folly/ThreadLocal.h

   1 /*
   2  * Copyright 2013 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 // Use noexcept on gcc 4.6 or higher
  46 #undef FOLLY_NOEXCEPT
  47 #ifdef __GNUC__
  48 # ifdef HAVE_FEATURES_H
  49 #  include <features.h>
  50 #  if __GNUC_PREREQ(4,6)
  51 #    define FOLLY_NOEXCEPT noexcept
  52 #    define FOLLY_ASSERT(x) x
  53 #  endif
  54 # endif
  55 #endif
  56
  57 #ifndef FOLLY_NOEXCEPT
  58 #  define FOLLY_NOEXCEPT
  59 #  define FOLLY_ASSERT(x) /**/
  60 #endif
  61
  62 namespace folly {
  63 enum class TLPDestructionMode {
  64   THIS_THREAD,
  65   ALL_THREADS
  66 };
  67 }  // namespace
  68
  69 #include "folly/detail/ThreadLocalDetail.h"
  70
  71 namespace folly {
  72
  73 template<class T, class Tag> class ThreadLocalPtr;
  74
  75 template<class T, class Tag=void>
  76 class ThreadLocal {
  77  public:
  78   ThreadLocal() { }
  79
  80   T* get() const {
  81     T* ptr = tlp_.get();
  82     if (UNLIKELY(ptr == nullptr)) {
  83       ptr = new T();
  84       tlp_.reset(ptr);
  85     }
  86     return ptr;
  87   }
  88
  89   T* operator->() const {
  90     return get();
  91   }
  92
  93   T& operator*() const {
  94     return *get();
  95   }
  96
  97   void reset(T* newPtr = nullptr) {
  98     tlp_.reset(newPtr);
  99   }
 100
 101   typedef typename ThreadLocalPtr<T,Tag>::Accessor Accessor;
 102   Accessor accessAllThreads() const {
 103     return tlp_.accessAllThreads();
 104   }
 105
 106   // movable
 107   ThreadLocal(ThreadLocal&&) = default;
 108   ThreadLocal& operator=(ThreadLocal&&) = default;
 109
 110  private:
 111   // non-copyable
 112   ThreadLocal(const ThreadLocal&) = delete;
 113   ThreadLocal& operator=(const ThreadLocal&) = delete;
 114
 115   mutable ThreadLocalPtr<T,Tag> tlp_;
 116 };
 117
 118 /*
 119  * The idea here is that __thread is faster than pthread_getspecific, so we
 120  * keep a __thread array of pointers to objects (ThreadEntry::elements) where
 121  * each array has an index for each unique instance of the ThreadLocalPtr
 122  * object.  Each ThreadLocalPtr object has a unique id that is an index into
 123  * these arrays so we can fetch the correct object from thread local storage
 124  * very efficiently.
 125  *
 126  * In order to prevent unbounded growth of the id space and thus huge
 127  * ThreadEntry::elements, arrays, for example due to continuous creation and
 128  * destruction of ThreadLocalPtr objects, we keep a set of all active
 129  * instances.  When an instance is destroyed we remove it from the active
 130  * set and insert the id into freeIds_ for reuse.  These operations require a
 131  * global mutex, but only happen at construction and destruction time.
 132  *
 133  * We use a single global pthread_key_t per Tag to manage object destruction and
 134  * memory cleanup upon thread exit because there is a finite number of
 135  * pthread_key_t's available per machine.
 136  */
 137
 138 template<class T, class Tag=void>
 139 class ThreadLocalPtr {
 140  public:
 141   ThreadLocalPtr() : id_(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::create()) { }
 142
 143   ThreadLocalPtr(ThreadLocalPtr&& other) : id_(other.id_) {
 144     other.id_ = 0;
 145   }
 146
 147   ThreadLocalPtr& operator=(ThreadLocalPtr&& other) {
 148     assert(this != &other);
 149     destroy();
 150     id_ = other.id_;
 151     other.id_ = 0;
 152     return *this;
 153   }
 154
 155   ~ThreadLocalPtr() {
 156     destroy();
 157   }
 158
 159   T* get() const {
 160     return static_cast<T*>(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::get(id_).ptr);
 161   }
 162
 163   T* operator->() const {
 164     return get();
 165   }
 166
 167   T& operator*() const {
 168     return *get();
 169   }
 170
 171   void reset(T* newPtr = nullptr) {
 172     threadlocal_detail::ElementWrapper& w =
 173       threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::get(id_);
 174     if (w.ptr != newPtr) {
 175       w.dispose(TLPDestructionMode::THIS_THREAD);
 176       w.set(newPtr);
 177     }
 178   }
 179
 180   explicit operator bool() const {
 181     return get() != nullptr;
 182   }
 183
 184   /**
 185    * reset() with a custom deleter:
 186    * deleter(T* ptr, TLPDestructionMode mode)
 187    * "mode" is ALL_THREADS if we're destructing this ThreadLocalPtr (and thus
 188    * deleting pointers for all threads), and THIS_THREAD if we're only deleting
 189    * the member for one thread (because of thread exit or reset())
 190    */
 191   template <class Deleter>
 192   void reset(T* newPtr, Deleter deleter) {
 193     threadlocal_detail::ElementWrapper& w =
 194       threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::get(id_);
 195     if (w.ptr != newPtr) {
 196       w.dispose(TLPDestructionMode::THIS_THREAD);
 197       w.set(newPtr, deleter);
 198     }
 199   }
 200
 201   // Holds a global lock for iteration through all thread local child objects.
