kernel - Improve pmap hinting, improve performance
[dragonfly.git] / sys / kern / lwkt_thread.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2003-2011 The DragonFly Project.  All rights reserved.
3  *
4  * This code is derived from software contributed to The DragonFly Project
5  * by Matthew Dillon <dillon@backplane.com>
6  *
7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
8  * modification, are permitted provided that the following conditions
9  * are met:
10  *
11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in
15  *    the documentation and/or other materials provided with the
16  *    distribution.
17  * 3. Neither the name of The DragonFly Project nor the names of its
18  *    contributors may be used to endorse or promote products derived
19  *    from this software without specific, prior written permission.
20  *
21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
22  * ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
23  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS
24  * FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE
25  * COPYRIGHT HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
26  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
27  * BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
28  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED
29  * AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
30  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT
31  * OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
32  * SUCH DAMAGE.
33  */
34
35 /*
36  * Each cpu in a system has its own self-contained light weight kernel
37  * thread scheduler, which means that generally speaking we only need
38  * to use a critical section to avoid problems.  Foreign thread 
39  * scheduling is queued via (async) IPIs.
40  */
41
42 #include <sys/param.h>
43 #include <sys/systm.h>
44 #include <sys/kernel.h>
45 #include <sys/proc.h>
46 #include <sys/rtprio.h>
47 #include <sys/kinfo.h>
48 #include <sys/queue.h>
49 #include <sys/sysctl.h>
50 #include <sys/kthread.h>
51 #include <machine/cpu.h>
52 #include <sys/lock.h>
53 #include <sys/spinlock.h>
54 #include <sys/ktr.h>
55 #include <sys/indefinite.h>
56
57 #include <sys/thread2.h>
58 #include <sys/spinlock2.h>
59 #include <sys/indefinite2.h>
60
61 #include <sys/dsched.h>
62
63 #include <vm/vm.h>
64 #include <vm/vm_param.h>
65 #include <vm/vm_kern.h>
66 #include <vm/vm_object.h>
67 #include <vm/vm_page.h>
68 #include <vm/vm_map.h>
69 #include <vm/vm_pager.h>
70 #include <vm/vm_extern.h>
71
72 #include <machine/stdarg.h>
73 #include <machine/smp.h>
74 #include <machine/clock.h>
75
76 #ifdef _KERNEL_VIRTUAL
77 #include <pthread.h>
78 #endif
79
80 #define LOOPMASK
81
82 #if !defined(KTR_CTXSW)
83 #define KTR_CTXSW KTR_ALL
84 #endif
85 KTR_INFO_MASTER(ctxsw);
86 KTR_INFO(KTR_CTXSW, ctxsw, sw, 0, "#cpu[%d].td = %p", int cpu, struct thread *td);
87 KTR_INFO(KTR_CTXSW, ctxsw, pre, 1, "#cpu[%d].td = %p", int cpu, struct thread *td);
88 KTR_INFO(KTR_CTXSW, ctxsw, newtd, 2, "#threads[%p].name = %s", struct thread *td, char *comm);
89 KTR_INFO(KTR_CTXSW, ctxsw, deadtd, 3, "#threads[%p].name = <dead>", struct thread *td);
90
91 static MALLOC_DEFINE(M_THREAD, "thread", "lwkt threads");
92
93 #ifdef  INVARIANTS
94 static int panic_on_cscount = 0;
95 #endif
96 static int64_t switch_count = 0;
97 static int64_t preempt_hit = 0;
98 static int64_t preempt_miss = 0;
99 static int64_t preempt_weird = 0;
100 static int lwkt_use_spin_port;
101 static struct objcache *thread_cache;
102 int cpu_mwait_spin = 0;
103
104 static void lwkt_schedule_remote(void *arg, int arg2, struct intrframe *frame);
105 static void lwkt_setcpu_remote(void *arg);
106
107 /*
108  * We can make all thread ports use the spin backend instead of the thread
109  * backend.  This should only be set to debug the spin backend.
110  */
111 TUNABLE_INT("lwkt.use_spin_port", &lwkt_use_spin_port);
112
113 #ifdef  INVARIANTS
114 SYSCTL_INT(_lwkt, OID_AUTO, panic_on_cscount, CTLFLAG_RW, &panic_on_cscount, 0,
115     "Panic if attempting to switch lwkt's while mastering cpusync");
116 #endif
117 SYSCTL_QUAD(_lwkt, OID_AUTO, switch_count, CTLFLAG_RW, &switch_count, 0,
118     "Number of switched threads");
119 SYSCTL_QUAD(_lwkt, OID_AUTO, preempt_hit, CTLFLAG_RW, &preempt_hit, 0, 
120     "Successful preemption events");
121 SYSCTL_QUAD(_lwkt, OID_AUTO, preempt_miss, CTLFLAG_RW, &preempt_miss, 0, 
122     "Failed preemption events");
123 SYSCTL_QUAD(_lwkt, OID_AUTO, preempt_weird, CTLFLAG_RW, &preempt_weird, 0,
124     "Number of preempted threads.");
125 static int fairq_enable = 0;
126 SYSCTL_INT(_lwkt, OID_AUTO, fairq_enable, CTLFLAG_RW,
127         &fairq_enable, 0, "Turn on fairq priority accumulators");
128 static int fairq_bypass = -1;
129 SYSCTL_INT(_lwkt, OID_AUTO, fairq_bypass, CTLFLAG_RW,
130         &fairq_bypass, 0, "Allow fairq to bypass td on token failure");
131 extern int lwkt_sched_debug;
132 int lwkt_sched_debug = 0;
133 SYSCTL_INT(_lwkt, OID_AUTO, sched_debug, CTLFLAG_RW,
134         &lwkt_sched_debug, 0, "Scheduler debug");
135 static u_int lwkt_spin_loops = 10;
136 SYSCTL_UINT(_lwkt, OID_AUTO, spin_loops, CTLFLAG_RW,
137         &lwkt_spin_loops, 0, "Scheduler spin loops until sorted decon");
138 static int preempt_enable = 1;
139 SYSCTL_INT(_lwkt, OID_AUTO, preempt_enable, CTLFLAG_RW,
140         &preempt_enable, 0, "Enable preemption");
141 static int lwkt_cache_threads = 0;
142 SYSCTL_INT(_lwkt, OID_AUTO, cache_threads, CTLFLAG_RD,
143         &lwkt_cache_threads, 0, "thread+kstack cache");
144
145 /*
146  * These helper procedures handle the runq, they can only be called from
147  * within a critical section.
148  *
149  * WARNING!  Prior to SMP being brought up it is possible to enqueue and
150  * dequeue threads belonging to other cpus, so be sure to use td->td_gd
151  * instead of 'mycpu' when referencing the globaldata structure.   Once
152  * SMP live enqueuing and dequeueing only occurs on the current cpu.
153  */
154 static __inline
155 void
156 _lwkt_dequeue(thread_t td)
157 {
158     if (td->td_flags & TDF_RUNQ) {
159         struct globaldata *gd = td->td_gd;
160
161         td->td_flags &= ~TDF_RUNQ;
162         TAILQ_REMOVE(&gd->gd_tdrunq, td, td_threadq);
163         --gd->gd_tdrunqcount;
164         if (TAILQ_FIRST(&gd->gd_tdrunq) == NULL)
165                 atomic_clear_int(&gd->gd_reqflags, RQF_RUNNING);
166     }
167 }
168
169 /*
170  * Priority enqueue.
171  *
172  * There are a limited number of lwkt threads runnable since user
173  * processes only schedule one at a time per cpu.  However, there can
174  * be many user processes in kernel mode exiting from a tsleep() which
175  * become runnable.
176  *
177  * We scan the queue in both directions to help deal with degenerate
178  * situations when hundreds or thousands (or more) threads are runnable.
179  *
180  * NOTE: lwkt_schedulerclock() will force a round-robin based on td_pri and
181  *       will ignore user priority.  This is to ensure that user threads in
182  *       kernel mode get cpu at some point regardless of what the user
183  *       scheduler thinks.
