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libitm: Optimize memory order requiremens in gl_wt pre_write.
[pf3gnuchains/gcc-fork.git] / libitm / method-gl.cc
1 /* Copyright (C) 2011, 2012 Free Software Foundation, Inc.
2    Contributed by Torvald Riegel <triegel@redhat.com>.
3
4    This file is part of the GNU Transactional Memory Library (libitm).
5
6    Libitm is free software; you can redistribute it and/or modify it
7    under the terms of the GNU General Public License as published by
8    the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or
9    (at your option) any later version.
10
11    Libitm is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
12    WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
13    FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for
14    more details.
15
16    Under Section 7 of GPL version 3, you are granted additional
17    permissions described in the GCC Runtime Library Exception, version
18    3.1, as published by the Free Software Foundation.
19
20    You should have received a copy of the GNU General Public License and
21    a copy of the GCC Runtime Library Exception along with this program;
22    see the files COPYING3 and COPYING.RUNTIME respectively.  If not, see
23    <http://www.gnu.org/licenses/>.  */
24
25 #include "libitm_i.h"
26
27 using namespace GTM;
28
29 namespace {
30
31 // This group consists of all TM methods that synchronize via just a single
32 // global lock (or ownership record).
33 struct gl_mg : public method_group
34 {
35   static const gtm_word LOCK_BIT = (~(gtm_word)0 >> 1) + 1;
36   // We can't use the full bitrange because ~0 in gtm_thread::shared_state has
37   // special meaning.
38   static const gtm_word VERSION_MAX = (~(gtm_word)0 >> 1) - 1;
39   static bool is_locked(gtm_word l) { return l & LOCK_BIT; }
40   static gtm_word set_locked(gtm_word l) { return l | LOCK_BIT; }
41   static gtm_word clear_locked(gtm_word l) { return l & ~LOCK_BIT; }
42
43   // The global ownership record.
44   atomic<gtm_word> orec;
45
46   virtual void init()
47   {
48     // This store is only executed while holding the serial lock, so relaxed
49     // memory order is sufficient here.
50     orec.store(0, memory_order_relaxed);
51   }
52   virtual void fini() { }
53 };
54
55 // TODO cacheline padding
56 static gl_mg o_gl_mg;
57
58
59 // The global lock, write-through TM method.
60 // Acquires the orec eagerly before the first write, and then writes through.
61 // Reads abort if the global orec's version number changed or if it is locked.
62 // Currently, writes require undo-logging to prevent deadlock between the
63 // serial lock and the global orec (writer txn acquires orec, reader txn
64 // upgrades to serial and waits for all other txns, writer tries to upgrade to
65 // serial too but cannot, writer cannot abort either, deadlock). We could
66 // avoid this if the serial lock would allow us to prevent other threads from
67 // going to serial mode, but this probably is too much additional complexity
68 // just to optimize this TM method.
69 // gtm_thread::shared_state is used to store a transaction's current
70 // snapshot time (or commit time). The serial lock uses ~0 for inactive
71 // transactions and 0 for active ones. Thus, we always have a meaningful
72 // timestamp in shared_state that can be used to implement quiescence-based
73 // privatization safety. This even holds if a writing transaction has the
74 // lock bit set in its shared_state because this is fine for both the serial
75 // lock (the value will be smaller than ~0) and privatization safety (we
76 // validate that no other update transaction comitted before we acquired the
77 // orec, so we have the most recent timestamp and no other transaction can
78 // commit until we have committed).
79 // However, we therefore cannot use this method for a serial transaction
80 // (because shared_state needs to remain at ~0) and we have to be careful
81 // when switching to serial mode (see the special handling in trycommit() and
82 // rollback()).
83 // ??? This sharing adds some complexity wrt. serial mode. Just use a separate
84 // state variable?
85 class gl_wt_dispatch : public abi_dispatch
86 {
87 protected:
88   static void pre_write(const void *addr, size_t len,
89       gtm_thread *tx = gtm_thr())
90   {
91     gtm_word v = tx->shared_state.load(memory_order_relaxed);
92     if (unlikely(!gl_mg::is_locked(v)))
93       {
94         // Check for and handle version number overflow.
