folly/detail/Futex.cpp

   1 /*
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   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,
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  14  * limitations under the License.
  15  */
  16 #include <folly/detail/Futex.h>
  17 #include <folly/ScopeGuard.h>
  18 #include <folly/hash/Hash.h>
  19 #include <folly/portability/SysSyscall.h>
  20 #include <stdint.h>
  21 #include <string.h>
  22 #include <array>
  23 #include <cerrno>
  24
  25 #include <folly/synchronization/ParkingLot.h>
  26
  27 #ifdef __linux__
  28 #include <linux/futex.h>
  29 #endif
  30
  31 using namespace std::chrono;
  32
  33 namespace folly {
  34 namespace detail {
  35
  36 namespace {
  37
  38 ////////////////////////////////////////////////////
  39 // native implementation using the futex() syscall
  40
  41 #ifdef __linux__
  42
  43 /// Certain toolchains (like Android's) don't include the full futex API in
  44 /// their headers even though they support it. Make sure we have our constants
  45 /// even if the headers don't have them.
  46 #ifndef FUTEX_WAIT_BITSET
  47 # define FUTEX_WAIT_BITSET 9
  48 #endif
  49 #ifndef FUTEX_WAKE_BITSET
  50 # define FUTEX_WAKE_BITSET 10
  51 #endif
  52 #ifndef FUTEX_PRIVATE_FLAG
  53 # define FUTEX_PRIVATE_FLAG 128
  54 #endif
  55 #ifndef FUTEX_CLOCK_REALTIME
  56 # define FUTEX_CLOCK_REALTIME 256
  57 #endif
  58
  59 int nativeFutexWake(void* addr, int count, uint32_t wakeMask) {
  60   int rv = syscall(__NR_futex,
  61                    addr, /* addr1 */
  62                    FUTEX_WAKE_BITSET | FUTEX_PRIVATE_FLAG, /* op */
  63                    count, /* val */
  64                    nullptr, /* timeout */
  65                    nullptr, /* addr2 */
  66                    wakeMask); /* val3 */
  67
  68   /* NOTE: we ignore errors on wake for the case of a futex
  69      guarding its own destruction, similar to this
  70      glibc bug with sem_post/sem_wait:
  71      https://sourceware.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=12674 */
  72   if (rv < 0) {
  73     return 0;
  74   }
  75   return rv;
  76 }
  77
  78 template <class Clock>
  79 struct timespec
  80 timeSpecFromTimePoint(time_point<Clock> absTime)
  81 {
  82   auto epoch = absTime.time_since_epoch();
  83   if (epoch.count() < 0) {
  84     // kernel timespec_valid requires non-negative seconds and nanos in [0,1G)
  85     epoch = Clock::duration::zero();
  86   }
  87
  88   // timespec-safe seconds and nanoseconds;
  89   // chrono::{nano,}seconds are `long long int`
  90   // whereas timespec uses smaller types
  91   using time_t_seconds = duration<std::time_t, seconds::period>;
  92   using long_nanos = duration<long int, nanoseconds::period>;
  93
  94   auto secs = duration_cast<time_t_seconds>(epoch);
  95   auto nanos = duration_cast<long_nanos>(epoch - secs);
  96   struct timespec result = { secs.count(), nanos.count() };
  97   return result;
  98 }
  99
 100 FutexResult nativeFutexWaitImpl(void* addr,
 101                                 uint32_t expected,
 102                                 time_point<system_clock>* absSystemTime,
 103                                 time_point<steady_clock>* absSteadyTime,
 104                                 uint32_t waitMask) {
 105   assert(absSystemTime == nullptr || absSteadyTime == nullptr);
 106
 107   int op = FUTEX_WAIT_BITSET | FUTEX_PRIVATE_FLAG;
 108   struct timespec ts;
 109   struct timespec* timeout = nullptr;
 110
 111   if (absSystemTime != nullptr) {
 112     op |= FUTEX_CLOCK_REALTIME;
 113     ts = timeSpecFromTimePoint(*absSystemTime);
 114     timeout = &ts;
 115   } else if (absSteadyTime != nullptr) {
 116     ts = timeSpecFromTimePoint(*absSteadyTime);
 117     timeout = &ts;
 118   }
 119
 120   // Unlike FUTEX_WAIT, FUTEX_WAIT_BITSET requires an absolute timeout
 121   // value - http://locklessinc.com/articles/futex_cheat_sheet/
 122   int rv = syscall(__NR_futex,
 123                    addr, /* addr1 */
 124                    op, /* op */
 125                    expected, /* val */
 126                    timeout, /* timeout */
 127                    nullptr, /* addr2 */
 128                    waitMask); /* val3 */
 129
 130   if (rv == 0) {
 131     return FutexResult::AWOKEN;
 132   } else {
 133     switch(errno) {
 134       case ETIMEDOUT:
 135         assert(timeout != nullptr);
 136         return FutexResult::TIMEDOUT;
 137       case EINTR:
 138         return FutexResult::INTERRUPTED;
 139       case EWOULDBLOCK:
 140         return FutexResult::VALUE_CHANGED;
 141       default:
 142         assert(false);
 143         // EINVAL, EACCESS, or EFAULT.  EINVAL means there was an invalid
 144         // op (should be impossible) or an invalid timeout (should have
 145         // been sanitized by timeSpecFromTimePoint).  EACCESS or EFAULT
 146         // means *addr points to invalid memory, which is unlikely because
 147         // the caller should have segfaulted already.  We can either
 148         // crash, or return a value that lets the process continue for
 149         // a bit. We choose the latter. VALUE_CHANGED probably turns the
 150         // caller into a spin lock.
