Fix a typo (the the => the)
[oota-llvm.git] / docs / Atomics.rst
1 .. _atomics:
2
3 ==============================================
4 LLVM Atomic Instructions and Concurrency Guide
5 ==============================================
6
7 .. contents::
8    :local:
9
10 Introduction
11 ============
12
13 Historically, LLVM has not had very strong support for concurrency; some minimal
14 intrinsics were provided, and ``volatile`` was used in some cases to achieve
15 rough semantics in the presence of concurrency.  However, this is changing;
16 there are now new instructions which are well-defined in the presence of threads
17 and asynchronous signals, and the model for existing instructions has been
18 clarified in the IR.
19
20 The atomic instructions are designed specifically to provide readable IR and
21 optimized code generation for the following:
22
23 * The new C++0x ``<atomic>`` header.  (`C++0x draft available here
24   <http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/>`_.) (`C1x draft available here
25   <http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/>`_.)
26
27 * Proper semantics for Java-style memory, for both ``volatile`` and regular
28   shared variables. (`Java Specification
29   <http://java.sun.com/docs/books/jls/third_edition/html/memory.html>`_)
30
31 * gcc-compatible ``__sync_*`` builtins. (`Description
32   <http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Atomic-Builtins.html>`_)
33
34 * Other scenarios with atomic semantics, including ``static`` variables with
35   non-trivial constructors in C++.
36
37 Atomic and volatile in the IR are orthogonal; "volatile" is the C/C++ volatile,
38 which ensures that every volatile load and store happens and is performed in the
39 stated order.  A couple examples: if a SequentiallyConsistent store is
40 immediately followed by another SequentiallyConsistent store to the same
41 address, the first store can be erased. This transformation is not allowed for a
42 pair of volatile stores. On the other hand, a non-volatile non-atomic load can
43 be moved across a volatile load freely, but not an Acquire load.
44
45 This document is intended to provide a guide to anyone either writing a frontend
46 for LLVM or working on optimization passes for LLVM with a guide for how to deal
47 with instructions with special semantics in the presence of concurrency.  This
48 is not intended to be a precise guide to the semantics; the details can get
49 extremely complicated and unreadable, and are not usually necessary.
50
51 .. _Optimization outside atomic:
52
53 Optimization outside atomic
54 ===========================
55
56 The basic ``'load'`` and ``'store'`` allow a variety of optimizations, but can
57 lead to undefined results in a concurrent environment; see `NotAtomic`_. This
58 section specifically goes into the one optimizer restriction which applies in
59 concurrent environments, which gets a bit more of an extended description
60 because any optimization dealing with stores needs to be aware of it.
61
62 From the optimizer's point of view, the rule is that if there are not any
63 instructions with atomic ordering involved, concurrency does not matter, with
64 one exception: if a variable might be visible to another thread or signal
65 handler, a store cannot be inserted along a path where it might not execute
66 otherwise.  Take the following example:
67
68 .. code-block:: c
69
70  /* C code, for readability; run through clang -O2 -S -emit-llvm to get
71      equivalent IR */
72   int x;
73   void f(int* a) {
74     for (int i = 0; i < 100; i++) {
75       if (a[i])
76         x += 1;
77     }
78   }
79
80 The following is equivalent in non-concurrent situations:
81
82 .. code-block:: c
83
84   int x;
85   void f(int* a) {
86     int xtemp = x;
87     for (int i = 0; i < 100; i++) {
88       if (a[i])
89         xtemp += 1;
90     }
91     x = xtemp;
92   }
93
94 However, LLVM is not allowed to transform the former to the latter: it could
95 indirectly introduce undefined behavior if another thread can access ``x`` at
96 the same time. (This example is particularly of interest because before the
97 concurrency model was implemented, LLVM would perform this transformation.)
98
99 Note that speculative loads are allowed; a load which is part of a race returns
100 ``undef``, but does not have undefined behavior.
101
102 Atomic instructions
103 ===================
104
105 For cases where simple loads and stores are not sufficient, LLVM provides
106 various atomic instructions. The exact guarantees provided depend on the
107 ordering; see `Atomic orderings`_.
108
109 ``load atomic`` and ``store atomic`` provide the same basic functionality as
110 non-atomic loads and stores, but provide additional guarantees in situations
111 where threads and signals are involved.
112
113 ``cmpxchg`` and ``atomicrmw`` are essentially like an atomic load followed by an
114 atomic store (where the store is conditional for ``cmpxchg``), but no other
115 memory operation can happen on any thread between the load and store.  Note that
116 LLVM's cmpxchg does not provide quite as many options as the C++0x version.
117
118 A ``fence`` provides Acquire and/or Release ordering which is not part of
119 another operation; it is normally used along with Monotonic memory operations.
