bcb7c53a1bac20b1555d9cbd2724d3ef4fdc2c88
[libcds.git] / cds / urcu / details / base.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef _CDS_URCU_DETAILS_BASE_H
4 #define _CDS_URCU_DETAILS_BASE_H
5
6 #include <cds/cxx11_atomic.h>
7 #include <cds/gc/details/retired_ptr.h>
8 #include <cds/details/allocator.h>
9 #include <cds/os/thread.h>
10 #include <cds/details/marked_ptr.h>
11
12 namespace cds {
13     /// User-space Read-Copy Update (URCU) namespace
14     /** @ingroup cds_garbage_collector
15         @anchor cds_urcu_desc
16
17         This namespace contains declarations for different types of Read-Copy Update (%RCU)
18         synchronization primitive and data structures developed for RCU.
19         In <b>libcds</b> %RCU is used as garbage collector.
20
21         <b>Source papers</b>:
22         - [2009] M.Desnoyers "Low-Impact Operating System Tracing" PhD Thesis,
23           Chapter 6 "User-Level Implementations of Read-Copy Update"
24         - [2011] M.Desnoyers, P.McKenney, A.Stern, M.Dagenias, J.Walpole "User-Level
25           Implementations of Read-Copy Update"
26
27         <b>Informal intruduction to user-space %RCU</b>
28
29         [<i>From Desnoyer's papers</i>] %RCU is a synchronization mechanism that was added to the
30         Linux kernel in October of 2002. %RCU achieves scalability improvements by allowing
31         reads to occur concurrently with updates. In contrast to conventional locking
32         primitives that ensure mutual exclusion among concurrent threads regardless of whether
33         they be readers or updaters, or with reader-writer locks that allow concurrent reads
34         but not in the presence of updates, %RCU supports concurrency between a single updater
35         and multiple readers. %RCU ensures that reads are coherent by maintaining multiple
36         versions of objects and ensuring that they are not freed up until all pre-existing readside
37         critical sections complete. %RCU defines and uses efficient and scalable mechanisms
38         for publishing and reading new versions of an object, and also for deferring reclamation
39         of old versions. These mechanisms distribute the work among read and update
40         paths in such a way as to make read paths extremely fast.
41
42         %RCU readers execute within %RCU read-side critical sections. Each such critical section begins with
43         \p rcu_read_lock(), ends with \p rcu_read_unlock() (in \p libcds these primitives are the methods of
44         GC class and are usually called \p access_lock and \p access_unlock respectively). Read-side
45         critical sections can be nested.
46         The performance benefits of %RCU are due to the fact that \p rcu_read_lock()
47         and \p rcu_read_unlock() are exceedingly fast.
48
49         When a thread is not in an %RCU read-side critical section, it is in a quiescent state.
50         A quiescent state that persists for a significant time period is an extended quiescent state.
51         Any time period during which every thread has been in at least one quiescent state
52         is a grace period; this implies that every %RCU read-side critical section
53         that starts before a grace period must end before that grace period does.
54         Distinct grace periods may overlap, either partially or completely. Any time period
55         that includes a grace period is by definition itself a grace period.
56         Each grace period is guaranteed to complete as long as all read-side critical sections
57         are finite in duration; thus even a constant flow of such critical sections is unable to
58         extend an %RCU grace period indefinitely.
59
60         Suppose that readers enclose each of their data-structure traversals in
61         an %RCU read-side critical section. If an updater first removes an element
62         from such a data structure and then waits for a grace period, there can be
63         no more readers accessing that element. The updater can then carry out destructive
64         operations, for example freeing the element, without disturbing any readers.
65
66         The %RCU update is split into two phases, a removal phase and a reclamation phase.
67         These two phases must be separated by a grace period, for example via the \p synchronize_rcu()
68         primitive, which initiates a grace period and waits for it to finish.
69         During the removal phase, the %RCU update removes elements from a shared data structure.
70         The removed data elements will only be accessible to read-side critical sections
71         that ran concurrently with the removal phase, which are guaranteed to complete before the
72         grace period ends. Therefore the reclamation phase can safely free the data elements
73         removed by the removal phase.
