01e3e34fb10a98b9e7f1039156c8c4e3160b3027
[ghc-hetmet.git] / docs / rts / rts.verb
1 %
2 % (c) The OBFUSCATION-THROUGH-GRATUITOUS-PREPROCESSOR-ABUSE Project,
3 %     Glasgow University, 1990-1994
4 %
5
6 % TODO:
7 %
8 % o I think it would be worth making the connection with CPS explicit.
9 %   Now that we have explicit activation records (on the stack), we can
10 %   explain the whole system in terms of CPS and tail calls --- with the
11 %   one requirement that we carefuly distinguish stack-allocated objects
12 %   from heap-allocated objects.
13
14
15 % \documentstyle[preprint]{acmconf}
16 \documentclass[11pt]{article}
17 \oddsidemargin 0.1 in       %   Note that \oddsidemargin = \evensidemargin
18 \evensidemargin 0.1 in
19 \marginparwidth 0.85in    %   Narrow margins require narrower marginal notes
20 \marginparsep 0 in 
21 \sloppy
22
23 \newcommand{\note}[1]{{\em Note: #1}}
24 % DIMENSION OF TEXT:
25 \textheight 8.5 in
26 \textwidth 6.25 in
27
28 \topmargin 0 in
29 \headheight 0 in
30 \headsep .25 in
31
32
33 \setlength{\parskip}{0.15cm}
34 \setlength{\parsep}{0.15cm}
35 \setlength{\topsep}{0cm}        % Reduces space before and after verbatim,
36                                 % which is implemented using trivlist 
37 \setlength{\parindent}{0cm}
38
39 \renewcommand{\textfraction}{0.2}
40 \renewcommand{\floatpagefraction}{0.7}
41
42 \begin{document}
43
44 \newcommand{\ToDo}[1]{{{\bf ToDo:}\sl #1}}
45 \newcommand{\Arg}[1]{\mbox{${\tt arg}_{#1}$}}
46 \newcommand{\bottom}{bottom} % foo, can't remember the symbol name
47
48 \title{The STG runtime system (revised)}
49 \author{Simon Peyton Jones \\ Glasgow University and Oregon Graduate Institute \and
50 Alastair Reid \\ Yale University} 
51
52 \maketitle
53
54 \tableofcontents
55 \newpage
56
57 \section{Introduction}
58
59 This document describes the GHC/Hugs run-time system.  It serves as 
60 a Glasgow/Yale/Nottingham ``contract'' about what the RTS does.
61
62 \subsection{New features compared to GHC 2.04}
63
64 \begin{itemize}
65 \item The RTS supports mixed compiled/interpreted execution, so
66 that a program can consist of a mixture of GHC-compiled and Hugs-interpreted
67 code.
68
69 \item CAFs are only retained if they are
70 reachable.  Since they are referred to by implicit references buried
71 in code, this means that the garbage collector must traverse the whole
72 accessible code tree.  This feature eliminates a whole class of painful
73 space leaks.
74
75 \item A running thread has only one stack, which contains a mixture
76 of pointers and non-pointers.  Section~\ref{sect:stacks} describes how
77 we find out which is which.  (GHC has used two stacks for some while.
78 Using one stack instead of two reduces register pressure, reduces the
79 size of update frames, and eliminates
80 ``stack-stubbing'' instructions.)
81
82 \end{itemize} 
83
84 \subsection{Wish list}
85
86 Here's a list of things we'd like to support in the future.
87 \begin{itemize}
88 \item Interrupts, speculative computation.
89
90 \item
91 The SM could tune the size of the allocation arena, the number of
92 generations, etc taking into account residency, GC rate and page fault
93 rate.
94
95 \item
96 There should be no need to specify the amnount of stack/heap space to
97 allocate when you started a program - let it just take as much or as
98 little as it wants.  (It might be useful to be able to specify maximum
99 sizes and to be able to suggest an initial size.)
100
101 \item 
102 We could trigger a GC when all threads are blocked waiting for IO if
103 the allocation arena (or some of the generations) are nearly full.
104
105 \end{itemize}
106
107 \subsection{Configuration}
108
109 Some of the above features are expensive or less portable, so we
110 envision building a number of different configurations supporting
111 different subsets of the above features.
112
113 You can make the following choices:
114 \begin{itemize}
115 \item
116 Support for concurrency or parallelism.  There are four 
117 mutually-exclusive choices.
118
119 \begin{description}
120 \item[@SEQUENTIAL@] No concurrency or parallelism support.
121   This configuration might not support interrupt recovery.
122 \item[@CONCURRENT@]  Support for concurrency but not for parallelism.
123 \item[@CONCURRENT@+@GRANSIM@] Concurrency support and simulated parallelism.
124 \item[@CONCURRENT@+@PARALLEL@]     Concurrency support and real parallelism.
