f17c44978d283bc4e813ac1a7943696a0a1701dc
[dragonfly.git] / sys / sys / thread.h
1 /*
2  * SYS/THREAD.H
3  *
4  *      Implements the architecture independant portion of the LWKT 
5  *      subsystem.
6  *
7  * Types which must already be defined when this header is included by
8  * userland:    struct md_thread
9  * 
10  * $DragonFly: src/sys/sys/thread.h,v 1.97 2008/09/20 04:31:02 sephe Exp $
11  */
12
13 #ifndef _SYS_THREAD_H_
14 #define _SYS_THREAD_H_
15
16 #ifndef _SYS_STDINT_H_
17 #include <sys/stdint.h>         /* __int types */
18 #endif
19 #ifndef _SYS_PARAM_H_
20 #include <sys/param.h>          /* MAXCOMLEN */
21 #endif
22 #ifndef _SYS_QUEUE_H_
23 #include <sys/queue.h>          /* TAILQ_* macros */
24 #endif
25 #ifndef _SYS_MSGPORT_H_
26 #include <sys/msgport.h>        /* lwkt_port */
27 #endif
28 #ifndef _SYS_TIME_H_
29 #include <sys/time.h>           /* struct timeval */
30 #endif
31 #ifndef _SYS_SPINLOCK_H_
32 #include <sys/spinlock.h>
33 #endif
34 #ifndef _SYS_IOSCHED_H_
35 #include <sys/iosched.h>
36 #endif
37 #ifndef _MACHINE_THREAD_H_
38 #include <machine/thread.h>
39 #endif
40
41 struct globaldata;
42 struct lwp;
43 struct proc;
44 struct thread;
45 struct lwkt_queue;
46 struct lwkt_token;
47 struct lwkt_tokref;
48 struct lwkt_ipiq;
49 struct lwkt_cpu_msg;
50 struct lwkt_cpu_port;
51 struct lwkt_msg;
52 struct lwkt_port;
53 struct lwkt_cpusync;
54 union sysunion;
55
56 typedef struct lwkt_queue       *lwkt_queue_t;
57 typedef struct lwkt_token       *lwkt_token_t;
58 typedef struct lwkt_tokref      *lwkt_tokref_t;
59 typedef struct lwkt_cpu_msg     *lwkt_cpu_msg_t;
60 typedef struct lwkt_cpu_port    *lwkt_cpu_port_t;
61 typedef struct lwkt_ipiq        *lwkt_ipiq_t;
62 typedef struct lwkt_cpusync     *lwkt_cpusync_t;
63 typedef struct thread           *thread_t;
64
65 typedef TAILQ_HEAD(lwkt_queue, thread) lwkt_queue;
66
67 /*
68  * Differentiation between kernel threads and user threads.  Userland
69  * programs which want to access to kernel structures have to define
70  * _KERNEL_STRUCTURES.  This is a kinda safety valve to prevent badly
71  * written user programs from getting an LWKT thread that is neither the
72  * kernel nor the user version.
73  */
74 #if defined(_KERNEL) || defined(_KERNEL_STRUCTURES)
75 #ifndef _MACHINE_THREAD_H_
76 #include <machine/thread.h>             /* md_thread */
77 #endif
78 #ifndef _MACHINE_FRAME_H_
79 #include <machine/frame.h>
80 #endif
81 #else
82 struct intrframe;
83 #endif
84
85 /*
86  * Tokens are used to serialize access to information.  They are 'soft'
87  * serialization entities that only stay in effect while a thread is
88  * running.  If the thread blocks, other threads can run holding the same
89  * token(s).  The tokens are reacquired when the original thread resumes.
90  *
91  * A thread can depend on its serialization remaining intact through a
92  * preemption.  An interrupt which attempts to use the same token as the
93  * thread being preempted will reschedule itself for non-preemptive
94  * operation, so the new token code is capable of interlocking against
95  * interrupts as well as other cpus.  This means that your token can only
96  * be (temporarily) lost if you *explicitly* block.
97  *
98  * Tokens are managed through a helper reference structure, lwkt_tokref,
99  * which is typically declared on the caller's stack.  Multiple tokref's
100  * may reference the same token.
101  */
102
103 typedef struct lwkt_token {
104     struct lwkt_tokref  *t_ref;         /* Owning ref or NULL */
105     intptr_t            t_flags;        /* MP lock required */
106     long                t_collisions;   /* Collision counter */
107 } lwkt_token;
108
109 #define LWKT_TOKEN_MPSAFE       0x0001
110
111 /*
112  * Static initialization for a lwkt_token.
