libobjc/THREADS

   1 This file describes in little detail the modifications to the
   2 Objective-C runtime needed to make it thread safe.
   3
   4 First off, kudos to Galen Hunt who is the author of this great work.
   5
   6 If you have an comments or just want to know where to
   7 send me money to express your undying gratitude for threading the
   8 Objective-C runtime you can reach Galen at:
   9
  10         gchunt@cs.rochester.edu
  11
  12 Any questions, comments, bug reports, etc. should send email either to the
  13 GCC bug account or to:
  14
  15         Scott Christley <scottc@net-community.com>
  16
  17 * Sarray Threading:
  18
  19 The most critical component of the Objective-C runtime is the sparse array
  20 structure (sarray).  Sarrays store object selectors and implementations.
  21 Following in the tradition of the Objective-C runtime, my threading
  22 support assumes that fast message dispatching is far more important
  23 than *ANY* and *ALL* other operations.  The message dispatching thus
  24 uses *NO* locks on any kind.  In fact, if you look in sarray.h, you
  25 will notice that the message dispatching has not been modified.
  26 Instead, I have modified the sarray management functions so that all
  27 updates to the sarray data structure can be made in parallel will
  28 message dispatching.
  29
  30 To support concurrent message dispatching, no dynamically allocated
  31 sarray data structures are freed while more than one thread is
  32 operational.  Sarray data structures that are no longer in use are
  33 kept in a linked list of garbage and are released whenever the program
  34 is operating with a single thread.  The programmer can also flush the
  35 garbage list by calling sarray_remove_garbage when the programmer can
  36 ensure that no message dispatching is taking place concurrently.  The
  37 amount of un-reclaimed sarray garbage should normally be extremely
  38 small in a real program as sarray structures are freed only when using
  39 the "poseAs" functionality and early in program initialization, which
  40 normally occurs while the program is single threaded.
  41
  42 ******************************************************************************
  43 * Static Variables:
  44
  45 The following variables are either statically or globally defined. This list
  46 does not include variables which are internal to implementation dependent
  47 versions of thread-*.c.
  48
  49 The following threading designations are used:
  50         SAFE   : Implicitly thread safe.
  51         SINGLE : Must only be used in single thread mode.
  52         MUTEX  : Protected by single global mutex objc_runtime_mutex.
  53         UNUSED : Not used in the runtime.
  54
  55 Variable Name:                  Usage:  Defined:        Also used in:
  56 ===========================     ======  ============    =====================
  57 __objc_class_hash               MUTEX   class.c
  58 __objc_class_links_resolved     UNUSED  class.c         runtime.h
  59 __objc_class_number             MUTEX   class.c
  60 __objc_dangling_categories      UNUSED  init.c
  61 __objc_module_list              MUTEX   init.c
  62 __objc_selector_array           MUTEX   selector.c
  63 __objc_selector_hash            MUTEX   selector.c
  64 __objc_selector_max_index       MUTEX   selector.c      sendmsg.c runtime.h
  65 __objc_selector_names           MUTEX   selector.c
  66 __objc_thread_exit_status       SAFE    thread.c
  67 __objc_uninstalled_dtable       MUTEX   sendmsg.c       selector.c
  68 _objc_load_callback             SAFE    init.c          objc-api.h
  69 _objc_lookup_class              SAFE    class.c         objc-api.h
  70 _objc_object_alloc              SINGLE  objects.c       objc-api.h
  71 _objc_object_copy               SINGLE  objects.c       objc-api.h
  72 _objc_object_dispose            SINGLE  objects.c       objc-api.h
  73 frwd_sel                        SAFE2   sendmsg.c
  74 idxsize                         MUTEX   sarray.c        sendmsg.c sarray.h
  75 initialize_sel                  SAFE2   sendmsg.c
  76 narrays                         MUTEX   sarray.c        sendmsg.c sarray.h
  77 nbuckets                        MUTEX   sarray.c        sendmsg.c sarray.h
  78 nindices                        MUTEX   sarray.c        sarray.h
  79 previous_constructors           SAFE1   init.c
  80 proto_class                     SAFE1   init.c
  81 unclaimed_categories            MUTEX   init.c
  82 unclaimed_proto_list            MUTEX   init.c
  83 uninitialized_statics           MUTEX   init.c
  84
  85 Notes:
  86 1) Initialized once in unithread mode.