125 \end{description}
126
127 \item @PROFILING@ adds cost-centre profiling.
128
129 \item @TICKY@ gathers internal statistics (often known as ``ticky-ticky'' code).
130
131 \item @DEBUG@ does internal consistency checks.
132
133 \item Persistence. (well, not yet).
134
135 \item
136 Which garbage collector to use.  At the moment we
137 only anticipate one, however.
138 \end{itemize}
139
140 \subsection{Terminology}
141
142 \begin{itemize}
143
144 \item A {\em word} is (at least) 32 bits and can hold either a signed
145 or an unsigned int.
146
147 \item A {\em pointer} is (at least) 32 bits and big enough to hold a
148 function pointer or a data pointer.  
149
150 \item A {\em closure} is a (representation of) a value of a {\em pointed}
151  type.  It may be in HNF or it may be unevaluated --- in either case, you can
152  try to evaluate it again.
153
154 \item A {\em thunk} is a (representation of) a value of a {\em pointed}
155  type which is {\em not} in HNF.
156
157 \end{itemize}
158
159 Occasionally, a field of a data structure must hold either a word or a
160 pointer.  In such circumstances, it is {\em not safe} to assume that
161 words and pointers are the same size.
162
163 % Todo:
164 % More terminology to mention.
165 % unboxed, unpointed
166
167 There are a few other system invariants which need to be mentioned ---
168 though not necessarily here:
169
170 \begin{itemize}
171
172 \item The garbage collector never expands an object when it promotes
173 it to the old generation.  This is important because the GC avoids
174 performing heap overflow checks by assuming that the amount added to
175 the old generation is no bigger than the current new generation.
176
177 \end{itemize}
178
179
180 \section{The Scheduler}
181
182 The Scheduler is the heart of the run-time system.  A running program
183 consists of a single running thread, and a list of runnable and
184 blocked threads.  The running thread returns to the scheduler when any
185 of the following conditions arises:
186
187 \begin{itemize}
188 \item A heap check fails, and a garbage collection is required
189 \item Compiled code needs to switch to interpreted code, and vice
190 versa.
191 \item The thread becomes blocked.
192 \item The thread is preempted.
193 \end{itemize}
194
195 A running system has a global state, consisting of
196
197 \begin{itemize}
198 \item @Hp@, the current heap pointer, which points to the next
199 available address in the Heap.
200 \item @HpLim@, the heap limit pointer, which points to the end of the
201 heap.
202 \item The Thread Preemption Flag, which is set whenever the currently
203 running thread should be preempted at the next opportunity.
204 \end{itemize}
205
206 Each thread has a thread-local state, which consists of
207
208 \begin{itemize}
209 \item @TSO@, the Thread State Object for this thread.  This is a heap
210 object that is used to store the current thread state when the thread
211 is blocked or sleeping.
212 \item @Sp@, the current stack pointer.
213 \item @Su@, the current stack update frame pointer.  This register
214 points to the most recent update frame on the stack, and is used to
215 calculate the number of arguments available when entering a function.
216 \item @SpLim@, the stack limit pointer.  This points to the end of the
217 current stack chunk.
218 \item Several general purpose registers, used for passing arguments to
219 functions.
220 \end{itemize}
221
222 \noindent and various other bits of information used in specialised
223 circumstances, such as profiling and parallel execution.  These are
224 described in the appropriate sections.
225
226 The following is pseudo-code for the inner loop of the scheduler
227 itself.
228
229 @
230 while (threads_exist) {
231   // handle global problems: GC, parallelism, etc
232   if (need_gc) gc();  
233   if (external_message) service_message();
234   // deal with other urgent stuff
235
236   pick a runnable thread;
237   do {
238     switch (thread->whatNext) {
239       case (RunGHC  pc): status=runGHC(pc);  break;
240       case (RunHugs bc): status=runHugs(bc); break;
241     }
242     switch (status) {  // handle local problems
243       case (StackOverflow): enlargeStack; break;
244       case (Error e)      : error(thread,e); break;
245       case (ExitWith e)   : exit(e); break;
246       case (Yield)        : break;
247     }
248   } while (thread_runnable);
249 }
250 @
251
252 Optimisations to avoid excess trampolining from Hugs into itself.
253 How do we invoke GC, ccalls, etc.
254 General ccall (@ccall-GC@) and optimised ccall.
255
256 \section{Evaluation}
257
258 This section describes the framework in which compiled code evaluates
259 expressions.  Only at certain points will compiled code need to be
260 able to talk to the interpreted world; these are discussed in Section
261 \ref{sec:hugs-ghc-interaction}.
