Support for all clock types in Futex
[folly.git] / folly / detail / Futex.h
index 93544bc2666a7a47a5d0beb7bc6305a511e9ea19..1e72b15ce14289a87909947c9423b11a83ea1199 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*
- * Copyright 2013 Facebook, Inc.
+ * Copyright 2013-present Facebook, Inc.
  *
  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
  * you may not use this file except in compliance with the License.
 #pragma once
 
 #include <atomic>
+#include <cassert>
+#include <chrono>
 #include <limits>
-#include <assert.h>
-#include <errno.h>
-#include <linux/futex.h>
-#include <sys/syscall.h>
-#include <unistd.h>
+#include <type_traits>
+
 #include <boost/noncopyable.hpp>
 
+#include <folly/portability/Unistd.h>
+
 namespace folly { namespace detail {
 
+enum class FutexResult {
+  VALUE_CHANGED, /* Futex value didn't match expected */
+  AWOKEN,        /* futex wait matched with a futex wake */
+  INTERRUPTED,   /* Spurious wake-up or signal caused futex wait failure */
+  TIMEDOUT,
+};
+
 /**
  * Futex is an atomic 32 bit unsigned integer that provides access to the
  * futex() syscall on that value.  It is templated in such a way that it
@@ -39,46 +47,134 @@ namespace folly { namespace detail {
 template <template <typename> class Atom = std::atomic>
 struct Futex : Atom<uint32_t>, boost::noncopyable {
 
-  explicit Futex(uint32_t init = 0) : Atom<uint32_t>(init) {}
+  explicit constexpr Futex(uint32_t init = 0) : Atom<uint32_t>(init) {}
 
   /** Puts the thread to sleep if this->load() == expected.  Returns true when
    *  it is returning because it has consumed a wake() event, false for any
    *  other return (signal, this->load() != expected, or spurious wakeup). */
-  bool futexWait(uint32_t expected, uint32_t waitMask = -1);
+  bool futexWait(uint32_t expected, uint32_t waitMask = -1) {
+    auto rv = futexWaitImpl(expected, nullptr, nullptr, waitMask);
+    assert(rv != FutexResult::TIMEDOUT);
+    return rv == FutexResult::AWOKEN;
+  }
+
+  /** Similar to futexWait but also accepts a deadline until when the wait call
+   *  may block.
+   *
+   *  Optimal clock types: std::chrono::system_clock, std::chrono::steady_clock.
+   *  NOTE: On some systems steady_clock is just an alias for system_clock,
+   *  and is not actually steady.
+   *
+   *  For any other clock type, now() will be invoked twice. */
+  template <class Clock, class Duration = typename Clock::duration>
+  FutexResult futexWaitUntil(
+      uint32_t expected,
+      std::chrono::time_point<Clock, Duration> const& deadline,
+      uint32_t waitMask = -1) {
+    using Target = typename std::conditional<
+        Clock::is_steady,
+        std::chrono::steady_clock,
+        std::chrono::system_clock>::type;
+    auto const converted = time_point_conv<Target>(deadline);
+    return futexWaitImpl(expected, converted, waitMask);
+  }
 