113  *      UP - Not MPSAFE (full MP lock will also be acquired)
114  *      MP - Is MPSAFE  (only the token will be acquired)
115  */
116 #define LWKT_TOKEN_UP_INITIALIZER       \
117 {                                       \
118         .t_ref = NULL,                  \
119         .t_flags = 0,                   \
120         .t_collisions = 0               \
121 }
122
123 #define LWKT_TOKEN_MP_INITIALIZER       \
124 {                                       \
125         .t_ref = NULL,                  \
126         .t_flags = LWKT_TOKEN_MPSAFE,   \
127         .t_collisions = 0               \
128 }
129
130 #define ASSERT_LWKT_TOKEN_HELD(tok) \
131         KKASSERT((tok)->t_ref->tr_owner == curthread)
132
133 struct lwkt_tokref {
134     lwkt_token_t        tr_tok;         /* token in question */
135     struct thread       *tr_owner;      /* me */
136     intptr_t            tr_flags;       /* copy of t_flags */
137 };
138
139 #define MAXCPUFIFO      16      /* power of 2 */
140 #define MAXCPUFIFO_MASK (MAXCPUFIFO - 1)
141 #define LWKT_MAXTOKENS  32      /* max tokens beneficially held by thread */
142
143 /*
144  * Always cast to ipifunc_t when registering an ipi.  The actual ipi function
145  * is called with both the data and an interrupt frame, but the ipi function
146  * that is registered might only declare a data argument.
147  */
148 typedef void (*ipifunc1_t)(void *arg);
149 typedef void (*ipifunc2_t)(void *arg, int arg2);
150 typedef void (*ipifunc3_t)(void *arg, int arg2, struct intrframe *frame);
151
152 typedef struct lwkt_ipiq {
153     int         ip_rindex;      /* only written by target cpu */
154     int         ip_xindex;      /* written by target, indicates completion */
155     int         ip_windex;      /* only written by source cpu */
156     ipifunc3_t  ip_func[MAXCPUFIFO];
157     void        *ip_arg1[MAXCPUFIFO];
158     int         ip_arg2[MAXCPUFIFO];
159     u_int       ip_npoll;       /* synchronization to avoid excess IPIs */
160 } lwkt_ipiq;
161
162 /*
163  * CPU Synchronization structure.  See lwkt_cpusync_start() and
164  * lwkt_cpusync_finish() for more information.
165  */
166 typedef void (*cpusync_func_t)(lwkt_cpusync_t poll);
167 typedef void (*cpusync_func2_t)(void *data);
168
169 struct lwkt_cpusync {
170     cpusync_func_t cs_run_func;         /* run (tandem w/ acquire) */
171     cpusync_func_t cs_fin1_func;        /* fin1 (synchronized) */
172     cpusync_func2_t cs_fin2_func;       /* fin2 (tandem w/ release) */
173     void        *cs_data;
174     int         cs_maxcount;
175     volatile int cs_count;
176     cpumask_t   cs_mask;
177 };
178
179 /*
180  * The standard message and queue structure used for communications between
181  * cpus.  Messages are typically queued via a machine-specific non-linked
182  * FIFO matrix allowing any cpu to send a message to any other cpu without
183  * blocking.
184  */
185 typedef struct lwkt_cpu_msg {
186     void        (*cm_func)(lwkt_cpu_msg_t msg); /* primary dispatch function */
187     int         cm_code;                /* request code if applicable */
188     int         cm_cpu;                 /* reply to cpu */
189     thread_t    cm_originator;          /* originating thread for wakeup */
190 } lwkt_cpu_msg;
191
192 /*
193  * Thread structure.  Note that ownership of a thread structure is special
194  * cased and there is no 'token'.  A thread is always owned by the cpu
195  * represented by td_gd, any manipulation of the thread by some other cpu
196  * must be done through cpu_*msg() functions.  e.g. you could request
197  * ownership of a thread that way, or hand a thread off to another cpu.
198  *
199  * NOTE: td_pri is bumped by TDPRI_CRIT when entering a critical section,
200  * but this does not effect how the thread is scheduled by LWKT.
201  *
202  * NOTE: td_ucred is synchronized from the p_ucred on user->kernel syscall,
203  *       trap, and AST/signal transitions to provide a stable ucred for
204  *       (primarily) system calls.  This field will be NULL for pure kernel
205  *       threads.
