2013-09-27 Richard Biener <rguenther@suse.de>
[official-gcc.git] / libitm / libitm.texi
blob276cb939937d092ec122f461adeb732d1caa781b
1 \input texinfo @c -*-texinfo-*-
3 @c %**start of header
4 @setfilename libitm.info
5 @settitle GNU libitm
6 @c %**end of header
9 @copying
10 Copyright @copyright{} 2011-2013 Free Software Foundation, Inc.
12 Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document
13 under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or
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15 Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts.
16 A copy of the license is included in the section entitled ``GNU
17 Free Documentation License''.
18 @end copying
20 @ifinfo
21 @dircategory GNU Libraries
22 @direntry
23 * libitm: (libitm).                    GNU Transactional Memory Library
24 @end direntry
26 This manual documents the GNU Transactional Memory Library.
28 @insertcopying
29 @end ifinfo
32 @setchapternewpage odd
34 @titlepage
35 @title The GNU Transactional Memory Library
36 @page
37 @vskip 0pt plus 1filll
38 @comment For the @value{version-GCC} Version*
39 @sp 1
40 @insertcopying
41 @end titlepage
43 @summarycontents
44 @contents
45 @page
48 @node Top
49 @top Introduction
50 @cindex Introduction
52 This manual documents the usage and internals of libitm, the GNU Transactional
53 Memory Library. It provides transaction support for accesses to a process'
54 memory, enabling easy-to-use synchronization of accesses to shared memory by
55 several threads.
58 @comment
59 @comment  When you add a new menu item, please keep the right hand
60 @comment  aligned to the same column.  Do not use tabs.  This provides
61 @comment  better formatting.
62 @comment
63 @menu
64 * Enabling libitm::            How to enable libitm for your applications.
65 * C/C++ Language Constructs for TM::
66                                Notes on the language-level interface supported
67                                by gcc.
68 * The libitm ABI::             Notes on the external ABI provided by libitm.
69 * Internals::                  Notes on libitm's internal synchronization.
70 * GNU Free Documentation License::
71                                How you can copy and share this manual.
72 * Index::                      Index of this documentation.
73 @end menu
76 @c ---------------------------------------------------------------------
77 @c Enabling libitm
78 @c ---------------------------------------------------------------------
80 @node Enabling libitm
81 @chapter Enabling libitm
83 To activate support for TM in C/C++, the compile-time flag @option{-fgnu-tm}
84 must be specified. This enables TM language-level constructs such as
85 transaction statements (e.g., @code{__transaction_atomic}, @pxref{C/C++
86 Language Constructs for TM} for details).
88 @c ---------------------------------------------------------------------
89 @c C/C++ Language Constructs for TM
90 @c ---------------------------------------------------------------------
92 @node C/C++ Language Constructs for TM
93 @chapter C/C++ Language Constructs for TM
95 Transactions are supported in C++ and C in the form of transaction statements,
96 transaction expressions, and function transactions. In the following example,
97 both @code{a} and @code{b} will be read and the difference will be written to
98 @code{c}, all atomically and isolated from other transactions:
100 @example
101 __transaction_atomic @{ c = a - b; @}
102 @end example
104 Therefore, another thread can use the following code to concurrently update
105 @code{b} without ever causing @code{c} to hold a negative value (and without
106 having to use other synchronization constructs such as locks or C++11
107 atomics):
109 @example
110 __transaction_atomic @{ if (a > b) b++; @}
111 @end example
113 GCC follows the @uref{https://sites.google.com/site/tmforcplusplus/, Draft
114 Specification of Transactional Language Constructs for C++ (v1.1)} in its
115 implementation of transactions.
117 The precise semantics of transactions are defined in terms of the C++11/C11
118 memory model (see the specification). Roughly, transactions provide
119 synchronization guarantees that are similar to what would be guaranteed when
120 using a single global lock as a guard for all transactions. Note that like
121 other synchronization constructs in C/C++, transactions rely on a
122 data-race-free program (e.g., a nontransactional write that is concurrent
123 with a transactional read to the same memory location is a data race).