74
75         Desnoyers describes several classes of user-space %RCU implementations:
76         - The Quiescent-State-Based Reclamation (QSBR) %RCU implementation offers
77           the best possible read-side performance, but requires that each thread periodically
78           calls a function to announce that it is in a quiescent state, thus strongly
79           constraining the application design. This type of %RCU is not implemented in \p libcds.
80         - The general-purpose %RCU implementation places almost no constraints on the application\92s
81           design, thus being appropriate for use within a general-purpose library, but it has
82           relatively higher read-side overhead. The \p libcds contains several implementations of general-purpose
83           %RCU: \ref general_instant, \ref general_buffered, \ref general_threaded.
84         - The signal-handling %RCU presents an implementation having low read-side overhead and
85           requiring only that the application give up one POSIX signal to %RCU update processing.
86           The \p libcds contains several implementations if signal-handling %RCU: \ref signal_buffered,
87           \ref signal_threaded.
88
89     @note The signal-handled %RCU is defined only for UNIX-like systems, not for Windows.
90
91     @anchor cds_urcu_type
92     <b>RCU implementation type</b>
93
94         There are several internal implementation of RCU (all declared in \p %cds::urcu namespace):
95         - \ref general_instant - general purpose RCU with immediate reclamation
96         - \ref general_buffered - general purpose RCU with deferred (buffered) reclamation
97         - \ref general_threaded - general purpose RCU with special reclamation thread
98         - \ref signal_buffered - signal-handling RCU with deferred (buffered) reclamation
99         - \ref signal_threaded - signal-handling RCU with special reclamation thread
100
101         You cannot create an object of any of those classes directly.
102         Instead, you should use wrapper classes.
103         The wrapper simplifies creation and usage of RCU singleton objects
104         and has the reacher interface that combines interfaces of wrapped class i.e. RCU global part like
105         \p synchronize, and corresponding RCU thread-specific interface like \p access_lock, \p access_unlock and \p retire_ptr.
106
107     @anchor cds_urcu_gc
108     There are several wrapper classes (all declared in \p %cds::urcu namespace)
109         - \ref cds_urcu_general_instant_gc "gc<general_instant>" - general purpose RCU with immediate reclamation,
110             include file <tt><cds/urcu/general_instant.h></tt>
111         - \ref cds_urcu_general_buffered_gc "gc<general_buffered>" - general purpose RCU with deferred (buffered) reclamation,
112             include file <tt><cds/urcu/general_buffered.h></tt>
113         - \ref cds_urcu_general_threaded_gc "gc<general_threaded>" - general purpose RCU with special reclamation thread
114             include file <tt><cds/urcu/general_threaded.h></tt>
115         - \ref cds_urcu_signal_buffered_gc "gc<signal_buffered>" - signal-handling RCU with deferred (buffered) reclamation
116             include file <tt><cds/urcu/signal_buffered.h></tt>
117         - \ref cds_urcu_signal_threaded_gc "gc<signal_threaded>" - signal-handling RCU with special reclamation thread
118             include file <tt><cds/urcu/signal_threaded.h></tt>
119
120         Any RCU-related container in \p libcds expects that its \p RCU template parameter is one of those wrapper.
121
122     @anchor cds_urcu_tags
123         For simplicity, in some algorithms instead of using RCU implementation type
124         you should specify corresponding RCU tags (all declared in \p %cds::urcu namespace):
125         - \ref general_instant_tag - for \ref general_instant
126         - \ref general_buffered_tag - for \ref general_buffered
127         - \ref general_threaded_tag - for \ref general_threaded
128         - \ref signal_buffered_tag - for \ref signal_buffered
129         - \ref signal_threaded_tag - for \ref signal_threaded
130
131     @anchor cds_urcu_performance
132     <b>Performance</b>
133
134         As a result of our experiments we can range above %RCU implementation in such order,
135         from high to low performance:
136         - <tt>gc<general_buffered></tt> - high
137         - <tt>gc<general_threaded></tt>
138         - <tt>gc<signal_buffered></tt>
139         - <tt>gc<signal_threaded></tt>
140         - <tt>gc<general_instant></tt> - low
141
142         This estimation is very rough and depends on many factors:
143         type of payload - mostly read-only (seeking) or read-write (inserting and deleting), -
144         a hardware, your application, and so on.