206  */
207 struct md_intr_info;
208 struct caps_kinfo;
209
210 struct thread {
211     TAILQ_ENTRY(thread) td_threadq;
212     TAILQ_ENTRY(thread) td_allq;
213     TAILQ_ENTRY(thread) td_sleepq;
214     lwkt_port   td_msgport;     /* built-in message port for replies */
215     struct lwp  *td_lwp;        /* (optional) associated lwp */
216     struct proc *td_proc;       /* (optional) associated process */
217     struct pcb  *td_pcb;        /* points to pcb and top of kstack */
218     struct globaldata *td_gd;   /* associated with this cpu */
219     const char  *td_wmesg;      /* string name for blockage */
220     const volatile void *td_wchan;      /* waiting on channel */
221     int         td_pri;         /* 0-31, 31=highest priority (note 1) */
222     int         td_flags;       /* TDF flags */
223     int         td_wdomain;     /* domain for wchan address (typ 0) */
224     void        (*td_preemptable)(struct thread *td, int critpri);
225     void        (*td_release)(struct thread *td);
226     char        *td_kstack;     /* kernel stack */
227     int         td_kstack_size; /* size of kernel stack */
228     char        *td_sp;         /* kernel stack pointer for LWKT restore */
229     void        (*td_switch)(struct thread *ntd);
230     __uint64_t  td_uticks;      /* Statclock hits in user mode (uS) */
231     __uint64_t  td_sticks;      /* Statclock hits in system mode (uS) */
232     __uint64_t  td_iticks;      /* Statclock hits processing intr (uS) */
233     int         td_locks;       /* lockmgr lock debugging */
234     int         td_unused01;
235     void        *td_dsched_priv1;       /* priv data for I/O schedulers */
236     int         td_refs;        /* hold position in gd_tdallq / hold free */
237     int         td_nest_count;  /* prevent splz nesting */
238 #ifdef SMP
239     int         td_mpcount;     /* MP lock held (count) */
240     int         td_cscount;     /* cpu synchronization master */
241 #else
242     int         td_mpcount_unused;      /* filler so size matches */
243     int         td_cscount_unused;
244 #endif
245     struct iosched_data td_iosdata;     /* Dynamic I/O scheduling data */
246     struct timeval td_start;    /* start time for a thread/process */
247     char        td_comm[MAXCOMLEN+1]; /* typ 16+1 bytes */
248     struct thread *td_preempted; /* we preempted this thread */
249     struct ucred *td_ucred;             /* synchronized from p_ucred */
250     struct caps_kinfo *td_caps; /* list of client and server registrations */
251     lwkt_tokref_t td_toks_stop;
252     struct lwkt_tokref td_toks_array[LWKT_MAXTOKENS];
253 #ifdef DEBUG_CRIT_SECTIONS
254 #define CRIT_DEBUG_ARRAY_SIZE   32
255 #define CRIT_DEBUG_ARRAY_MASK   (CRIT_DEBUG_ARRAY_SIZE - 1)
256     const char  *td_crit_debug_array[CRIT_DEBUG_ARRAY_SIZE];
257     int         td_crit_debug_index;
258     int         td_in_crit_report;      
259 #endif
260     struct md_thread td_mach;
261 };
262
263 #define td_toks_base    td_toks_array[0]
264 #define td_toks_end     td_toks_array[LWKT_MAXTOKENS]
265
266 #define TD_TOKS_HELD(td)        ((td)->td_toks_stop != &(td)->td_toks_base)
267 #define TD_TOKS_NOT_HELD(td)    ((td)->td_toks_stop == &(td)->td_toks_base)
268
269 /*
270  * Thread flags.  Note that TDF_RUNNING is cleared on the old thread after
271  * we switch to the new one, which is necessary because LWKTs don't need
272  * to hold the BGL.  This flag is used by the exit code and the managed
273  * thread migration code.  Note in addition that preemption will cause
274  * TDF_RUNNING to be cleared temporarily, so any code checking TDF_RUNNING
275  * must also check TDF_PREEMPT_LOCK.
276  *
277  * LWKT threads stay on their (per-cpu) run queue while running, not to
278  * be confused with user processes which are removed from the user scheduling
279  * run queue while actually running.
280  *
281  * td_threadq can represent the thread on one of three queues... the LWKT
282  * run queue, a tsleep queue, or an lwkt blocking queue.  The LWKT subsystem
283  * does not allow a thread to be scheduled if it already resides on some
284  * queue.