125 @c ---------------------------------------------------------------------
126 @c The libitm ABI
127 @c ---------------------------------------------------------------------
129 @node The libitm ABI
130 @chapter The libitm ABI
132 The ABI provided by libitm is basically equal to the Linux variant of Intel's
133 current TM ABI specification document (Revision 1.1, May 6 2009) but with the
134 differences listed in this chapter. It would be good if these changes would
135 eventually be merged into a future version of this specification. To ease
136 look-up, the following subsections mirror the structure of this specification.
138 @section [No changes] Objectives
139 @section [No changes] Non-objectives
141 @section Library design principles
142 @subsection [No changes] Calling conventions
143 @subsection [No changes] TM library algorithms
144 @subsection [No changes] Optimized load and store routines
145 @subsection [No changes] Aligned load and store routines
147 @subsection Data logging functions
149 The memory locations accessed with transactional loads and stores and the
150 memory locations whose values are logged must not overlap. This required
151 separation only extends to the scope of the execution of one transaction
152 including all the executions of all nested transactions.
154 The compiler must be consistent (within the scope of a single transaction)
155 about which memory locations are shared and which are not shared with other
156 threads (i.e., data must be accessed either transactionally or
157 nontransactionally). Otherwise, non-write-through TM algorithms would not work.
159 For memory locations on the stack, this requirement extends to only the
160 lifetime of the stack frame that the memory location belongs to (or the
161 lifetime of the transaction, whichever is shorter).  Thus, memory that is
162 reused for several stack frames could be target of both data logging and
163 transactional accesses; however, this is harmless because these stack frames'
164 lifetimes will end before the transaction finishes.
166 @subsection [No changes] Scatter/gather calls
167 @subsection [No changes] Serial and irrevocable mode
168 @subsection [No changes] Transaction descriptor
169 @subsection Store allocation
171 There is no @code{getTransaction} function. 
173 @subsection [No changes] Naming conventions
175 @subsection Function pointer encryption
177 Currently, this is not implemented.
180 @section Types and macros list
182 @code{_ITM_codeProperties} has changed, @pxref{txn-code-properties,,Starting a
183 transaction}.
184 @code{_ITM_srcLocation} is not used. 
187 @section Function list
189 @subsection Initialization and finalization functions
190 These functions are not part of the ABI.
192 @subsection [No changes] Version checking
193 @subsection [No changes] Error reporting
194 @subsection [No changes] inTransaction call
196 @subsection State manipulation functions
197 There is no @code{getTransaction} function. Transaction identifiers for
198 nested transactions will be ordered but not necessarily sequential (i.e., for
199 a nested transaction's identifier @var{IN} and its enclosing transaction's
200 identifier @var{IE}, it is guaranteed that @math{IN >= IE}).
202 @subsection [No changes] Source locations
204 @subsection Starting a transaction
206 @subsubsection Transaction code properties
208 @anchor{txn-code-properties}
209 The bit @code{hasNoXMMUpdate} is instead called @code{hasNoVectorUpdate}.
210 Iff it is set, vector register save/restore is not necessary for any target
211 machine.
213 The @code{hasNoFloatUpdate} bit (@code{0x0010}) is new. Iff it is set, floating
214 point register save/restore is not necessary for any target machine.
216 @code{undoLogCode} is not supported and a fatal runtime error will be raised
217 if this bit is set. It is not properly defined in the ABI why barriers
218 other than undo logging are not present; Are they not necessary (e.g., a
219 transaction operating purely on thread-local data) or have they been omitted by
220 the compiler because it thinks that some kind of global synchronization
221 (e.g., serial mode) might perform better? The specification suggests that the
222 latter might be the case, but the former seems to be more useful.
224 The @code{readOnly} bit (@code{0x4000}) is new. @strong{TODO} Lexical or dynamic
225 scope?
227 @code{hasNoRetry} is not supported. If this bit is not set, but
228 @code{hasNoAbort} is set, the library can assume that transaction
229 rollback will not be requested.