262
263 \subsection{Calling conventions}
264
265 \subsubsection{The call/return registers}
266
267 One of the problems in designing a virtual machine is that we want it
268 abstract away from tedious machine details but still reveal enough of
269 the underlying hardware that we can make sensible decisions about code
270 generation.  A major problem area is the use of registers in
271 call/return conventions.  On a machine with lots of registers, it's
272 cheaper to pass arguments and results in registers than to pass them
273 on the stack.  On a machine with very few registers, it's cheaper to
274 pass arguments and results on the stack than to use ``virtual
275 registers'' in memory.  We therefore use a hybrid system: the first
276 $n$ arguments or results are passed in registers; and the remaining
277 arguments or results are passed on the stack.  For register-poor
278 architectures, it is important that we allow $n=0$.
279
280 We'll label the arguments and results \Arg{1} \ldots \Arg{m} --- with
281 the understanding that \Arg{1} \ldots \Arg{n} are in registers and
282 \Arg{n+1} \ldots \Arg{m} are on top of the stack.
283
284 Note that the mapping of arguments \Arg{1} \ldots \Arg{n} to machine
285 registers depends on the {\em kinds} of the arguments.  For example,
286 if the first argument is a Float, we might pass it in a different
287 register from if it is an Int.  In fact, we might find that a given
288 architecture lets us pass varying numbers of arguments according to
289 their types.  For example, if a CPU has 2 Int registers and 2 Float
290 registers then we could pass between 2 and 4 arguments in machine
291 registers --- depending on whether they all have the same kind or they
292 have different kinds.
293
294 \subsubsection{Entering closures}
295
296 To evaluate a closure we jump to the entry code for the closure
297 passing a pointer to the closure in \Arg{1} so that the entry code can
298 access its environment.
299
300 \subsubsection{Function call}
301
302 The function-call mechanism is obviously crucial.  There are five different
303 cases to consider:
304 \begin{enumerate}
305
306 \item {\em Known combinator (function with no free variables) and enough arguments.}  
307
308 A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
309 function's {\em fast entry point} passing arguments in \Arg{1} \ldots
310 \Arg{m}.  
311
312 The {\em fast entry point} is only called with exactly the right
313 number of arguments (in \Arg{1} \ldots \Arg{m}) so it can instantly
314 start doing useful work without first testing whether it has enough
315 registers or having to pop them off the stack first.
316
317 \item {\em Known combinator and insufficient arguments.}
318
319 A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to
320 function's {\em slow entry point}.
321
322 Any unpointed arguments which are pushed on the stack must be tagged.
323 This means pushing an extra word on the stack below the unpointed
324 words, containing the number of unpointed words above it.
325
326 %Todo: forward ref about tagging?
327 %Todo: picture?
328
329 The {\em slow entry point} might be called with insufficient arguments
330 and so it must test whether there are enough arguments on the stack.
331 This {\em argument satisfaction check} consists of checking that
332 @Su-Sp@ is big enough to hold all the arguments (including any tags).
333
334 \begin{itemize} 
335
336 \item If the argument satisfaction check fails, it is because there is
337 one or more update frames on the stack before the rest of the
338 arguments that the function needs.  In this case, we construct a PAP
339 (partial application, section~\ref{sect:PAP}) containing the arguments
340 which are on the stack.  The PAP construction code will return to the
341 update frame with the address of the PAP in \Arg{1}.
342
343 \item If the argument satisfaction check succeeds, we jump to the fast
344 entry point with the arguments in \Arg{1} \ldots \Arg{arity}.
345
346 If the fast entry point expects to receive some of \Arg{i} on the
347 stack, we can reduce the amount of movement required by making the
348 stack layout for the fast entry point look like the stack layout for
349 the slow entry point.  Since the slow entry point is entered with the
350 first argument on the top of the stack and with tags in front of any
351 unpointed arguments, this means that if \Arg{i} is unpointed, there
352 should be space below it for a tag and that the highest numbered
353 argument should be passed on the top of the stack.
354
355 We usually arrange that the fast entry point is placed immediately
356 after the slow entry point --- so we can just ``fall through'' to the
357 fast entry point without performing a jump.
358
359 \end{itemize}
360
361
362 \item {\em Known function closure (function with free variables) and enough arguments.}
363
364 A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
365 function's {\em fast entry point} passing a pointer to closure in
366 \Arg{1} and arguments in \Arg{2} \ldots \Arg{m+1}.
367
368 Like the fast entry point for a combinator, the fast entry point for a
369 closure is only called with appropriate values in \Arg{1} \ldots
370 \Arg{m+1} so we can start work straight away.  The pointer to the
371 closure is used to access the free variables of the closure.
372
373
374 \item {\em Known function closure and insufficient arguments.}
375
376 A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to the
377 closure's slow entry point passing a pointer to the closure in \Arg{1}.
378
379 Again, the slow entry point performs an argument satisfaction check
380 and either builds a PAP or pops the arguments off the stack into
381 \Arg{2} \ldots \Arg{m+1} and jumps to the fast entry point.
