proc_destroy() no longer requires edible refs
[akaros.git] / Documentation / process-internals.txt
1 process-internals.txt
2 Barret Rhoden
3
4 This discusses core issues with process design and implementation.  Most of this
5 info is available in the source in the comments (but may not be in the future).
6 For now, it's a dumping ground for topics that people ought to understand before
7 they muck with how processes work.
8
9 Contents:
10 1. Reference Counting
11 2. When Do We Really Leave "Process Context"?
12 3. Leaving the Kernel Stack
13 4. Preemption and Notification Issues
14 5. Current_tf
15 6. Locking!
16 7. TLB Coherency
17 8. Process Management
18 9. TBD
19
20 1. Reference Counting
21 ===========================
22 1.1 Basics:
23 ---------------------------
24 Reference counts exist to keep a process alive.  We use krefs for this, similar
25 to Linux's kref:
26 - Can only incref if the current value is greater than 0, meaning there is
27   already a reference to it.  It is a bug to try to incref on something that has
28   no references, so always make sure you incref something that you know has a
29   reference.  If you don't know, you need to get it from pid2proc (which is a
30   careful way of doing this - pid2proc kref_get_not_zero()s on the reference that is
31   stored inside it).  If you incref and there are 0 references, the kernel will
32   panic.  Fix your bug / don't incref random pointers.
33 - Can always decref.
34 - When the decref returns 0, perform some operation.  This does some final
35   cleanup on the object.
36 - Process code is trickier since we frequently make references from 'current'
37   (which isn't too bad), but also because we often do not return and need to be
38   careful about the references we passed in to a no-return function.
39
40 1.2 Brief History of the Refcnt:
41 ---------------------------
42 Originally, the refcnt was created to keep page tables from being destroyed (in
43 proc_free()) while cores were still using them, which is what was happens during
44 an ARSC (async remote syscall).  It was then defined to be a count of places in
45 the kernel that had an interest in the process staying alive, practically just
46 to protect current/cr3.  This 'interest' actually extends to any code holding a
47 pointer to the proc, such as one acquired via pid2proc(), which is its current
48 meaning.
49
50 1.3 Quick Aside: The current Macro:
51 ---------------------------
52 current is a pointer to the proc that is currently loaded/running on any given
53 core.  It is stored in the per_cpu_info struct, and set/managed by low-level
54 process code.  It is necessary for the kernel to quickly figure out who is
55 running on its code, especially when servicing interrupts and traps.  current is
56 protected by a refcnt.
57
58 1.4 Reference Counting Rules:
59 ---------------------------
60 +1 for existing.
61 - The fact that the process is supposed to exist is worth +1.  When it is time
62   to die, we decref, and it will eventually be cleaned up.  This existence is
63   explicitly kref_put()d in proc_destroy().
64 - The hash table is a bit tricky.  We need to kref_get_not_zero() when it is
65   locked, so we know we aren't racing with proc_free freeing the proc and
66   removing it from the list.  After removing it from the hash, we don't need to
67   kref_put it, since it was an internal ref.  The kref (i.e. external) isn't for
68   being on the hash list, it's for existing.  This separation allows us to
69   remove the proc from the hash list in the "release" function.  See kref.txt
70   for more details.
71
72 +1 for someone using it or planning to use it.
73 - This includes simply having a pointer to the proc, since presumably you will
74   use it.  pid2proc() will incref for you.  When you are done, decref.
75 - Functions that create a process and return a pointer (like proc_create() or
76   kfs_proc_create()) will also up the refcnt for you.  Decref when you're done.
77 - If the *proc is stored somewhere where it will be used again, such as in an IO
78   continuation, it needs to be refcnt'd.  Note that if you already had a
79   reference from pid2proc(), simply don't decref after you store the pointer.
80
81 +1 for current.
82 - current counts as someone using it (expressing interest in the core), but is
83   also a source of the pointer, so its a bit different.  Note that all kref's
84   are sources of a pointer.  Technically, to even use 'current', we should kref
85   it and pass it around as a proc.  We don't for performance reasons.  When we
86   are running on a core that has current loaded, the ref is both for its usage
87   as well as for being the current process.
88 - You have a reference from current and can use it without refcnting, but
89   anything that needs to eat a reference or store/use it needs an incref first.
90   To be clear, your reference is *NOT* edible.  It protects the cr3, guarantees
91   the process won't die, and serves as a bootstrappable reference.
92 - Specifically, if you get a ref from current, but then save it somewhere (like
93   an IO continuation request), then clearly you must incref, since it's both
94   current and stored/used.
95 - If you don't know what might be downstream from your function, then incref
96   before passing the reference, and decref when it returns.  We used to do this
97   for all syscalls, but now only do it for calls that might not return and
98   expect to receive reference (like proc_yield).
99
100 All functions that take a *proc have a refcnt'd reference, though it may not be
101 edible (it could be current).  It is the callers responsibility to make sure
102 it'd edible if it necessary.  It is the callees responsibility to incref if it
103 stores or makes a copy of the reference.
104
105 1.5 Functions That Don't or Might Not Return:
106 ---------------------------
107 Refcnting and especially decreffing gets tricky when there are functions that
108 MAY not return.  proc_restartcore() does not return (it pops into userspace).
109 proc_run() might not return, if the core it was called on will pop into
110 userspace (if it was a _S, or if the core is part of the vcoremap for a _M).
111
112 Functions that MAY not return will "eat" your reference *IF* they do not return.
113 This means that you must have a reference when you call them (like always), and
114 that reference will be consumed / decref'd for you if the function doesn't
115 return.  Or something similarly appropriate.
116
117 Arguably, for functions that MAY not return, but will always be called with
118 current's reference (proc_yield()), we could get away without giving it an
119 edible reference, and then never eating the ref.  Yield needs to be reworked
120 anyway, so it's not a bit deal yet.