184  */
185 static __inline
186 void
187 _lwkt_enqueue(thread_t td)
188 {
189     thread_t xtd;       /* forward scan */
190     thread_t rtd;       /* reverse scan */
191
192     if ((td->td_flags & (TDF_RUNQ|TDF_MIGRATING|TDF_BLOCKQ)) == 0) {
193         struct globaldata *gd = td->td_gd;
194
195         td->td_flags |= TDF_RUNQ;
196         xtd = TAILQ_FIRST(&gd->gd_tdrunq);
197         if (xtd == NULL) {
198             TAILQ_INSERT_TAIL(&gd->gd_tdrunq, td, td_threadq);
199             atomic_set_int(&gd->gd_reqflags, RQF_RUNNING);
200         } else {
201             /*
202              * NOTE: td_upri - higher numbers more desireable, same sense
203              *       as td_pri (typically reversed from lwp_upri).
204              *
205              *       In the equal priority case we want the best selection
206              *       at the beginning so the less desireable selections know
207              *       that they have to setrunqueue/go-to-another-cpu, even
208              *       though it means switching back to the 'best' selection.
209              *       This also avoids degenerate situations when many threads
210              *       are runnable or waking up at the same time.
211              *
212              *       If upri matches exactly place at end/round-robin.
213              */
214             rtd = TAILQ_LAST(&gd->gd_tdrunq, lwkt_queue);
215
216             while (xtd &&
217                    (xtd->td_pri > td->td_pri ||
218                     (xtd->td_pri == td->td_pri &&
219                      xtd->td_upri >= td->td_upri))) {
220                 xtd = TAILQ_NEXT(xtd, td_threadq);
221
222                 /*
223                  * Doing a reverse scan at the same time is an optimization
224                  * for the insert-closer-to-tail case that avoids having to
225                  * scan the entire list.  This situation can occur when
226                  * thousands of threads are woken up at the same time.
227                  */
228                 if (rtd->td_pri > td->td_pri ||
229                     (rtd->td_pri == td->td_pri &&
230                     rtd->td_upri >= td->td_upri)) {
231                         TAILQ_INSERT_AFTER(&gd->gd_tdrunq, rtd, td, td_threadq);
232                         goto skip;
233                 }
234                 rtd = TAILQ_PREV(rtd, lwkt_queue, td_threadq);
235             }
236             if (xtd)
237                 TAILQ_INSERT_BEFORE(xtd, td, td_threadq);
238             else
239                 TAILQ_INSERT_TAIL(&gd->gd_tdrunq, td, td_threadq);
240         }
241 skip:
242         ++gd->gd_tdrunqcount;
243
244         /*
245          * Request a LWKT reschedule if we are now at the head of the queue.
246          */
247         if (TAILQ_FIRST(&gd->gd_tdrunq) == td)
248             need_lwkt_resched();
249     }
250 }
251
252 static boolean_t
253 _lwkt_thread_ctor(void *obj, void *privdata, int ocflags)
254 {
255         struct thread *td = (struct thread *)obj;
256
257         td->td_kstack = NULL;
258         td->td_kstack_size = 0;
259         td->td_flags = TDF_ALLOCATED_THREAD;
260         td->td_mpflags = 0;
261         return (1);
262 }
263
264 static void
265 _lwkt_thread_dtor(void *obj, void *privdata)
266 {
267         struct thread *td = (struct thread *)obj;
268
269         KASSERT(td->td_flags & TDF_ALLOCATED_THREAD,
270             ("_lwkt_thread_dtor: not allocated from objcache"));
271         KASSERT((td->td_flags & TDF_ALLOCATED_STACK) && td->td_kstack &&
272                 td->td_kstack_size > 0,
273             ("_lwkt_thread_dtor: corrupted stack"));
274         kmem_free(&kernel_map, (vm_offset_t)td->td_kstack, td->td_kstack_size);
275         td->td_kstack = NULL;
276         td->td_flags = 0;
277 }
278
279 /*
280  * Initialize the lwkt s/system.
281  *
282  * Nominally cache up to 32 thread + kstack structures.  Cache more on
283  * systems with a lot of cpu cores.
284  */
285 static void
286 lwkt_init(void)
287 {
288     TUNABLE_INT("lwkt.cache_threads", &lwkt_cache_threads);
289     if (lwkt_cache_threads == 0) {
290         lwkt_cache_threads = ncpus * 4;
291         if (lwkt_cache_threads < 32)
292             lwkt_cache_threads = 32;
293     }
294     thread_cache = objcache_create_mbacked(
295                                 M_THREAD, sizeof(struct thread),
296                                 0, lwkt_cache_threads,
297                                 _lwkt_thread_ctor, _lwkt_thread_dtor, NULL);
298 }
299 SYSINIT(lwkt_init, SI_BOOT2_LWKT_INIT, SI_ORDER_FIRST, lwkt_init, NULL);
300
301 /*
302  * Schedule a thread to run.  As the current thread we can always safely
303  * schedule ourselves, and a shortcut procedure is provided for that
304  * function.
305  *
306  * (non-blocking, self contained on a per cpu basis)
307  */
308 void
309 lwkt_schedule_self(thread_t td)
310 {
311     KKASSERT((td->td_flags & TDF_MIGRATING) == 0);
312     crit_enter_quick(td);
313     KASSERT(td != &td->td_gd->gd_idlethread,
314             ("lwkt_schedule_self(): scheduling gd_idlethread is illegal!"));
315     KKASSERT(td->td_lwp == NULL ||
316              (td->td_lwp->lwp_mpflags & LWP_MP_ONRUNQ) == 0);
317     _lwkt_enqueue(td);
318     crit_exit_quick(td);
319 }
320
321 /*
322  * Deschedule a thread.
323  *
324  * (non-blocking, self contained on a per cpu basis)
325  */
326 void
327 lwkt_deschedule_self(thread_t td)
328 {
329     crit_enter_quick(td);
330     _lwkt_dequeue(td);
331     crit_exit_quick(td);
332 }
333
334 /*
335  * LWKTs operate on a per-cpu basis
336  *
337  * WARNING!  Called from early boot, 'mycpu' may not work yet.
338  */
339 void
340 lwkt_gdinit(struct globaldata *gd)
341 {
342     TAILQ_INIT(&gd->gd_tdrunq);
343     TAILQ_INIT(&gd->gd_tdallq);
344 }
345
346 /*
347  * Create a new thread.  The thread must be associated with a process context
348  * or LWKT start address before it can be scheduled.  If the target cpu is
349  * -1 the thread will be created on the current cpu.
350  *
351  * If you intend to create a thread without a process context this function
352  * does everything except load the startup and switcher function.
353  */
354 thread_t
355 lwkt_alloc_thread(struct thread *td, int stksize, int cpu, int flags)
356 {
357     static int cpu_rotator;
358     globaldata_t gd = mycpu;
359     void *stack;
360
361     /*
362      * If static thread storage is not supplied allocate a thread.  Reuse
363      * a cached free thread if possible.  gd_freetd is used to keep an exiting
364      * thread intact through the exit.
365      */
366     if (td == NULL) {
367         crit_enter_gd(gd);
368         if ((td = gd->gd_freetd) != NULL) {
369             KKASSERT((td->td_flags & (TDF_RUNNING|TDF_PREEMPT_LOCK|
370                                       TDF_RUNQ)) == 0);
371             gd->gd_freetd = NULL;
372         } else {
373             td = objcache_get(thread_cache, M_WAITOK);
374             KKASSERT((td->td_flags & (TDF_RUNNING|TDF_PREEMPT_LOCK|
375                                       TDF_RUNQ)) == 0);
376         }
377         crit_exit_gd(gd);
378         KASSERT((td->td_flags &
379                  (TDF_ALLOCATED_THREAD|TDF_RUNNING|TDF_PREEMPT_LOCK)) ==
380                  TDF_ALLOCATED_THREAD,
381                 ("lwkt_alloc_thread: corrupted td flags 0x%X", td->td_flags));
382         flags |= td->td_flags & (TDF_ALLOCATED_THREAD|TDF_ALLOCATED_STACK);
383     }
384
385     /*
386      * Try to reuse cached stack.