231 It would be useful if the absence of externally-triggered rollbacks would be
232 reported for the dynamic scope as well, not just for the lexical scope
233 (@code{hasNoAbort}). Without this, a library cannot exploit this together
234 with flat nesting.
236 @code{exceptionBlock} is not supported because exception blocks are not used.
238 @subsubsection [No changes] Windows exception state
239 @subsubsection [No changes] Other machine state
241 @subsubsection [No changes] Results from beginTransaction
243 @subsection Aborting a transaction
245 @code{_ITM_rollbackTransaction} is not supported. @code{_ITM_abortTransaction}
246 is supported but the abort reasons @code{exceptionBlockAbort},
247 @code{TMConflict}, and @code{userRetry} are not supported. There are no
248 exception blocks in general, so the related cases also do not have to be
249 considered. To encode @code{__transaction_cancel [[outer]]}, compilers must
250 set the new @code{outerAbort} bit (@code{0x10}) additionally to the
251 @code{userAbort} bit in the abort reason.
253 @subsection Committing a transaction
255 The exception handling (EH) scheme is different. The Intel ABI requires the
256 @code{_ITM_tryCommitTransaction} function that will return even when the
257 commit failed and will have to be matched with calls to either
258 @code{_ITM_abortTransaction} or @code{_ITM_commitTransaction}. In contrast,
259 gcc relies on transactional wrappers for the functions of the Exception
260 Handling ABI and on one additional commit function (shown below). This allows
261 the TM to keep track of EH internally and thus it does not have to embed the
262 cleanup of EH state into the existing EH code in the program.
263 @code{_ITM_tryCommitTransaction} is not supported.
264 @code{_ITM_commitTransactionToId} is also not supported because the
265 propagation of thrown exceptions will not bypass commits of nested
266 transactions.
268 @example
269 void _ITM_commitTransactionEH(void *exc_ptr) ITM_REGPARM;
270 void *_ITM_cxa_allocate_exception (size_t);
271 void _ITM_cxa_throw (void *obj, void *tinfo, void *dest);
272 void *_ITM_cxa_begin_catch (void *exc_ptr);
273 void _ITM_cxa_end_catch (void);
274 @end example
276 @code{_ITM_commitTransactionEH} must be called to commit a transaction if an
277 exception could be in flight at this position in the code. @code{exc_ptr} is
278 the current exception or zero if there is no current exception.
279 The @code{_ITM_cxa...} functions are transactional wrappers for the respective
280 @code{__cxa...} functions and must be called instead of these in transactional
281 code.
283 To support this EH scheme, libstdc++ needs to provide one additional function
284 (@code{_cxa_tm_cleanup}), which is used by the TM to clean up the exception
285 handling state while rolling back a transaction:
287 @example
288 void __cxa_tm_cleanup (void *unthrown_obj, void *cleanup_exc,
289                        unsigned int caught_count);
290 @end example
292 @code{unthrown_obj} is non-null if the program called
293 @code{__cxa_allocate_exception} for this exception but did not yet called
294 @code{__cxa_throw} for it. @code{cleanup_exc} is non-null if the program is
295 currently processing a cleanup along an exception path but has not caught this
296 exception yet. @code{caught_count} is the nesting depth of
297 @code{__cxa_begin_catch} within the transaction (which can be counted by the TM
298 using @code{_ITM_cxa_begin_catch} and @code{_ITM_cxa_end_catch});
299 @code{__cxa_tm_cleanup} then performs rollback by essentially performing
300 @code{__cxa_end_catch} that many times.
304 @subsection Exception handling support
306 Currently, there is no support for functionality like
307 @code{__transaction_cancel throw} as described in the C++ TM specification.
308 Supporting this should be possible with the EH scheme explained previously
309 because via the transactional wrappers for the EH ABI, the TM is able to
310 observe and intercept EH.