121
122 We do this because when the function does not return, you will not have the
123 chance to decref (your decref code will never run).  We need the reference when
124 going in to keep the object alive (like with any other refcnt).  We can't have
125 the function always eat the reference, since you cannot simply re-incref the
126 pointer (not allowed to incref unless you know you had a good reference).  You'd
127 have to do something like p = pid2proc(p_pid);  It's clunky to do that, easy to
128 screw up, and semantically, if the function returns, then we may still have an
129 interest in p and should decref later.
130
131 The downside is that functions need to determine if they will return or not,
132 which can be a pain (a linear time search when running an _M, for instance,
133 which can suck if we are trying to use a broadcast/logical IPI).
134
135 As the caller, you usually won't know if the function will return or not, so you
136 need to provide a consumable reference.  Current doesn't count.  For example,
137 proc_run() requires a reference.  You can proc_run(p), and use p afterwards, and
138 later decref.  You need to make sure you have a reference, so things like
139 proc_run(pid2proc(55)) works, since pid2proc() increfs for you.  But you cannot
140 proc_run(current), unless you incref current in advance.  Incidentally,
141 proc_running current doesn't make a lot of sense.
142
143 As another example, __proc_startcore() will take your reference and store it
144 in current.  Since it is used by both the __startcore and the interrupt return
145 paths (proc_restartcore() now, formerly called proc_startcore()), we're
146 currently going with the model of "caller makes sure there is a ref for
147 current".  Check its comments for details.
148
149 1.6 Runnable List:
150 ---------------------------
151 Procs on the runnable list need to have a refcnt (other than the +1 for
152 existing).  It's something that cares that the process exists.  We could have
153 had it implicitly be refcnt'd (the fact that it's on the list is enough, sort of
154 as if it was part of the +1 for existing), but that complicates things.  For
155 instance, it is a source of a reference (for the scheduler) and you could not
156 proc_run() a process from the runnable list without worrying about increfing it
157 before hand.  Remember that proc_run() might consume your reference (which
158 actually turns into a current reference, which is later destroyed by decref in
159 abandon_core()).
160
161 1.7 Internal Details for Specific Functions:
162 ---------------------------
163 proc_run(): makes sure enough refcnts are in place for all places that will
164 install current.  This also makes it easier on the system (one big incref(n),
165 instead of n increfs of (1) from multiple cores).  In the off chance current was
166 already set for a core receiving the kernel message, __startcore will decref.
167 Also note that while proc_run() consumes your reference, it's not actually
168 decreffing, so there's no danger within proc_run() of the process dying /
169 __proc_free()ing.
170
171 __proc_startcore(): assumes all references to p are sorted.  *p is already
172 accounted for as if it was current on the core startcore runs on. (there is only
173 one refcnt for both *p and current, not 2 separate ones).
174
175 proc_destroy(): it used to not return, and back then if your reference was
176 from 'current', you needed to incref.  Now that proc_destroy() returns, it
177 isn't a big deal.  Just keep in mind that if you have a function that doesn't
178 return, there's no way for the function to know if it's passed reference is
179 edible.  Even if p == current, proc_destroy() can't tell if you sent it p (and
180 had a reference) or current and didn't.
181
182 proc_yield(): this never returns, so it eats your reference.  It will also
183 decref when it abandon_core()s.
184
185 abandon_core(): it was not given a reference, so it doesn't eat one.  It will
186 decref when it unloads the cr3.  Note that this is a potential performance
187 issue.  When preempting or killing, there are n cores that are fighting for the
188 cacheline to decref.  An alternative would be to have one core decref for all n
189 cores, after it knows all cores unloaded the cr3.  This would be a good use of
190 the checklist (possibly with one cacheline per core).  It would take a large
191 amount of memory for better scalability.
192
193 1.8 Core Request:
194 ---------------------------
195 core_request() is run outside of the process code (for now), though it is fairly
196 intricate.  It's another function that might not return.  Historically, there
197 were a few reasons for it, but now only one is true (and may not be for long):
198         1: The process is moving from _S to _M so the return path to userspace won't
199         happen (and sort of will on the new core / the other side), but that will
200         happen when popping into userspace.
201
202 For these reasons, core_request() needs to have an edible reference.
203
204 Also, since core_request calls functions that might not return, there are cases
205 where it will not be able to call abandon_core() and leave process context.
206 This is an example of why we have the fallback case of leaving process context
207 in proc_startcore().  See the section below about process context for more
208 information.
209
210 Eventually, core_request() will be split better, probably with the brutal logic
211 in process.c that would call out some functions in resource.c that actually make
212 choices.
213
214 1.9 Things I Could Have Done But Didn't And Why:
215 ---------------------------
216 Q: Could we have the first reference (existence) mean it could be on the runnable
217 list or otherwise in the proc system (but not other subsystems)?  In this case,
218 proc_run() won't need to eat a reference at all - it will just incref for every
219 current it will set up.
220
221 A: No: if you pid2proc(), then proc_run() but never return, you have (and lose)
222 an extra reference.  We need proc_run() to eat the reference when it does not
223 return.  If you decref between pid2proc() and proc_run(), there's a (rare) race
224 where the refcnt hits 0 by someone else trying to kill it.  While proc_run()
225 will check to see if someone else is trying to kill it, there's a slight chance
226 that the struct will be reused and recreated.  It'll probably never happen, but
227 it could, and out of principle we shouldn't be referencing memory after it's
228 been deallocated.  Avoiding races like this is one of the reasons for our refcnt
229 discipline.
230
231 Q: Could proc_run() always eat your reference, which would make it easier for
232 its implementation?
233
234 A: Yeah, technically, but it'd be a pain, as mentioned above.  You'd need to
235 reaquire a reference via pid2proc, and is rather easy to mess up.
236
237 Q: (Moot) Could we have made proc_destroy() take a flag, saying whether or not
238 it was called on current and needed a decref instead of wasting an incref?
239
240 A: We could, but won't.  This is one case where the external caller is the one
241 that knows the function needs to decref or not.  But it breaks the convention a
242 bit, doesn't mirror proc_create() as well, and we need to pull in the cacheline
243 with the refcnt anyways.  So for now, no.
