock en un
2669           orden consistente con las adquisiciones del cerrojo.
2670
2671	3. Un writeX() por un subproceso de la CPU al periférico primero esperará
2672	   a la finalización de todas las escrituras anteriores en la memoria
2673           emitidas por, o bien propagadas por, el mismo subproceso. Esto asegura
2674	   que las escrituras de la CPU a un búfer DMA de salida asignadas por
2675           dma_alloc_coherent() serán visibles para un motor ("engine") DMA
2676           cuando la CPU escriba en sus registros de control MMIO, para activar
2677           la transferencia.
2678
2679	4. Un readX() de un subproceso del CPU, desde el periférico, se
2680	   completará antes de que cualquier lectura subsiguiente de memoria por
2681	   el mismo subproceso pueda comenzar. Esto asegura que las lecturas de
2682           la CPU desde un búfer DMA entrantes asignadas por
2683           dma_alloc_coherent(), no verán datos obsoletos después de leer el
2684           registro de estado MMIO del motor DMA, para establecer que la
2685           transferencia DMA se haya completado.
2686
2687	5. Un readX() por un subproceso del CPU, desde el periférico, se
2688	   completará antes de que cualquier bucle delay() subsiguiente pueda
2689           comenzar a ejecutarse en el mismo subproceso. Esto asegura que dos
2690           escrituras del CPU a registros MMIO en un periférico llegarán al menos
2691	   con 1us de diferencia, si la primera escritura se lee inmediatamente
2692           de vuelta con readX() y se llama a udelay(1) antes del segundo
2693           writeX():
2694
2695		writel(42, DEVICE_REGISTER_0); // Llega al dispositivo ...
2696		readl(DEVICE_REGISTER_0);
2697		udelay(1);
2698		writel(42, DEVICE_REGISTER_1); // al menos 1us antes de esto....
2699
2700Las propiedades de orden de los punteros __iomem obtenidos con valores de
2701atributos que no sean los valores por defecto (por ejemplo, los devueltos
2702por ioremap_wc()) son específicos de la arquitectura subyacente y, por lo
2703tanto, las garantías enumeradas anteriormente no pueden por lo general ser
2704aseguradas para accesos a este tipo de "mappings" (asignaciones).
2705
2706 (*) readX_relaxed(), writeX_relaxed():
2707
2708	Son similares a readX() y writeX(), pero proporcionan una garantía de
2709        orden de memoria más débil. Específicamente, no garantizan orden con
2710	respecto al bloqueo, los accesos normales a la memoria o los bucles
2711        delay() (es decir, los puntos 2-5 arriba) pero todavía se garantiza que
2712        se ordenarán con respecto a otros accesos desde el mismo hilo de la CPU,
2713        al mismo periférico, cuando se opera en punteros __iomem asignados con el
2714        valor predeterminado para los atributos de E/S.
2715
2716 (*) readsX(), writesX():
2717
2718	Los puntos de entrada readsX() y writesX() MMIO están diseñados para
2719        acceder FIFOs mapeados en memoria y basados en registros que residen en
2720        periféricos, que no son capaces de realizar DMA. Por tanto, sólo
2721        proporcionan garantías de orden readX_relaxed() y writeX_relaxed(), como
2722        se documentó anteriormente.
2723
2724 (*) inX(), outX():
2725
2726	Los puntos de entrada inX() y outX() están destinados a acceder a mapas
2727        de puertos "legacy" (antiguos) de periféricos de E/S, que pueden requerir
2728	instrucciones especiales en algunas arquitecturas (especialmente, en
2729        x86). El número de puerto del periférico que se está accedido se pasa
2730        como un argumento.
2731
2732	Dado que muchas arquitecturas de CPU acceden finalmente a estos
2733        periféricos a través de un mapeo interno de memoria virtual, las
2734        garantías de orden portátiles proporcionadas por inX() y outX() son las
2735        mismas que las proporcionadas por readX() y writeX(), respectivamente, al
2736        acceder a una asignación con los valores de atributos de E/S
2737        predeterminados (los que haya por defecto).