-  /** Wakens up to count waiters where (waitMask & wakeMask) != 0,
-   *  returning the number of awoken threads. */
+  /** Wakens up to count waiters where (waitMask & wakeMask) !=
+   *  0, returning the number of awoken threads, or -1 if an error
+   *  occurred.  Note that when constructing a concurrency primitive
+   *  that can guard its own destruction, it is likely that you will
+   *  want to ignore EINVAL here (as well as making sure that you
+   *  never touch the object after performing the memory store that
+   *  is the linearization point for unlock or control handoff).
+   *  See https://sourceware.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=13690 */
   int futexWake(int count = std::numeric_limits<int>::max(),
                 uint32_t wakeMask = -1);
+
+ private:
+  /** Optimal when TargetClock is the same type as Clock.
+   *
+   *  Otherwise, both Clock::now() and TargetClock::now() must be invoked. */
+  template <typename TargetClock, typename Clock, typename Duration>
+  static typename TargetClock::time_point time_point_conv(
+      std::chrono::time_point<Clock, Duration> const& time) {
+    using std::chrono::duration_cast;
+    using TargetDuration = typename TargetClock::duration;
+    using TargetTimePoint = typename TargetClock::time_point;
+    if (std::is_same<Clock, TargetClock>::value) {
+      // in place of time_point_cast, which cannot compile without if-constexpr
+      auto const delta = time.time_since_epoch();
+      return TargetTimePoint(duration_cast<TargetDuration>(delta));
+    } else {
+      // different clocks with different epochs, so non-optimal case
+      auto const delta = time - Clock::now();
+      return TargetClock::now() + duration_cast<TargetDuration>(delta);
+    }
+  }
+
+  template <typename Deadline>
+  typename std::enable_if<Deadline::clock::is_steady, FutexResult>::type
+  futexWaitImpl(
+      uint32_t expected,
+      Deadline const& deadline,
+      uint32_t waitMask) {
+    return futexWaitImpl(expected, nullptr, &deadline, waitMask);
+  }
+
+  template <typename Deadline>
+  typename std::enable_if<!Deadline::clock::is_steady, FutexResult>::type
+  futexWaitImpl(
+      uint32_t expected,
+      Deadline const& deadline,
+      uint32_t waitMask) {
+    return futexWaitImpl(expected, &deadline, nullptr, waitMask);
+  }
+
+  /** Underlying implementation of futexWait and futexWaitUntil.
+   *  At most one of absSystemTime and absSteadyTime should be non-null.
+   *  Timeouts are separated into separate parameters to allow the
+   *  implementations to be elsewhere without templating on the clock
+   *  type, which is otherwise complicated by the fact that steady_clock
+   *  is the same as system_clock on some platforms. */
+  FutexResult futexWaitImpl(
+      uint32_t expected,
+      std::chrono::system_clock::time_point const* absSystemTime,
+      std::chrono::steady_clock::time_point const* absSteadyTime,
+      uint32_t waitMask);
 };
 
+/** A std::atomic subclass that can be used to force Futex to emulate
+ *  the underlying futex() syscall.  This is primarily useful to test or
+ *  benchmark the emulated implementation on systems that don't need it. */
+template <typename T>
+struct EmulatedFutexAtomic : public std::atomic<T> {
+  EmulatedFutexAtomic() noexcept = default;
+  constexpr /* implicit */ EmulatedFutexAtomic(T init) noexcept
+      : std::atomic<T>(init) {}
+  // It doesn't copy or move
+  EmulatedFutexAtomic(EmulatedFutexAtomic&& rhs) = delete;
+};
+
+/* Available specializations, with definitions elsewhere */
+
+template <>
+int Futex<std::atomic>::futexWake(int count, uint32_t wakeMask);
+
+template <>
+FutexResult Futex<std::atomic>::futexWaitImpl(
+    uint32_t expected,
+    std::chrono::system_clock::time_point const* absSystemTime,
+    std::chrono::steady_clock::time_point const* absSteadyTime,
+    uint32_t waitMask);
+
 template <>
-inline bool Futex<std::atomic>::futexWait(uint32_t expected,
-                                          uint32_t waitMask) {
-  assert(sizeof(*this) == sizeof(int));
-  int rv = syscall(SYS_futex,
-                   this, /* addr1 */
-                   FUTEX_WAIT_BITSET | FUTEX_PRIVATE_FLAG, /* op */
-                   expected, /* val */
-                   nullptr, /* timeout */
-                   nullptr, /* addr2 */
-                   waitMask); /* val3 */
-  assert(rv == 0 || (errno == EWOULDBLOCK || errno == EINTR));
-  return rv == 0;
-}
+int Futex<EmulatedFutexAtomic>::futexWake(int count, uint32_t wakeMask);
 
 template <>
-inline int Futex<std::atomic>::futexWake(int count, uint32_t wakeMask) {
-  assert(sizeof(*this) == sizeof(int));
-  int rv = syscall(SYS_futex,
-                   this, /* addr1 */
-                   FUTEX_WAKE_BITSET | FUTEX_PRIVATE_FLAG, /* op */
-                   count, /* val */
-                   nullptr, /* timeout */
-                   nullptr, /* addr2 */
-                   wakeMask); /* val3 */
-  assert(rv >= 0);
-  return rv;
-}
-
-}}
+FutexResult Futex<EmulatedFutexAtomic>::futexWaitImpl(
+    uint32_t expected,
+    std::chrono::system_clock::time_point const* absSystemTime,
+    std::chrono::steady_clock::time_point const* absSteadyTime,
+    uint32_t waitMask);
+
+} // namespace detail
+} // namespace folly