313 @subsection [No changes] Transition to serial--irrevocable mode
314 @subsection [No changes] Data transfer functions
315 @subsection [No changes] Transactional memory copies
317 @subsection Transactional versions of memmove
319 If either the source or destination memory region is to be accessed
320 nontransactionally, then source and destination regions must not be
321 overlapping. The respective @code{_ITM_memmove} functions are still
322 available but a fatal runtime error will be raised if such regions do overlap.
323 To support this functionality, the ABI would have to specify how the
324 intersection of the regions has to be accessed (i.e., transactionally or
325 nontransactionally).
327 @subsection [No changes] Transactional versions of memset
328 @subsection [No changes] Logging functions
330 @subsection User-registered commit and undo actions
332 Commit actions will get executed in the same order in which the respective
333 calls to @code{_ITM_addUserCommitAction} happened. Only
334 @code{_ITM_noTransactionId} is allowed as value for the
335 @code{resumingTransactionId} argument. Commit actions get executed after
336 privatization safety has been ensured.
338 Undo actions will get executed in reverse order compared to the order in which
339 the respective calls to @code{_ITM_addUserUndoAction} happened. The ordering of
340 undo actions w.r.t. the roll-back of other actions (e.g., data transfers or
341 memory allocations) is undefined.
343 @code{_ITM_getThreadnum} is not supported currently because its only purpose
344 is to provide a thread ID that matches some assumed performance tuning output,
345 but this output is not part of the ABI nor further defined by it.
347 @code{_ITM_dropReferences} is not supported currently because its semantics and
348 the intention behind it is not entirely clear. The
349 specification suggests that this function is necessary because of certain
350 orderings of data transfer undos and the releasing of memory regions (i.e.,
351 privatization). However, this ordering is never defined, nor is the ordering of
352 dropping references w.r.t. other events.
354 @subsection [New] Transactional indirect calls
356 Indirect calls (i.e., calls through a function pointer) within transactions
357 should execute the transactional clone of the original function (i.e., a clone
358 of the original that has been fully instrumented to use the TM runtime), if
359 such a clone is available. The runtime provides two functions to
360 register/deregister clone tables:
362 @example
363 struct clone_entry
365   void *orig, *clone;
368 void _ITM_registerTMCloneTable (clone_entry *table, size_t entries);
369 void _ITM_deregisterTMCloneTable (clone_entry *table);
370 @end example
372 Registered tables must be writable by the TM runtime, and must be live
373 throughout the life-time of the TM runtime.
375 @strong{TODO} The intention was always to drop the registration functions
376 entirely, and create a new ELF Phdr describing the linker-sorted table.  Much
377 like what currently happens for @code{PT_GNU_EH_FRAME}.
378 This work kept getting bogged down in how to represent the @var{N} different
379 code generation variants.  We clearly needed at least two---SW and HW
380 transactional clones---but there was always a suggestion of more variants for
381 different TM assumptions/invariants.
383 The compiler can then use two TM runtime functions to perform indirect calls in
384 transactions:
385 @example
386 void *_ITM_getTMCloneOrIrrevocable (void *function) ITM_REGPARM;
387 void *_ITM_getTMCloneSafe (void *function) ITM_REGPARM;
388 @end example
390 If there is a registered clone for supplied function, both will return a
391 pointer to the clone. If not, the first runtime function will attempt to switch
392 to serial--irrevocable mode and return the original pointer, whereas the second
393 will raise a fatal runtime error.
395 @subsection [New] Transactional dynamic memory management
397 @example
398 void *_ITM_malloc (size_t)
399        __attribute__((__malloc__)) ITM_PURE;
400 void *_ITM_calloc (size_t, size_t)
401        __attribute__((__malloc__)) ITM_PURE;
402 void _ITM_free (void *) ITM_PURE;
403 @end example
405 These functions are essentially transactional wrappers for @code{malloc},
406 @code{calloc}, and @code{free}. Within transactions, the compiler should
407 replace calls to the original functions with calls to the wrapper functions.