145
146     @anchor cds_urcu_howto
147     <b>How to use</b>
148
149         Usually, in your application you use only one \ref cds_urcu_gc "type of RCU" that is the best for your needs.
150         However, the library allows to apply several RCU singleton in one application.
151         The only limitation is that only one object of each RCU type can be instantiated.
152         Since each RCU type is a template class the creation of two object of one RCU type class
153         with different template arguments is an error and is not supported.
154         However, it is correct when your RCU objects relates to different RCU types.
155
156         @note If you want to use \p %signal_buffered and \p %signal_threaded RCU in your application simultaneously,
157         you should specify different signal number for each signal-handled RCU type on construction time,
158         for example, \p SIGUSR1 and \p SIGUSR2 respectively. By default, both signal-handled RCU implementation
159         share \p SIGUSR1 signal and cannot be applied together.
160
161         In \p libcds, many GC-based ordered list, set and map template classes have %RCU-related specializations
162         that hide the %RCU specific details.
163
164         RCU GC is initialized in usual way: you should declare an object of type \p cds::urcu::gc< RCU_type >,
165         for example:
166         \code
167         #include <cds/urcu/general_buffered.h>
168
169         typedef cds::urcu::gc< cds::urcu::general_buffered<> >    rcu_gpb;
170
171         int main() {
172             // Initialize libcds
173             cds::Initialize();
174             {
175                 // Initialize general_buffered RCU
176                 rcu_gpb   gpbRCU;
177
178                 // If main thread uses lock-free containers
179                 // the main thread should be attached to libcds infrastructure
180                 cds::threading::Manager::attachThread();
181
182                 // Now you can use RCU-based containers in the main thread
183                 //...
184             }
185             // Terminate libcds
186             cds::Terminate();
187         }
188         \endcode
189
190         Each thread that deals with RCU-based container should be initialized first:
191         \code
192         #include <cds/urcu/general_buffered.h>
193         int myThreadEntryPoint(void *)
194         {
195             // Attach the thread to libcds infrastructure
196             cds::threading::Manager::attachThread();
197
198             // Now you can use RCU-based containers in the thread
199             //...
200
201             // Detach thread when terminating
202             cds::threading::Manager::detachThread();
203         }
204         \endcode
205     */
206     namespace urcu {
207
208 #   if CDS_OS_INTERFACE == CDS_OSI_UNIX || defined(CDS_DOXYGEN_INVOKED)
209 #       define CDS_URCU_SIGNAL_HANDLING_ENABLED 1
210 #   endif
211
212         /// General-purpose URCU type
213         struct general_purpose_rcu {
214             //@cond
215             static uint32_t const c_nControlBit = 0x80000000;
216             static uint32_t const c_nNestMask   = c_nControlBit - 1;
217             //@endcond
218         };
219
220 #   ifdef CDS_URCU_SIGNAL_HANDLING_ENABLED
221         /// Signal-handling URCU type
222         struct signal_handling_rcu {
223             //@cond
224             static uint32_t const c_nControlBit = 0x80000000;
225             static uint32_t const c_nNestMask   = c_nControlBit - 1;
226             //@endcond
227         };
228 #   endif
229
230         /// Tag for general_instant URCU
231         struct general_instant_tag: public general_purpose_rcu {
232             typedef general_purpose_rcu     rcu_class ; ///< The URCU type
233         };
234
235         /// Tag for general_buffered URCU
236         struct general_buffered_tag: public general_purpose_rcu
237         {
238             typedef general_purpose_rcu     rcu_class ; ///< The URCU type
239         };
240
241         /// Tag for general_threaded URCU
242         struct general_threaded_tag: public general_purpose_rcu {
243             typedef general_purpose_rcu     rcu_class ; ///< The URCU type
244         };
245
246 #   ifdef CDS_URCU_SIGNAL_HANDLING_ENABLED
247         /// Tag for signal_buffered URCU