95         if (unlikely(v >= gl_mg::VERSION_MAX))
96           tx->restart(RESTART_INIT_METHOD_GROUP);
97
98         // This validates that we have a consistent snapshot, which is also
99         // for making privatization safety work (see the class' comments).
100         // Note that this check here will be performed by the subsequent CAS
101         // again, so relaxed memory order is fine.
102         gtm_word now = o_gl_mg.orec.load(memory_order_relaxed);
103         if (now != v)
104           tx->restart(RESTART_VALIDATE_WRITE);
105
106         // CAS global orec from our snapshot time to the locked state.
107         // We need acquire memory order here to synchronize with other
108         // (ownership) releases of the orec.  We do not need acq_rel order
109         // because whenever another thread reads from this CAS'
110         // modification, then it will abort anyway and does not rely on
111         // any further happens-before relation to be established.
112         // Also note that unlike in ml_wt's increase of the global time
113         // base (remember that the global orec is used as time base), we do
114         // not need require memory order here because we do not need to make
115         // prior orec acquisitions visible to other threads that try to
116         // extend their snapshot time.
117         if (!o_gl_mg.orec.compare_exchange_strong (now, gl_mg::set_locked(now),
118                                                    memory_order_acquire))
119           tx->restart(RESTART_LOCKED_WRITE);
120
121         // We use an explicit fence here to avoid having to use release
122         // memory order for all subsequent data stores.  This fence will
123         // synchronize with loads of the data with acquire memory order.  See
124         // validate() for why this is necessary.
125         // Adding require memory order to the prior CAS is not sufficient,
126         // at least according to the Batty et al. formalization of the
127         // memory model.
128         atomic_thread_fence(memory_order_release);
129
130         // Set shared_state to new value.
131         tx->shared_state.store(gl_mg::set_locked(now), memory_order_release);
132       }
133
134     tx->undolog.log(addr, len);
135   }
136
137   static void validate(gtm_thread *tx = gtm_thr())
138   {
139     // Check that snapshot is consistent.  We expect the previous data load to
140     // have acquire memory order, or be atomic and followed by an acquire
141     // fence.
142     // As a result, the data load will synchronize with the release fence
143     // issued by the transactions whose data updates the data load has read
144     // from.  This forces the orec load to read from a visible sequence of side
145     // effects that starts with the other updating transaction's store that
146     // acquired the orec and set it to locked.
147     // We therefore either read a value with the locked bit set (and restart)
148     // or read an orec value that was written after the data had been written.
149     // Either will allow us to detect inconsistent reads because it will have
150     // a higher/different value.
151     gtm_word l = o_gl_mg.orec.load(memory_order_relaxed);
152     if (l != tx->shared_state.load(memory_order_relaxed))
153       tx->restart(RESTART_VALIDATE_READ);
154   }
155
156   template <typename V> static V load(const V* addr, ls_modifier mod)
157   {
158     // Read-for-write should be unlikely, but we need to handle it or will
159     // break later WaW optimizations.
160     if (unlikely(mod == RfW))
161       {
162         pre_write(addr, sizeof(V));
163         return *addr;
164       }
165     if (unlikely(mod == RaW))
166       return *addr;
167
168     // We do not have acquired the orec, so we need to load a value and then
169     // validate that this was consistent.
170     // This needs to have acquire memory order (see validate()).
171     // Alternatively, we can put an acquire fence after the data load but this
172     // is probably less efficient.
173     // FIXME We would need an atomic load with acquire memory order here but
174     // we can't just forge an atomic load for nonatomic data because this
175     // might not work on all implementations of atomics.  However, we need
176     // the acquire memory order and we can only establish this if we link
177     // it to the matching release using a reads-from relation between atomic
178     // loads.  Also, the compiler is allowed to optimize nonatomic accesses
179     // differently than atomic accesses (e.g., if the load would be moved to
180     // after the fence, we potentially don't synchronize properly anymore).
