folly/ThreadLocal.h

   1 /*
   2  * Copyright 2014 Facebook, Inc.
   3  *
   4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
   5  * you may not use this file except in compliance with the License.
   6  * You may obtain a copy of the License at
   7  *
   8  *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
   9  *
  10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
  12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  13  * See the License for the specific language governing permissions and
  14  * limitations under the License.
  15  */
  16
  17 /**
  18  * Improved thread local storage for non-trivial types (similar speed as
  19  * pthread_getspecific but only consumes a single pthread_key_t, and 4x faster
  20  * than boost::thread_specific_ptr).
  21  *
  22  * Also includes an accessor interface to walk all the thread local child
  23  * objects of a parent.  accessAllThreads() initializes an accessor which holds
  24  * a global lock *that blocks all creation and destruction of ThreadLocal
  25  * objects with the same Tag* and can be used as an iterable container.
  26  *
  27  * Intended use is for frequent write, infrequent read data access patterns such
  28  * as counters.
  29  *
  30  * There are two classes here - ThreadLocal and ThreadLocalPtr.  ThreadLocalPtr
  31  * has semantics similar to boost::thread_specific_ptr. ThreadLocal is a thin
  32  * wrapper around ThreadLocalPtr that manages allocation automatically.
  33  *
  34  * @author Spencer Ahrens (sahrens)
  35  */
  36
  37 #ifndef FOLLY_THREADLOCAL_H_
  38 #define FOLLY_THREADLOCAL_H_
  39
  40 #include "folly/Portability.h"
  41 #include <boost/iterator/iterator_facade.hpp>
  42 #include "folly/Likely.h"
  43 #include <type_traits>
  44
  45
  46 namespace folly {
  47 enum class TLPDestructionMode {
  48   THIS_THREAD,
  49   ALL_THREADS
  50 };
  51 }  // namespace
  52
  53 #include "folly/detail/ThreadLocalDetail.h"
  54
  55 namespace folly {
  56
  57 template<class T, class Tag> class ThreadLocalPtr;
  58
  59 template<class T, class Tag=void>
  60 class ThreadLocal {
  61  public:
  62   ThreadLocal() { }
  63
  64   T* get() const {
  65     T* ptr = tlp_.get();
  66     if (LIKELY(ptr != nullptr)) {
  67       return ptr;
  68     }
  69
  70     // separated new item creation out to speed up the fast path.
  71     return makeTlp();
  72   }
  73
  74   T* operator->() const {
  75     return get();
  76   }
  77
  78   T& operator*() const {
  79     return *get();
  80   }
  81
  82   void reset(T* newPtr = nullptr) {
  83     tlp_.reset(newPtr);
  84   }
  85
  86   typedef typename ThreadLocalPtr<T,Tag>::Accessor Accessor;
  87   Accessor accessAllThreads() const {
  88     return tlp_.accessAllThreads();
  89   }
  90
  91   // movable
  92   ThreadLocal(ThreadLocal&&) = default;
  93   ThreadLocal& operator=(ThreadLocal&&) = default;
  94
  95  private:
  96   // non-copyable
  97   ThreadLocal(const ThreadLocal&) = delete;
  98   ThreadLocal& operator=(const ThreadLocal&) = delete;
  99
 100   T* makeTlp() const {
 101     T* ptr = new T();
 102     tlp_.reset(ptr);
 103     return ptr;
 104   }
 105
 106   mutable ThreadLocalPtr<T,Tag> tlp_;
 107 };
 108
 109 /*
 110  * The idea here is that __thread is faster than pthread_getspecific, so we
 111  * keep a __thread array of pointers to objects (ThreadEntry::elements) where
 112  * each array has an index for each unique instance of the ThreadLocalPtr
 113  * object.  Each ThreadLocalPtr object has a unique id that is an index into
 114  * these arrays so we can fetch the correct object from thread local storage
 115  * very efficiently.
 116  *
 117  * In order to prevent unbounded growth of the id space and thus huge
 118  * ThreadEntry::elements, arrays, for example due to continuous creation and
 119  * destruction of ThreadLocalPtr objects, we keep a set of all active
 120  * instances.  When an instance is destroyed we remove it from the active
 121  * set and insert the id into freeIds_ for reuse.  These operations require a
 122  * global mutex, but only happen at construction and destruction time.
 123  *
 124  * We use a single global pthread_key_t per Tag to manage object destruction and
 125  * memory cleanup upon thread exit because there is a finite number of
 126  * pthread_key_t's available per machine.
 127  *
 128  * NOTE: Apple platforms don't support the same semantics for __thread that
 129  *       Linux does (and it's only supported at all on i386). For these, use
 130  *       pthread_setspecific()/pthread_getspecific() for the per-thread
 131  *       storage.