382
383
384 \item {\em Unknown function closure or thunk.}
385
386 Sometimes, the function being called is not statically identifiable.
387 Consider, for example, the @compose@ function:
388 @
389   compose f g x = f (g x)
390 @
391 Since @f@ and @g@ are passed as arguments to @compose@, the latter has
392 to make a heap call.  In a heap call the arguments are pushed onto the
393 stack, and the closure bound to the function is entered.  In the
394 example, a thunk for @(g x)@ will be allocated, (a pointer to it)
395 pushed on the stack, and the closure bound to @f@ will be
396 entered. That is, we will jump to @f@s entry point passing @f@ in
397 \Arg{1}.  If \Arg{1} is passed on the stack, it is pushed on top of
398 the thunk for @(g x)@.
399
400 The {\em entry code} for an updateable thunk (which must have arity 0)
401 pushes an update frame on the stack and starts executing the body of
402 the closure --- using \Arg{1} to access any free variables.  This is
403 described in more detail in section~\ref{sect:data-updates}.
404
405 The {\em entry code} for a non-updateable closure is just the
406 closure's slow entry point.
407
408 \end{enumerate}
409
410 In addition to the above considerations, if there are \emph{too many}
411 arguments then the extra arguments are simply pushed on the stack with
412 appropriate tags.
413
414 To summarise, a closure's standard (slow) entry point performs the following:
415 \begin{description}
416 \item[Argument satisfaction check.] (function closure only)
417 \item[Stack overflow check.]
418 \item[Heap overflow check.]
419 \item[Copy free variables out of closure.] %Todo: why?
420 \item[Eager black holing.] (updateable thunk only) %Todo: forward ref.
421 \item[Push update frame.]
422 \item[Evaluate body of closure.]
423 \end{description}
424
425
426 \subsection{Case expressions and return conventions}
427 \label{sect:return-conventions}
428
429 The {\em evaluation} of a thunk is always initiated by
430 a @case@ expression.  For example:
431 @
432   case x of (a,b) -> E
433 @
434
435 The code for a @case@ expression looks like this:
436
437 \begin{itemize}
438 \item Push the free variables of the branches on the stack (fv(@E@) in
439 this case).
440 \item  Push a \emph{return address} on the stack.
441 \item  Evaluate the scrutinee (@x@ in this case).
442 \end{itemize}
443
444 Once evaluation of the scrutinee is complete, execution resumes at the
445 return address, which points to the code for the expression @E@.
446
447 When execution resumes at the return point, there must be some {\em
448 return convention} that defines where the components of the pair, @a@
449 and @b@, can be found.  The return convention varies according to the
450 type of the scrutinee @x@:
451
452 \begin{itemize}
453
454 \item 
455
456 (A space for) the return address is left on the top of the stack.
457 Leaving the return address on the stack ensures that the top of the
458 stack contains a valid activation record
459 (section~\ref{sect:activation-records}) --- should a garbage collection
460 be required.
461
462 \item If @x@ has a pointed type (e.g.~a data constructor or a function),
463 a pointer to @x@ is returned in \Arg{1}.
464
465 \ToDo{Warn that components of E should be extracted as soon as
466 possible to avoid a space leak.}
467
468 \item If @x@ is an unpointed type (e.g.~@Int#@ or @Float#@), @x@ is
469 returned in \Arg{1}
470
471 \item If @x@ is an unpointed tuple constructor, the components of @x@
472 are returned in \Arg{1} \ldots \Arg{n} but no object is constructed in
473 the heap.  Unboxed tuple constructors are useful for functions which
474 want to return multiple values such as those used in an (explicitly
475 encoded) state monad:
476
477 \ToDo{Move stuff about unboxed tuples to a separate section}
478
479 @
480 data unpointed AAndState a = AnS a State
481 type S a = State -> AAndState a
482
483 bindS m k s0 = case m s0 of { AnS s1 a -> k s1 a }
484 returnS a s  = AnS a s
485 @
486
487 Note that unboxed datatypes can only have one constructor and that
488 thunks never have unboxed types --- so we'll never try to update an
489 unboxed constructor.  Unboxed tuples are \emph{never} built on the
490 heap.
491
492 When passing an unboxed tuple to a function, the components are
493 flattened out and passed in \Arg{1} \ldots \Arg{n} as usual.
494
495 \end{itemize}
496
497 \subsection{Vectored Returns}
498
499 Many algebraic data types have more than one constructor.  For
500 example, the @Maybe@ type is defined like this:
501 @
502   data Maybe a = Nothing | Just a
503 @
504 How does the return convention encode which of the two constructors is
505 being returned?  A @case@ expression scrutinising a value of @Maybe@
506 type would look like this: 
507 @
508   case E of 
509     Nothing -> ...
510     Just a  -> ...
511 @
512 Rather than pushing a return address before evaluating the scrutinee,
513 @E@, the @case@ expression pushes (a pointer to) a {\em return
514 vector}, a static table consisting of two code pointers: one for the
515 @Just@ alternative, and one for the @Nothing@ alternative.  