181     // Instead of the following, just use an ordinary load followed by an
182     // acquire fence, and hope that this is good enough for now:
183     // V v = atomic_load_explicit((atomic<V>*)addr, memory_order_acquire);
184     V v = *addr;
185     atomic_thread_fence(memory_order_acquire);
186     validate();
187     return v;
188   }
189
190   template <typename V> static void store(V* addr, const V value,
191       ls_modifier mod)
192   {
193     if (likely(mod != WaW))
194       pre_write(addr, sizeof(V));
195     // FIXME We would need an atomic store here but we can't just forge an
196     // atomic load for nonatomic data because this might not work on all
197     // implementations of atomics.  However, we need this store to link the
198     // release fence in pre_write() to the acquire operation in load, which
199     // is only guaranteed if we have a reads-from relation between atomic
200     // accesses.  Also, the compiler is allowed to optimize nonatomic accesses
201     // differently than atomic accesses (e.g., if the store would be moved
202     // to before the release fence in pre_write(), things could go wrong).
203     // atomic_store_explicit((atomic<V>*)addr, value, memory_order_relaxed);
204     *addr = value;
205   }
206
207 public:
208   static void memtransfer_static(void *dst, const void* src, size_t size,
209       bool may_overlap, ls_modifier dst_mod, ls_modifier src_mod)
210   {
211     gtm_thread *tx = gtm_thr();
212     if (dst_mod != WaW && dst_mod != NONTXNAL)
213       pre_write(dst, size, tx);
214     // We need at least undo-logging for an RfW src region because we might
215     // subsequently write there with WaW.
216     if (src_mod == RfW)
217       pre_write(src, size, tx);
218
219     // FIXME We should use atomics here (see store()).  Let's just hope that
220     // memcpy/memmove are good enough.
221     if (!may_overlap)
222       ::memcpy(dst, src, size);
223     else
224       ::memmove(dst, src, size);
225
226     if (src_mod != RfW && src_mod != RaW && src_mod != NONTXNAL
227         && dst_mod != WaW)
228       validate(tx);
229   }
230
231   static void memset_static(void *dst, int c, size_t size, ls_modifier mod)
232   {
233     if (mod != WaW)
234       pre_write(dst, size);
235     // FIXME We should use atomics here (see store()).  Let's just hope that
236     // memset is good enough.
237     ::memset(dst, c, size);
238   }
239
240   virtual gtm_restart_reason begin_or_restart()
241   {
242     // We don't need to do anything for nested transactions.
243     gtm_thread *tx = gtm_thr();
244     if (tx->parent_txns.size() > 0)
245       return NO_RESTART;
246
247     // Spin until global orec is not locked.
248     // TODO This is not necessary if there are no pure loads (check txn props).
249     unsigned i = 0;
250     gtm_word v;
251     while (1)
252       {
253         // We need acquire memory order here so that this load will
254         // synchronize with the store that releases the orec in trycommit().
255         // In turn, this makes sure that subsequent data loads will read from
256         // a visible sequence of side effects that starts with the most recent
257         // store to the data right before the release of the orec.
258         v = o_gl_mg.orec.load(memory_order_acquire);
259         if (!gl_mg::is_locked(v))
260           break;
261         // TODO need method-specific max spin count
262         if (++i > gtm_spin_count_var)
263           return RESTART_VALIDATE_READ;
264         cpu_relax();
265       }
266
267     // Everything is okay, we have a snapshot time.
268     // We don't need to enforce any ordering for the following store. There
269     // are no earlier data loads in this transaction, so the store cannot
270     // become visible before those (which could lead to the violation of
271     // privatization safety). The store can become visible after later loads
272     // but this does not matter because the previous value will have been
273     // smaller or equal (the serial lock will set shared_state to zero when
274     // marking the transaction as active, and restarts enforce immediate
275     // visibility of a smaller or equal value with a barrier (see
276     // rollback()).