244
245 Q: (Moot) Could we make __proc_give_cores() simply not return if an IPI is
246 coming?
247
248 A: I did this originally, and manually unlocked and __wait_for_ipi()d.  Though
249 we'd then need to deal with it like that for all of the related functions, which
250 doesn't work if you wanted to do something afterwards (like schedule(p)).  Also
251 these functions are meant to be internal helpers, so returning the bool makes
252 more sense.  It eventually led to having __proc_unlock_ipi_pending(), which made
253 proc_destroy() much cleaner and helped with a general model of dealing with
254 these issues.  Win-win.
255
256 2. When Do We Really Leave "Process Context"?
257 ===========================
258 2.1 Overview
259 ---------------------------
260 First off, it's not really "process context" in the way Linux deals with it.  We
261 aren't operating in kernel mode on behalf of the process (always).  We are
262 specifically talking about when a process's cr3 is loaded on a core.  Usually,
263 current is also set (the exception for now is when processing ARSCs).
264
265 There are a couple different ways to do this.  One is to never unload a context
266 until something new is being run there (handled solely in __proc_startcore()).
267 Another way is to always explicitly leave the core, like by abandon_core()ing.
268
269 The issue with the former is that you could have contexts sitting around for a
270 while, and also would have a bit of extra latency when __proc_free()ing during
271 someone *else's* __proc_startcore() (though that could be avoided if it becomes
272 a real issue, via some form of reaping).  You'll also probably have excessive
273 decrefs (based on the interactions between proc_run() and __startcore()).
274
275 The issue with the latter is excessive TLB shootdowns and corner cases.  There
276 could be some weird cases (in core_request() for example) where the core you are
277 running on has the context loaded for proc A on a mgmt core, but decides to give
278 it to proc B.
279
280 If no process is running there, current == 0 and boot_cr3 is loaded, meaning no
281 process's context is loaded.
282
283 2.2 Here's how it is done now:
284 ---------------------------
285 We try to proactively leave, but have the ability to stay in context til
286 __proc_startcore() to handle the corner cases (and to maybe cut down the TLB
287 flushes later).  To stop proactively leaving, just change abandon_core() to not
288 do anything with current/cr3.  You'll see weird things like processes that won't
289 die until their old cores are reused.  The reason we proactively leave context
290 is to help with sanity for these issues, and also to avoid decref's in
291 __startcore().
292
293 A couple other details: __startcore() sorts the extra increfs, and
294 __proc_startcore() sorts leaving the old context.  Anytime a __startcore kernel
295 message is sent, the sender increfs in advance for the current refcnt.  If that
296 was in error, __startcore decrefs.  __proc_startcore(), which the last moment
297 before we *must* have the cr3/current issues sorted, does the actual check if
298 there was an old process there or not, while it handles the lcr3 (if necessary).
299 In general, lcr3's ought to have refcnts near them, or else comments explaining
300 why not.
301
302 So we leave process context when told to do so (__death/abandon_core()) or if
303 another process is run there.  The _M code is such that a proc will stay on its
304 core until it receives a message, and that message would cleanup/restore a
305 generic context (boot_cr3).  A _S could stay on its core until another _S came
306 in.  This is much simpler for cases when a timer interrupt goes off to force a
307 schedule() decision.  It also avoids a TLB flush in case the scheduler picked
308 that same proc to run again.  This could also happen to an _M, if for some
309 reason it was given a management core (!!!) or some other event happened that
310 caused some management/scheduling function to run on one of it's cores (perhaps
311 it asked).
312
313 proc_yield() abandons the core / leaves context.
314
315 2.3 Other issues:
316 ---------------------------
317 Note that dealing with interrupting processes that are in the kernel is tricky.
318 There is no true process context, so we can't leave a core until the kernel is
319 in a "safe place", i.e. it's state is bundled enough that it can be recontinued
320 later.  Calls of this type are routine kernel messages, executed at a convenient
321 time (specifically, before we return to userspace in proc_restartcore().
322
323 This same thing applies to __death messages.  Even though a process is dying, it
324 doesn't mean we can just drop whatever the kernel was doing on its behalf.  For
325 instance, it might be holding a reference that will never get decreffed if its
326 stack gets dropped.
327
328 3. Leaving the Kernel Stack:
329 ===========================
330 Just because a message comes in saying to kill a process, it does not mean we
331 should immediately abandon_core().  The problem is more obvious when there is
332 a preempt message, instead of a death message, but either way there is state
333 that needs cleaned up (refcnts that need downed, etc).
334
335 The solution to this is rather simple: don't abandon right away.  That was
336 always somewhat the plan for preemption, but was never done for death.  And
337 there are several other cases to worry about too.  To enforce this, we expand
338 the old "active messages" into a generic work execution message (a kernel
339 message) that can be delayed or shipped to another core.  These types of
340 messages will not be executed immediately on the receiving pcore - instead they
341 are on the queue for "when there's nothing else to do in the kernel", which is
342 checked in smp_idle() and before returning to userspace in proc_restartcore().
343 Additionally, these kernel messages can also be queued on an alarm queue,
344 delaying their activation as part of a generic kernel alarm facility.
345
346 One subtlety is that __proc_startcore() shouldn't check for messages, since it
347 is called by __startcore (a message).  Checking there would run the messages out
348 of order, which is exactly what we are trying to avoid (total chaos).  No one
349 should call __proc_startcore, other than proc_restartcore() or __startcore().
350 If we ever have functions that do so, if they are not called from a message,
351 they must check for outstanding messages.
352
353 This last subtlety is why we needed to change proc_run()'s _S case to use a
354 local message instead of calling proc_starcore (and why no one should ever call
355 proc_startcore()).  We could unlock, thereby freeing another core to change the
356 proc state and send a message to us, then try to proc_startcore, and then
357 reading the message before we had installed current or had a userspace TF to
358 preempt, and probably a few other things.  Treating _S as a local message is
359 cleaner, begs to be merged in the code with _M's code, and uses the messaging
360 infrastructure to avoid all the races that it was created to handle.