120 A Monotonic load followed by an Acquire fence is roughly equivalent to an
121 Acquire load.
122
123 Frontends generating atomic instructions generally need to be aware of the
124 target to some degree; atomic instructions are guaranteed to be lock-free, and
125 therefore an instruction which is wider than the target natively supports can be
126 impossible to generate.
127
128 .. _Atomic orderings:
129
130 Atomic orderings
131 ================
132
133 In order to achieve a balance between performance and necessary guarantees,
134 there are six levels of atomicity. They are listed in order of strength; each
135 level includes all the guarantees of the previous level except for
136 Acquire/Release. (See also `LangRef Ordering <LangRef.html#ordering>`_.)
137
138 .. _NotAtomic:
139
140 NotAtomic
141 ---------
142
143 NotAtomic is the obvious, a load or store which is not atomic. (This isn't
144 really a level of atomicity, but is listed here for comparison.) This is
145 essentially a regular load or store. If there is a race on a given memory
146 location, loads from that location return undef.
147
148 Relevant standard
149   This is intended to match shared variables in C/C++, and to be used in any
150   other context where memory access is necessary, and a race is impossible. (The
151   precise definition is in `LangRef Memory Model <LangRef.html#memmodel>`_.)
152
153 Notes for frontends
154   The rule is essentially that all memory accessed with basic loads and stores
155   by multiple threads should be protected by a lock or other synchronization;
156   otherwise, you are likely to run into undefined behavior. If your frontend is
157   for a "safe" language like Java, use Unordered to load and store any shared
158   variable.  Note that NotAtomic volatile loads and stores are not properly
159   atomic; do not try to use them as a substitute. (Per the C/C++ standards,
160   volatile does provide some limited guarantees around asynchronous signals, but
161   atomics are generally a better solution.)
162
163 Notes for optimizers
164   Introducing loads to shared variables along a codepath where they would not
165   otherwise exist is allowed; introducing stores to shared variables is not. See
166   `Optimization outside atomic`_.
167
168 Notes for code generation
169   The one interesting restriction here is that it is not allowed to write to
170   bytes outside of the bytes relevant to a store.  This is mostly relevant to
171   unaligned stores: it is not allowed in general to convert an unaligned store
172   into two aligned stores of the same width as the unaligned store. Backends are
173   also expected to generate an i8 store as an i8 store, and not an instruction
174   which writes to surrounding bytes.  (If you are writing a backend for an
175   architecture which cannot satisfy these restrictions and cares about
176   concurrency, please send an email to llvmdev.)
177
178 Unordered
179 ---------
180
181 Unordered is the lowest level of atomicity. It essentially guarantees that races
182 produce somewhat sane results instead of having undefined behavior.  It also
183 guarantees the operation to be lock-free, so it do not depend on the data being
184 part of a special atomic structure or depend on a separate per-process global
185 lock.  Note that code generation will fail for unsupported atomic operations; if
186 you need such an operation, use explicit locking.
187
188 Relevant standard
189   This is intended to match the Java memory model for shared variables.
190
191 Notes for frontends
192   This cannot be used for synchronization, but is useful for Java and other
193   "safe" languages which need to guarantee that the generated code never
194   exhibits undefined behavior. Note that this guarantee is cheap on common
195   platforms for loads of a native width, but can be expensive or unavailable for
196   wider loads, like a 64-bit store on ARM. (A frontend for Java or other "safe"
197   languages would normally split a 64-bit store on ARM into two 32-bit unordered
198   stores.)
199
200 Notes for optimizers
201   In terms of the optimizer, this prohibits any transformation that transforms a
202   single load into multiple loads, transforms a store into multiple stores,
203   narrows a store, or stores a value which would not be stored otherwise.  Some
204   examples of unsafe optimizations are narrowing an assignment into a bitfield,
205   rematerializing a load, and turning loads and stores into a memcpy
206   call. Reordering unordered operations is safe, though, and optimizers should
207   take advantage of that because unordered operations are common in languages
208   that need them.
209
210 Notes for code generation
211   These operations are required to be atomic in the sense that if you use
212   unordered loads and unordered stores, a load cannot see a value which was
213   never stored.  A normal load or store instruction is usually sufficient, but
214   note that an unordered load or store cannot be split into multiple
215   instructions (or an instruction which does multiple memory operations, like
216   ``LDRD`` on ARM).
217
218 Monotonic
219 ---------
220
221 Monotonic is the weakest level of atomicity that can be used in synchronization
222 primitives, although it does not provide any general synchronization. It
223 essentially guarantees that if you take all the operations affecting a specific
224 address, a consistent ordering exists.