387      */
388     if ((stack = td->td_kstack) != NULL && td->td_kstack_size != stksize) {
389         if (flags & TDF_ALLOCATED_STACK) {
390             kmem_free(&kernel_map, (vm_offset_t)stack, td->td_kstack_size);
391             stack = NULL;
392         }
393     }
394     if (stack == NULL) {
395         if (cpu < 0)
396                 stack = (void *)kmem_alloc_stack(&kernel_map, stksize, 0);
397         else
398                 stack = (void *)kmem_alloc_stack(&kernel_map, stksize,
399                                                  KM_CPU(cpu));
400         flags |= TDF_ALLOCATED_STACK;
401     }
402     if (cpu < 0) {
403         cpu = ++cpu_rotator;
404         cpu_ccfence();
405         cpu = (uint32_t)cpu % (uint32_t)ncpus;
406     }
407     lwkt_init_thread(td, stack, stksize, flags, globaldata_find(cpu));
408     return(td);
409 }
410
411 /*
412  * Initialize a preexisting thread structure.  This function is used by
413  * lwkt_alloc_thread() and also used to initialize the per-cpu idlethread.
414  *
415  * All threads start out in a critical section at a priority of
416  * TDPRI_KERN_DAEMON.  Higher level code will modify the priority as
417  * appropriate.  This function may send an IPI message when the 
418  * requested cpu is not the current cpu and consequently gd_tdallq may
419  * not be initialized synchronously from the point of view of the originating
420  * cpu.
421  *
422  * NOTE! we have to be careful in regards to creating threads for other cpus
423  * if SMP has not yet been activated.
424  */
425 static void
426 lwkt_init_thread_remote(void *arg)
427 {
428     thread_t td = arg;
429
430     /*
431      * Protected by critical section held by IPI dispatch
432      */
433     TAILQ_INSERT_TAIL(&td->td_gd->gd_tdallq, td, td_allq);
434 }
435
436 /*
437  * lwkt core thread structural initialization.
438  *
439  * NOTE: All threads are initialized as mpsafe threads.
440  */
441 void
442 lwkt_init_thread(thread_t td, void *stack, int stksize, int flags,
443                 struct globaldata *gd)
444 {
445     globaldata_t mygd = mycpu;
446
447     bzero(td, sizeof(struct thread));
448     td->td_kstack = stack;
449     td->td_kstack_size = stksize;
450     td->td_flags = flags;
451     td->td_mpflags = 0;
452     td->td_type = TD_TYPE_GENERIC;
453     td->td_gd = gd;
454     td->td_pri = TDPRI_KERN_DAEMON;
455     td->td_critcount = 1;
456     td->td_toks_have = NULL;
457     td->td_toks_stop = &td->td_toks_base;
458     if (lwkt_use_spin_port || (flags & TDF_FORCE_SPINPORT)) {
459         lwkt_initport_spin(&td->td_msgport, td,
460             (flags & TDF_FIXEDCPU) ? TRUE : FALSE);
461     } else {
462         lwkt_initport_thread(&td->td_msgport, td);
463     }
464     pmap_init_thread(td);
465     /*
466      * Normally initializing a thread for a remote cpu requires sending an
467      * IPI.  However, the idlethread is setup before the other cpus are
468      * activated so we have to treat it as a special case.  XXX manipulation
469      * of gd_tdallq requires the BGL.
470      */
471     if (gd == mygd || td == &gd->gd_idlethread) {
472         crit_enter_gd(mygd);
473         TAILQ_INSERT_TAIL(&gd->gd_tdallq, td, td_allq);
474         crit_exit_gd(mygd);
475     } else {
476         lwkt_send_ipiq(gd, lwkt_init_thread_remote, td);
477     }
478     dsched_enter_thread(td);
479 }
480
481 void
482 lwkt_set_comm(thread_t td, const char *ctl, ...)
483 {
484     __va_list va;
485
486     __va_start(va, ctl);
487     kvsnprintf(td->td_comm, sizeof(td->td_comm), ctl, va);
488     __va_end(va);
489     KTR_LOG(ctxsw_newtd, td, td->td_comm);
490 }
491
492 /*
493  * Prevent the thread from getting destroyed.  Note that unlike PHOLD/PRELE
494  * this does not prevent the thread from migrating to another cpu so the
495  * gd_tdallq state is not protected by this.
496  */
497 void
498 lwkt_hold(thread_t td)
499 {
500     atomic_add_int(&td->td_refs, 1);
501 }
502
503 void
504 lwkt_rele(thread_t td)
505 {
506     KKASSERT(td->td_refs > 0);
507     atomic_add_int(&td->td_refs, -1);
508 }
509
510 void
511 lwkt_free_thread(thread_t td)
512 {
513     KKASSERT(td->td_refs == 0);
514     KKASSERT((td->td_flags & (TDF_RUNNING | TDF_PREEMPT_LOCK |
515                               TDF_RUNQ | TDF_TSLEEPQ)) == 0);
516     if (td->td_flags & TDF_ALLOCATED_THREAD) {
517         objcache_put(thread_cache, td);
518     } else if (td->td_flags & TDF_ALLOCATED_STACK) {
519         /* client-allocated struct with internally allocated stack */
520         KASSERT(td->td_kstack && td->td_kstack_size > 0,
521             ("lwkt_free_thread: corrupted stack"));
522         kmem_free(&kernel_map, (vm_offset_t)td->td_kstack, td->td_kstack_size);
523         td->td_kstack = NULL;
524         td->td_kstack_size = 0;
525     }
526
527     KTR_LOG(ctxsw_deadtd, td);
528 }
529
530
531 /*
532  * Switch to the next runnable lwkt.  If no LWKTs are runnable then 
533  * switch to the idlethread.  Switching must occur within a critical
534  * section to avoid races with the scheduling queue.
535  *
536  * We always have full control over our cpu's run queue.  Other cpus
537  * that wish to manipulate our queue must use the cpu_*msg() calls to
538  * talk to our cpu, so a critical section is all that is needed and
539  * the result is very, very fast thread switching.
540  *
541  * The LWKT scheduler uses a fixed priority model and round-robins at
542  * each priority level.  User process scheduling is a totally
543  * different beast and LWKT priorities should not be confused with
544  * user process priorities.
545  *
546  * PREEMPTION NOTE: Preemption occurs via lwkt_preempt().  lwkt_switch()
547  * is not called by the current thread in the preemption case, only when
548  * the preempting thread blocks (in order to return to the original thread).
549  *
550  * SPECIAL NOTE ON SWITCH ATOMICY: Certain operations such as thread
551  * migration and tsleep deschedule the current lwkt thread and call
552  * lwkt_switch().  In particular, the target cpu of the migration fully
553  * expects the thread to become non-runnable and can deadlock against
554  * cpusync operations if we run any IPIs prior to switching the thread out.
555  *
556  * WE MUST BE VERY CAREFUL NOT TO RUN SPLZ DIRECTLY OR INDIRECTLY IF
557  * THE CURRENT THREAD HAS BEEN DESCHEDULED!
558  */
559 void
560 lwkt_switch(void)
561 {
562     globaldata_t gd = mycpu;
563     thread_t td = gd->gd_curthread;
564     thread_t ntd;
565     thread_t xtd;
566     int upri;
567 #ifdef LOOPMASK
568     uint64_t tsc_base = rdtsc();
569 #endif
570
571     KKASSERT(gd->gd_processing_ipiq == 0);
572     KKASSERT(td->td_flags & TDF_RUNNING);
573
574     /*
575      * Switching from within a 'fast' (non thread switched) interrupt or IPI
576      * is illegal.  However, we may have to do it anyway if we hit a fatal
577      * kernel trap or we have paniced.
578      *
579      * If this case occurs save and restore the interrupt nesting level.
580      */
581     if (gd->gd_intr_nesting_level) {
582         int savegdnest;
583         int savegdtrap;
584
585         if (gd->gd_trap_nesting_level == 0 && panic_cpu_gd != mycpu) {
586             panic("lwkt_switch: Attempt to switch from a "
587                   "fast interrupt, ipi, or hard code section, "
588                   "td %p\n",
589                   td);
590         } else {
591             savegdnest = gd->gd_intr_nesting_level;
592             savegdtrap = gd->gd_trap_nesting_level;
593             gd->gd_intr_nesting_level = 0;
594             gd->gd_trap_nesting_level = 0;
595             if ((td->td_flags & TDF_PANICWARN) == 0) {
596                 td->td_flags |= TDF_PANICWARN;
597                 kprintf("Warning: thread switch from interrupt, IPI, "
598                         "or hard code section.\n"
599                         "thread %p (%s)\n", td, td->td_comm);
600                 print_backtrace(-1);
601             }
602             lwkt_switch();
603             gd->gd_intr_nesting_level = savegdnest;
604             gd->gd_trap_nesting_level = savegdtrap;
605             return;
606         }
607     }
608
609     /*
610      * Release our current user process designation if we are blocking
611      * or if a user reschedule was requested.