 202   // Can be used as an iterable container.
 203   // Use accessAllThreads() to obtain one.
 204   class Accessor {
 205     friend class ThreadLocalPtr<T,Tag>;
 206
 207     threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>& meta_;
 208     boost::mutex* lock_;
 209     int id_;
 210
 211    public:
 212     class Iterator;
 213     friend class Iterator;
 214
 215     // The iterators obtained from Accessor are bidirectional iterators.
 216     class Iterator : public boost::iterator_facade<
 217           Iterator,                               // Derived
 218           T,                                      // value_type
 219           boost::bidirectional_traversal_tag> {   // traversal
 220       friend class Accessor;
 221       friend class boost::iterator_core_access;
 222       const Accessor* const accessor_;
 223       threadlocal_detail::ThreadEntry* e_;
 224
 225       void increment() {
 226         e_ = e_->next;
 227         incrementToValid();
 228       }
 229
 230       void decrement() {
 231         e_ = e_->prev;
 232         decrementToValid();
 233       }
 234
 235       T& dereference() const {
 236         return *static_cast<T*>(e_->elements[accessor_->id_].ptr);
 237       }
 238
 239       bool equal(const Iterator& other) const {
 240         return (accessor_->id_ == other.accessor_->id_ &&
 241                 e_ == other.e_);
 242       }
 243
 244       explicit Iterator(const Accessor* accessor)
 245         : accessor_(accessor),
 246           e_(&accessor_->meta_.head_) {
 247       }
 248
 249       bool valid() const {
 250         return (e_->elements &&
 251                 accessor_->id_ < e_->elementsCapacity &&
 252                 e_->elements[accessor_->id_].ptr);
 253       }
 254
 255       void incrementToValid() {
 256         for (; e_ != &accessor_->meta_.head_ && !valid(); e_ = e_->next) { }
 257       }
 258
 259       void decrementToValid() {
 260         for (; e_ != &accessor_->meta_.head_ && !valid(); e_ = e_->prev) { }
 261       }
 262     };
 263
 264     ~Accessor() {
 265       release();
 266     }
 267
 268     Iterator begin() const {
 269       return ++Iterator(this);
 270     }
 271
 272     Iterator end() const {
 273       return Iterator(this);
 274     }
 275
 276     Accessor(const Accessor&) = delete;
 277     Accessor& operator=(const Accessor&) = delete;
 278
 279     Accessor(Accessor&& other) FOLLY_NOEXCEPT
 280       : meta_(other.meta_),
 281         lock_(other.lock_),
 282         id_(other.id_) {
 283       other.id_ = 0;
 284       other.lock_ = nullptr;
 285     }
 286
 287     Accessor& operator=(Accessor&& other) FOLLY_NOEXCEPT {
 288       // Each Tag has its own unique meta, and accessors with different Tags
 289       // have different types.  So either *this is empty, or this and other
 290       // have the same tag.  But if they have the same tag, they have the same
 291       // meta (and lock), so they'd both hold the lock at the same time,
 292       // which is impossible, which leaves only one possible scenario --
 293       // *this is empty.  Assert it.
 294       assert(&meta_ == &other.meta_);
 295       assert(lock_ == nullptr);
 296       using std::swap;
 297       swap(lock_, other.lock_);
 298       swap(id_, other.id_);
 299     }
 300
 301     Accessor()
 302       : meta_(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::instance()),
 303         lock_(nullptr),
 304         id_(0) {
 305     }
 306
 307    private:
 308     explicit Accessor(int id)
 309       : meta_(threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::instance()),
 310         lock_(&meta_.lock_) {
 311       lock_->lock();
 312       id_ = id;
 313     }
 314
 315     void release() {
 316       if (lock_) {
 317         lock_->unlock();
 318         id_ = 0;
 319         lock_ = nullptr;
 320       }
 321     }
 322   };
 323
 324   // accessor allows a client to iterate through all thread local child
 325   // elements of this ThreadLocal instance.  Holds a global lock for each <Tag>
 326   Accessor accessAllThreads() const {
 327     FOLLY_ASSERT(static_assert(!std::is_same<Tag, void>::value,
 328                  "Must use a unique Tag to use the accessAllThreads feature"));
 329     return Accessor(id_);
 330   }
 331
 332  private:
 333   void destroy() {
 334     if (id_) {
 335       threadlocal_detail::StaticMeta<Tag>::destroy(id_);
 336     }
 337   }
 338
 339   // non-copyable
 340   ThreadLocalPtr(const ThreadLocalPtr&) = delete;
 341   ThreadLocalPtr& operator=(const ThreadLocalPtr&) = delete;
 342
 343   int id_;  // every instantiation has a unique id
 344 };
 345
 346 #undef FOLLY_NOEXCEPT
 347
 348 }  // namespace folly
 349
 350 #endif /* FOLLY_THREADLOCAL_H_ */