361
362 Incidentally, we don't need to worry about missing messages while trying to pop
363 back to userspace from __proc_startcore, since an IPI will be on the way
364 (possibly a self-ipi caused by the __kernel_message() handler).  This is also
365 why we needed to make process_routine_kmsg() keep interrupts disabled when it
366 stops (there's a race between checking the queue and disabling ints).
367
368 4. Preemption and Notification Issues:
369 ===========================
370 4.1: Message Ordering and Local Calls:
371 ---------------------------
372 Since we go with the model of cores being told what to do, there are issues
373 with messages being received in the wrong order.  That is why we have the
374 kernel messages (guaranteed, in-order delivery), with the proc-lock protecting
375 the send order.  However, this is not enough for some rare races.
376
377 Local calls can also perform the same tasks as messages (calling
378 proc_destroy() while a death IPI is on its way). We refer to these calls as
379 messing with "local fate" (compared to global state (we're clever).
380 Preempting a single vcore doesn't change the process's state).  These calls
381 are a little different, because they also involve a check to see if it should
382 perform the function or other action (e.g., death just idling and waiting for
383 an IPI instead of trying to kill itself), instead of just blindly doing
384 something.
385
386 4.1.1: Possible Solutions
387 ----------------
388 There are two ways to deal with this.  One (and the better one, I think) is to
389 check state, and determine if it should proceed or abort.  This requires that
390 all local-fate dependent calls always have enough state, meaning that any
391 function that results in sending a directive to a vcore store enough info in
392 the proc struct that a local call can determine if it should take action or
393 abort.  This might be sufficient.  This works for death already, since you
394 aren't supposed to do anything other than die (and restore any invariants
395 first, handled in Section 3).  We'll go with this way.
396
397 The other way is to send the work (including the checks) in a self-ipi kernel
398 message.  This will guarantee that the message is executed after any existing
399 messages (making the k_msg queue the authority for what should happen to a
400 core).  The check is also performed later (when the k_msg executes).  There
401 are a couple issues with this: if we allow the local core to send itself an
402 k_msg that could be out of order (meaning it should not be sent, and is only
403 sent due to ignorance of its sealed fate), AND if we return the core to the
404 idle-core-list once its fate is sealed, we need to detect that the message is
405 for the wrong process and that the process is in the wrong state.  To do this,
406 we probably need local versioning on the pcore so it can detect that the
407 message is late/wrong.  We might get by with just the proc* (though that is
408 tricky with death and proc reuse), so long as we don't allow new startcores
409 for a proc until AFTER the preemption is completed.
410
411 4.2: Preempt-Served Flag
412 ----------------
413 We want to be able to consider a pcore free once its owning proc has dealt
414 with removing it (not necessarily taken from the vcoremap, but at least it is
415 a done-deal that the core will go away and the messages are sent).  This
416 allows a scheduler-like function to easily take a core and then give it to
417 someone else, without waiting for each vcore to respond, saying that the pcore
418 is free/idle.
419
420 Since we want to keep the pcore in the vcoremap, we need another signal to let
421 a process know a message is already on its way.  preempt_pending is a signal
422 to userspace that the alarm was set, not that an actual message is on its way
423 and that a vcore's fate is sealed.  Since we can't use a pcore's presence in
424 the vcoremap to determine that the core should be revoked, we have to check
425 the "fate sealed"/preempt-served flag. 
426
427 It's a bit of a pain to have this flag, just to resolve this race in the
428 kernel, though the local call would have to check the vcoremap anyway,
429 incurring a cache miss if we go with using the vcoremap to signal the
430 impending message.
431
432 The preempt_pending flag is actual a timestamp, with the expiration time of
433 the core at which the message will be sent.  We could try to use that, but
434 since alarms aren't fired at exactly the time they are scheduled, the message
435 might not actually be sent yet (though it will, really soon).  Still, we'll
436 just go with the preempt-served flag for now.
437
438 4.3: Impending Notifications
439 ----------------
440 It's also possible that there is an impending notification.  There's no change
441 in fate (though there could be a fate-changing preempt on its way), just the
442 user wants a notification handler to run.  We need a flag anyways for this
443 (discussed below), so proc_yield() or whatever other local call we have can
444 check this flag as well.  
445
446 Though for proc_yield(), it doesn't care if a notification is on its way (can
447 be dependent on a flag to yield from userspace, based on the nature of the
448 yield (which still needs to be sorted)).  If the yield is in response to a
449 preempt_pending, it actually should yield and not receive the notification.
450 So it should destroy its vcoreid->pcoreid mapping and abandon_core().  When
451 that notification hits, it will be for a proc that isn't current, and will be
452 ignored (it will get run the next time that vcore fires up, handled below).
453
454 There is a slight chance that the same proc will run on that pcore, but with a
455 different vcoreid.  In the off chance this happens, the new vcore will get a
456 spurious notification.  Userspace needs to be able to handle spurious
457 notifications anyways, (there are a couple other cases, and in general it's
458 not hard to do), so this is not a problem.  Instead of trying to have the
459 kernel ignore the notification, we just send a spurious one.  A crappy
460 alternative would be to send the vcoreid with the notification, but that would
461 mean we can't send a generic message (broadcast) to a bunch of cores, which
462 will probably be a problem later.
463
464 Note that this specific case is because the "local work message" gets
465 processed out of order with respect to the notification.  And we want this in
466 that case, since that proc_yield() is more important than the notification.
467
468 4.4: Preemption / Allocation Phases and Alarm Delays
469 ---------------------------
470 A per-vcore preemption phase starts when the kernel marks the core's
471 preempt_pending flag/counter and can includes the time when an alarm is
472 waiting to go off to reclaim the core.  The phase ends when the vcore's pcore
473 is reclaimed, either as a result of the kernel taking control, or because a
474 process voluntarily yielded.
475
476 Specifically, the preempt_pending variable is actually a timestamp for when
477 the core will be revoked (this assumes some form of global time, which we need
478 anyways).  If its value is 0, then there is no preempt-pending, it is not in a
479 phase, and the vcore can be given out again. 