 151         return FutexResult::VALUE_CHANGED;
 152     }
 153   }
 154 }
 155
 156 #endif // __linux__
 157
 158 ///////////////////////////////////////////////////////
 159 // compatibility implementation using standard C++ API
 160
 161 using Lot = ParkingLot<uint32_t>;
 162 Lot parkingLot;
 163
 164 int emulatedFutexWake(void* addr, int count, uint32_t waitMask) {
 165   int woken = 0;
 166   parkingLot.unpark(addr, [&](const uint32_t& mask) {
 167     if ((mask & waitMask) == 0) {
 168       return UnparkControl::RetainContinue;
 169     }
 170     assert(count > 0);
 171     count--;
 172     woken++;
 173     return count > 0 ? UnparkControl::RemoveContinue
 174                      : UnparkControl::RemoveBreak;
 175   });
 176   return woken;
 177 }
 178
 179 template <typename F>
 180 FutexResult emulatedFutexWaitImpl(
 181     F* futex,
 182     uint32_t expected,
 183     time_point<system_clock>* absSystemTime,
 184     time_point<steady_clock>* absSteadyTime,
 185     uint32_t waitMask) {
 186   static_assert(
 187       std::is_same<F, Futex<std::atomic>>::value ||
 188           std::is_same<F, Futex<EmulatedFutexAtomic>>::value,
 189       "Type F must be either Futex<std::atomic> or Futex<EmulatedFutexAtomic>");
 190   ParkResult res;
 191   if (absSystemTime) {
 192     res = parkingLot.park_until(
 193         futex,
 194         waitMask,
 195         [&] { return *futex == expected; },
 196         [] {},
 197         *absSystemTime);
 198   } else if (absSteadyTime) {
 199     res = parkingLot.park_until(
 200         futex,
 201         waitMask,
 202         [&] { return *futex == expected; },
 203         [] {},
 204         *absSteadyTime);
 205   } else {
 206     res = parkingLot.park(
 207         futex, waitMask, [&] { return *futex == expected; }, [] {});
 208   }
 209   switch (res) {
 210     case ParkResult::Skip:
 211       return FutexResult::VALUE_CHANGED;
 212     case ParkResult::Unpark:
 213       return FutexResult::AWOKEN;
 214     case ParkResult::Timeout:
 215       return FutexResult::TIMEDOUT;
 216   }
 217
 218   return FutexResult::INTERRUPTED;
 219 }
 220
 221 } // namespace
 222
 223 /////////////////////////////////
 224 // Futex<> specializations
 225
 226 template <>
 227 int
 228 Futex<std::atomic>::futexWake(int count, uint32_t wakeMask) {
 229 #ifdef __linux__
 230   return nativeFutexWake(this, count, wakeMask);
 231 #else
 232   return emulatedFutexWake(this, count, wakeMask);
 233 #endif
 234 }
 235
 236 template <>
 237 int
 238 Futex<EmulatedFutexAtomic>::futexWake(int count, uint32_t wakeMask) {
 239   return emulatedFutexWake(this, count, wakeMask);
 240 }
 241
 242 template <>
 243 FutexResult
 244 Futex<std::atomic>::futexWaitImpl(uint32_t expected,
 245                                   time_point<system_clock>* absSystemTime,
 246                                   time_point<steady_clock>* absSteadyTime,
 247                                   uint32_t waitMask) {
 248 #ifdef __linux__
 249   return nativeFutexWaitImpl(
 250       this, expected, absSystemTime, absSteadyTime, waitMask);
 251 #else
 252   return emulatedFutexWaitImpl(
 253       this, expected, absSystemTime, absSteadyTime, waitMask);
 254 #endif
 255 }
 256
 257 template <>
 258 FutexResult
 259 Futex<EmulatedFutexAtomic>::futexWaitImpl(
 260         uint32_t expected,
 261         time_point<system_clock>* absSystemTime,
 262         time_point<steady_clock>* absSteadyTime,
 263         uint32_t waitMask) {
 264   return emulatedFutexWaitImpl(
 265       this, expected, absSystemTime, absSteadyTime, waitMask);
 266 }
 267
 268 } // namespace detail
 269 } // namespace folly