285  */
286 #define TDF_RUNNING             0x0001  /* thread still active */
287 #define TDF_RUNQ                0x0002  /* on an LWKT run queue */
288 #define TDF_PREEMPT_LOCK        0x0004  /* I have been preempted */
289 #define TDF_PREEMPT_DONE        0x0008  /* acknowledge preemption complete */
290 #define TDF_IDLE_NOHLT          0x0010  /* we need to spin */
291 #define TDF_MIGRATING           0x0020  /* thread is being migrated */
292 #define TDF_SINTR               0x0040  /* interruptability hint for 'ps' */
293 #define TDF_TSLEEPQ             0x0080  /* on a tsleep wait queue */
294
295 #define TDF_SYSTHREAD           0x0100  /* allocations may use reserve */
296 #define TDF_ALLOCATED_THREAD    0x0200  /* objcache allocated thread */
297 #define TDF_ALLOCATED_STACK     0x0400  /* objcache allocated stack */
298 #define TDF_VERBOSE             0x0800  /* verbose on exit */
299 #define TDF_DEADLKTREAT         0x1000  /* special lockmgr deadlock treatment */
300 #define TDF_STOPREQ             0x2000  /* suspend_kproc */
301 #define TDF_WAKEREQ             0x4000  /* resume_kproc */
302 #define TDF_TIMEOUT             0x8000  /* tsleep timeout */
303 #define TDF_INTTHREAD           0x00010000      /* interrupt thread */
304 #define TDF_TSLEEP_DESCHEDULED  0x00020000      /* tsleep core deschedule */
305 #define TDF_BLOCKED             0x00040000      /* Thread is blocked */
306 #define TDF_PANICWARN           0x00080000      /* panic warning in switch */
307 #define TDF_BLOCKQ              0x00100000      /* on block queue */
308 #define TDF_MPSAFE              0x00200000      /* (thread creation) */
309 #define TDF_EXITING             0x00400000      /* thread exiting */
310 #define TDF_USINGFP             0x00800000      /* thread using fp coproc */
311 #define TDF_KERNELFP            0x01000000      /* kernel using fp coproc */
312 #define TDF_NETWORK             0x02000000      /* network proto thread */
313
314 /*
315  * Thread priorities.  Typically only one thread from any given
316  * user process scheduling queue is on the LWKT run queue at a time.
317  * Remember that there is one LWKT run queue per cpu.
318  *
319  * Critical sections are handled by bumping td_pri above TDPRI_MAX, which
320  * causes interrupts to be masked as they occur.  When this occurs a
321  * rollup flag will be set in mycpu->gd_reqflags.
322  */
323 #define TDPRI_IDLE_THREAD       0       /* the idle thread */
324 #define TDPRI_IDLE_WORK         1       /* idle work (page zero, etc) */
325 #define TDPRI_USER_SCHEDULER    2       /* user scheduler helper */
326 #define TDPRI_USER_IDLE         4       /* user scheduler idle */
327 #define TDPRI_USER_NORM         6       /* user scheduler normal */
328 #define TDPRI_USER_REAL         8       /* user scheduler real time */
329 #define TDPRI_KERN_LPSCHED      9       /* scheduler helper for userland sch */
330 #define TDPRI_KERN_USER         10      /* kernel / block in syscall */
331 #define TDPRI_KERN_DAEMON       12      /* kernel daemon (pageout, etc) */
332 #define TDPRI_SOFT_NORM         14      /* kernel / normal */
333 #define TDPRI_SOFT_TIMER        16      /* kernel / timer */
334 #define TDPRI_EXITING           19      /* exiting thread */
335 #define TDPRI_INT_SUPPORT       20      /* kernel / high priority support */
336 #define TDPRI_INT_LOW           27      /* low priority interrupt */
337 #define TDPRI_INT_MED           28      /* medium priority interrupt */
338 #define TDPRI_INT_HIGH          29      /* high priority interrupt */
339 #define TDPRI_MAX               31
340
341 #define TDPRI_MASK              31
342 #define TDPRI_CRIT              32      /* high bits of td_pri used for crit */
343
344 #define LWKT_THREAD_STACK       (UPAGES * PAGE_SIZE)
345
346 #define CACHE_NTHREADS          6
347
348 #define IN_CRITICAL_SECT(td)    ((td)->td_pri >= TDPRI_CRIT)