612      *
613      * NOTE: This function is NOT called if we are switching into or
614      *       returning from a preemption.
615      *
616      * NOTE: Releasing our current user process designation may cause
617      *       it to be assigned to another thread, which in turn will
618      *       cause us to block in the usched acquire code when we attempt
619      *       to return to userland.
620      *
621      * NOTE: On SMP systems this can be very nasty when heavy token
622      *       contention is present so we want to be careful not to
623      *       release the designation gratuitously.
624      */
625     if (td->td_release &&
626         (user_resched_wanted() || (td->td_flags & TDF_RUNQ) == 0)) {
627             td->td_release(td);
628     }
629
630     /*
631      * Release all tokens.  Once we do this we must remain in the critical
632      * section and cannot run IPIs or other interrupts until we switch away
633      * because they may implode if they try to get a token using our thread
634      * context.
635      */
636     crit_enter_gd(gd);
637     if (TD_TOKS_HELD(td))
638             lwkt_relalltokens(td);
639
640     /*
641      * We had better not be holding any spin locks, but don't get into an
642      * endless panic loop.
643      */
644     KASSERT(gd->gd_spinlocks == 0 || panicstr != NULL,
645             ("lwkt_switch: still holding %d exclusive spinlocks!",
646              gd->gd_spinlocks));
647
648 #ifdef  INVARIANTS
649     if (td->td_cscount) {
650         kprintf("Diagnostic: attempt to switch while mastering cpusync: %p\n",
651                 td);
652         if (panic_on_cscount)
653             panic("switching while mastering cpusync");
654     }
655 #endif
656
657     /*
658      * If we had preempted another thread on this cpu, resume the preempted
659      * thread.  This occurs transparently, whether the preempted thread
660      * was scheduled or not (it may have been preempted after descheduling
661      * itself).
662      *
663      * We have to setup the MP lock for the original thread after backing
664      * out the adjustment that was made to curthread when the original
665      * was preempted.
666      */
667     if ((ntd = td->td_preempted) != NULL) {
668         KKASSERT(ntd->td_flags & TDF_PREEMPT_LOCK);
669         ntd->td_flags |= TDF_PREEMPT_DONE;
670         ntd->td_contended = 0;          /* reset contended */
671
672         /*
673          * The interrupt may have woken a thread up, we need to properly
674          * set the reschedule flag if the originally interrupted thread is
675          * at a lower priority.
676          *
677          * NOTE: The interrupt may not have descheduled ntd.
678          *
679          * NOTE: We do not reschedule if there are no threads on the runq.
680          *       (ntd could be the idlethread).
681          */
682         xtd = TAILQ_FIRST(&gd->gd_tdrunq);
683         if (xtd && xtd != ntd)
684             need_lwkt_resched();
685         goto havethread_preempted;
686     }
687
688     /*
689      * Figure out switch target.  If we cannot switch to our desired target
690      * look for a thread that we can switch to.
691      *
692      * NOTE! The limited spin loop and related parameters are extremely
693      *       important for system performance, particularly for pipes and
694      *       concurrent conflicting VM faults.
695      */
696     clear_lwkt_resched();
697     ntd = TAILQ_FIRST(&gd->gd_tdrunq);
698
699     if (ntd) {
700         do {
701             if (TD_TOKS_NOT_HELD(ntd) ||
702                 lwkt_getalltokens(ntd, (ntd->td_contended > lwkt_spin_loops)))
703             {
704                 goto havethread;
705             }
706             ++ntd->td_contended;        /* overflow ok */
707             if (gd->gd_indefinite.type == 0)
708                 indefinite_init(&gd->gd_indefinite, NULL, 0, 't');
709 #ifdef LOOPMASK
710             if (tsc_frequency && rdtsc() - tsc_base > tsc_frequency) {
711                     kprintf("lwkt_switch: excessive contended %d "
712                             "thread %p\n", ntd->td_contended, ntd);
713                     tsc_base = rdtsc();
714             }
715 #endif
716         } while (ntd->td_contended < (lwkt_spin_loops >> 1));
717         upri = ntd->td_upri;
718
719         /*
720          * Bleh, the thread we wanted to switch to has a contended token.
721          * See if we can switch to another thread.
722          *
723          * We generally don't want to do this because it represents a
724          * priority inversion.  Do not allow the case if the thread
725          * is returning to userland (not a kernel thread) AND the thread
726          * has a lower upri.
727          */
728         while ((ntd = TAILQ_NEXT(ntd, td_threadq)) != NULL) {
729             if (ntd->td_pri < TDPRI_KERN_LPSCHED && upri > ntd->td_upri)
730                 break;
731             upri = ntd->td_upri;
732
733             /*
734              * Try this one.
735              */
736             if (TD_TOKS_NOT_HELD(ntd) ||
737                 lwkt_getalltokens(ntd, (ntd->td_contended > lwkt_spin_loops))) {
738                     goto havethread;
739             }
740             ++ntd->td_contended;        /* overflow ok */
741         }
742
743         /*
744          * Fall through, switch to idle thread to get us out of the current
745          * context.  Since we were contended, prevent HLT by flagging a
746          * LWKT reschedule.
747          */
748         need_lwkt_resched();
749     }
750
751     /*
752      * We either contended on ntd or the runq is empty.  We must switch
753      * through the idle thread to get out of the current context.
754      */
755     ntd = &gd->gd_idlethread;
756     if (gd->gd_trap_nesting_level == 0 && panicstr == NULL)
757         ASSERT_NO_TOKENS_HELD(ntd);
758     cpu_time.cp_msg[0] = 0;
759     goto haveidle;
760
761 havethread:
762     /*
763      * Clear gd_idle_repeat when doing a normal switch to a non-idle
764      * thread.
765      */
766     ntd->td_wmesg = NULL;
767     ntd->td_contended = 0;      /* reset once scheduled */
768     ++gd->gd_cnt.v_swtch;
769     gd->gd_idle_repeat = 0;
770
771     /*
772      * If we were busy waiting record final disposition
773      */
774     if (gd->gd_indefinite.type)
775             indefinite_done(&gd->gd_indefinite);
776
777 havethread_preempted:
778     /*
779      * If the new target does not need the MP lock and we are holding it,
780      * release the MP lock.  If the new target requires the MP lock we have
781      * already acquired it for the target.
782      */
783     ;
784 haveidle:
785     KASSERT(ntd->td_critcount,
786             ("priority problem in lwkt_switch %d %d",
787             td->td_critcount, ntd->td_critcount));
788
789     if (td != ntd) {
790         /*
791          * Execute the actual thread switch operation.  This function
792          * returns to the current thread and returns the previous thread
793          * (which may be different from the thread we switched to).
794          *
795          * We are responsible for marking ntd as TDF_RUNNING.
796          */
797         KKASSERT((ntd->td_flags & TDF_RUNNING) == 0);
798         ++switch_count;
799         KTR_LOG(ctxsw_sw, gd->gd_cpuid, ntd);
800         ntd->td_flags |= TDF_RUNNING;
801         lwkt_switch_return(td->td_switch(ntd));
802         /* ntd invalid, td_switch() can return a different thread_t */
803     }
804
805     /*
806      * catch-all.  XXX is this strictly needed?
807      */
808     splz_check();
809
810     /* NOTE: current cpu may have changed after switch */
811     crit_exit_quick(td);
812 }
813
814 /*
815  * Called by assembly in the td_switch (thread restore path) for thread
816  * bootstrap cases which do not 'return' to lwkt_switch().
817  */
818 void
819 lwkt_switch_return(thread_t otd)
820 {
821         globaldata_t rgd;
822 #ifdef LOOPMASK
823         uint64_t tsc_base = rdtsc();
824 #endif
825         int exiting;
826
827         exiting = otd->td_flags & TDF_EXITING;
828         cpu_ccfence();
829
830         /*
831          * Check if otd was migrating.  Now that we are on ntd we can finish
832          * up the migration.  This is a bit messy but it is the only place
833          * where td is known to be fully descheduled.
834          *
835          * We can only activate the migration if otd was migrating but not
836          * held on the cpu due to a preemption chain.  We still have to
837          * clear TDF_RUNNING on the old thread either way.
838          *
839          * We are responsible for clearing the previously running thread's
840          * TDF_RUNNING.