  87 2) Initialized value will always be same, guaranteed by lock on selector
  88    hash table.
  89
  90
  91 ******************************************************************************
  92 * Frontend/Backend design:
  93
  94 The design of the Objective-C runtime thread and mutex functions utilizes a
  95 frontend/backend implementation.
  96
  97 The frontend, as characterized by the files thr.h and thr.c, is a set
  98 of platform independent structures and functions which represent the
  99 user interface.  Objective-C programs should use these structures and
 100 functions for their thread and mutex work if they wish to maintain a
 101 high degree of portability across platforms.
 102
 103 The backend is composed of a file with the necessary code to map the ObjC
 104 thread and mutex to a platform specific implementation.  For example, the
 105 file thr-solaris.c contains the implementation for Solaris.  When you
 106 configure GCC, it attempts to pick an appropriate backend file for the
 107 target platform; however, you can override this choice by assign the
 108 OBJC_THREAD_FILE make variable to the basename of the backend file.  This
 109 is especially useful on platforms which have multiple thread libraries.
 110 For example:
 111
 112         make OBJC_THREAD_FILE=thr-posix
 113
 114 would indicate that the generic posix backend file, thr-posix.c, should be
 115 compiled with the ObjC runtime library.  If your platform does not support
 116 threads then you should specify the OBJC_THREAD_FILE=thr-single backend file
 117 to compile the ObjC runtime library without thread or mutex support; note
 118 that programs which rely upon the ObjC thread and mutex functions will
 119 compile and link correctly but attempting to create a thread or mutex will
 120 result in an error.
 121
 122 It is questionable whether it is really necessary to have both a
 123 frontend and backend function for all available functionality.  On the
 124 one hand, it provides a clear, consistent differentiation between what
 125 is public and what is private with the downside of having the overhead
 126 of multiple functions calls.  For example, the function to have a thread
 127 yield the processor is objc_thread_yield; in the current implementation
 128 this produces a function call set:
 129
 130 objc_thread_yield()  ->  __objc_thread_yield()  ->  system yield function
 131
 132 This has two extra function calls over calling the platform specific function
 133 explicitly, but the issue is whether only the overhead of a single function
 134 is necessary.
 135
 136 objc_thread_yield()  ->  system yield function
 137
 138 This breaks the public/private dichotomy between the frontend/backend
 139 for the sake of efficiency.  It is possible to just use a preprocessor
 140 define so as to eliminate the extra function call:
 141
 142 #define objc_thread_yield() __objc_thread_yield()
 143
 144 This has the undesirable effect that if objc_thread_yield is actually
 145 turned into a function based upon future need; then ObjC programs which
 146 access the thread functions would need to be recompiled versus just
 147 being relinked.
 148
 149 ******************************************************************************
 150 * Threads:
 151
 152 The thread system attempts to create multiple threads using whatever
 153 operating system or library thread support is available.  It does
 154 assume that all system functions are thread safe.  Notably this means
 155 that the system implementation of malloc and free must be thread safe.
 156 If a system has multiple processors, the threads are configured for
 157 full parallel processing.
 158
 159 * Backend initialization functions
 160
 161 __objc_init_thread_system(void), int
 162         Initialize the thread subsystem.  Called once by __objc_exec_class.
 163         Return -1 if error otherwise return 0.
 164
 165 __objc_close_thread_system(void), int
 166         Closes the thread subsystem, not currently guaranteed to be called.
 167         Return -1 if error otherwise return 0.
 168
 169 *****
 170 * Frontend thread functions
 171 * User programs should use these functions.
 172
 173 objc_thread_detach(SEL selector, id object, id argument), objc_thread_t
 174         Creates and detaches a new thread.  The new thread starts by
 175         sending the given selector with a single argument to the
 176         given object.