516
517 \begin{itemize}
518
519 \item
520
521 The constructor @Nothing@ returns by jumping to the first item in the
522 return vector with a pointer to a (statically built) Nothing closure
523 in \Arg{1}.  
524
525 It might seem that we could avoid loading \Arg{1} in this case since the
526 first item in the return vector will know that @Nothing@ was returned
527 (and can easily access the Nothing closure in the (unlikely) event
528 that it needs it.  The only reason we load \Arg{1} is in case we have to
529 perform an update (section~\ref{sect:data-updates}).
530
531 \item 
532
533 The constructor @Just@ returns by jumping to the second element of the
534 return vector with a pointer to the closure in \Arg{1}.  
535
536 \end{itemize}
537
538 In this way no test need be made to see which constructor returns;
539 instead, execution resumes immediately in the appropriate branch of
540 the @case@.
541
542 \subsection{Direct Returns}
543
544 When a datatype has a large number of constructors, it may be
545 inappropriate to use vectored returns.  The vector tables may be
546 large and sparse, and it may be better to identify the constructor
547 using a test-and-branch sequence on the tag.  For this reason, we
548 provide an alternative return convention, called a \emph{direct
549 return}.
550
551 In a direct return, the return address pushed on the stack really is a
552 code pointer.  The returning code loads a pointer to the closure being
553 returned in \Arg{1} as usual, and also loads the tag into \Arg{2}.
554 The code at the return address will test the tag and jump to the
555 appropriate code for the case branch.
556
557 The choice of whether to use a vectored return or a direct return is
558 made on a type-by-type basis --- up to a certain maximum number of
559 constructors imposed by the update mechanism
560 (section~\ref{sect:data-updates}).
561
562 Single-constructor data types also use direct returns, although in
563 that case there is no need to return a tag in \Arg{2}.
564
565 \ToDo{Say whether we pop the return address before returning}
566
567 \ToDo{Stack stubbing?}
568
569 \subsection{Updates}
570 \label{sect:data-updates}
571
572 The entry code for an updatable thunk (which must also be of arity 0):
573
574 \begin{itemize}
575 \item copies the free variables out of the thunk into registers or
576   onto the stack.
577 \item pushes an {\em update frame} onto the stack.
578
579 An update frame is a small activation record consisting of
580 \begin{center}
581 \begin{tabular}{|l|l|l|}
582 \hline
583 {\em Fixed header} & {\em Update Frame link} & {\em Updatee} \\
584 \hline
585 \end{tabular}
586 \end{center}
587
588 \note{In the semantics part of the STG paper (section 5.6), an update
589 frame consists of everything down to the last update frame on the
590 stack.  This would make sense too --- and would fit in nicely with
591 what we're going to do when we add support for speculative
592 evaluation.}
593 \ToDo{I think update frames contain cost centres sometimes}
594
595 \item 
596 If we are doing ``eager blackholing,'' we then overwrite the thunk
597 with a black hole.  Otherwise, we leave it to the garbage collector to
598 black hole the thunk.
599
600 \item 
601 Start evaluating the body of the expression.
602
603 \end{itemize}
604
605 When the expression finishes evaluation, it will enter the update
606 frame on the top of the stack.  Since the returner doesn't know
607 whether it is entering a normal return address/vector or an update
608 frame, we follow exactly the same conventions as return addresses and
609 return vectors.  That is, on entering the update frame:
610
611 \begin{itemize} 
612 \item The value of the thunk is in \Arg{1}.  (Recall that only thunks
613 are updateable and that thunks return just one value.)
614
615 \item If the data type is a direct-return type rather than a
616 vectored-return type, then the tag is in \Arg{2}.
617
618 \item The update frame is still on the stack.
619 \end{itemize}
620
621 We can safely share a single statically-compiled update function
622 between all types.  However, the code must be able to handle both
623 vectored and direct-return datatypes.  This is done by arranging that
624 the update code looks like this:
625
626 @
627                 |       ^       |
628                 | return vector |
629                 |---------------|
630                 |  fixed-size   |
631                 |  info table   |
632                 |---------------|  <- update code pointer
633                 |  update code  |
634                 |       v       |
635 @
636
637 Each entry in the return vector (which is large enough to cover the
638 largest vectored-return type) points to the update code.
639
640 The update code:
641 \begin{itemize}
642 \item overwrites the {\em updatee} with an indirection to \Arg{1};
643 \item loads @Su@ from the Update Frame link;
644 \item removes the update frame from the stack; and 
645 \item enters \Arg{1}.