841          */
842         if ((rgd = otd->td_migrate_gd) != NULL &&
843             (otd->td_flags & TDF_PREEMPT_LOCK) == 0) {
844                 KKASSERT((otd->td_flags & (TDF_MIGRATING | TDF_RUNNING)) ==
845                          (TDF_MIGRATING | TDF_RUNNING));
846                 otd->td_migrate_gd = NULL;
847                 otd->td_flags &= ~TDF_RUNNING;
848                 lwkt_send_ipiq(rgd, lwkt_setcpu_remote, otd);
849         } else {
850                 otd->td_flags &= ~TDF_RUNNING;
851         }
852
853         /*
854          * Final exit validations (see lwp_wait()).  Note that otd becomes
855          * invalid the *instant* we set TDF_MP_EXITSIG.
856          *
857          * Use the EXITING status loaded from before we clear TDF_RUNNING,
858          * because if it is not set otd becomes invalid the instant we clear
859          * TDF_RUNNING on it (otherwise, if the system is fast enough, we
860          * might 'steal' TDF_EXITING from another switch-return!).
861          */
862         while (exiting) {
863                 u_int mpflags;
864
865                 mpflags = otd->td_mpflags;
866                 cpu_ccfence();
867
868                 if (mpflags & TDF_MP_EXITWAIT) {
869                         if (atomic_cmpset_int(&otd->td_mpflags, mpflags,
870                                               mpflags | TDF_MP_EXITSIG)) {
871                                 wakeup(otd);
872                                 break;
873                         }
874                 } else {
875                         if (atomic_cmpset_int(&otd->td_mpflags, mpflags,
876                                               mpflags | TDF_MP_EXITSIG)) {
877                                 wakeup(otd);
878                                 break;
879                         }
880                 }
881
882 #ifdef LOOPMASK
883                 if (tsc_frequency && rdtsc() - tsc_base > tsc_frequency) {
884                         kprintf("lwkt_switch_return: excessive TDF_EXITING "
885                                 "thread %p\n", otd);
886                         tsc_base = rdtsc();
887                 }
888 #endif
889         }
890 }
891
892 /*
893  * Request that the target thread preempt the current thread.  Preemption
894  * can only occur only:
895  *
896  *      - If our critical section is the one that we were called with
897  *      - The relative priority of the target thread is higher
898  *      - The target is not excessively interrupt-nested via td_nest_count
899  *      - The target thread holds no tokens.
900  *      - The target thread is not already scheduled and belongs to the
901  *        current cpu.
902  *      - The current thread is not holding any spin-locks.
903  *
904  * THE CALLER OF LWKT_PREEMPT() MUST BE IN A CRITICAL SECTION.  Typically
905  * this is called via lwkt_schedule() through the td_preemptable callback.
906  * critcount is the managed critical priority that we should ignore in order
907  * to determine whether preemption is possible (aka usually just the crit
908  * priority of lwkt_schedule() itself).
909  *
910  * Preemption is typically limited to interrupt threads.
911  *
912  * Operation works in a fairly straight-forward manner.  The normal
913  * scheduling code is bypassed and we switch directly to the target
914  * thread.  When the target thread attempts to block or switch away
915  * code at the base of lwkt_switch() will switch directly back to our
916  * thread.  Our thread is able to retain whatever tokens it holds and
917  * if the target needs one of them the target will switch back to us
918  * and reschedule itself normally.
919  */
920 void
921 lwkt_preempt(thread_t ntd, int critcount)
922 {
923     struct globaldata *gd = mycpu;
924     thread_t xtd;
925     thread_t td;
926     int save_gd_intr_nesting_level;
927
928     /*
929      * The caller has put us in a critical section.  We can only preempt
930      * if the caller of the caller was not in a critical section (basically
931      * a local interrupt), as determined by the 'critcount' parameter.  We
932      * also can't preempt if the caller is holding any spinlocks (even if
933      * he isn't in a critical section).  This also handles the tokens test.
934      *
935      * YYY The target thread must be in a critical section (else it must
936      * inherit our critical section?  I dunno yet).
937      */
938     KASSERT(ntd->td_critcount, ("BADCRIT0 %d", ntd->td_pri));
939
940     td = gd->gd_curthread;
941     if (preempt_enable == 0) {
942         ++preempt_miss;
943         return;
944     }
945     if (ntd->td_pri <= td->td_pri) {
946         ++preempt_miss;
947         return;
948     }
949     if (td->td_critcount > critcount) {
950         ++preempt_miss;
951         return;
952     }
953     if (td->td_nest_count >= 2) {
954         ++preempt_miss;
955         return;
956     }
957     if (td->td_cscount) {
958         ++preempt_miss;
959         return;
960     }
961     if (ntd->td_gd != gd) {
962         ++preempt_miss;
963         return;
964     }
965
966     /*
967      * We don't have to check spinlocks here as they will also bump
968      * td_critcount.
969      *
970      * Do not try to preempt if the target thread is holding any tokens.
971      * We could try to acquire the tokens but this case is so rare there
972      * is no need to support it.
973      */
974     KKASSERT(gd->gd_spinlocks == 0);
975
976     if (TD_TOKS_HELD(ntd)) {
977         ++preempt_miss;
978         return;
979     }
980     if (td == ntd || ((td->td_flags | ntd->td_flags) & TDF_PREEMPT_LOCK)) {
981         ++preempt_weird;
982         return;
983     }
984     if (ntd->td_preempted) {
985         ++preempt_hit;
986         return;
987     }
988     KKASSERT(gd->gd_processing_ipiq == 0);
989
990     /*
991      * Since we are able to preempt the current thread, there is no need to
992      * call need_lwkt_resched().
993      *
994      * We must temporarily clear gd_intr_nesting_level around the switch
995      * since switchouts from the target thread are allowed (they will just
996      * return to our thread), and since the target thread has its own stack.
997      *
998      * A preemption must switch back to the original thread, assert the
999      * case.
1000      */
1001     ++preempt_hit;
1002     ntd->td_preempted = td;
1003     td->td_flags |= TDF_PREEMPT_LOCK;
1004     KTR_LOG(ctxsw_pre, gd->gd_cpuid, ntd);
1005     save_gd_intr_nesting_level = gd->gd_intr_nesting_level;
1006     gd->gd_intr_nesting_level = 0;
1007
1008     KKASSERT((ntd->td_flags & TDF_RUNNING) == 0);
1009     ntd->td_flags |= TDF_RUNNING;
1010     xtd = td->td_switch(ntd);
1011     KKASSERT(xtd == ntd);
1012     lwkt_switch_return(xtd);
1013     gd->gd_intr_nesting_level = save_gd_intr_nesting_level;
1014
1015     KKASSERT(ntd->td_preempted && (td->td_flags & TDF_PREEMPT_DONE));
1016     ntd->td_preempted = NULL;
1017     td->td_flags &= ~(TDF_PREEMPT_LOCK|TDF_PREEMPT_DONE);
1018 }
1019
1020 /*
1021  * Conditionally call splz() if gd_reqflags indicates work is pending.
1022  * This will work inside a critical section but not inside a hard code
1023  * section.
1024  *
1025  * (self contained on a per cpu basis)
1026  */
1027 void
1028 splz_check(void)
1029 {
1030     globaldata_t gd = mycpu;
1031     thread_t td = gd->gd_curthread;
1032
1033     if ((gd->gd_reqflags & RQF_IDLECHECK_MASK) &&
1034         gd->gd_intr_nesting_level == 0 &&
1035         td->td_nest_count < 2)
1036     {
1037         splz();
1038     }
1039 }
1040
1041 /*
1042  * This version is integrated into crit_exit, reqflags has already
1043  * been tested but td_critcount has not.
1044  *
1045  * We only want to execute the splz() on the 1->0 transition of
1046  * critcount and not in a hard code section or if too deeply nested.
1047  *
1048  * NOTE: gd->gd_spinlocks is implied to be 0 when td_critcount is 0.
1049  */
1050 void
1051 lwkt_maybe_splz(thread_t td)
1052 {
1053     globaldata_t gd = td->td_gd;
1054
1055     if (td->td_critcount == 0 &&
1056         gd->gd_intr_nesting_level == 0 &&
1057         td->td_nest_count < 2)
1058     {
1059         splz();
1060     }
1061 }
1062
1063 /*
1064  * Drivers which set up processing co-threads can call this function to
1065  * run the co-thread at a higher priority and to allow it to preempt
1066  * normal threads.