2738
2739        Los drivers de dispositivos pueden esperar que outX() emita una
2740        transacción de escritura no publicada, que espera una respuesta de
2741        finalización del periférico de E/S antes de regresar. Esto no está
2742        garantizado por todas las arquitecturas y por lo tanto no forma parte de
2743        la semántica de orden portátil.
2744
2745 (*) insX(), outsX():
2746
2747        Como arriba, los puntos de entrada insX() y outsX() proporcionan el mismo
2748        orden garantizado por readsX() y writesX() respectivamente, al acceder a
2749        un mapping con los atributos de E/S predeterminados.
2750
2751 (*) ioreadX(), iowriteX():
2752
2753        Estos funcionarán adecuadamente para el tipo de acceso que realmente están
2754        haciendo, ya sea inX()/outX() o readX()/writeX().
2755
2756Con la excepción de los puntos de entrada (insX(), outsX(), readsX() y
2757writesX()), todo lo anterior supone que el periférico subyacente es
2758little-endian y, por lo tanto, realizará operaciones de intercambio de
2759bytes en arquitecturas big-endian.
2760
2761
2762===========================================
2763MODELO DE ORDEN MÍNIMO DE EJECUCIÓN ASUMIDO
2764===========================================
2765
2766Debe suponerse que la CPU conceptual está débilmente ordenada, pero que
2767mantiene la apariencia de causalidad del programa con respecto a sí misma.
2768Algunas CPU (como i386 o x86_64) están más limitadas que otras (como
2769powerpc o frv), por lo que el caso más relajado (es decir, DEC Alpha) se
2770debe asumir fuera de código específico de arquitectura.
2771
2772Esto significa que se debe considerar que la CPU ejecutará su flujo de
2773instrucciones en el orden que se quiera - o incluso en paralelo - siempre
2774que si una instrucción en el flujo depende de una instrucción anterior,
2775entonces dicha instrucción anterior debe ser lo suficientemente completa[*]
2776antes de que la posterior instrucción puede proceder; en otras palabras:
2777siempre que la apariencia de causalidad se mantenga.
2778
2779 [*] Algunas instrucciones tienen más de un efecto, como cambiar el
2780     código de condición, cambio de registros o cambio de memoria - y
2781     distintas instrucciones pueden depender de diferentes efectos.
2782
2783Una CPU puede también descartar cualquier secuencia de instrucciones que
2784termine sin tener efecto final. Por ejemplo, si dos instrucciones
2785adyacentes cargan un valor inmediato en el mismo registro, la primera puede
2786descartarse.
2787
2788
2789De manera similar, se debe suponer que el compilador podría reordenar la
2790corriente de instrucciones de la manera que crea conveniente, nuevamente
2791siempre que la apariencia de causalidad se mantenga.
2792
2793
2794=====================================
2795EFECTOS DE LA MEMORIA CACHÉ DE LA CPU
2796=====================================
2797
2798La forma en que se perciben las operaciones de memoria caché en todo el
2799sistema se ve afectada, hasta cierto punto, por los cachés que se
2800encuentran entre las CPU y la memoria, y por el sistema de coherencia en
2801memoria que mantiene la consistencia de estado en el sistema.