646 \end{itemize}
647
648 We enter \Arg{1} again, having probably just come from there, because
649 it knows whether to perform a direct or vectored return.  This could
650 be optimised by compiling special update code for each slot in the
651 return vector, which performs the correct return.
652
653 \subsection{Semi-tagging}
654 \label{sect:semi-tagging}
655
656 When a @case@ expression evaluates a variable that might be bound
657 to a thunk it is often the case that the scrutinee is already evaluated.
658 In this case we have paid the penalty of (a) pushing the return address (or
659 return vector address) on the stack, (b) jumping through the info pointer
660 of the scrutinee, and (c) returning by an indirect jump through the
661 return address on the stack.
662
663 If we knew that the scrutinee was already evaluated we could generate
664 (better) code which simply jumps to the appropriate branch of the @case@
665 with a pointer to the scrutinee in \Arg{1}.
666
667 An obvious idea, therefore, is to test dynamically whether the heap
668 closure is a value (using the tag in the info table).  If not, we
669 enter the closure as usual; if so, we jump straight to the appropriate
670 alternative.  Here, for example, is pseudo-code for the expression
671 @(case x of { (a,_,c) -> E }@:
672 @
673       \Arg{1} = <pointer to x>;
674       tag = \Arg{1}->entry->tag;
675       if (isWHNF(tag)) {
676           Sp--;  \\ insert space for return address
677           goto ret;
678       }
679       push(ret);           
680       goto \Arg{1}->entry;
681       
682       <info table for return address goes here>
683 ret:  a = \Arg{1}->data1; \\ suck out a and c to avoid space leak
684       c = \Arg{1}->data3;
685       <code for E2>
686 @
687 and here is the code for the expression @(case x of { [] -> E1; x:xs -> E2 }@:
688 @
689       \Arg{1} = <pointer to x>;
690       tag = \Arg{1}->entry->tag;
691       if (isWHNF(tag)) {
692           Sp--;  \\ insert space for return address
693           goto retvec[tag];
694       }
695       push(retinfo);          
696       goto \Arg{1}->entry;
697       
698       .addr ret2
699       .addr ret1
700 retvec:           \\ reversed return vector
701       <return info table for case goes here>
702 retinfo:
703       panic("Direct return into vectored case");
704       
705 ret1: <code for E1>
706
707 ret2: x  = \Arg{1}->head;
708       xs = \Arg{1}->tail;
709       <code for E2>
710 @
711 There is an obvious cost in compiled code size (but none in the size
712 of the bytecodes).  There is also a cost in execution time if we enter
713 more thunks than data constructors.
714
715 Both the direct and vectored returns are easily modified to chase chains
716 of indirections too.  In the vectored case, this is most easily done by
717 making sure that @IND = TAG_1 - 1@, and adding an extra field to every
718 return vector.  In the above example, the indirection code would be
719 @
720 ind:  \Arg{1} = \Arg{1}->next;
721       goto ind_loop;
722 @
723 where @ind_loop@ is the second line of code.
724
725 Note that we have to leave space for a return address since the return
726 address expects to find one.  If the body of the expression requires a
727 heap check, we will actually have to write the return address before
728 entering the garbage collector.
729
730
731 \subsection{Heap and Stack Checks}
732
733 \note{I reckon these deserve a subsection of their own}
734
735 Don't move heap pointer before success occurs.
736 Talk about how stack check looks ahead into the branches of case expressions.
737
738 \subsection{Handling interrupts/signals}
739
740 @
741 May have to keep C stack pointer in register to placate OS?
742 May have to revert black holes - ouch!
743 @
744
745 \section{Switching Worlds}
746
747 Because this is a combined compiled/interpreted system, the
748 interpreter will sometimes encounter compiled code, and vice-versa.
749
750 There are six cases we need to consider:
751
752 \begin{enumerate}
753 \item A GHC thread enters a Hugs-built thunk.
754 \item A GHC thread calls a Hugs-compiled function.
755 \item A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address.
756 \item A Hugs thread enters a GHC-built thunk.
757 \item A Hugs thread calls a GHC-compiled function.
758 \item A Hugs thread returns to a Hugs-compiled return address.
759 \end{enumerate}
760
761 \subsection{A GHC thread enters a Hugs-built thunk}
762
763 A Hugs-built thunk looks like this:
764
765 \begin{center}
766 \begin{tabular}{|l|l|}
767 \hline
768 \emph{Hugs} & \emph{Hugs-specific information} \\
769 \hline
770 \end{tabular}
771 \end{center}
772
773 \noindent where \emph{Hugs} is a pointer to a small
774 statically-compiled piece of code that does the following:
775
776 \begin{itemize}
777 \item Push the address of the thunk on the stack.
778 \item Push @entertop@ on the stack.
779 \item Save the current state of the thread in the TSO.