1067  */
1068 void
1069 lwkt_set_interrupt_support_thread(void)
1070 {
1071         thread_t td = curthread;
1072
1073         lwkt_setpri_self(TDPRI_INT_SUPPORT);
1074         td->td_flags |= TDF_INTTHREAD;
1075         td->td_preemptable = lwkt_preempt;
1076 }
1077
1078
1079 /*
1080  * This function is used to negotiate a passive release of the current
1081  * process/lwp designation with the user scheduler, allowing the user
1082  * scheduler to schedule another user thread.  The related kernel thread
1083  * (curthread) continues running in the released state.
1084  */
1085 void
1086 lwkt_passive_release(struct thread *td)
1087 {
1088     struct lwp *lp = td->td_lwp;
1089
1090     td->td_release = NULL;
1091     lwkt_setpri_self(TDPRI_KERN_USER);
1092
1093     lp->lwp_proc->p_usched->release_curproc(lp);
1094 }
1095
1096
1097 /*
1098  * This implements a LWKT yield, allowing a kernel thread to yield to other
1099  * kernel threads at the same or higher priority.  This function can be
1100  * called in a tight loop and will typically only yield once per tick.
1101  *
1102  * Most kernel threads run at the same priority in order to allow equal
1103  * sharing.
1104  *
1105  * (self contained on a per cpu basis)
1106  */
1107 void
1108 lwkt_yield(void)
1109 {
1110     globaldata_t gd = mycpu;
1111     thread_t td = gd->gd_curthread;
1112
1113     /*
1114      * Should never be called with spinlocks held but there is a path
1115      * via ACPI where it might happen.
1116      */
1117     if (gd->gd_spinlocks)
1118         return;
1119
1120     /*
1121      * Safe to call splz if we are not too-heavily nested.
1122      */
1123     if ((gd->gd_reqflags & RQF_IDLECHECK_MASK) && td->td_nest_count < 2)
1124         splz();
1125
1126     /*
1127      * Caller allows switching
1128      */
1129     if (lwkt_resched_wanted()) {
1130         lwkt_schedule_self(curthread);
1131         lwkt_switch();
1132     }
1133 }
1134
1135 /*
1136  * The quick version processes pending interrupts and higher-priority
1137  * LWKT threads but will not round-robin same-priority LWKT threads.
1138  *
1139  * When called while attempting to return to userland the only same-pri
1140  * threads are the ones which have already tried to become the current
1141  * user process.
1142  */
1143 void
1144 lwkt_yield_quick(void)
1145 {
1146     globaldata_t gd = mycpu;
1147     thread_t td = gd->gd_curthread;
1148
1149     if ((gd->gd_reqflags & RQF_IDLECHECK_MASK) && td->td_nest_count < 2)
1150         splz();
1151     if (lwkt_resched_wanted()) {
1152         crit_enter();
1153         if (TAILQ_FIRST(&gd->gd_tdrunq) == td) {
1154             clear_lwkt_resched();
1155         } else {
1156             lwkt_schedule_self(curthread);
1157             lwkt_switch();
1158         }
1159         crit_exit();
1160     }
1161 }
1162
1163 /*
1164  * This yield is designed for kernel threads with a user context.
1165  *
1166  * The kernel acting on behalf of the user is potentially cpu-bound,
1167  * this function will efficiently allow other threads to run and also
1168  * switch to other processes by releasing.
1169  *
1170  * The lwkt_user_yield() function is designed to have very low overhead
1171  * if no yield is determined to be needed.
1172  */
1173 void
1174 lwkt_user_yield(void)
1175 {
1176     globaldata_t gd = mycpu;
1177     thread_t td = gd->gd_curthread;
1178
1179     /*
1180      * Should never be called with spinlocks held but there is a path
1181      * via ACPI where it might happen.
1182      */
1183     if (gd->gd_spinlocks)
1184         return;
1185
1186     /*
1187      * Always run any pending interrupts in case we are in a critical
1188      * section.
1189      */
1190     if ((gd->gd_reqflags & RQF_IDLECHECK_MASK) && td->td_nest_count < 2)
1191         splz();
1192
1193     /*
1194      * Switch (which forces a release) if another kernel thread needs
1195      * the cpu, if userland wants us to resched, or if our kernel
1196      * quantum has run out.
1197      */
1198     if (lwkt_resched_wanted() ||
1199         user_resched_wanted())
1200     {
1201         lwkt_switch();
1202     }
1203
1204 #if 0
1205     /*
1206      * Reacquire the current process if we are released.
1207      *
1208      * XXX not implemented atm.  The kernel may be holding locks and such,
1209      *     so we want the thread to continue to receive cpu.
1210      */
1211     if (td->td_release == NULL && lp) {
1212         lp->lwp_proc->p_usched->acquire_curproc(lp);
1213         td->td_release = lwkt_passive_release;
1214         lwkt_setpri_self(TDPRI_USER_NORM);
1215     }
1216 #endif
1217 }
1218
1219 /*
1220  * Generic schedule.  Possibly schedule threads belonging to other cpus and
1221  * deal with threads that might be blocked on a wait queue.
1222  *
1223  * We have a little helper inline function which does additional work after
1224  * the thread has been enqueued, including dealing with preemption and
1225  * setting need_lwkt_resched() (which prevents the kernel from returning
1226  * to userland until it has processed higher priority threads).
1227  *
1228  * It is possible for this routine to be called after a failed _enqueue
1229  * (due to the target thread migrating, sleeping, or otherwise blocked).
1230  * We have to check that the thread is actually on the run queue!
1231  */
1232 static __inline
1233 void
1234 _lwkt_schedule_post(globaldata_t gd, thread_t ntd, int ccount)
1235 {
1236     if (ntd->td_flags & TDF_RUNQ) {
1237         if (ntd->td_preemptable) {
1238             ntd->td_preemptable(ntd, ccount);   /* YYY +token */
1239         }
1240     }
1241 }
1242
1243 static __inline
1244 void
1245 _lwkt_schedule(thread_t td)
1246 {
1247     globaldata_t mygd = mycpu;
1248
1249     KASSERT(td != &td->td_gd->gd_idlethread,
1250             ("lwkt_schedule(): scheduling gd_idlethread is illegal!"));
1251     KKASSERT((td->td_flags & TDF_MIGRATING) == 0);
1252     crit_enter_gd(mygd);
1253     KKASSERT(td->td_lwp == NULL ||
1254              (td->td_lwp->lwp_mpflags & LWP_MP_ONRUNQ) == 0);
1255
1256     if (td == mygd->gd_curthread) {
1257         _lwkt_enqueue(td);
1258     } else {
1259         /*
1260          * If we own the thread, there is no race (since we are in a
1261          * critical section).  If we do not own the thread there might
1262          * be a race but the target cpu will deal with it.
1263          */
1264         if (td->td_gd == mygd) {
1265             _lwkt_enqueue(td);
1266             _lwkt_schedule_post(mygd, td, 1);
1267         } else {
1268             lwkt_send_ipiq3(td->td_gd, lwkt_schedule_remote, td, 0);
1269         }
1270     }
1271     crit_exit_gd(mygd);
1272 }
1273
1274 void
1275 lwkt_schedule(thread_t td)
1276 {
1277     _lwkt_schedule(td);
1278 }
1279
1280 void
1281 lwkt_schedule_noresched(thread_t td)    /* XXX not impl */
1282 {
1283     _lwkt_schedule(td);
1284 }
1285
1286 /*
1287  * When scheduled remotely if frame != NULL the IPIQ is being
1288  * run via doreti or an interrupt then preemption can be allowed.
1289  *
1290  * To allow preemption we have to drop the critical section so only
1291  * one is present in _lwkt_schedule_post.
1292  */
1293 static void
1294 lwkt_schedule_remote(void *arg, int arg2, struct intrframe *frame)
1295 {
1296     thread_t td = curthread;
1297     thread_t ntd = arg;
1298
1299     if (frame && ntd->td_preemptable) {
1300         crit_exit_noyield(td);
1301         _lwkt_schedule(ntd);
1302         crit_enter_quick(td);
1303     } else {
1304         _lwkt_schedule(ntd);
1305     }
1306 }
1307
1308 /*
1309  * Thread migration using a 'Pull' method.  The thread may or may not be
1310  * the current thread.  It MUST be descheduled and in a stable state.