410 @section [No changes] Future Enhancements to the ABI
412 @section Sample code 
414 The code examples might not be correct w.r.t. the current version of the ABI,
415 especially everything related to exception handling.
418 @section [New] Memory model
420 The ABI should define a memory model and the ordering that is guaranteed for
421 data transfers and commit/undo actions, or at least refer to another memory
422 model that needs to be preserved. Without that, the compiler cannot ensure the
423 memory model specified on the level of the programming language (e.g., by the
424 C++ TM specification).
426 For example, if a transactional load is ordered before another load/store, then
427 the TM runtime must also ensure this ordering when accessing shared state. If
428 not, this might break the kind of publication safety used in the C++ TM
429 specification. Likewise, the TM runtime must ensure privatization safety.
433 @c ---------------------------------------------------------------------
434 @c Internals
435 @c ---------------------------------------------------------------------
437 @node Internals
438 @chapter Internals
440 @section TM methods and method groups
442 libitm supports several ways of synchronizing transactions with each other.
443 These TM methods (or TM algorithms) are implemented in the form of
444 subclasses of @code{abi_dispatch}, which provide methods for
445 transactional loads and stores as well as callbacks for rollback and commit.
446 All methods that are compatible with each other (i.e., that let concurrently
447 running transactions still synchronize correctly even if different methods
448 are used) belong to the same TM method group. Pointers to TM methods can be
449 obtained using the factory methods prefixed with @code{dispatch_} in
450 @file{libitm_i.h}. There are two special methods, @code{dispatch_serial} and
451 @code{dispatch_serialirr}, that are compatible with all methods because they
452 run transactions completely in serial mode.
454 @subsection TM method life cycle
456 The state of TM methods does not change after construction, but they do alter
457 the state of transactions that use this method. However, because
458 per-transaction data gets used by several methods, @code{gtm_thread} is
459 responsible for setting an initial state that is useful for all methods.
460 After that, methods are responsible for resetting/clearing this state on each
461 rollback or commit (of outermost transactions), so that the transaction
462 executed next is not affected by the previous transaction.
464 There is also global state associated with each method group, which is
465 initialized and shut down (@code{method_group::init()} and @code{fini()})
466 when switching between method groups (see @file{retry.cc}).
468 @subsection Selecting the default method
470 The default method that libitm uses for freshly started transactions (but
471 not necessarily for restarted transactions) can be set via an environment
472 variable (@env{ITM_DEFAULT_METHOD}), whose value should be equal to the name
473 of one of the factory methods returning abi_dispatch subclasses but without
474 the "dispatch_" prefix (e.g., "serialirr" instead of
475 @code{GTM::dispatch_serialirr()}).
477 Note that this environment variable is only a hint for libitm and might not
478 be supported in the future.
481 @section Nesting: flat vs. closed
483 We support two different kinds of nesting of transactions. In the case of
484 @emph{flat nesting}, the nesting structure is flattened and all nested
485 transactions are subsumed by the enclosing transaction. In contrast,
486 with @emph{closed nesting}, nested transactions that have not yet committed
487 can be rolled back separately from the enclosing transactions; when they
488 commit, they are subsumed by the enclosing transaction, and their effects
489 will be finally committed when the outermost transaction commits.
490 @emph{Open nesting} (where nested transactions can commit independently of the
491 enclosing transactions) are not supported.
493 Flat nesting is the default nesting mode, but closed nesting is supported and
494 used when transactions contain user-controlled aborts
495 (@code{__transaction_cancel} statements). We assume that user-controlled
496 aborts are rare in typical code and used mostly in exceptional situations.
497 Thus, it makes more sense to use flat nesting by default to avoid the
498 performance overhead of the additional checkpoints required for closed
499 nesting. User-controlled aborts will correctly abort the innermost enclosing
500 transaction, whereas the whole (i.e., outermost) transaction will be restarted
501 otherwise (e.g., when a transaction encounters data conflicts during
502 optimistic execution).