 177
 178 objc_thread_set_priority(int priority), int
 179         Sets a thread's relative priority within the program.  Valid
 180         options are:
 181
 182         OBJC_THREAD_INTERACTIVE_PRIORITY
 183         OBJC_THREAD_BACKGROUND_PRIORITY
 184         OBJC_THREAD_LOW_PRIORITY
 185
 186 objc_thread_get_priority(void), int
 187         Query a thread's priority.
 188
 189 objc_thread_yield(void), void
 190         Yields processor to another thread with equal or higher
 191         priority.  It is up to the system scheduler to determine if
 192         the processor is taken or not.
 193
 194 objc_thread_exit(void), int
 195         Terminates a thread.  If this is the last thread executing
 196         then the program will terminate.
 197
 198 objc_thread_id(void), int
 199         Returns the current thread's id.
 200
 201 objc_thread_set_data(void *value), int
 202         Set a pointer to the thread's local storage.  Local storage is
 203         thread specific.
 204
 205 objc_thread_get_data(void), void *
 206         Returns the pointer to the thread's local storage.
 207
 208 *****
 209 * Backend thread functions
 210 * User programs should *NOT* directly call these functions.
 211
 212 __objc_thread_detach(void (*func)(void *arg), void *arg), objc_thread_t
 213         Spawns a new thread executing func, called by objc_thread_detach.
 214         Return NULL if error otherwise return thread id.
 215
 216 __objc_thread_set_priority(int priority), int
 217         Set the thread's priority, called by objc_thread_set_priority.
 218         Return -1 if error otherwise return 0.
 219
 220 __objc_thread_get_priority(void), int
 221         Query a thread's priority, called by objc_thread_get_priority.
 222         Return -1 if error otherwise return the priority.
 223
 224 __objc_thread_yield(void), void
 225         Yields the processor, called by objc_thread_yield.
 226
 227 __objc_thread_exit(void), int
 228         Terminates the thread, called by objc_thread_exit.
 229         Return -1 if error otherwise function does not return.
 230
 231 __objc_thread_id(void), objc_thread_t
 232         Returns the current thread's id, called by objc_thread_id.
 233         Return -1 if error otherwise return thread id.
 234
 235 __objc_thread_set_data(void *value), int
 236         Set pointer for thread local storage, called by objc_thread_set_data.
 237         Returns -1 if error otherwise return 0.
 238
 239 __objc_thread_get_data(void), void *
 240         Returns the pointer to the thread's local storage.
 241         Returns NULL if error, called by objc_thread_get_data.
 242
 243
 244 ******************************************************************************
 245 * Mutexes:
 246
 247 Mutexes can be locked recursively.  Each locked mutex remembers
 248 its owner (by thread id) and how many times it has been locked.  The
 249 last unlock on a mutex removes the system lock and allows other
 250 threads to access the mutex.
 251
 252 *****
 253 * Frontend mutex functions
 254 * User programs should use these functions.
 255
 256 objc_mutex_allocate(void), objc_mutex_t
 257         Allocates a new mutex.  Mutex is initially unlocked.
 258         Return NULL if error otherwise return mutex pointer.
 259
 260 objc_mutex_deallocate(objc_mutex_t mutex), int
 261         Free a mutex.  Before freeing the mutex, makes sure that no
 262         one else is using it.
 263         Return -1 if error otherwise return 0.
 264
 265 objc_mutex_lock(objc_mutex_t mutex), int
 266         Locks a mutex.  As mentioned earlier, the same thread may call
 267         this routine repeatedly.
 268         Return -1 if error otherwise return 0.
 269
 270 objc_mutex_trylock(objc_mutex_t mutex), int
 271         Attempts to lock a mutex.  If lock on mutex can be acquired
 272         then function operates exactly as objc_mutex_lock.
 273         Return -1 if failed to acquire lock otherwise return 0.
 274
 275 objc_mutex_unlock(objc_mutex_t mutex), int
 276         Unlocks the mutex by one level.  Other threads may not acquire
 277         the mutex until this thread has released all locks on it.
 278         Return -1 if error otherwise return 0.
 279
 280 *****
 281 * Backend mutex functions
 282 * User programs should *NOT* directly call these functions.