2802
2803En cuanto a la forma en que una CPU interactúa con otra parte del sistema a
2804través del caché, el sistema de memoria tiene que incluir los cachés de la
2805CPU y barreras de memoria, que en su mayor parte actúan en la interfaz
2806entre la CPU y su caché (las barreras de memoria lógicamente actúan sobre
2807la línea de puntos en el siguiente diagrama):
2808
2809	    <--- CPU --->         :       <----------- Memoria ----------->
2810	                          :
2811	+--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2812	|  Core  |    | Cola   |  :   | Cache  |    |           |    +---------+
2813	|  CPU   |    | de     |  :   | CPU    |    |           |    |         |
2814	|        |--->| acceso |----->|        |<-->|           |    |         |
2815	|        |    | a      |  :   |        |    |           |--->| Memoria |
2816	|        |    | memoria|  :   |        |    |           |    |         |
2817	+--------+    +--------+  :   +--------+    | Mecanismo |    |         |
2818	                          :                 | de        |    +---------+
2819	                          :                 | Coherencia|
2820	                          :                 | de la     |    +--------+
2821	+--------+    +--------+  :   +--------+    | cache     |    |	      |
2822	|  Core  |    | Cola   |  :   | Cache  |    |           |    |        |
2823	|  CPU   |    | de     |  :   | CPU    |    |           |--->| Dispos |
2824	|        |--->| acceso |----->|        |<-->|           |    | itivo  |
2825	|        |    | a      |  :   |        |    |           |    |        |
2826	|        |    | memoria|  :   |        |    |           |    +--------+
2827	+--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+
2828	                          :
2829	                          :
2830
2831Aunque es posible que una carga o store en particular no aparezca fuera de
2832la CPU que lo emitió, ya que puede haber sido satisfecha dentro del propio
2833caché de la CPU, seguirá pareciendo como si el acceso total a la memoria
2834hubiera tenido lugar para las otras CPUs, ya que los mecanismos de
2835coherencia de caché migrarán la cacheline sobre la CPU que accede y se
2836propagarán los efectos en caso de conflicto.
2837
2838El núcleo de la CPU puede ejecutar instrucciones en el orden que considere
2839adecuado, siempre que parezca mantenerse la causalidad esperada del
2840programa. Algunas de las instrucciones generan operaciones de carga y
2841almacenamiento que luego van a la cola de accesos a memoria a realizar. El
2842núcleo puede colocarlos en la cola en cualquier orden que desee, y
2843continuar su ejecución hasta que se vea obligado a esperar que una
2844instrucción sea completada.
2845
2846De lo que se ocupan las barreras de la memoria es de controlar el orden en
2847que los accesos cruzan, desde el lado de la CPU, hasta el lado de memoria,
2848y el orden en que los otros observadores perciben los efectos en el sistema
2849que sucedan por esto.
2850
2851[!] Las barreras de memoria _no_ son necesarias dentro de una CPU
2852determinada, ya que las CPU siempre ven sus propias cargas y stores como si
2853hubieran sucedido en el orden del programa.
2854
2855[!] Los accesos a MMIO u otros dispositivos pueden pasar por alto el
2856sistema de caché. Esto depende de las propiedades de la ventana de memoria
2857a través de la cual se accede a los dispositivos y/o el uso de
2858instrucciones especiales de comunicación con dispositivo que pueda tener la
2859CPU.
2860
2861
2862COHERENCIA DE CACHÉ FRENTE A DMA
2863---------------------------------
2864
2865No todos los sistemas mantienen coherencia de caché con respecto a los
2866dispositivos que realizan DMA. En tales casos, un dispositivo que intente
2867DMA puede obtener datos obsoletos de la RAM, porque las líneas de caché
2868"sucias" pueden residir en los cachés de varias CPU, y es posible que no
2869se hayan vuelto a escribir en la RAM todavía. Para hacer frente a esto, la
2870parte apropiada del kernel debe vaciar los bits superpuestos de caché en
2871cada CPU (y tal vez también invalidarlos).
2872
2873Además, los datos enviados por DMA a RAM, por un dispositivo, pueden ser
2874sobrescritos por líneas de caché sucias que se escriben de nuevo en la RAM
2875desde el caché de una CPU, después de que el dispositivo haya puesto sus
2876propios datos, o las líneas de caché presentes en el caché de la CPU pueden
2877simplemente ocultar el hecho de que la memoria RAM se haya actualizado,
2878hasta el momento en que la caché se descarta de la memoria caché de la CPU
2879y se vuelve a cargar. Para hacer frente a esto, la parte apropiada del
2880kernel debe invalidar los bits superpuestos del caché en cada CPU.