505 @section Locking conventions
507 This section documents the locking scheme and rules for all uses of locking
508 in libitm. We have to support serial(-irrevocable) mode, which is implemented
509 using a global lock as explained next (called the @emph{serial lock}). To
510 simplify the overall design, we use the same lock as catch-all locking
511 mechanism for other infrequent tasks such as (de)registering clone tables or
512 threads. Besides the serial lock, there are @emph{per-method-group locks} that
513 are managed by specific method groups (i.e., groups of similar TM concurrency
514 control algorithms), and lock-like constructs for quiescence-based operations
515 such as ensuring privatization safety.
517 Thus, the actions that participate in the libitm-internal locking are either
518 @emph{active transactions} that do not run in serial mode, @emph{serial
519 transactions} (which (are about to) run in serial mode), and management tasks
520 that do not execute within a transaction but have acquired the serial mode
521 like a serial transaction would do (e.g., to be able to register threads with
522 libitm). Transactions become active as soon as they have successfully used the
523 serial lock to announce this globally (@pxref{serial-lock-impl,,Serial lock
524 implementation}). Likewise, transactions become serial transactions as soon as
525 they have acquired the exclusive rights provided by the serial lock (i.e.,
526 serial mode, which also means that there are no other concurrent active or
527 serial transactions). Note that active transactions can become serial
528 transactions when they enter serial mode during the runtime of the
529 transaction.
531 @subsection State-to-lock mapping
533 Application data is protected by the serial lock if there is a serial
534 transaction and no concurrently running active transaction (i.e., non-serial).
535 Otherwise, application data is protected by the currently selected method
536 group, which might use per-method-group locks or other mechanisms. Also note
537 that application data that is about to be privatized might not be allowed to be
538 accessed by nontransactional code until privatization safety has been ensured;
539 the details of this are handled by the current method group.
541 libitm-internal state is either protected by the serial lock or accessed
542 through custom concurrent code. The latter applies to the public/shared part
543 of a transaction object and most typical method-group-specific state.
545 The former category (protected by the serial lock) includes:
546 @itemize @bullet
547 @item The list of active threads that have used transactions.
548 @item The tables that map functions to their transactional clones.
549 @item The current selection of which method group to use.
550 @item Some method-group-specific data, or invariants of this data. For example,
551 resetting a method group to its initial state is handled by switching to the
552 same method group, so the serial lock protects such resetting as well.
553 @end itemize
554 In general, such state is immutable whenever there exists an active
555 (non-serial) transaction. If there is no active transaction, a serial
556 transaction (or a thread that is not currently executing a transaction but has
557 acquired the serial lock) is allowed to modify this state (but must of course
558 be careful to not surprise the current method group's implementation with such
559 modifications).
561 @subsection Lock acquisition order
563 To prevent deadlocks, locks acquisition must happen in a globally agreed-upon
564 order. Note that this applies to other forms of blocking too, but does not
565 necessarily apply to lock acquisitions that do not block (e.g., trylock()
566 calls that do not get retried forever). Note that serial transactions are
567 never return back to active transactions until the transaction has committed.
568 Likewise, active transactions stay active until they have committed.
569 Per-method-group locks are typically also not released before commit.
571 Lock acquisition / blocking rules:
572 @itemize @bullet
574 @item Transactions must become active or serial before they are allowed to
575 use method-group-specific locks or blocking (i.e., the serial lock must be
576 acquired before those other locks, either in serial or nonserial mode).
578 @item Any number of threads that do not currently run active transactions can
579 block while trying to get the serial lock in exclusive mode. Note that active
580 transactions must not block when trying to upgrade to serial mode unless there
581 is no other transaction that is trying that (the latter is ensured by the
582 serial lock implementation.
584 @item Method groups must prevent deadlocks on their locks. In particular, they
585 must also be prepared for another active transaction that has acquired
586 method-group-specific locks but is blocked during an attempt to upgrade to
587 being a serial transaction. See below for details.
589 @item Serial transactions can acquire method-group-specific locks because there
590 will be no other active nor serial transaction.