 283
 284 __objc_mutex_allocate(objc_mutex_t mutex), int
 285         Allocates a new mutex, called by objc_mutex_allocate.
 286         Return -1 if error otherwise return 0.
 287
 288 __objc_mutex_deallocate(objc_mutex_t mutex), int
 289         Free a mutex, called by objc_mutex_deallocate.
 290         Return -1 if error otherwise return 0.
 291
 292 __objc_mutex_lock(objc_mutex_t mutex), int
 293         Locks a mutex, called by objc_mutex_lock.
 294         Return -1 if error otherwise return 0.
 295
 296 __objc_mutex_trylock(objc_mutex_t mutex), int
 297         Attempts to lock a mutex, called by objc_mutex_trylock.
 298         Return -1 if failed to acquire lock or error otherwise return 0.
 299
 300 __objc_mutex_unlock(objc_mutex_t mutex), int
 301         Unlocks the mutex, called by objc_mutex_unlock.
 302         Return -1 if error otherwise return 0.
 303
 304 ******************************************************************************
 305 * Condition Mutexes:
 306
 307 Mutexes can be locked recursively.  Each locked mutex remembers
 308 its owner (by thread id) and how many times it has been locked.  The
 309 last unlock on a mutex removes the system lock and allows other
 310 threads to access the mutex.
 311
 312 *
 313 * Frontend condition mutex functions
 314 * User programs should use these functions.
 315 *
 316
 317 objc_condition_allocate(void), objc_condition_t
 318         Allocate a condition mutex.
 319         Return NULL if error otherwise return condition pointer.
 320
 321 objc_condition_deallocate(objc_condition_t condition), int
 322         Deallocate a condition. Note that this includes an implicit
 323         condition_broadcast to insure that waiting threads have the
 324         opportunity to wake.  It is legal to dealloc a condition only
 325         if no other thread is/will be using it. Does NOT check for
 326         other threads waiting but just wakes them up.
 327         Return -1 if error otherwise return 0.
 328
 329 objc_condition_wait(objc_condition_t condition, objc_mutex_t mutex), int
 330         Wait on the condition unlocking the mutex until objc_condition_signal()
 331         or objc_condition_broadcast() are called for the same condition. The
 332         given mutex *must* have the depth 1 so that it can be unlocked
 333         here, for someone else can lock it and signal/broadcast the condition.
 334         The mutex is used to lock access to the shared data that make up the
 335         "condition" predicate.
 336         Return -1 if error otherwise return 0.
 337
 338 objc_condition_broadcast(objc_condition_t condition), int
 339         Wake up all threads waiting on this condition. It is recommended that
 340         the called would lock the same mutex as the threads in
 341         objc_condition_wait before changing the "condition predicate"
 342         and make this call and unlock it right away after this call.
 343         Return -1 if error otherwise return 0.
 344
 345 objc_condition_signal(objc_condition_t condition), int
 346         Wake up one thread waiting on this condition.
 347         Return -1 if error otherwise return 0.
 348
 349 *
 350 * Backend condition mutex functions
 351 * User programs should *NOT* directly call these functions.
 352 *
 353
 354 __objc_condition_allocate(objc_condition_t condition), int
 355         Allocate a condition mutex, called by objc_condition_allocate.
 356         Return -1 if error otherwise return 0.
 357
 358 __objc_condition_deallocate(objc_condition_t condition), int
 359         Deallocate a condition, called by objc_condition_deallocate.
 360         Return -1 if error otherwise return 0.
 361
 362 __objc_condition_wait(objc_condition_t condition, objc_mutex_t mutex), int
 363         Wait on the condition, called by objc_condition_wait.
 364         Return -1 if error otherwise return 0 when condition is met.
 365
 366 __objc_condition_broadcast(objc_condition_t condition), int
 367         Wake up all threads waiting on this condition.
 368         Called by objc_condition_broadcast.
 369         Return -1 if error otherwise return 0.
 370
 371 __objc_condition_signal(objc_condition_t condition), int
 372         Wake up one thread waiting on this condition.
 373         Called by objc_condition_signal.
 374         Return -1 if error otherwise return 0.