1311  * lwkt_giveaway() must be called on the cpu owning the thread.
1312  *
1313  * At any point after lwkt_giveaway() is called, the target cpu may
1314  * 'pull' the thread by calling lwkt_acquire().
1315  *
1316  * We have to make sure the thread is not sitting on a per-cpu tsleep
1317  * queue or it will blow up when it moves to another cpu.
1318  *
1319  * MPSAFE - must be called under very specific conditions.
1320  */
1321 void
1322 lwkt_giveaway(thread_t td)
1323 {
1324     globaldata_t gd = mycpu;
1325
1326     crit_enter_gd(gd);
1327     if (td->td_flags & TDF_TSLEEPQ)
1328         tsleep_remove(td);
1329     KKASSERT(td->td_gd == gd);
1330     TAILQ_REMOVE(&gd->gd_tdallq, td, td_allq);
1331     td->td_flags |= TDF_MIGRATING;
1332     crit_exit_gd(gd);
1333 }
1334
1335 void
1336 lwkt_acquire(thread_t td)
1337 {
1338     globaldata_t gd;
1339     globaldata_t mygd;
1340
1341     KKASSERT(td->td_flags & TDF_MIGRATING);
1342     gd = td->td_gd;
1343     mygd = mycpu;
1344     if (gd != mycpu) {
1345 #ifdef LOOPMASK
1346         uint64_t tsc_base = rdtsc();
1347 #endif
1348         cpu_lfence();
1349         KKASSERT((td->td_flags & TDF_RUNQ) == 0);
1350         crit_enter_gd(mygd);
1351         DEBUG_PUSH_INFO("lwkt_acquire");
1352         while (td->td_flags & (TDF_RUNNING|TDF_PREEMPT_LOCK)) {
1353             lwkt_process_ipiq();
1354             cpu_lfence();
1355 #ifdef _KERNEL_VIRTUAL
1356             pthread_yield();
1357 #endif
1358 #ifdef LOOPMASK
1359             if (tsc_frequency && rdtsc() - tsc_base > tsc_frequency) {
1360                     kprintf("lwkt_acquire: stuck td %p td->td_flags %08x\n",
1361                             td, td->td_flags);
1362                     tsc_base = rdtsc();
1363             }
1364 #endif
1365         }
1366         DEBUG_POP_INFO();
1367         cpu_mfence();
1368         td->td_gd = mygd;
1369         TAILQ_INSERT_TAIL(&mygd->gd_tdallq, td, td_allq);
1370         td->td_flags &= ~TDF_MIGRATING;
1371         crit_exit_gd(mygd);
1372     } else {
1373         crit_enter_gd(mygd);
1374         TAILQ_INSERT_TAIL(&mygd->gd_tdallq, td, td_allq);
1375         td->td_flags &= ~TDF_MIGRATING;
1376         crit_exit_gd(mygd);
1377     }
1378 }
1379
1380 /*
1381  * Generic deschedule.  Descheduling threads other then your own should be
1382  * done only in carefully controlled circumstances.  Descheduling is 
1383  * asynchronous.  
1384  *
1385  * This function may block if the cpu has run out of messages.
1386  */
1387 void
1388 lwkt_deschedule(thread_t td)
1389 {
1390     crit_enter();
1391     if (td == curthread) {
1392         _lwkt_dequeue(td);
1393     } else {
1394         if (td->td_gd == mycpu) {
1395             _lwkt_dequeue(td);
1396         } else {
1397             lwkt_send_ipiq(td->td_gd, (ipifunc1_t)lwkt_deschedule, td);
1398         }
1399     }
1400     crit_exit();
1401 }
1402
1403 /*
1404  * Set the target thread's priority.  This routine does not automatically
1405  * switch to a higher priority thread, LWKT threads are not designed for
1406  * continuous priority changes.  Yield if you want to switch.
1407  */
1408 void
1409 lwkt_setpri(thread_t td, int pri)
1410 {
1411     if (td->td_pri != pri) {
1412         KKASSERT(pri >= 0);
1413         crit_enter();
1414         if (td->td_flags & TDF_RUNQ) {
1415             KKASSERT(td->td_gd == mycpu);
1416             _lwkt_dequeue(td);
1417             td->td_pri = pri;
1418             _lwkt_enqueue(td);
1419         } else {
1420             td->td_pri = pri;
1421         }
1422         crit_exit();
1423     }
1424 }
1425
1426 /*
1427  * Set the initial priority for a thread prior to it being scheduled for
1428  * the first time.  The thread MUST NOT be scheduled before or during
1429  * this call.  The thread may be assigned to a cpu other then the current
1430  * cpu.
1431  *
1432  * Typically used after a thread has been created with TDF_STOPPREQ,
1433  * and before the thread is initially scheduled.
1434  */
1435 void
1436 lwkt_setpri_initial(thread_t td, int pri)
1437 {
1438     KKASSERT(pri >= 0);
1439     KKASSERT((td->td_flags & TDF_RUNQ) == 0);
1440     td->td_pri = pri;
1441 }
1442
1443 void
1444 lwkt_setpri_self(int pri)
1445 {
1446     thread_t td = curthread;
1447
1448     KKASSERT(pri >= 0 && pri <= TDPRI_MAX);
1449     crit_enter();
1450     if (td->td_flags & TDF_RUNQ) {
1451         _lwkt_dequeue(td);
1452         td->td_pri = pri;
1453         _lwkt_enqueue(td);
1454     } else {
1455         td->td_pri = pri;
1456     }
1457     crit_exit();
1458 }
1459
1460 /*
1461  * hz tick scheduler clock for LWKT threads
1462  */
1463 void
1464 lwkt_schedulerclock(thread_t td)
1465 {
1466     globaldata_t gd = td->td_gd;
1467     thread_t xtd;
1468
1469     xtd = TAILQ_FIRST(&gd->gd_tdrunq);
1470     if (xtd == td) {
1471         /*
1472          * If the current thread is at the head of the runq shift it to the
1473          * end of any equal-priority threads and request a LWKT reschedule
1474          * if it moved.
1475          *
1476          * Ignore upri in this situation.  There will only be one user thread
1477          * in user mode, all others will be user threads running in kernel
1478          * mode and we have to make sure they get some cpu.
1479          */
1480         xtd = TAILQ_NEXT(td, td_threadq);
1481         if (xtd && xtd->td_pri == td->td_pri) {
1482             TAILQ_REMOVE(&gd->gd_tdrunq, td, td_threadq);
1483             while (xtd && xtd->td_pri == td->td_pri)
1484                 xtd = TAILQ_NEXT(xtd, td_threadq);
1485             if (xtd)
1486                 TAILQ_INSERT_BEFORE(xtd, td, td_threadq);
1487             else
1488                 TAILQ_INSERT_TAIL(&gd->gd_tdrunq, td, td_threadq);
1489             need_lwkt_resched();
1490         }
1491     } else if (xtd) {
1492         /*
1493          * If we scheduled a thread other than the one at the head of the
1494          * queue always request a reschedule every tick.
1495          */
1496         need_lwkt_resched();
1497     }
1498     /* else curthread probably the idle thread, no need to reschedule */
1499 }
1500
1501 /*
1502  * Migrate the current thread to the specified cpu. 
1503  *
1504  * This is accomplished by descheduling ourselves from the current cpu
1505  * and setting td_migrate_gd.  The lwkt_switch() code will detect that the
1506  * 'old' thread wants to migrate after it has been completely switched out
1507  * and will complete the migration.
1508  *
1509  * TDF_MIGRATING prevents scheduling races while the thread is being migrated.
1510  *
1511  * We must be sure to release our current process designation (if a user
1512  * process) before clearing out any tsleepq we are on because the release
1513  * code may re-add us.
1514  *
1515  * We must be sure to remove ourselves from the current cpu's tsleepq
1516  * before potentially moving to another queue.  The thread can be on
1517  * a tsleepq due to a left-over tsleep_interlock().
1518  */
1519
1520 void
1521 lwkt_setcpu_self(globaldata_t rgd)
1522 {
1523     thread_t td = curthread;
1524
1525     if (td->td_gd != rgd) {
1526         crit_enter_quick(td);
1527
1528         if (td->td_release)
1529             td->td_release(td);
1530         if (td->td_flags & TDF_TSLEEPQ)
1531             tsleep_remove(td);
1532
1533         /*
1534          * Set TDF_MIGRATING to prevent a spurious reschedule while we are
1535          * trying to deschedule ourselves and switch away, then deschedule
1536          * ourself, remove us from tdallq, and set td_migrate_gd.  Finally,
1537          * call lwkt_switch() to complete the operation.