248         struct signal_buffered_tag: public signal_handling_rcu {
249                 typedef signal_handling_rcu     rcu_class ; ///< The URCU type
250         };
251
252         /// Tag for signal_threaded URCU
253         struct signal_threaded_tag: public signal_handling_rcu {
254             typedef signal_handling_rcu     rcu_class ; ///< The URCU type
255         };
256 #   endif
257
258         ///@anchor cds_urcu_retired_ptr Retired pointer, i.e. pointer that ready for reclamation
259         typedef cds::gc::details::retired_ptr   retired_ptr;
260
261         /// Pointer to function to free (destruct and deallocate) retired pointer of specific type
262         typedef cds::gc::details::free_retired_ptr_func free_retired_ptr_func;
263
264         //@cond
265         /// Implementation-specific URCU details
266         namespace details {
267             /// forward declarations
268             template <typename RCUtag>
269             struct thread_data;
270
271             template <typename RCUtag>
272             class thread_gc;
273
274             template <typename RCUtag >
275             class singleton;
276
277             //@cond
278             class singleton_vtbl {
279             protected:
280                 virtual ~singleton_vtbl()
281                 {}
282             public:
283                 virtual void retire_ptr( retired_ptr& p ) = 0;
284             };
285
286             class gc_common
287             {
288             public:
289                 template <typename MarkedPtr> using atomic_marked_ptr = atomics::atomic<MarkedPtr>;
290             };
291             //@endcond
292
293             //@cond
294             template <typename ThreadData>
295             struct thread_list_record {
296                 ThreadData *    m_pNext ;  ///< Next item in thread list
297                 atomics::atomic<OS::ThreadId>    m_idOwner   ; ///< Owner thread id; 0 - the record is free (not owned)
298
299                 thread_list_record()
300                     : m_pNext( nullptr )
301                     , m_idOwner( cds::OS::c_NullThreadId )
302                 {}
303
304                 ~thread_list_record()
305                 {}
306             };
307             //@endcond
308
309             //@cond
310             template <typename RCUtag, class Alloc = CDS_DEFAULT_ALLOCATOR >
311             class thread_list {
312             public:
313                 typedef thread_data<RCUtag>         thread_record;
314                 typedef cds::details::Allocator< thread_record, Alloc >   allocator_type;
315
316             private:
317                 atomics::atomic<thread_record *>   m_pHead;
318
319             public:
320                 thread_list()
321                     : m_pHead( nullptr )
322                 {}
323
324                 ~thread_list()
325                 {
326                     destroy();
327                 }
328
329                 thread_record * alloc()
330                 {
331                     thread_record * pRec;
332                     cds::OS::ThreadId const nullThreadId = cds::OS::c_NullThreadId;
333                     cds::OS::ThreadId const curThreadId  = cds::OS::getCurrentThreadId();
334
335                     // First try to reuse a retired (non-active) HP record
336                     for ( pRec = m_pHead.load( atomics::memory_order_acquire ); pRec; pRec = pRec->m_list.m_pNext ) {
337                         cds::OS::ThreadId thId = nullThreadId;
338                         if ( !pRec->m_list.m_idOwner.compare_exchange_strong( thId, curThreadId, atomics::memory_order_seq_cst, atomics::memory_order_relaxed ) )
339                             continue;
340                         return pRec;
341                     }
342
343                     // No records available for reuse
344                     // Allocate and push a new record
345                     pRec = allocator_type().New();
346                     pRec->m_list.m_idOwner.store( curThreadId, atomics::memory_order_relaxed );
347
348                     atomics::atomic_thread_fence( atomics::memory_order_release );
349
350                     thread_record * pOldHead = m_pHead.load( atomics::memory_order_acquire );
351                     do {
352                         pRec->m_list.m_pNext = pOldHead;