349
350 #ifdef _KERNEL
351
352 /*
353  * Global tokens
354  */
355 extern struct lwkt_token pmap_token;
356 extern struct lwkt_token dev_token;
357 extern struct lwkt_token vm_token;
358 extern struct lwkt_token kvm_token;
359 extern struct lwkt_token proc_token;
360 extern struct lwkt_token tty_token;
361 extern struct lwkt_token vnode_token;
362
363 /*
364  * Procedures
365  */
366 extern void lwkt_init(void);
367 extern struct thread *lwkt_alloc_thread(struct thread *, int, int, int);
368 extern void lwkt_init_thread(struct thread *, void *, int, int,
369                              struct globaldata *);
370 extern void lwkt_set_comm(thread_t, const char *, ...) __printflike(2, 3);
371 extern void lwkt_wait_free(struct thread *);
372 extern void lwkt_free_thread(struct thread *);
373 extern void lwkt_gdinit(struct globaldata *);
374 extern void lwkt_switch(void);
375 extern void lwkt_preempt(thread_t, int);
376 extern void lwkt_schedule(thread_t);
377 extern void lwkt_schedule_noresched(thread_t);
378 extern void lwkt_schedule_self(thread_t);
379 extern void lwkt_deschedule(thread_t);
380 extern void lwkt_deschedule_self(thread_t);
381 extern void lwkt_yield(void);
382 extern void lwkt_user_yield(void);
383 extern void lwkt_token_wait(void);
384 extern void lwkt_hold(thread_t);
385 extern void lwkt_rele(thread_t);
386 extern void lwkt_passive_release(thread_t);
387
388 extern void lwkt_gettoken(lwkt_token_t);
389 extern int  lwkt_trytoken(lwkt_token_t);
390 extern void lwkt_reltoken(lwkt_token_t);
391 extern int  lwkt_getalltokens(thread_t);
392 extern void lwkt_relalltokens(thread_t);
393 extern void lwkt_drain_token_requests(void);
394 extern void lwkt_token_init(lwkt_token_t, int);
395 extern void lwkt_token_uninit(lwkt_token_t);
396
397 extern void lwkt_token_pool_init(void);
398 extern lwkt_token_t lwkt_token_pool_lookup(void *);
399 extern lwkt_token_t lwkt_getpooltoken(void *);
400
401 extern void lwkt_setpri(thread_t, int);
402 extern void lwkt_setpri_initial(thread_t, int);
403 extern void lwkt_setpri_self(int);
404 extern int lwkt_check_resched(thread_t);
405 extern void lwkt_setcpu_self(struct globaldata *);
406 extern void lwkt_migratecpu(int);
407
408 #ifdef SMP
409
410 extern void lwkt_giveaway(struct thread *);
411 extern void lwkt_acquire(struct thread *);
412 extern int  lwkt_send_ipiq3(struct globaldata *, ipifunc3_t, void *, int);
413 extern int  lwkt_send_ipiq3_passive(struct globaldata *, ipifunc3_t,
414                                     void *, int);
415 extern int  lwkt_send_ipiq3_nowait(struct globaldata *, ipifunc3_t,
416                                    void *, int);
417 extern int  lwkt_send_ipiq3_bycpu(int, ipifunc3_t, void *, int);
418 extern int  lwkt_send_ipiq3_mask(cpumask_t, ipifunc3_t, void *, int);
419 extern void lwkt_wait_ipiq(struct globaldata *, int);
420 extern int  lwkt_seq_ipiq(struct globaldata *);
421 extern void lwkt_process_ipiq(void);
422 extern void lwkt_process_ipiq_frame(struct intrframe *);
423 extern void lwkt_smp_stopped(void);
424 extern void lwkt_synchronize_ipiqs(const char *);
425
426 #endif /* SMP */
427
428 extern void lwkt_cpusync_simple(cpumask_t, cpusync_func_t, void *);
429 extern void lwkt_cpusync_fastdata(cpumask_t, cpusync_func2_t, void *);
430 extern void lwkt_cpusync_start(cpumask_t, lwkt_cpusync_t);
431 extern void lwkt_cpusync_add(cpumask_t, lwkt_cpusync_t);
432 extern void lwkt_cpusync_finish(lwkt_cpusync_t);
433
434 extern void crit_panic(void);
435 extern struct lwp *lwkt_preempted_proc(void);
436
437 extern int  lwkt_create (void (*func)(void *), void *, struct thread **,
438                 struct thread *, int, int,
439                 const char *, ...) __printflike(7, 8);
440 extern void lwkt_exit (void) __dead2;
441 extern void lwkt_remove_tdallq (struct thread *);
442
443 #endif
444
445 #endif
446