1538          */
1539         td->td_flags |= TDF_MIGRATING;
1540         lwkt_deschedule_self(td);
1541         TAILQ_REMOVE(&td->td_gd->gd_tdallq, td, td_allq);
1542         td->td_migrate_gd = rgd;
1543         lwkt_switch();
1544
1545         /*
1546          * We are now on the target cpu
1547          */
1548         KKASSERT(rgd == mycpu);
1549         TAILQ_INSERT_TAIL(&rgd->gd_tdallq, td, td_allq);
1550         crit_exit_quick(td);
1551     }
1552 }
1553
1554 void
1555 lwkt_migratecpu(int cpuid)
1556 {
1557         globaldata_t rgd;
1558
1559         rgd = globaldata_find(cpuid);
1560         lwkt_setcpu_self(rgd);
1561 }
1562
1563 /*
1564  * Remote IPI for cpu migration (called while in a critical section so we
1565  * do not have to enter another one).
1566  *
1567  * The thread (td) has already been completely descheduled from the
1568  * originating cpu and we can simply assert the case.  The thread is
1569  * assigned to the new cpu and enqueued.
1570  *
1571  * The thread will re-add itself to tdallq when it resumes execution.
1572  */
1573 static void
1574 lwkt_setcpu_remote(void *arg)
1575 {
1576     thread_t td = arg;
1577     globaldata_t gd = mycpu;
1578
1579     KKASSERT((td->td_flags & (TDF_RUNNING|TDF_PREEMPT_LOCK)) == 0);
1580     td->td_gd = gd;
1581     cpu_mfence();
1582     td->td_flags &= ~TDF_MIGRATING;
1583     KKASSERT(td->td_migrate_gd == NULL);
1584     KKASSERT(td->td_lwp == NULL ||
1585             (td->td_lwp->lwp_mpflags & LWP_MP_ONRUNQ) == 0);
1586     _lwkt_enqueue(td);
1587 }
1588
1589 struct lwp *
1590 lwkt_preempted_proc(void)
1591 {
1592     thread_t td = curthread;
1593     while (td->td_preempted)
1594         td = td->td_preempted;
1595     return(td->td_lwp);
1596 }
1597
1598 /*
1599  * Create a kernel process/thread/whatever.  It shares it's address space
1600  * with proc0 - ie: kernel only.
1601  *
1602  * If the cpu is not specified one will be selected.  In the future
1603  * specifying a cpu of -1 will enable kernel thread migration between
1604  * cpus.
1605  */
1606 int
1607 lwkt_create(void (*func)(void *), void *arg, struct thread **tdp,
1608             thread_t template, int tdflags, int cpu, const char *fmt, ...)
1609 {
1610     thread_t td;
1611     __va_list ap;
1612
1613     td = lwkt_alloc_thread(template, LWKT_THREAD_STACK, cpu,
1614                            tdflags);
1615     if (tdp)
1616         *tdp = td;
1617     cpu_set_thread_handler(td, lwkt_exit, func, arg);
1618
1619     /*
1620      * Set up arg0 for 'ps' etc
1621      */
1622     __va_start(ap, fmt);
1623     kvsnprintf(td->td_comm, sizeof(td->td_comm), fmt, ap);
1624     __va_end(ap);
1625
1626     /*
1627      * Schedule the thread to run
1628      */
1629     if (td->td_flags & TDF_NOSTART)
1630         td->td_flags &= ~TDF_NOSTART;
1631     else
1632         lwkt_schedule(td);
1633     return 0;
1634 }
1635
1636 /*
1637  * Destroy an LWKT thread.   Warning!  This function is not called when
1638  * a process exits, cpu_proc_exit() directly calls cpu_thread_exit() and
1639  * uses a different reaping mechanism.
1640  */
1641 void
1642 lwkt_exit(void)
1643 {
1644     thread_t td = curthread;
1645     thread_t std;
1646     globaldata_t gd;
1647
1648     /*
1649      * Do any cleanup that might block here
1650      */
1651     if (td->td_flags & TDF_VERBOSE)
1652         kprintf("kthread %p %s has exited\n", td, td->td_comm);
1653     biosched_done(td);
1654     dsched_exit_thread(td);
1655
1656     /*
1657      * Get us into a critical section to interlock gd_freetd and loop
1658      * until we can get it freed.
1659      *
1660      * We have to cache the current td in gd_freetd because objcache_put()ing
1661      * it would rip it out from under us while our thread is still active.
1662      *
1663      * We are the current thread so of course our own TDF_RUNNING bit will
1664      * be set, so unlike the lwp reap code we don't wait for it to clear.
1665      */
1666     gd = mycpu;
1667     crit_enter_quick(td);
1668     for (;;) {
1669         if (td->td_refs) {
1670             tsleep(td, 0, "tdreap", 1);
1671             continue;
1672         }
1673         if ((std = gd->gd_freetd) != NULL) {
1674             KKASSERT((std->td_flags & (TDF_RUNNING|TDF_PREEMPT_LOCK)) == 0);
1675             gd->gd_freetd = NULL;
1676             objcache_put(thread_cache, std);
1677             continue;
1678         }
1679         break;
1680     }
1681
1682     /*
1683      * Remove thread resources from kernel lists and deschedule us for
1684      * the last time.  We cannot block after this point or we may end
1685      * up with a stale td on the tsleepq.
1686      *
1687      * None of this may block, the critical section is the only thing
1688      * protecting tdallq and the only thing preventing new lwkt_hold()
1689      * thread refs now.
1690      */
1691     if (td->td_flags & TDF_TSLEEPQ)
1692         tsleep_remove(td);
1693     lwkt_deschedule_self(td);
1694     lwkt_remove_tdallq(td);
1695     KKASSERT(td->td_refs == 0);
1696
1697     /*
1698      * Final cleanup
1699      */
1700     KKASSERT(gd->gd_freetd == NULL);
1701     if (td->td_flags & TDF_ALLOCATED_THREAD)
1702         gd->gd_freetd = td;
1703     cpu_thread_exit();
1704 }
1705
1706 void
1707 lwkt_remove_tdallq(thread_t td)
1708 {
1709     KKASSERT(td->td_gd == mycpu);
1710     TAILQ_REMOVE(&td->td_gd->gd_tdallq, td, td_allq);
1711 }
1712
1713 /*
1714  * Code reduction and branch prediction improvements.  Call/return
1715  * overhead on modern cpus often degenerates into 0 cycles due to
1716  * the cpu's branch prediction hardware and return pc cache.  We
1717  * can take advantage of this by not inlining medium-complexity
1718  * functions and we can also reduce the branch prediction impact
1719  * by collapsing perfectly predictable branches into a single
1720  * procedure instead of duplicating it.
1721  *
1722  * Is any of this noticeable?  Probably not, so I'll take the
1723  * smaller code size.
1724  */
1725 void
1726 crit_exit_wrapper(__DEBUG_CRIT_ARG__)
1727 {
1728     _crit_exit(mycpu __DEBUG_CRIT_PASS_ARG__);
1729 }
1730
1731 void
1732 crit_panic(void)
1733 {
1734     thread_t td = curthread;
1735     int lcrit = td->td_critcount;
1736
1737     td->td_critcount = 0;
1738     cpu_ccfence();
1739     panic("td_critcount is/would-go negative! %p %d", td, lcrit);
1740     /* NOT REACHED */
1741 }
1742
1743 /*
1744  * Called from debugger/panic on cpus which have been stopped.  We must still
1745  * process the IPIQ while stopped.
1746  *
1747  * If we are dumping also try to process any pending interrupts.  This may
1748  * or may not work depending on the state of the cpu at the point it was
1749  * stopped.
1750  */
1751 void
1752 lwkt_smp_stopped(void)
1753 {
1754     globaldata_t gd = mycpu;
1755
1756     if (dumping) {
1757         lwkt_process_ipiq();
1758         --gd->gd_intr_nesting_level;
1759         splz();
1760         ++gd->gd_intr_nesting_level;
1761     } else {
1762         lwkt_process_ipiq();
1763     }
1764     cpu_smp_stopped();
1765 }