480
481 When a preempt alarm goes off, the alarm only means to check a process for
482 expired vcores.  If the vcore has been yielded while the alarm was pending,
483 the preempt_pending flag will be reset to 0.  To speed up the search for
484 vcores to preempt, there's a circular buffer corelist in the proc struct, with
485 vcoreids of potential suspects.  Or at least this will exist at some point.
486 Also note that the preemption list isn't bound to a specific alarm: you can
487 check the list at any time (not necessarily on a specific alarm), and you can
488 have spurious alarms (the list is empty, so it'll be a noop).
489
490 Likewise, a global preemption phase is when an entire MCP is getting
491 gang_prempted, and the global deadline is set.  A function can quickly check
492 to see if the process responded, since the list of vcores with preemptions
493 pending will be empty.
494
495 It seems obvious, but we do not allow allocation of a vcore during its
496 preemption phase.  The main reason is that it can potentially break
497 assumptions about the vcore->pcore mapping and can result in multiple
498 instances of the same vcore on different pcores.  Imagine a preempt message
499 sent to a pcore (after the alarm goes off), meanwhile that vcore/pcore yields
500 and the vcore reactivates somewhere else.  There is a potential race on the
501 preempt_tf state: the new vcore is reading while the old is writing.  This
502 issue is sorted naturally: the vcore entry in the vcoremap isn't cleared until
503 the vcore/pcore is actually yielded/taken away, so the code looking for a free
504 vcoreid slot will not try to use it.
505
506 Note that if we didn't design the alarm system to simply check for
507 preemptions (perhaps it has a stored list of vcores to preempt), then we
508 couldn't end the preempt-phase until the alarm was sorted.  If that is the
509 case, we could easily give out a vcore that had been yielded but was still in
510 a preempt-phase.  Stopping an alarm would be tricky too, since there could be
511 lots of vcores in different states that need to be sorted by the alarm (so
512 ripping it out isn't enough).  Setting a flag might not be enough either.
513 Vcore version numbers/history (as well as global proc histories) is a pain I'd
514 like to avoid too.  So don't change the alarm / delayed preemption system
515 without thinking about this.
516
517 Also, allowing a vcore to restart while preemptions are pending also mucks
518 with keeping the vcore mapping "old" (while the message is in flight).  A
519 pcore will want to use that to determine which vcore is running on it.  It
520 would be possible to keep a pcoremap for the reverse mapping out of sync, but
521 that seems like a bad idea.  In general, having the pcoremap is a good idea
522 (whenever we talk about a vcoremap, we're usually talking about both
523 directions: "the vcore->pcore mapping").
524
525 4.5: Global Preemption Flags
526 ---------------------------
527 If we are trying to preempt an entire process at the same time, instead of
528 playing with the circular buffer of vcores pending preemption, we could have a
529 global timer as well.  This avoids some O(n) operations, though it means that
530 userspace needs to check two "flags" (expiration dates) when grabbing its
531 preempt-critical locks.
532
533 4.6: Notifications Mixed with Preemption and Sleeping
534 ---------------------------
535 It is possible that notifications will mix with preemptions or come while a
536 process is not running.  Ultimately, the process wants to be notified on a
537 given vcore.  Whenever we send an active notification, we set a flag in procdata
538 (notif_pending).  If the vcore is offline, we don't bother sending the IPI/notif
539 message.  The kernel will make sure it runs the notification handler (as well as
540 restoring the preempt_tf) the next time that vcore is restarted.  Note that
541 userspace can toggle this, so they can handle the notifications from a different
542 core if it likes, or they can independently send a notification.
543
544 Note we use notif_pending to detect if an IPI was missed while notifs were
545 disabled (this is done in pop_ros_tf() by userspace).  The overall meaning of
546 notif_pending is that a vcore wants to be IPI'd.  The IPI could be in-flight, or
547 it could be missed.  Since notification IPIs can be spurious, when we have
548 potential races, we err on the side of sending.  This happens when pop_ros_tf()
549 notifies itself, and when the kernel starts a vcore in it's notif handler if it
550 was preempted and notif was pending.  In the latter case, the kernel will put
551 the preempt_tf in the notif_tf, so userspace can restart that at its leisure.
552
553 If a vcore has a preempt_pending, we will still send the active notification
554 (IPI).  The core ought to get a notification for the preemption anyway, so we
555 need to be able to send one.  Additionally, once the vcore is handling that
556 preemption notification, it will have notifs disabled, which will prevent us
557 from sending any extra notifications anyways.
558  
559 4.7: Notifs While a Preempt Message is Served
560 ---------------------------
561 It is possible to have the kernel handling a notification k_msg and to have a
562 preempt k_msg in the queue (preempt-served flag is set).  Ultimately, what we
563 want is for the core to be preempted and the notification handler to run on
564 the next execution.  Both messages are in the k_msg queue for "a convenient
565 time to leave the kernel" (I'll have a better name for that later).  What we
566 do is execute the notification handler and jump to userspace.  Since there is
567 still an k_msg in the queue (and we self_ipi'd ourselves, it's part of how
568 k_msgs work), the IPI will fire and push us right back into the kernel to
569 execute the preemption, and the notif handler's context will be saved in the
570 preempt_tf (ready to go when the vcore gets started again).
571
572 We could try to just leave the notif_pending flag set and ignore the message,
573 but that would involve inspecting the queue for the preempt k_msg.
574 Additionally, a preempt k_msg can arrive anyway.  Finally, it's possible to have
575 another message in the queue between the notif and the preempt, and it gets ugly
576 quickly trying to determine what to do.
577
578 4.8: When a Pcore is "Free"
579 ---------------------------
580 There are a couple ways to handle pcores.  One approach would be to not
581 consider them free and able to be given to another process until the old
582 process is completely removed (abandon_core()).  Another approach is to free
583 the core once its fate is sealed (which we do).  This probably gives more
584 flexibility in schedule()-like functions (no need to wait to give the core
585 out), quicker dispatch latencies, less contention on shared structs (like the
586 idle-core-map), etc.