225
226 Relevant standard
227   This corresponds to the C++0x/C1x ``memory_order_relaxed``; see those
228   standards for the exact definition.
229
230 Notes for frontends
231   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.  The
232   guarantees in terms of synchronization are very weak, so make sure these are
233   only used in a pattern which you know is correct.  Generally, these would
234   either be used for atomic operations which do not protect other memory (like
235   an atomic counter), or along with a ``fence``.
236
237 Notes for optimizers
238   In terms of the optimizer, this can be treated as a read+write on the relevant
239   memory location (and alias analysis will take advantage of that). In addition,
240   it is legal to reorder non-atomic and Unordered loads around Monotonic
241   loads. CSE/DSE and a few other optimizations are allowed, but Monotonic
242   operations are unlikely to be used in ways which would make those
243   optimizations useful.
244
245 Notes for code generation
246   Code generation is essentially the same as that for unordered for loads and
247   stores.  No fences are required.  ``cmpxchg`` and ``atomicrmw`` are required
248   to appear as a single operation.
249
250 Acquire
251 -------
252
253 Acquire provides a barrier of the sort necessary to acquire a lock to access
254 other memory with normal loads and stores.
255
256 Relevant standard
257   This corresponds to the C++0x/C1x ``memory_order_acquire``. It should also be
258   used for C++0x/C1x ``memory_order_consume``.
259
260 Notes for frontends
261   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.
262   Acquire only provides a semantic guarantee when paired with a Release
263   operation.
264
265 Notes for optimizers
266   Optimizers not aware of atomics can treat this like a nothrow call.  It is
267   also possible to move stores from before an Acquire load or read-modify-write
268   operation to after it, and move non-Acquire loads from before an Acquire
269   operation to after it.
270
271 Notes for code generation
272   Architectures with weak memory ordering (essentially everything relevant today
273   except x86 and SPARC) require some sort of fence to maintain the Acquire
274   semantics.  The precise fences required varies widely by architecture, but for
275   a simple implementation, most architectures provide a barrier which is strong
276   enough for everything (``dmb`` on ARM, ``sync`` on PowerPC, etc.).  Putting
277   such a fence after the equivalent Monotonic operation is sufficient to
278   maintain Acquire semantics for a memory operation.
279
280 Release
281 -------
282
283 Release is similar to Acquire, but with a barrier of the sort necessary to
284 release a lock.
285
286 Relevant standard
287   This corresponds to the C++0x/C1x ``memory_order_release``.
288
289 Notes for frontends
290   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.
291   Release only provides a semantic guarantee when paired with a Acquire
292   operation.
293
294 Notes for optimizers
295   Optimizers not aware of atomics can treat this like a nothrow call.  It is
296   also possible to move loads from after a Release store or read-modify-write
297   operation to before it, and move non-Release stores from after an Release
298   operation to before it.
299
300 Notes for code generation
301   See the section on Acquire; a fence before the relevant operation is usually
302   sufficient for Release. Note that a store-store fence is not sufficient to
303   implement Release semantics; store-store fences are generally not exposed to
304   IR because they are extremely difficult to use correctly.
305
306 AcquireRelease
307 --------------
308
309 AcquireRelease (``acq_rel`` in IR) provides both an Acquire and a Release
310 barrier (for fences and operations which both read and write memory).
311
312 Relevant standard
313   This corresponds to the C++0x/C1x ``memory_order_acq_rel``.
314
315 Notes for frontends
316   If you are writing a frontend which uses this directly, use with caution.
317   Acquire only provides a semantic guarantee when paired with a Release
318   operation, and vice versa.
319
320 Notes for optimizers
321   In general, optimizers should treat this like a nothrow call; the possible
322   optimizations are usually not interesting.
323
324 Notes for code generation
325   This operation has Acquire and Release semantics; see the sections on Acquire
326   and Release.
327
328 SequentiallyConsistent
329 ----------------------
330
331 SequentiallyConsistent (``seq_cst`` in IR) provides Acquire semantics for loads
332 and Release semantics for stores. Additionally, it guarantees that a total
333 ordering exists between all SequentiallyConsistent operations.
334
335 Relevant standard
336   This corresponds to the C++0x/C1x ``memory_order_seq_cst``, Java volatile, and
337   the gcc-compatible ``__sync_*`` builtins which do not specify otherwise.
338
339 Notes for frontends
340   If a frontend is exposing atomic operations, these are much easier to reason
341   about for the programmer than other kinds of operations, and using them is
342   generally a practical performance tradeoff.
343
344 Notes for optimizers
345   Optimizers not aware of atomics can treat this like a nothrow call.  For
346   SequentiallyConsistent loads and stores, the same reorderings are allowed as
347   for Acquire loads and Release stores, except that SequentiallyConsistent
348   operations may not be reordered.