2881
2882Consulte Documentation/core-api/cachetlb.rst para obtener más información
2883sobre administración de la memoria caché.
2884
2885
2886COHERENCIA DE CACHÉ FRENTE A MMIO
2887---------------------------------
2888
2889La E/S mapeada en memoria generalmente se lleva a cabo a través de
2890ubicaciones de memoria que forman parte de una ventana del espacio de
2891memoria de la CPU, que tiene diferentes propiedades asignadas que la
2892ventana habitual dirigida a RAM.
2893
2894Entre dichas propiedades, suele existir el hecho de que tales accesos
2895eluden el almacenamiento en caché por completo e ir directamente a los
2896buses del dispositivo. Esto significa que los accesos MMIO pueden, en
2897efecto, superar los accesos a la memoria caché que se emitieron
2898anteriormente. Una barrera de memoria no es suficiente en tal caso, sino
2899que el caché debe ser vaciado entre la escritura de la memoria caché, y el
2900acceso MMIO, si los dos son de cualquier manera dependiente.
2901
2902
2903=======================
2904COSAS QUE HACEN LAS CPU
2905=======================
2906
2907Un programador podría dar por sentado que la CPU realizará las operaciones
2908de memoria exactamente en el orden especificado, de modo que si a la CPU se
2909entrega, por ejemplo, el siguiente fragmento de código a ejecutar:
2910
2911	a = READ_ONCE(*A);
2912	WRITE_ONCE(*B, b);
2913	c = READ_ONCE(*C);
2914	d = READ_ONCE(*D);
2915	WRITE_ONCE(*E, e);
2916
2917esperarían entonces que la CPU complete la operación de memoria para cada
2918instrucción antes de pasar a la siguiente, lo que lleva a una definida
2919secuencia de operaciones vistas por observadores externos en el sistema:
2920
2921  	LOAD *A, STORE *B, LOAD *C, LOAD *D, STORE *E.
2922
2923La realidad es, por supuesto, mucho más intrincada. Para muchas CPU y
2924compiladores, la anterior suposición no se sostiene porque:
2925
2926 (*) es más probable que las cargas deban completarse de inmediato para
2927     permitir progreso en la ejecución, mientras que los stores a menudo se
2928     pueden aplazar sin problema;
2929
2930 (*) las cargas se pueden hacer especulativamente, y el resultado es
2931     descartado si resulta innecesario;
2932
2933 (*) las cargas se pueden hacer de forma especulativa, lo que lleva a que
2934     se haya obtenido el resultado en el momento equivocado de la secuencia
2935     de eventos esperada;
2936
2937 (*) el orden de los accesos a memoria se puede reorganizar para promover
2938     un mejor uso de los buses y cachés de la CPU;
2939
2940 (*) las cargas y los stores se pueden combinar para mejorar el rendimiento
2941     cuando se habla con memoria o hardware de E/S, que puede realizar
2942     accesos por lotes a ubicaciones adyacentes, reduciendo así los costes
2943     de configuración de transacciones (la memoria y los dispositivos PCI
2944     pueden ambos pueden hacer esto); y
2945
2946 (*) la caché de datos de la CPU puede afectar al orden, y mientras sus
2947     mecanismos de coherencia pueden aliviar esto, una vez que el store
2948     haya accedido al caché- no hay garantía de que la gestión de la
2949     coherencia se propague en orden a otras CPU.