587
588 Also, we don't remove the pcore from the vcoremap, even if it is being
589 allocated to another core (the same pcore can exist in two vcoremaps, contrary
590 to older statements).  Taking the pcore from the vcoremap would mean some
591 non-fate related local calls (sys_get_vcoreid()) will fail, since the vcoreid
592 is gone!  Additionally, we don't need a vcoreid in the k_msg (we would have if
593 we could not use the vcore/pcoremappings).  There should not be any issues
594 with the new process sending messages to the pcore before the core is sorted,
595 since k_msgs are delivered in order.
596
597 Another tricky part is the seq_ctr used to signal userspace of changes to the
598 coremap or num_vcores (coremap_seqctr).  While we may not even need this in the
599 long run, it still seems like it could be useful.  The trickiness comes from
600 when we update the seq_ctr when we are unmapping vcores on the receive side of a
601 message (like __death or __preempt).  We'd rather not have each pcore contend on
602 the seq_ctr cache line (let alone any locking) while they perform a somewhat
603 data-parallel task.  So we continue to have the sending core handle the seq_ctr
604 upping and downing.  This works, since the "unlocking" happens after messages
605 are sent, which means the receiving core is no longer in userspace (if there is
606 a delay, it is because the remote core is in the kernel, possibly with
607 interrupts disabled).  Because of this, userspace will be unable to read the new
608 value of the seq_ctr before the IPI hits and does the unmapping that the seq_ctr
609 protects/advertises.  This is most likely true.  It wouldn't be if the "last IPI
610 was sent" flag clears before the IPI actually hit the other core.
611
612 4.9: Future Broadcast/Messaging Needs
613 ---------------------------
614 Currently, messaging is serialized.  Broadcast IPIs exist, but the kernel
615 message system is based on adding an k_msg to a list in a pcore's
616 per_cpu_info.  Further the sending of these messages is in a loop.  In the
617 future, we would like to have broadcast messaging of some sort (literally a
618 broadcast, like the IPIs, and if not that, then a communication tree of
619 sorts).  
620
621 Given those desires, we want to make sure that no message we send needs
622 details specific to a pcore (such as the vcoreid running on it, a history
623 number, or anything like that).  Thus no k_msg related to process management
624 should have anything that cannot apply to the entire process.  At this point,
625 most just have a struct proc *.  A pcore ought to be able to figure out what
626 is happening based on the pcoremap, information in the struct proc, and in the
627 preempt struct in procdata.
628
629 4.10: Other Things We Thought of but Don't Like
630 ---------------------------
631 All local fate-related work is sent as a self k_msg, to enforce ordering.
632 It doesn't capture the difference between a local call and a remote k_msg.
633 The k_msg has already considered state and made its decision.  The local call
634 is an attempt.  It is also unnecessary, if we put in enough information to
635 make a decision in the proc struct.  Finally, it caused a few other problems
636 (like needing to detect arbitrary stale messages).
637
638 Overall message history: doesn't work well when you do per-core stuff, since
639 it will invalidate other messages for the process.  We then though of a pcore
640 history counter to detect stale messages.  Don't like that either.  We'd have
641 to send the history in the message, since it's a per-message, per-core
642 expiration.  There might be other ways around this, but this doesn't seem
643 necessary.
644
645 Alarms have pointers to a list of which cores should be preempted when that
646 specific alarm goes off (saved with the alarm).  Ugh.  It gets ugly with
647 multiple outstanding preemptions and cores getting yielded while the alarms
648 sleep (and possibly could get reallocated, though we'd make a rule to prevent
649 that).  Like with notifications, being able to handle spurious alarms and
650 thinking of an alarm as just a prod to check somewhere is much more flexible
651 and simple.  It is similar to generic messages that have the actual important
652 information stored somewhere else (as with allowing broadcasts, with different
653 receivers performing slightly different operations).
654
655 Synchrony for messages (wanting a response to a preempt k_msg, for example)
656 sucks.  Just encode the state of impending fate in the proc struct, where it
657 belongs.  Additionally, we don't want to hold the proc lock even longer than
658 we do now (which is probably too long as it is).  Finally, it breaks a golden
659 rule: never wait while holding a lock: you will deadlock the system (e.g. if
660 the receiver is already in the kernel spinning on the lock).  We'd have to
661 send messages, unlock (which might cause a message to hit the calling pcore,
662 as in the case of locally called proc_destroy()), and in the meantime some
663 useful invariant might be broken.
664
665 We also considered using the transition stack as a signal that a process is in
666 a notification handler.  The kernel can inspect the stack pointer to determine
667 this.  It's possible, but unnecessary.
668
669 5. current_tf
670 ===========================
671 Originally, current_tf is a per-core macro that returns a struct trapframe *
672 that points back on the kernel stack to the user context that was running on
673 the given core when an interrupt or trap happened.  Saving the reference to
674 the TF helps simplify code that needs to do something with the TF (like save
675 it and pop another TF).  This way, we don't need to pass the context all over
676 the place, especially through code that might not care.
677
678 Now, current_tf is more broadly defined as the user context that should be run
679 when the kernel is ready to run a process.  In the older case, it was when the
680 kernel tries to return to userspace from a trap/interrupt.  Now, current_tf
681 can be set by an IPI/KMSG (like '__startcore') so that when the kernel wants
682 to idle, it will find a cur_tf that it needs to run, even though we never
683 trapped in on that context in the first place.
684
685 Process management KMSGs now simply modify cur_tf, as if we had interrupted a
686 process.  Instead of '__startcore' forcing the kernel to actually run the
687 context, it will just mean we will eventually run it.  In the meantime a
688 '__notify' or a '__preempt' can come in, and they will apply to the cur_tf.
689 This greatly simplifies process code and code calling process code (like the
690 scheduler), since we no longer need to worry about whether or not we are
691 getting a "stack killing" kernel message.  Before this, code needed to care
692 where it was running when managing _Ms.