592 @end itemize
594 There is no single rule for per-method-group blocking because this depends on
595 when a TM method might acquire locks. If no active transaction can upgrade to
596 being a serial transaction after it has acquired per-method-group locks (e.g.,
597 when those locks are only acquired during an attempt to commit), then the TM
598 method does not need to consider a potential deadlock due to serial mode.
600 If there can be upgrades to serial mode after the acquisition of
601 per-method-group locks, then TM methods need to avoid those deadlocks:
602 @itemize @bullet
603 @item When upgrading to a serial transaction, after acquiring exclusive rights
604 to the serial lock but before waiting for concurrent active transactions to
605 finish (@pxref{serial-lock-impl,,Serial lock implementation} for details),
606 we have to wake up all active transactions waiting on the upgrader's
607 per-method-group locks.
608 @item Active transactions blocking on per-method-group locks need to check the
609 serial lock and abort if there is a pending serial transaction.
610 @item Lost wake-ups have to be prevented (e.g., by changing a bit in each
611 per-method-group lock before doing the wake-up, and only blocking on this lock
612 using a futex if this bit is not group).
613 @end itemize
615 @strong{TODO}: Can reuse serial lock for gl-*? And if we can, does it make
616 sense to introduce further complexity in the serial lock? For gl-*, we can
617 really only avoid an abort if we do -wb and -vbv.
620 @subsection Serial lock implementation
621 @anchor{serial-lock-impl}
623 The serial lock implementation is optimized towards assuming that serial
624 transactions are infrequent and not the common case. However, the performance
625 of entering serial mode can matter because when only few transactions are run
626 concurrently or if there are few threads, then it can be efficient to run
627 transactions serially.
629 The serial lock is similar to a multi-reader-single-writer lock in that there
630 can be several active transactions but only one serial transaction. However,
631 we do want to avoid contention (in the lock implementation) between active
632 transactions, so we split up the reader side of the lock into per-transaction
633 flags that are true iff the transaction is active. The exclusive writer side
634 remains a shared single flag, which is acquired using a CAS, for example.
635 On the fast-path, the serial lock then works similar to Dekker's algorithm but
636 with several reader flags that a serial transaction would have to check.
637 A serial transaction thus requires a list of all threads with potentially
638 active transactions; we can use the serial lock itself to protect this list
639 (i.e., only threads that have acquired the serial lock can modify this list).
641 We want starvation-freedom for the serial lock to allow for using it to ensure
642 progress for potentially starved transactions (@pxref{progress-guarantees,,
643 Progress Guarantees} for details). However, this is currently not enforced by
644 the implementation of the serial lock.
646 Here is pseudo-code for the read/write fast paths of acquiring the serial
647 lock (read-to-write upgrade is similar to write_lock:
648 @example
649 // read_lock:
650 tx->shared_state |= active;
651 __sync_synchronize(); // or STLD membar, or C++0x seq-cst fence
652 while (!serial_lock.exclusive)
653   if (spinning_for_too_long) goto slowpath;
655 // write_lock:
656 if (CAS(&serial_lock.exclusive, 0, this) != 0)
657   goto slowpath; // writer-writer contention
658 // need a membar here, but CAS already has full membar semantics
659 bool need_blocking = false;
660 for (t: all txns)
661   @{
662     for (;t->shared_state & active;)
663       if (spinning_for_too_long) @{ need_blocking = true; break; @}
664   @}
665 if (need_blocking) goto slowpath;
666 @end example
668 Releasing a lock in this spin-lock version then just consists of resetting
669 @code{tx->shared_state} to inactive or clearing @code{serial_lock.exclusive}.
671 However, we can't rely on a pure spinlock because we need to get the OS
672 involved at some time (e.g., when there are more threads than CPUs to run on).
673 Therefore, the real implementation falls back to a blocking slow path, either
674 based on pthread mutexes or Linux futexes.
677 @subsection Reentrancy
679 libitm has to consider the following cases of reentrancy:
680 @itemize @bullet
682 @item Transaction calls unsafe code that starts a new transaction: The outer
683 transaction will become a serial transaction before executing unsafe code.
