folly/detail/Futex.h

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  15  */
  16
  17 #pragma once
  18
  19 #include <atomic>
  20 #include <chrono>
  21 #include <limits>
  22 #include <assert.h>
  23 #include <unistd.h>
  24 #include <boost/noncopyable.hpp>
  25
  26 namespace folly { namespace detail {
  27
  28 enum class FutexResult {
  29   VALUE_CHANGED, /* Futex value didn't match expected */
  30   AWOKEN,        /* futex wait matched with a futex wake */
  31   INTERRUPTED,   /* Spurious wake-up or signal caused futex wait failure */
  32   TIMEDOUT
  33 };
  34
  35 /**
  36  * Futex is an atomic 32 bit unsigned integer that provides access to the
  37  * futex() syscall on that value.  It is templated in such a way that it
  38  * can interact properly with DeterministicSchedule testing.
  39  *
  40  * If you don't know how to use futex(), you probably shouldn't be using
  41  * this class.  Even if you do know how, you should have a good reason
  42  * (and benchmarks to back you up).
  43  */
  44 template <template <typename> class Atom = std::atomic>
  45 struct Futex : Atom<uint32_t>, boost::noncopyable {
  46
  47   explicit Futex(uint32_t init = 0) : Atom<uint32_t>(init) {}
  48
  49   /** Puts the thread to sleep if this->load() == expected.  Returns true when
  50    *  it is returning because it has consumed a wake() event, false for any
  51    *  other return (signal, this->load() != expected, or spurious wakeup). */
  52   bool futexWait(uint32_t expected, uint32_t waitMask = -1) {
  53     auto rv = futexWaitImpl(expected, nullptr, nullptr, waitMask);
  54     assert(rv != FutexResult::TIMEDOUT);
  55     return rv == FutexResult::AWOKEN;
  56   }
  57
  58   /** Similar to futexWait but also accepts a timeout that gives the time until
  59    *  when the call can block (time is the absolute time i.e time since epoch).
  60    *  Allowed clock types: std::chrono::system_clock, std::chrono::steady_clock.
  61    *  Returns one of FutexResult values.
  62    *
  63    *  NOTE: On some systems steady_clock is just an alias for system_clock,
  64    *  and is not actually steady.*/
  65   template <class Clock, class Duration = typename Clock::duration>
  66   FutexResult futexWaitUntil(
  67           uint32_t expected,
  68           const std::chrono::time_point<Clock, Duration>& absTime,
  69           uint32_t waitMask = -1) {
  70     using std::chrono::duration_cast;
  71     using std::chrono::nanoseconds;
  72     using std::chrono::seconds;
  73     using std::chrono::steady_clock;
  74     using std::chrono::system_clock;
  75     using std::chrono::time_point;
  76
  77     static_assert(
  78         (std::is_same<Clock, system_clock>::value ||
  79          std::is_same<Clock, steady_clock>::value),
  80         "futexWaitUntil only knows std::chrono::{system_clock,steady_clock}");
  81     assert((std::is_same<Clock, system_clock>::value) || Clock::is_steady);
  82
  83     // We launder the clock type via a std::chrono::duration so that we
  84     // can compile both the true and false branch.  Tricky case is when
  85     // steady_clock has a higher precision than system_clock (Xcode 6,
  86     // for example), for which time_point<system_clock> construction
  87     // refuses to do an implicit duration conversion.  (duration is
  88     // happy to implicitly convert its denominator causing overflow, but
  89     // refuses conversion that might cause truncation.)  We use explicit
  90     // duration_cast to work around this.  Truncation does not actually
  91     // occur (unless Duration != Clock::duration) because the missing
  92     // implicit conversion is in the untaken branch.
  93     Duration absTimeDuration = absTime.time_since_epoch();
  94     if (std::is_same<Clock, system_clock>::value) {
  95       time_point<system_clock> absSystemTime(
  96           duration_cast<system_clock::duration>(absTimeDuration));
  97       return futexWaitImpl(expected, &absSystemTime, nullptr, waitMask);
  98     } else {
  99       time_point<steady_clock> absSteadyTime(
 100           duration_cast<steady_clock::duration>(absTimeDuration));
 101       return futexWaitImpl(expected, nullptr, &absSteadyTime, waitMask);
 102     }
 103   }
 104
 105   /** Wakens up to count waiters where (waitMask & wakeMask) !=
 106    *  0, returning the number of awoken threads, or -1 if an error
 107    *  occurred.  Note that when constructing a concurrency primitive
 108    *  that can guard its own destruction, it is likely that you will
 109    *  want to ignore EINVAL here (as well as making sure that you
 110    *  never touch the object after performing the memory store that
 111    *  is the linearization point for unlock or control handoff).
 112    *  See https://sourceware.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=13690 */
 113   int futexWake(int count = std::numeric_limits<int>::max(),
 114                 uint32_t wakeMask = -1);
 115
 116  private:
 117
 118   /** Underlying implementation of futexWait and futexWaitUntil.
 119    *  At most one of absSystemTime and absSteadyTime should be non-null.
 120    *  Timeouts are separated into separate parameters to allow the
 121    *  implementations to be elsewhere without templating on the clock
 122    *  type, which is otherwise complicated by the fact that steady_clock
 123    *  is the same as system_clock on some platforms. */
 124   FutexResult futexWaitImpl(
 125       uint32_t expected,
 126       std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock>* absSystemTime,
 127       std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock>* absSteadyTime,
 128       uint32_t waitMask);
 129 };
 130
 131 /** A std::atomic subclass that can be used to force Futex to emulate
 132  *  the underlying futex() syscall.  This is primarily useful to test or
 133  *  benchmark the emulated implementation on systems that don't need it. */
 134 template <typename T>
 135 struct EmulatedFutexAtomic : public std::atomic<T> {
 136   EmulatedFutexAtomic() noexcept = default;
 137   constexpr /* implicit */ EmulatedFutexAtomic(T init) noexcept
 138       : std::atomic<T>(init) {}
 139   EmulatedFutexAtomic(const EmulatedFutexAtomic& rhs) = delete;
 140 };
 141
 142 /* Available specializations, with definitions elsewhere */
 143
 144 template<>
 145 int Futex<std::atomic>::futexWake(int count, uint32_t wakeMask);
 146
 147 template<>
 148 FutexResult Futex<std::atomic>::futexWaitImpl(
 149       uint32_t expected,
 150       std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock>* absSystemTime,
 151       std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock>* absSteadyTime,
 152       uint32_t waitMask);
 153
 154 template<>
 155 int Futex<EmulatedFutexAtomic>::futexWake(int count, uint32_t wakeMask);
 156
 157 template<>
 158 FutexResult Futex<EmulatedFutexAtomic>::futexWaitImpl(
 159       uint32_t expected,
 160       std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock>* absSystemTime,
 161       std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock>* absSteadyTime,
 162       uint32_t waitMask);
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