693
694 current_tf should go along with current.  It's the current_tf of the current
695 process.  Withouth 'current', it has no meaning.  This will probably change
696 slightly, since kthreads care about 'current' but not about current_tf.
697
698 It does not point to kernel trapframes, which is important when we receive an
699 interrupt in the kernel.  At one point, we were (hypothetically) clobbering the
700 reference to the user trapframe, and were unable to recover.  We can get away
701 with this because the kernel always returns to its previous context from a
702 nested handler (via iret on x86).  
703
704 In the future, we may need to save kernel contexts and may not always return via
705 iret.  At which point, if the code path is deep enough that we don't want to
706 carry the TF pointer, we may revisit this.  Until then, current_tf is just for
707 userspace contexts, and is simply stored in per_cpu_info.
708
709 6. Locking!
710 ===========================
711 6.1: proc_lock
712 ---------------------------
713 Currently, all locking is done on the proc_lock.  It's main goal is to protect
714 the vcore mapping (vcore->pcore and vice versa).  As of Apr 2010, it's also used
715 to protect changes to the address space and the refcnt.  Eventually the refcnt
716 will be handled with atomics, and the address space will have it's own MM lock.  
717
718 We grab the proc_lock all over the place, but we try to avoid it whereever
719 possible - especially in kernel messages or other places that will be executed
720 in parallel.  One place we do grab it but would like to not is in proc_yield().  
721 We don't always need to grab the proc lock.  Here are some examples:
722
723 6.1.1: Lockless Notifications:
724 -------------
725 We don't lock when sending a notification.  We want the proc_lock to not be an
726 irqsave lock (discussed below).  Since we might want to send a notification from
727 interrupt context, we can't grab the proc_lock if it's a regular lock.  
728
729 This is okay, since the proc_lock is only protecting the vcoremapping.  We could
730 accidentally send the notification to the wrong pcore.  The __notif handler
731 checks to make sure it is the right process, and all _M processes should be able
732 to handle spurious notifications.  This assumes they are still _M.
733
734 If we send it to the wrong pcore, there is a danger of losing the notif, since
735 it didn't go to the correct vcore.  That would happen anyway, (the vcore is
736 unmapped, or in the process of mapping).  The notif_pending flag will be caught
737 when the vcore is started up next time (and that flag was set before reading the
738 vcoremap).
739
740 6.1.2: Local get_vcoreid():
741 -------------
742 It's not necessary to lock while checking the vcoremap if you are checking for
743 the core you are running on (e.g. pcoreid == core_id()).  This is because all
744 unmappings of a vcore are done on the receive side of a routine kmsg, and that
745 code cannot run concurrently with the code you are running.  
746
747 6.2: irqsave
748 ---------------------------
749 The proc_lock used to be an irqsave lock (meaning it disables interrupts and can
750 be grabbed from interrupt context).  We made it a regular lock for a couple
751 reasons.  The immediate one was it was causing deadlocks due to some other
752 ghetto things (blocking on the frontend server, for instance).  More generally,
753 we don't want to disable interrupts for long periods of time, so it was
754 something worth doing anyway.  
755
756 This means that we cannot grab the proc_lock from interrupt context.  This
757 includes having schedule called from an interrupt handler (like the
758 timer_interrupt() handler), since it will call proc_run.  Right now, we actually
759 do this, which we shouldn't, and that will eventually get fixed.  The right
760 answer is that the actual work of running the scheduler should be a routine
761 kmsg, similar to how Linux sets a bit in the kernel that it checks on the way
762 out to see if it should run the scheduler or not.
763
764 7. TLB Coherency
765 ===========================
766 When changing or removing memory mappings, we need to do some form of a TLB
767 shootdown.  Normally, this will require sending an IPI (immediate kmsg) to
768 every vcore of a process to unmap the affected page.  Before allocating that
769 page back out, we need to make sure that every TLB has been flushed.  
770
771 One reason to use a kmsg over a simple handler is that we often want to pass a
772 virtual address to flush for those architectures (like x86) that can
773 invalidate a specific page.  Ideally, we'd use a broadcast kmsg (doesn't exist
774 yet), though we already have simple broadcast IPIs.
775
776 7.1 Initial Stuff
777 ---------------------------
778 One big issue is whether or not to wait for a response from the other vcores
779 that they have unmapped.  There are two concerns: 1) Page reuse and 2) User
780 semantics.  We cannot give out the physical page while it may still be in a
781 TLB (even to the same process.  Ask us about the pthread_test bug).
782
783 The second case is a little more detailed.  The application may not like it if
784 it thinks a page is unmapped or protected, and it does not generate a fault.
785 I am less concerned about this, especially since we know that even if we don't
786 wait to hear from every vcore, we know that the message was delivered and the
787 IPI sent.  Any cores that are in userspace will have trapped and eventually
788 handle the shootdown before having a chance to execute other user code.  The
789 delays in the shootdown response are due to being in the kernel with
790 interrupts disabled (it was an IMMEDIATE kmsg).
791
792 7.2 RCU
793 ---------------------------
794 One approach is similar to RCU.  Unmap the page, but don't put it on the free
795 list.  Instead, don't reallocate it until we are sure every core (possibly
796 just affected cores) had a chance to run its kmsg handlers.  This time is
797 similar to the RCU grace periods.  Once the period is over, we can then truly
798 free the page.
799
800 This would require some sort of RCU-like mechanism and probably a per-core
801 variable that has the timestamp of the last quiescent period.  Code caring
802 about when this page (or pages) can be freed would have to check on all of the
803 cores (probably in a bitmask for what needs to be freed).  It would make sense
804 to amortize this over several RCU-like operations.
805
806 7.3 Checklist
807 ---------------------------
808 It might not suck that much to wait for a response if you already sent an IPI,
809 though it incurs some more cache misses.  If you wanted to ensure all vcores
810 ran the shootdown handler, you'd have them all toggle their bit in a checklist
811 (unused for a while, check smp.c).  The only one who waits would be the
812 caller, but there still are a bunch of cache misses in the handlers.  Maybe
813 this isn't that big of a deal, and the RCU thing is an unnecessary
814 optimization.