780 \item Return to the scheduler, with the @whatNext@ field set to
781 @RunHugs@.
782 \end{itemize}
783
784 \noindent where @entertop@ is a small statically-compiled piece of
785 code that does the following:
786
787 \begin{itemize}
788 \item pop the return address from the stack.
789 \item pop the next word off the stack into \Arg{1}.
790 \item enter \Arg{1}.
791 \end{itemize}
792
793 The infotable for @entertop@ has some byte-codes attached that do
794 essentially the same thing if the code is entered from Hugs.
795
796 \subsection{A GHC thread calls a Hugs-compiled function}
797
798 How do we do this?
799
800 \subsection{A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address}
801
802 \subsection{A Hugs thread enters a GHC-compiled thunk}
803
804 When Hugs is called on to enter a non-Hugs closure (these are
805 recognisable by the lack of a \emph{Hugs} pointer at the front), the
806 following sequence of instructions is executed:
807
808 \begin{itemize}
809 \item Push the address of the thunk on the stack.
810 \item Push @entertop@ on the stack.
811 \item Save the current state of the thread in the TSO.
812 \item Return to the scheduler, with the @whatNext@ field set to
813 @RunGHC@.
814 \end{itemize}
815
816 \subsection{A Hugs thread calls a GHC-compiled function}
817
818 Hugs never calls GHC-functions directly, it only enters closures
819 (which point to the slow entry point for the function).  Hence in this
820 case, we just push the arguments on the stack and proceed as for a
821 thunk.
822
823 \subsection{A Hugs thread returns to a GHC-compiled return address}
824
825 \section{Heap objects}
826 \label{sect:fixed-header}
827
828 \ToDo{Fix this picture}
829
830 \begin{figure}
831 \begin{center}
832 \input{closure}
833 \end{center}
834 \caption{A closure}
835 \label{fig:closure}
836 \end{figure}
837
838 Every {\em heap object}, or {\em closure} is a contiguous block
839 of memory, consisting of a fixed-format {\em header} followed
840 by zero or more {\em data words}.
841 The header consists of
842 the following fields:
843 \begin{itemize}
844 \item A one-word {\em info pointer}, which points to
845 the object's static {\em info table}.
846 \item Zero or more {\em admin words} that support
847 \begin{itemize}
848 \item Profiling (notably a {\em cost centre} word).
849   \note{We could possibly omit the cost centre word from some 
850   administrative objects.}
851 \item Parallelism (e.g. GranSim keeps the object's global address here,
852 though GUM keeps a separate hash table).
853 \item Statistics (e.g. a word to track how many times a thunk is entered.).
854
855 We add a Ticky word to the fixed-header part of closures.  This is
856 used to record indicate if a closure has been updated but not yet
857 entered. It is set when the closure is updated and cleared when
858 subsequently entered.
859
860 NB: It is {\em not} an ``entry count'', it is an
861 ``entries-after-update count.''  The commoning up of @CONST@,
862 @CHARLIKE@ and @INTLIKE@ closures is turned off(?) if this is
863 required. This has only been done for 2s collection.
864
865
866
867 \end{itemize}
868 \end{itemize}
869 Most of the RTS is completely insensitive to the number of admin words.
870 The total size of the fixed header is @FIXED_HS@.
871
872 Many heap objects contain fields allowing them to be inserted onto lists
873 during evaluation or during garbage collection. The lists required by
874 the evaluator and storage manager are as follows.
875
876 \begin{itemize}
877 \item 2 lists of threads: runnable threads and sleeping threads.
878
879 \item The {\em static object list} is a list of all statically
880 allocated objects which might contain pointers into the heap.
881 (Section~\ref{sect:static-objects}.)
882
883 \item The {\em updated thunk list} is a list of all thunks in the old
884 generation which have been updated with an indirection.  
885 (Section~\ref{sect:IND_OLDGEN}.)
886
887 \item The {\em mutables list} is a list of all other objects in the
888 old generation which might contain pointers into the new generation.
889 Most of the object on this list are ``mutable.''
890 (Section~\ref{sect:mutables}.)
891
892 \item The {\em Foreign Object list} is a list of all foreign objects
893  which have not yet been deallocated. (Section~\ref{sect:FOREIGN}.)
894
895 \item The {\em Spark pool} is a doubly(?) linked list of Spark objects
896 maintained by the parallel system.  (Section~\ref{sect:SPARK}.)
897
898 \item The {\em Blocked Fetch list} (or
899 lists?). (Section~\ref{sect:BLOCKED_FETCH}.)
900
901 \item For each thread, there is a list of all update frames on the
902 stack.  (Section~\ref{sect:data-updates}.)