349
350 Notes for code generation
351   SequentiallyConsistent loads minimally require the same barriers as Acquire
352   operations and SequentiallyConsistent stores require Release
353   barriers. Additionally, the code generator must enforce ordering between
354   SequentiallyConsistent stores followed by SequentiallyConsistent loads. This
355   is usually done by emitting either a full fence before the loads or a full
356   fence after the stores; which is preferred varies by architecture.
357
358 Atomics and IR optimization
359 ===========================
360
361 Predicates for optimizer writers to query:
362
363 * ``isSimple()``: A load or store which is not volatile or atomic.  This is
364   what, for example, memcpyopt would check for operations it might transform.
365
366 * ``isUnordered()``: A load or store which is not volatile and at most
367   Unordered. This would be checked, for example, by LICM before hoisting an
368   operation.
369
370 * ``mayReadFromMemory()``/``mayWriteToMemory()``: Existing predicate, but note
371   that they return true for any operation which is volatile or at least
372   Monotonic.
373
374 * Alias analysis: Note that AA will return ModRef for anything Acquire or
375   Release, and for the address accessed by any Monotonic operation.
376
377 To support optimizing around atomic operations, make sure you are using the
378 right predicates; everything should work if that is done.  If your pass should
379 optimize some atomic operations (Unordered operations in particular), make sure
380 it doesn't replace an atomic load or store with a non-atomic operation.
381
382 Some examples of how optimizations interact with various kinds of atomic
383 operations:
384
385 * ``memcpyopt``: An atomic operation cannot be optimized into part of a
386   memcpy/memset, including unordered loads/stores.  It can pull operations
387   across some atomic operations.
388
389 * LICM: Unordered loads/stores can be moved out of a loop.  It just treats
390   monotonic operations like a read+write to a memory location, and anything
391   stricter than that like a nothrow call.
392
393 * DSE: Unordered stores can be DSE'ed like normal stores.  Monotonic stores can
394   be DSE'ed in some cases, but it's tricky to reason about, and not especially
395   important.
396
397 * Folding a load: Any atomic load from a constant global can be constant-folded,
398   because it cannot be observed.  Similar reasoning allows scalarrepl with
399   atomic loads and stores.
400
401 Atomics and Codegen
402 ===================
403
404 Atomic operations are represented in the SelectionDAG with ``ATOMIC_*`` opcodes.
405 On architectures which use barrier instructions for all atomic ordering (like
406 ARM), appropriate fences are split out as the DAG is built.
407
408 The MachineMemOperand for all atomic operations is currently marked as volatile;
409 this is not correct in the IR sense of volatile, but CodeGen handles anything
410 marked volatile very conservatively.  This should get fixed at some point.
411
412 Common architectures have some way of representing at least a pointer-sized
413 lock-free ``cmpxchg``; such an operation can be used to implement all the other
414 atomic operations which can be represented in IR up to that size.  Backends are
415 expected to implement all those operations, but not operations which cannot be
416 implemented in a lock-free manner.  It is expected that backends will give an
417 error when given an operation which cannot be implemented.  (The LLVM code
418 generator is not very helpful here at the moment, but hopefully that will
419 change.)
420
421 The implementation of atomics on LL/SC architectures (like ARM) is currently a
422 bit of a mess; there is a lot of copy-pasted code across targets, and the
423 representation is relatively unsuited to optimization (it would be nice to be
424 able to optimize loops involving cmpxchg etc.).
425
426 On x86, all atomic loads generate a ``MOV``. SequentiallyConsistent stores
427 generate an ``XCHG``, other stores generate a ``MOV``. SequentiallyConsistent
428 fences generate an ``MFENCE``, other fences do not cause any code to be
429 generated.  cmpxchg uses the ``LOCK CMPXCHG`` instruction.  ``atomicrmw xchg``
430 uses ``XCHG``, ``atomicrmw add`` and ``atomicrmw sub`` use ``XADD``, and all
431 other ``atomicrmw`` operations generate a loop with ``LOCK CMPXCHG``.  Depending
432 on the users of the result, some ``atomicrmw`` operations can be translated into
433 operations like ``LOCK AND``, but that does not work in general.
434
435 On ARM, MIPS, and many other RISC architectures, Acquire, Release, and
436 SequentiallyConsistent semantics require barrier instructions for every such
437 operation. Loads and stores generate normal instructions.  ``cmpxchg`` and
438 ``atomicrmw`` can be represented using a loop with LL/SC-style instructions
439 which take some sort of exclusive lock on a cache line (``LDREX`` and ``STREX``
440 on ARM, etc.). At the moment, the IR does not provide any way to represent a
441 weak ``cmpxchg`` which would not require a loop.