815
816 7.4 Just Wait til a Context Switch
817 ---------------------------
818 Another option is to not bother freeing the page until the entire process is
819 descheduled.  This could be a very long time, and also will mess with
820 userspace's semantics.  They would be running user code that could still
821 access the old page, so in essence this is a lazy munmap/mprotect.  The
822 process basically has the page in pergatory: it can't be reallocated, and it
823 might be accessible, but can't be guaranteed to work.
824
825 The main benefit of this is that you don't need to send the TLB shootdown IPI
826 at all - so you don't interfere with the app.  Though in return, they have
827 possibly weird semantics.  One aspect of these weird semantics is that the
828 same virtual address could map to two different pages - that seems like a
829 disaster waiting to happen.  We could also block that range of the virtual
830 address space from being reallocated, but that gets even more tricky.
831
832 One issue with just waiting and RCU is memory pressure.  If we actually need
833 the page, we will need to enforce an unmapping, which sucks a little.
834
835 7.5 Bulk vs Single
836 ---------------------------
837 If there are a lot of pages being shot down, it'd be best to amortize the cost
838 of the kernel messages, as well as the invlpg calls (single page shootdowns).
839 One option would be for the kmsg to take a range, and not just a single
840 address.  This would help with bulk munmap/mprotects.  Based on the number of
841 these, perhaps a raw tlbflush (the entire TLB) would be worth while, instead
842 of n single shots.  Odds are, that number is arch and possibly workload
843 specific.
844
845 For now, the plan will be to send a range and have them individually shot
846 down.
847
848 7.6 Don't do it
849 ---------------------------
850 Either way, munmap/mprotect sucks in an MCP.  I recommend not doing it, and
851 doing the appropriate mmap/munmap/mprotects in _S mode.  Unfortunately, even
852 our crap pthread library munmaps on demand as threads are created and
853 destroyed.  The vcore code probably does in the bowels of glibc's TLS code
854 too, though at least that isn't on every user context switch.
855
856 7.7 Local memory
857 ---------------------------
858 Private local memory would help with this too.  If each vcore has its own
859 range, we won't need to send TLB shootdowns for those areas, and we won't have
860 to worry about weird application semantics.  The downside is we would need to
861 do these mmaps in certain ranges in advance, and might not easily be able to
862 do them remotely.  More on this when we actually design and build it.
863
864 7.8 Future Hardware Support
865 ---------------------------
866 It would be cool and interesting if we had the ability to remotely shootdown
867 TLBs.  For instance, all cores with cr3 == X, shootdown range Y..Z.  It's
868 basically what we'll do with the kernel message and the vcoremap, but with
869 magic hardware.
870
871 7.9 Current Status
872 ---------------------------
873 For now, we just send a kernel message to all vcores to do a full TLB flush,
874 and not to worry about checklists, waiting, or anything.  This is due to being
875 short on time and not wanting to sort out the issue with ranges.  The way
876 it'll get changed to is to send the kmsg with the range to the appropriate
877 cores, and then maybe put the page on the end of the freelist (instead of the
878 head).  More to come.
879
880 8. Process Management
881 ===========================
882 8.1 Vcore lists
883 ---------------------------
884 We have three lists to track a process's vcores.  The vcores themselves sit in
885 the vcoremap in procinfo; they aren't dynamically allocated (memory) or
886 anything like that.  The lists greatly eases vcore discovery and management.
887
888 A vcore is on exactly one of three lists: online (mapped and running vcores,
889 sometimes called 'active'), bulk_preempt (was online when the process was bulk
890 preempted (like a timeslice)), and inactive (yielded, hasn't come on yet,
891 etc).  When writes are complete (unlocked), either the online list or the
892 bulk_preempt list should be empty.
893
894 List modifications are protected by the proc_lock.  You can concurrently read,
895 but note you may get some weird behavior, such as a vcore on multiple lists, a
896 vcore on no lists, online and bulk_preempt both having items, etc.  Currently,
897 event code will read these lists when hunting for a suitable core, and will
898 have to be careful about races.  I want to avoid event FALLBACK code from
899 grabbing the proc_lock.
900
901 Another slight thing to be careful of is that the vcore lists don't always
902 agree with the vcore mapping.  However, it will always agree with what the
903 state of the process will be when all kmsgs are processed (fate).
904 Specifically, when we take vcores, the unmapping happens with the lock not
905 held on the vcore itself (as discussed elsewhere).  The vcore lists represent
906 the result of those pending unmaps.
907
908 Before we used the lists, we scanned the vcoremap in a painful, clunky manner.
909 In the old style, when you asked for a vcore, the first one you got was the
910 first hole in the vcoremap.  Ex: Vcore0 would always be granted if it was
911 offline.  That's no longer true; the most recent vcore yielded will be given
912 out next.  This will help with cache locality, and also cuts down on the
913 scenarios on which the kernel gives out a vcore that userspace wasn't
914 expecting.  This can still happen if they ask for more vcores than they set up
915 for, or if a vcore doesn't *want* to come online (there's a couple scenarios
916 with preemption recovery where that may come up).
917
918 So the plan with the bulk preempt list is that vcores on it were preempted,
919 and the kernel will attempt to restart all of them (and move them to the online
920 list).  Any leftovers will be moved to the inactive list, and have preemption
921 recovery messages sent out.  Any shortages (they want more vcores than were
922 bulk_preempted) will be taken from the yield list.  This all means that
923 whether or not a vcore needs to be preempt-recovered or if there is a message
924 out about its preemption doesn't really affect which list it is on.  You could
925 have a vcore on the inactive list that was bulk preempted (and not turned back
926 on), and then that vcore gets granted in the next round of vcore_requests().
927 The preemption recovery handlers will need to deal with concurrent handlers
928 and the vcore itself starting back up.
929
930 9. TBD
931 ===========================