353                     } while ( !m_pHead.compare_exchange_weak( pOldHead, pRec, atomics::memory_order_release, atomics::memory_order_relaxed ));
354
355                     return pRec;
356                 }
357
358                 void retire( thread_record * pRec )
359                 {
360                     assert( pRec != nullptr );
361                     pRec->m_list.m_idOwner.store( cds::OS::c_NullThreadId, atomics::memory_order_release );
362                 }
363
364                 void detach_all()
365                 {
366                     thread_record * pNext = nullptr;
367                     cds::OS::ThreadId const nullThreadId = cds::OS::c_NullThreadId;
368
369                     for ( thread_record * pRec = m_pHead.load(atomics::memory_order_acquire); pRec; pRec = pNext ) {
370                         pNext = pRec->m_list.m_pNext;
371                         if ( pRec->m_list.m_idOwner.load(atomics::memory_order_relaxed) != nullThreadId ) {
372                             retire( pRec );
373                         }
374                     }
375                 }
376
377                 thread_record * head( atomics::memory_order mo ) const
378                 {
379                     return m_pHead.load( mo );
380                 }
381
382             private:
383                 void destroy()
384                 {
385                     allocator_type al;
386                     CDS_DEBUG_ONLY( cds::OS::ThreadId const nullThreadId = cds::OS::c_NullThreadId; )
387                     CDS_DEBUG_ONLY( cds::OS::ThreadId const mainThreadId = cds::OS::getCurrentThreadId() ;)
388
389                     thread_record * p = m_pHead.exchange( nullptr, atomics::memory_order_seq_cst );
390                     while ( p ) {
391                         thread_record * pNext = p->m_list.m_pNext;
392
393                         assert( p->m_list.m_idOwner.load( atomics::memory_order_relaxed ) == nullThreadId
394                             || p->m_list.m_idOwner.load( atomics::memory_order_relaxed ) == mainThreadId
395                             || !cds::OS::isThreadAlive( p->m_list.m_idOwner.load( atomics::memory_order_relaxed ) )
396                             );
397
398                         al.Delete( p );
399                         p = pNext;
400                     }
401                 }
402             };
403             //@endcond
404
405             //@cond
406             template <class ThreadGC>
407             class scoped_lock {
408             public:
409                 typedef ThreadGC                    thread_gc;
410                 typedef typename thread_gc::rcu_tag rcu_tag;
411
412                 bool m_bLocked;
413             public:
414                 scoped_lock(bool bLock = true)
415                     : m_bLocked( bLock )
416                 {
417                     if ( bLock )
418                         thread_gc::access_lock();
419                 }
420
421                 ~scoped_lock()
422                 {
423                     if ( m_bLocked )
424                         thread_gc::access_unlock();
425                 }
426             };
427             //@endcond
428         } // namespace details
429         //@endcond
430
431         // forwards
432         //@cond
433         template <typename RCUimpl> class gc;
434         //@endcond
435
436         /// Epoch-based retired ptr
437         /**
438             Retired pointer with additional epoch field that prevents early reclamation.
439             This type of retired pointer is used in buffered RCU implementations.
440         */
441         struct epoch_retired_ptr: public retired_ptr
442         {
443             uint64_t    m_nEpoch ;  ///< The epoch when the object has been retired
444
445             //@cond
446             epoch_retired_ptr()
447             {}
448             //@endcond
449
450             /// Constructor creates a copy of \p rp retired pointer and saves \p nEpoch reclamation epoch.
451             epoch_retired_ptr( retired_ptr const& rp, uint64_t nEpoch )
452                 : retired_ptr( rp )
453                 , m_nEpoch( nEpoch )
454             {}
455         };
456
457     } // namespace urcu
458 } // namespace cds
459
460 #endif // #ifndef _CDS_URCU_DETAILS_BASE_H