2950
2951Entonces, digamos que lo que otra CPU podría observar en el fragmento de
2952código anterior es:
2953
2954	LOAD *A, ..., LOAD {*C,*D}, STORE *E, STORE *B
2955
2956	(Donde "LOAD {*C,*D}" es una carga combinada)
2957
2958
2959Sin embargo, se garantiza que una CPU es autoconsistente: verá que sus
2960 _propios_ accesos parecen estar correctamente ordenados, sin necesidad de
2961barrera de memoria. Por ejemplo con el siguiente código:
2962
2963	U = READ_ONCE(*A);
2964	WRITE_ONCE(*A, V);
2965	WRITE_ONCE(*A, W);
2966	X = READ_ONCE(*A);
2967	WRITE_ONCE(*A, Y);
2968	Z = READ_ONCE(*A);
2969
2970y asumiendo que no hay intervención de una influencia externa, se puede
2971suponer que el resultado final se parecerá a:
2972
2973	U == el valor original de *A
2974	X == W
2975	Z == Y
2976	*A == Y
2977
2978El código anterior puede hacer que la CPU genere la secuencia completa de
2979accesos de memoria:
2980
2981	U=LOAD *A, STORE *A=V, STORE *A=W, X=LOAD *A, STORE *A=Y, Z=LOAD *A
2982
2983en ese orden, pero, sin intervención, la secuencia puede contener casi
2984cualquier combinación de elementos combinados o descartados, siempre que la
2985perspectiva del programa del mundo siga siendo consistente. Tenga en cuenta
2986que READ_ONCE() y WRITE_ONCE() -no- son opcionales en el ejemplo anterior,
2987ya que hay arquitecturas donde una CPU determinada podría reordenar cargas
2988sucesivas en la misma ubicación. En tales arquitecturas, READ_ONCE() y
2989WRITE_ONCE() hacen lo que sea necesario para evitar esto, por ejemplo, en
2990Itanium los casts volátiles utilizados por READ_ONCE() y WRITE_ONCE() hacen
2991que GCC emita las instrucciones especiales ld.acq y st.rel
2992(respectivamente) que impiden dicha reordenación.
2993
2994El compilador también puede combinar, descartar o diferir elementos de la
2995secuencia antes incluso de que la CPU los vea.
2996
2997Por ejemplo:
2998
2999	*A = V;
3000	*A = W;
3001
3002puede reducirse a:
3003
3004	*A = W;
3005
3006ya que, sin una barrera de escritura o WRITE_ONCE(), puede que se asuma
3007que el efecto del almacenamiento de V a *A se pierde. Similarmente:
3008
3009  	*A = Y;
3010  	Z = *A;
3011
3012puede, sin una barrera de memoria o un READ_ONCE() y WRITE_ONCE(), esto
3013sea reducido a:
3014
3015  	*A = Y;
3016  	Z = Y;
3017
3018y la operación LOAD nunca aparezca fuera de la CPU.
3019
3020
3021Y LUEGO ESTÁ EL ALFA
3022--------------------
3023
3024La CPU DEC Alpha es una de las CPU más relajadas que existen. No solo eso,
3025algunas versiones de la CPU Alpha tienen un caché de datos dividido, lo que
3026les permite tener dos líneas de caché relacionadas semánticamente,
3027actualizadas en momentos separados. Aquí es donde la barrera de dependencia
3028de dirección realmente se vuelve necesaria, ya que se sincronizan ambos
3029cachés con el sistema de coherencia de memoria, lo que hace que parezca un
3030cambio en el puntero, frente a que los nuevos datos se produzcan en el
3031orden correcto.
3032
3033Alpha define el modelo de memoria del kernel Linux, aunque a partir de
3034v4.15, la adición al kernel de Linux de smp_mb() a READ_ONCE() en Alpha
3035redujo en gran medida su impacto en el modelo de memoria.
3036
3037
3038GUESTS DE MÁQUINAS VIRTUALES
3039-----------------------------
3040
3041Los "guests" (invitados) que se ejecutan en máquinas virtuales pueden verse
3042afectados por los efectos de SMP incluso si el "host" (huésped) en sí se
3043compila sin compatibilidad con SMP. Este es un efecto de la interacción con
3044un host SMP mientras ejecuta un kernel UP. El uso obligatorio de barreras
3045para este caso de uso sería posible, pero a menudo no son óptimas.