277     tx->shared_state.store(v, memory_order_relaxed);
278     return NO_RESTART;
279   }
280
281   virtual bool trycommit(gtm_word& priv_time)
282   {
283     gtm_thread* tx = gtm_thr();
284     gtm_word v = tx->shared_state.load(memory_order_relaxed);
285
286     // Special case: If shared_state is ~0, then we have acquired the
287     // serial lock (tx->state is not updated yet). In this case, the previous
288     // value isn't available anymore, so grab it from the global lock, which
289     // must have a meaningful value because no other transactions are active
290     // anymore. In particular, if it is locked, then we are an update
291     // transaction, which is all we care about for commit.
292     if (v == ~(typeof v)0)
293       v = o_gl_mg.orec.load(memory_order_relaxed);
294
295     // Release the orec but do not reset shared_state, which will be modified
296     // by the serial lock right after our commit anyway. Also, resetting
297     // shared state here would interfere with the serial lock's use of this
298     // location.
299     if (gl_mg::is_locked(v))
300       {
301         // Release the global orec, increasing its version number / timestamp.
302         // See begin_or_restart() for why we need release memory order here.
303         v = gl_mg::clear_locked(v) + 1;
304         o_gl_mg.orec.store(v, memory_order_release);
305
306         // Need to ensure privatization safety. Every other transaction must
307         // have a snapshot time that is at least as high as our commit time
308         // (i.e., our commit must be visible to them).
309         priv_time = v;
310       }
311     return true;
312   }
313
314   virtual void rollback(gtm_transaction_cp *cp)
315   {
316     // We don't do anything for rollbacks of nested transactions.
317     if (cp != 0)
318       return;
319
320     gtm_thread *tx = gtm_thr();
321     gtm_word v = tx->shared_state.load(memory_order_relaxed);
322     // Special case: If shared_state is ~0, then we have acquired the
323     // serial lock (tx->state is not updated yet). In this case, the previous
324     // value isn't available anymore, so grab it from the global lock, which
325     // must have a meaningful value because no other transactions are active
326     // anymore. In particular, if it is locked, then we are an update
327     // transaction, which is all we care about for rollback.
328     bool is_serial = v == ~(typeof v)0;
329     if (is_serial)
330       v = o_gl_mg.orec.load(memory_order_relaxed);
331
332     // Release lock and increment version number to prevent dirty reads.
333     // Also reset shared state here, so that begin_or_restart() can expect a
334     // value that is correct wrt. privatization safety.
335     if (gl_mg::is_locked(v))
336       {
337         // Release the global orec, increasing its version number / timestamp.
338         // See begin_or_restart() for why we need release memory order here.
339         v = gl_mg::clear_locked(v) + 1;
340         o_gl_mg.orec.store(v, memory_order_release);
341
342         // Also reset the timestamp published via shared_state.
343         // Special case: Only do this if we are not a serial transaction
344         // because otherwise, we would interfere with the serial lock.
345         if (!is_serial)
346           tx->shared_state.store(v, memory_order_release);
347
348         // We need a store-load barrier after this store to prevent it
349         // from becoming visible after later data loads because the
350         // previous value of shared_state has been higher than the actual
351         // snapshot time (the lock bit had been set), which could break
352         // privatization safety. We do not need a barrier before this
353         // store (see pre_write() for an explanation).
354         // ??? What is the precise reasoning in the C++11 model?
355         atomic_thread_fence(memory_order_seq_cst);
356       }
357
358   }
359
360   CREATE_DISPATCH_METHODS(virtual, )
361   CREATE_DISPATCH_METHODS_MEM()
362
363   gl_wt_dispatch() : abi_dispatch(false, true, false, false, &o_gl_mg)
364   { }
365 };
366
367 } // anon namespace
368
369 static const gl_wt_dispatch o_gl_wt_dispatch;
370
371 abi_dispatch *
372 GTM::dispatch_gl_wt ()
373 {
374   return const_cast<gl_wt_dispatch *>(&o_gl_wt_dispatch);
375 }