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NOM
membarrier - Poser des barrières mémoire sur un ensemble de threads
SYNOPSIS
#include <linux/membarrier.h>
int membarrier(int cmd, unsigned int flags, int cpu_id);
Note : il n'existe pas d'enveloppe pour cet appel système dans la glibc ; voir NOTES.
DESCRIPTION
L'appel système membarrier() aide à réduire le temps-système des instructions de barrières mémoire
nécessaire pour organiser les accès à la mémoire sur des systèmes à plusieurs cœurs. Cependant, cet appel
système est plus lourd qu'une barrière mémoire, donc l'utiliser efficacement « n'est pas » aussi simple
que de remplacer une barrière mémoire par cet appel système, mais nécessite de comprendre les détails
ci-dessous.
L'utilisation de barrières mémoire doit se faire en tenant compte du fait qu'elles doivent soit être
associées avec leurs homologues, ou que le modèle de mémoire de l'architecture n'a pas besoin de
barrières associées.
Dans certains cas, une face des barrières associées (qu'on appellera la « face rapide ») est sollicitée
beaucoup plus souvent que l'autre (qu'on appellera la « face lente »). C'est le motif principal pour
utiliser membarrier(). L'idée clé est de remplacer, pour ces barrières associées, les barrières mémoire
de la face rapide par de simples barrières du compilateur, par exemple :
asm volatile ("" : : : "memory")
et de remplacer les barrières mémoire de la face lente par des appels à membarrier().
Cela ajoutera du temps-système à la face lente et en supprimera de la face rapide, d'où une augmentation
globale de performances tant que la face lente est si peu utilisée que le temps-système d'appels
membarrier() ne l’emporte pas sur le gain de performance de la face rapide.
Le paramètre cmd est l'un des suivants :
MEMBARRIER_CMD_QUERY (depuis Linux 4.3)
Rechercher l'ensemble des commandes prises en charge. Le code de retour de l'appel est un masque
de bits des commandes prises en charge. MEMBARRIER_CMD_QUERY, dont la valeur est 0, n'est pas
inclus dans ce masque de bits. Cette commande est toujours prise en charge (sur les noyaux où
membarrier() est fourni).
MEMBARRIER_CMD_GLOBAL (depuis Linux 4.16)
S'assurer que tous les threads de tous les processus du système passent par un état où tous les
accès mémoire aux adresses de l'espace utilisateur correspondent à l'organisation du programme
entre l'entrée et le retour de l'appel système membarrier(). Tous les threads du système sont
visés par cette commande.
MEMBARRIER_CMD_GLOBAL_EXPEDITED (depuis Linux 4.16)
Mettre une barrière mémoire sur tous les threads en cours de tous les processus qui se sont
enregistrés précédemment avec MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED.
Lors du retour de l'appel système, le thread appelant a la garantie que tous les threads en cours
sont passés par un état où tous les accès mémoire aux adresses de l'espace utilisateur
correspondent à l'organisation du programme entre l'entrée et le retour de l'appel système (les
threads non en cours sont dans cet état de facto). Cette garantie n'est apportée qu'aux threads
des processus qui se sont précédemment enregistrés avec MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED.
Étant donné que l'enregistrement concerne l'intention de recevoir des barrières, il est possible
d'appeler MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED à partir d’un processus qui n’a pas utilisé
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED.
Les commandes « accélérées » (expedited) se terminent plus vite que celles non accélérées ; elles
ne se bloquent jamais, mais elles causent aussi un temps-système supplémentaire.
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED (depuis Linux 4.16)
Enregistrer l'intention du processus de recevoir des barrières mémoire
MEMBARRIER_CMD_GLOBAL_EXPEDITED.
MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED (depuis Linux 4.14)
Poser une barrière mémoire sur chaque thread en cours appartenant au même processus que le thread
appelant.
Au retour de l'appel système, le thread appelant a la garantie que tous ses homologues en cours
passent par un état où tous les accès mémoire aux adresses de l'espace utilisateur correspondent à
l'ordre du programme entre l'entrée et le retour de l'appel système (les threads non en cours sont
dans cet état de facto). Cette garantie n'est apportée qu'aux threads du même processus que le
thread appelant.
Les commandes « accélérées » (expedited) se terminent plus vite que celles non accélérées ; elles
ne se bloquent jamais, mais elles causent aussi un temps-système supplémentaire.
Un processus doit enregistrer son intention d'utiliser la commande accélérée privée avant de le
faire.
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED (depuis Linux 4.14)
Enregistrer l'intention du processus d'utiliser MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED.
MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE (depuis Linux 4.16)
Outre les garanties d'organisation de la mémoire décrites dans MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED,
lors du retour de l'appel système, le thread appelant a la garantie que tous ses homologues ont
exécuté une instruction de sérialisation du cœur. Cette garantie n'est apportée que pour les
threads du même processus que celui appelant.
Les commandes « accélérées » se terminent plus vite que celles non accélérées, elles ne se
bloquent jamais, mais demandent aussi un temps-système supplémentaire.
Un processus doit enregistrer son intention d'utiliser la commande accélérée privée de
synchronisation de cœur avant de le faire.
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE (depuis Linux 4.16)
Enregistrer l'intention du processus d'utiliser MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE.
MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_RSEQ (depuis Linux 5.10)
Assurer au thread appelant, pendant le retour de l'appel système, que tous ses homologues en cours
ont toutes les sections critiques rseq (restartable sequence) en cours redémarrées si le paramètre
flags vaut 0 ; s'il vaut MEMBARRIER_CMD_FLAG_CPU, cette opération n'est effectuée que sur le
processeur indiqué par cpu_id. Cette garantie n'est apportée qu'aux threads du même processus que
le thread appelant.
RSEQ membarrier n'est disponible que sous la forme « private expedited ».
Un processus doit enregistrer son intention d'utiliser la commande accélérée privée rseq avant de
le faire.
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED_RSEQ (depuis Linux 5.10)
Enregistrer l'intention du processus d'utiliser MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_RSEQ.
MEMBARRIER_CMD_SHARED (depuis Linux 4.3)
Il s'agit d'un alias pour MEMBARRIER_CMD_GLOBAL pour la rétrocompatibilité de l'entête.
Le paramètre flags doit être indiqué en tant que 0, sauf si la commande est
MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_RSEQ, auquel cas flags peut être soit 0, soit MEMBARRIER_CMD_FLAG_CPU.
Le paramètre cpu_id est ignoré sauf si flags est MEMBARRIER_CMD_FLAG_CPU, auquel cas il doit indiquer le
processeur ciblé par cette commande membarrier.
Tous les accès mémoire effectués dans l'organisation du programme à partir de chaque thread visé sont
garantis d'être organisés par rapport à membarrier().
Si nous utilisons la sémantique barrier() pour représenter une barrière du compilateur qui force les
accès mémoire à s'opérer dans l'ordre du programme le long des barrières, et smp_mb() pour représenter
les barrières explicites de la mémoire qui forcent toute la mémoire à s'organiser le long de la barrière,
nous obtenons le tableau d'organisation suivant pour chaque paire de barrier(), membarrier() et smp_mb().
L'organisation de la paire est détaillée ainsi (O : organisée, X : non organisée) :
barrier() smp_mb() membarrier()
barrier() X X O
smp_mb() X O O
membarrier() O O O
VALEUR RENVOYÉE
En cas de succès, l'opération MEMBARRIER_CMD_QUERY renvoie un masque de bits des commandes prises en
charge, et les opérations MEMBARRIER_CMD_GLOBAL, MEMBARRIER_CMD_GLOBAL_EXPEDITED,
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_GLOBAL_EXPEDITED, MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED,
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED, MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE et
MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE renvoient 0. En cas d'erreur, -1 est renvoyé et errno
est positionné adéquatement.
Pour une commande donnée, quand flags est positionné sur 0, cet appel système est garanti de renvoyer
toujours la même valeur jusqu'au redémarrage. Les appels suivants ayant les mêmes paramètres conduiront
au même résultat. Donc, quand flags est positionné sur 0, une gestion des erreurs n'est nécessaire que
pour le premier appel à membarrier().
ERREURS
EINVAL cmd n'est pas valable ou flags ne vaut pas zéro ou la commande MEMBARRIER_CMD_GLOBAL est
désactivée car le paramètre nohz_full du processeur a été positionné ou les commandes
MEMBARRIER_CMD_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE et MEMBARRIER_CMD_REGISTER_PRIVATE_EXPEDITED_SYNC_CORE
ne sont pas implémentées par l'architecture.
ENOSYS L'appel système membarrier() n'est pas implémenté par ce noyau.
EPERM Le processus actuel n'était pas enregistré avant d'utiliser les commandes accélérées privées.
VERSIONS
L'appel système membarrier() a été ajouté dans Linux 4.3.
Avant Linux 5.10, le prototype de membarrier() était :
int membarrier(int cmd, int flags);
CONFORMITÉ
membarrier() est spécifique à Linux.