3046
3047Para hacer frente a este caso de manera óptima, están disponibles macros de
3048bajo nivel virt_mb() etc. Estas tienen el mismo efecto que smp_mb(), etc.
3049cuando SMP está habilitado, pero generan código idéntico para sistemas SMP
3050y no SMP. Por ejemplo, los invitados de máquinas virtuales debería usar
3051virt_mb() en lugar de smp_mb() al sincronizar contra un (posiblemente SMP)
3052anfitrión.
3053
3054Estos son equivalentes a sus contrapartes smp_mb() etc. en todos los demás
3055aspectos, en particular, no controlan los efectos MMIO: para controlar los
3056efectos MMIO, utilice barreras obligatorias.
3057
3058
3059================
3060EJEMPLOS DE USOS
3061================
3062
3063BUFFERS CIRCULARES
3064------------------
3065
3066Las barreras de memoria se pueden utilizar para implementar almacenamiento
3067en búfer circular, sin necesidad de un cerrojo para serializar al productor
3068con el consumidor. Vea:
3069
3070	Documentation/core-api/circular-buffers.rst
3071
3072para más detalles.
3073
3074
3075===========
3076REFERENCIAS
3077===========
3078
3079Alpha AXP Architecture Reference Manual, Segunda Edición (por Sites & Witek,
3080Digital Press)
3081	Capítulo 5.2: Physical Address Space Characteristics
3082	Capítulo 5.4: Caches and Write Buffers
3083	Capítulo 5.5: Data Sharing
3084	Capítulo 5.6: Read/Write Ordering
3085
3086AMD64 Architecture Programmer's Manual Volumen 2: System Programming
3087	Capítulo 7.1: Memory-Access Ordering
3088	Capítulo 7.4: Buffering and Combining Memory Writes
3089
3090ARM Architecture Reference Manual (ARMv8, for ARMv8-A architecture profile)
3091	Capítulo B2: The AArch64 Application Level Memory Model
3092
3093IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volumen 3:
3094System Programming Guide
3095	Capítulo 7.1: Locked Atomic Operations
3096	Capítulo 7.2: Memory Ordering
3097	Capítulo 7.4: Serializing Instructions
3098
3099The SPARC Architecture Manual, Version 9
3100	Capítulo 8: Memory Models
3101	Appendix D: Formal Specification of the Memory Models
3102	Appendix J: Programming with the Memory Models
3103
3104Storage in the PowerPC (por Stone and Fitzgerald)
3105
3106UltraSPARC Programmer Reference Manual
3107	Capítulo 5: Memory Accesses and Cacheability
3108	Capítulo 15: Sparc-V9 Memory Models
3109
3110UltraSPARC III Cu User's Manual
3111	Capítulo 9: Memory Models
3112
3113UltraSPARC IIIi Processor User's Manual
3114	Capítulo 8: Memory Models
3115
3116UltraSPARC Architecture 2005
3117	Capítulo 9: Memory
3118	Appendix D: Formal Specifications of the Memory Models
3119
3120UltraSPARC T1 Supplement to the UltraSPARC Architecture 2005
3121	Capítulo 8: Memory Models
3122	Appendix F: Caches and Cache Coherency
3123
3124Solaris Internals, Core Kernel Architecture, p63-68:
3125	Capítulo 3.3: Hardware Considerations for Locks and
3126			Synchronization
3127
3128Unix Systems for Modern Architectures, Symmetric Multiprocessing and Caching
3129for Kernel Programmers:
3130	Capítulo 13: Other Memory Models
3131
3132Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual: Volumen 1:
3133	Sección 2.6: Speculation
3134	Sección 4.4: Memory Access
3135