684 Therefore, nesting within serial transactions must work, even if the nested
685 transaction is called from within uninstrumented code.
687 @item Transaction calls either a transactional wrapper or safe code, which in
688 turn starts a new transaction: It is not yet defined in the specification
689 whether this is allowed. Thus, it is undefined whether libitm supports this.
691 @item Code that starts new transactions might be called from within any part
692 of libitm: This kind of reentrancy would likely be rather complex and can
693 probably be avoided. Therefore, it is not supported.
695 @end itemize
697 @subsection Privatization safety
699 Privatization safety is ensured by libitm using a quiescence-based approach.
700 Basically, a privatizing transaction waits until all concurrent active
701 transactions will either have finished (are not active anymore) or operate on
702 a sufficiently recent snapshot to not access the privatized data anymore. This
703 happens after the privatizing transaction has stopped being an active
704 transaction, so waiting for quiescence does not contribute to deadlocks.
706 In method groups that need to ensure publication safety explicitly, active
707 transactions maintain a flag or timestamp in the public/shared part of the
708 transaction descriptor. Before blocking, privatizers need to let the other
709 transactions know that they should wake up the privatizer.
711 @strong{TODO} Ho to implement the waiters? Should those flags be
712 per-transaction or at a central place? We want to avoid one wake/wait call
713 per active transactions, so we might want to use either a tree or combining
714 to reduce the syscall overhead, or rather spin for a long amount of time
715 instead of doing blocking. Also, it would be good if only the last transaction
716 that the privatizer waits for would do the wake-up.
718 @subsection Progress guarantees
719 @anchor{progress-guarantees}
721 Transactions that do not make progress when using the current TM method will
722 eventually try to execute in serial mode. Thus, the serial lock's progress
723 guarantees determine the progress guarantees of the whole TM. Obviously, we at
724 least need deadlock-freedom for the serial lock, but it would also be good to
725 provide starvation-freedom (informally, all threads will finish executing a
726 transaction eventually iff they get enough cycles).
728 However, the scheduling of transactions (e.g., thread scheduling by the OS)
729 also affects the handling of progress guarantees by the TM. First, the TM
730 can only guarantee deadlock-freedom if threads do not get stopped. Likewise,
731 low-priority threads can starve if they do not get scheduled when other
732 high-priority threads get those cycles instead.
734 If all threads get scheduled eventually, correct lock implementations will
735 provide deadlock-freedom, but might not provide starvation-freedom. We can
736 either enforce the latter in the TM's lock implementation, or assume that
737 the scheduling is sufficiently random to yield a probabilistic guarantee that
738 no thread will starve (because eventually, a transaction will encounter a
739 scheduling that will allow it to run). This can indeed work well in practice
740 but is not necessarily guaranteed to work (e.g., simple spin locks can be
741 pretty efficient).
743 Because enforcing stronger progress guarantees in the TM has a higher runtime
744 overhead, we focus on deadlock-freedom right now and assume that the threads
745 will get scheduled eventually by the OS (but don't consider threads with
746 different priorities). We should support starvation-freedom for serial
747 transactions in the future. Everything beyond that is highly related to proper
748 contention management across all of the TM (including with TM method to
749 choose), and is future work.
751 @strong{TODO} Handling thread priorities: We want to avoid priority inversion
752 but it's unclear how often that actually matters in practice. Workloads that
753 have threads with different priorities will likely also require lower latency
754 or higher throughput for high-priority threads. Therefore, it probably makes
755 not that much sense (except for eventual progress guarantees) to use
756 priority inheritance until the TM has priority-aware contention management.
759 @c ---------------------------------------------------------------------
760 @c GNU Free Documentation License
761 @c ---------------------------------------------------------------------
763 @include fdl.texi
765 @c ---------------------------------------------------------------------
766 @c Index
767 @c ---------------------------------------------------------------------
769 @node Index
770 @unnumbered Index
772 @printindex cp
774 @bye