NOTES
Une instruction de barrière mémoire fait partie du jeu d'instructions des architectures ayant des modèles
de mémoire faiblement organisés. Elle organise les accès mémoire avant et après la barrière par rapport à
celles correspondantes sur les autres cœurs. Par exemple, une barrière de charge peut organiser les
charges avant et après elle par rapport aux stockages conservés dans les barrières de stockage.
L'organisation du programme est l'ordre dans lequel les instructions sont ordonnées dans le code
d'assembleur du programme.
Parmi les exemples où membarrier() peut être utile, figurent les implémentations des bibliothèques
Read-Copy-Update et des ramasse-miettes
La glibc ne fournit pas de fonction autour de cet appel système ; appelez-le avec syscall(2).
EXEMPLES
Supposons une application multithreadée où « fast_path() » est exécutée très souvent et où
« slow_path() » l'est rarement, alors le code suivant (x86) peut être transformé en utilisant
membarrier() :
#include <stdlib.h>
static volatile int a, b;
static void
fast_path(int *read_b)
{
a = 1;
asm volatile ("mfence" : : : "memory");
*read_b = b;
}
static void
slow_path(int *read_a)
{
b = 1;
asm volatile ("mfence" : : : "memory");
*read_a = a;
}
int
main(int argc, char **argv)
{
int read_a, read_b;
/*
* De vraies applications appelleraient fast_path() et slow_path()
* à partir de différents threads. Appel à partir de main()
* pour garder cet exemple court.
*/
slow_path(&read_a);
fast_path(&read_b);
/*
* read_b == 0 implique que read_a == 1 et
* read_a == 0 implique que read_b == 1.
*/
if (read_b == 0 && read_a == 0)
abort();
exit(EXIT_SUCCESS);
}
Le code ci-dessus transformé pour utiliser membarrier() donne :
#define _GNU_SOURCE
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <linux/membarrier.h>
static volatile int a, b;
static int
membarrier(int cmd, unsigned int flags, int cpu_id)
{
return syscall(__NR_membarrier, cmd, flags, cpu_id);
}
static int
init_membarrier(void)
{
int ret;
/* Vérifier que membarrier() est pris en charge. */
ret = membarrier(MEMBARRIER_CMD_QUERY, 0, 0);
if (ret < 0) {
perror("membarrier");
return -1;
}
if (!(ret & MEMBARRIER_CMD_GLOBAL)) {
fprintf(stderr,
"membarrier ne gère pas MEMBARRIER_CMD_GLOBAL\n");
return -1;
}
return 0;
}
static void
fast_path(int *read_b)
{
a = 1;
asm volatile ("" : : : "memory");
*read_b = b;
}
static void
slow_path(int *read_a)
{
b = 1;
membarrier(MEMBARRIER_CMD_GLOBAL, 0, 0);
*read_a = a;
}
int
main(int argc, char **argv)
{
int read_a, read_b;
if (init_membarrier())
exit(EXIT_FAILURE);
/*
* De vraies applications appelleraient fast_path() et slow_path()
* à partir de différents threads. Appel à partir de main()
* pour garder cet exemple court.
*/
slow_path(&read_a);
fast_path(&read_b);
/*
* read_b == 0 implique que read_a == 1 et
* read_a == 0 implique que read_b == 1.
*/
if (read_b == 0 && read_a == 0)
abort();
exit(EXIT_SUCCESS);
}
COLOPHON
Cette page fait partie de la publication 5.10 du projet man-pages Linux. Une description du projet et des
instructions pour signaler des anomalies et la dernière version de cette page peuvent être trouvées à
l'adresse https://www.kernel.org/doc/man-pages/.
TRADUCTION
La traduction française de cette page de manuel a été créée par Christophe Blaess
<https://www.blaess.fr/christophe/>, Stéphan Rafin <stephan.rafin@laposte.net>, Thierry Vignaud
<tvignaud@mandriva.com>, François Micaux, Alain Portal <aportal@univ-montp2.fr>, Jean-Philippe Guérard
<fevrier@tigreraye.org>, Jean-Luc Coulon (f5ibh) <jean-luc.coulon@wanadoo.fr>, Julien Cristau
<jcristau@debian.org>, Thomas Huriaux <thomas.huriaux@gmail.com>, Nicolas François
<nicolas.francois@centraliens.net>, Florentin Duneau <fduneau@gmail.com>, Simon Paillard
<simon.paillard@resel.enst-bretagne.fr>, Denis Barbier <barbier@debian.org>, David Prévot
<david@tilapin.org> et Jean-Philippe MENGUAL <jpmengual@debian.org>
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Linux 1 novembre 2020 MEMBARRIER(2)