 132  */
 133
 134 template<class T, class Tag=void>
 135 class ThreadLocalPtr {
 136  public:
 137   ThreadLocalPtr() : id_(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::create()) { }
 138
 139   ThreadLocalPtr(ThreadLocalPtr&& other) : id_(other.id_) {
 140     other.id_ = 0;
 141   }
 142
 143   ThreadLocalPtr& operator=(ThreadLocalPtr&& other) {
 144     assert(this != &other);
 145     destroy();
 146     id_ = other.id_;
 147     other.id_ = 0;
 148     return *this;
 149   }
 150
 151   ~ThreadLocalPtr() {
 152     destroy();
 153   }
 154
 155   T* get() const {
 156     return static_cast<T*>(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::get(id_).ptr);
 157   }
 158
 159   T* operator->() const {
 160     return get();
 161   }
 162
 163   T& operator*() const {
 164     return *get();
 165   }
 166
 167   void reset(T* newPtr = nullptr) {
 168     threadlocal_detail::ElementWrapper& w =
 169       threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::get(id_);
 170     if (w.ptr != newPtr) {
 171       w.dispose(TLPDestructionMode::THIS_THREAD);
 172       w.set(newPtr);
 173     }
 174   }
 175
 176   explicit operator bool() const {
 177     return get() != nullptr;
 178   }
 179
 180   /**
 181    * reset() with a custom deleter:
 182    * deleter(T* ptr, TLPDestructionMode mode)
 183    * "mode" is ALL_THREADS if we're destructing this ThreadLocalPtr (and thus
 184    * deleting pointers for all threads), and THIS_THREAD if we're only deleting
 185    * the member for one thread (because of thread exit or reset())
 186    */
 187   template <class Deleter>
 188   void reset(T* newPtr, Deleter deleter) {
 189     threadlocal_detail::ElementWrapper& w =
 190       threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::get(id_);
 191     if (w.ptr != newPtr) {
 192       w.dispose(TLPDestructionMode::THIS_THREAD);
 193       w.set(newPtr, deleter);
 194     }
 195   }
 196
 197   // Holds a global lock for iteration through all thread local child objects.
 198   // Can be used as an iterable container.
 199   // Use accessAllThreads() to obtain one.
 200   class Accessor {
 201     friend class ThreadLocalPtr<T,Tag>;
 202
 203     threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>& meta_;
 204     std::mutex* lock_;
 205     int id_;
 206
 207    public:
 208     class Iterator;
 209     friend class Iterator;
 210
 211     // The iterators obtained from Accessor are bidirectional iterators.
 212     class Iterator : public boost::iterator_facade<
 213           Iterator,                               // Derived
 214           T,                                      // value_type
 215           boost::bidirectional_traversal_tag> {   // traversal
 216       friend class Accessor;
 217       friend class boost::iterator_core_access;
 218       const Accessor* const accessor_;
 219       threadlocal_detail::ThreadEntry* e_;
 220
 221       void increment() {
 222         e_ = e_->next;
 223         incrementToValid();
 224       }
 225
 226       void decrement() {
 227         e_ = e_->prev;
 228         decrementToValid();
 229       }
 230
 231       T& dereference() const {
 232         return *static_cast<T*>(e_->elements[accessor_->id_].ptr);
 233       }
 234
 235       bool equal(const Iterator& other) const {
 236         return (accessor_->id_ == other.accessor_->id_ &&
 237                 e_ == other.e_);
 238       }
 239
 240       explicit Iterator(const Accessor* accessor)
 241         : accessor_(accessor),
 242           e_(&accessor_->meta_.head_) {
 243       }
 244
 245       bool valid() const {
 246         return (e_->elements &&
 247                 accessor_->id_ < e_->elementsCapacity &&
 248                 e_->elements[accessor_->id_].ptr);
 249       }
 250
 251       void incrementToValid() {
 252         for (; e_ != &accessor_->meta_.head_ && !valid(); e_ = e_->next) { }
 253       }
 254
 255       void decrementToValid() {
 256         for (; e_ != &accessor_->meta_.head_ && !valid(); e_ = e_->prev) { }
 257       }
 258     };
 259
 260     ~Accessor() {
 261       release();
 262     }
 263
 264     Iterator begin() const {
 265       return ++Iterator(this);
 266     }
 267
 268     Iterator end() const {
 269       return Iterator(this);
 270     }
 271
 272     Accessor(const Accessor&) = delete;
 273     Accessor& operator=(const Accessor&) = delete;
 274
 275     Accessor(Accessor&& other) noexcept
 276       : meta_(other.meta_),
 277         lock_(other.lock_),
 278         id_(other.id_) {
 279       other.id_ = 0;
 280       other.lock_ = nullptr;
 281     }
 282
 283     Accessor& operator=(Accessor&& other) noexcept {
 284       // Each Tag has its own unique meta, and accessors with different Tags
 285       // have different types.  So either *this is empty, or this and other
 286       // have the same tag.  But if they have the same tag, they have the same
 287       // meta (and lock), so they'd both hold the lock at the same time,
 288       // which is impossible, which leaves only one possible scenario --
 289       // *this is empty.  Assert it.
 290       assert(&meta_ == &other.meta_);
 291       assert(lock_ == nullptr);
 292       using std::swap;
 293       swap(lock_, other.lock_);
 294       swap(id_, other.id_);
 295     }
 296
 297     Accessor()
 298       : meta_(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::instance()),
 299         lock_(nullptr),
 300         id_(0) {
 301     }
 302
 303    private:
 304     explicit Accessor(int id)
 305       : meta_(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::instance()),
 306         lock_(&meta_.lock_) {
 307       lock_->lock();
 308       id_ = id;
 309     }
 310
 311     void release() {
 312       if (lock_) {
 313         lock_->unlock();
 314         id_ = 0;
 315         lock_ = nullptr;
 316       }
 317     }
 318   };
 319
 320   // accessor allows a client to iterate through all thread local child
 321   // elements of this ThreadLocal instance.  Holds a global lock for each <Tag>
 322   Accessor accessAllThreads() const {
 323     static_assert(!std::is_same<Tag, void>::value,
 324                   "Must use a unique Tag to use the accessAllThreads feature");
 325     return Accessor(id_);
 326   }
 327
 328  private:
 329   void destroy() {
 330     if (id_) {
 331       threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::destroy(id_);
 332     }
 333   }
 334
 335   // non-copyable
 336   ThreadLocalPtr(const ThreadLocalPtr&) = delete;
 337   ThreadLocalPtr& operator=(const ThreadLocalPtr&) = delete;
 338
 339   int id_;  // every instantiation has a unique id
 340 };
 341
 342 }  // namespace folly
 343
 344 #endif /* FOLLY_THREADLOCAL_H_ */