903
904
905 \end{itemize}
906
907 \ToDo{The links for these fields are usually inserted immediately
908 after the fixed header except ...}
909
910 \subsection{Info Tables}
911
912 An {\em info table} is a contiguous block of memory, {\em laid out
913 backwards}.  That is, the first field in the list that follows
914 occupies the highest memory address, and the successive fields occupy
915 successive decreasing memory addresses.
916
917 \begin{center}
918 \begin{tabular}{|c|}
919    \hline Parallelism Info 
920 \\ \hline Profile Info 
921 \\ \hline Debug Info 
922 \\ \hline Tag/bytecode pointer
923 \\ \hline Static reference table 
924 \\ \hline Storage manager layout info
925 \\ \hline Closure type 
926 \\ \hline entry code \ldots
927 \\ \hline
928 \end{tabular}
929 \end{center}
930 An info table has the following contents (working backwards in memory
931 addresses):
932 \begin{itemize}
933 \item The {\em entry code} for the closure.
934 This code appears literally as the (large) last entry in the
935 info table, immediately preceded by the rest of the info table.
936 An {\em info pointer} always points to the first byte of the entry code.
937
938 \item A one-word {\em closure type field}, @INFO_TYPE@, identifies what kind
939 of closure the object is.  The various types of closure are described
940 in Section~\ref{sect:closures}.
941 In some configurations, some useful properties of 
942 closures (is it a HNF?  can it be sparked?)
943 are represented as high-order bits so they can be tested quickly.
944
945 \item A single pointer or word --- the {\em storage manager info field},
946 @INFO_SM@, contains auxiliary information describing the closure's
947 precise layout, for the benefit of the garbage collector and the code
948 that stuffs graph into packets for transmission over the network.
949
950 \item A one-pointer {\em Static Reference Table (SRT) pointer}, @INFO_SRT@, points to
951 a table which enables the garbage collector to identify all accessible
952 code and CAFs.  They are fully described in Section~\ref{sect:srt}.
953
954 \item A one-pointer {\em tag/bytecode-pointer} field, @INFO_TAG@ or @INFO_BC@.  
955 For data constructors this field contains the constructor tag, in the
956 range $0..n-1$ where $n$ is the number of constructors.
957
958 For other objects that can be entered this field points to the byte
959 codes for the object.  For the constructor case you can think of the
960 tag as the name of a a suitable bytecode sequence but it can also be used to
961 implement semi-tagging (section~\ref{sect:semi-tagging}).
962
963 One awkward question (which may not belong here) is ``how does the
964 bytecode interpreter know whether to do a vectored return?''  The
965 answer is it examines the @INFO_TYPE@ field of the return address:
966 @RET_VEC_@$sz$ requires a vectored return and @RET_@$sz$ requires a
967 direct return.
968
969 \item {\em Profiling info\/}
970
971 Closure category records are attached to the info table of the
972 closure. They are declared with the info table. We put pointers to
973 these ClCat things in info tables.  We need these ClCat things because
974 they are mutable, whereas info tables are immutable.  Hashing will map
975 similar categories to the same hash value allowing statistics to be
976 grouped by closure category.
977
978 Cost Centres and Closure Categories are hashed to provide indexes
979 against which arbitrary information can be stored. These indexes are
980 memoised in the appropriate cost centre or category record and
981 subsequent hashes avoided by the index routine (it simply returns the
982 memoised index).
983
984 There are different features which can be hashed allowing information
985 to be stored for different groupings. Cost centres have the cost
986 centre recorded (using the pointer), module and group. Closure
987 categories have the closure description and the type
988 description. Records with the same feature will be hashed to the same
989 index value.
990
991 The initialisation routines, @init_index_<feature>@, allocate a hash
992 table in which the cost centre / category records are stored. The
993 lower bound for the table size is taken from @max_<feature>_no@. They
994 return the actual table size used (the next power of 2). Unused
995 locations in the hash table are indicated by a 0 entry. Successive
996 @init_index_<feature>@ calls just return the actual table size.
997
998 Calls to @index_<feature>@ will insert the cost centre / category
999 record in the @<feature>@ hash table, if not already inserted. The hash
1000 index is memoised in the record and returned. 
1001
1002 CURRENTLY ONLY ONE MEMOISATION SLOT IS AVILABLE IN EACH RECORD SO
1003 HASHING CAN ONLY BE DONE ON ONE FEATURE FOR EACH RECORD. This can be
1004 easily relaxed at the expense of extra memoisation space or continued
1005 rehashing.
1006
1007 The initialisation routines must be called before initialisation of
1008 the stacks and heap as they require to allocate storage. It is also
1009 expected that the caller may want to allocate additional storage in
1010 which to store profiling information based on the return table size
1011 value(s).
1012
1013 \begin{center}
1014 \begin{tabular}{|l|}
1015    \hline Hash Index
1016 \\ \hline Selected
1017 \\ \hline Kind
1018 \\ \hline Description String
1019 \\ \hline Type String
1020 \\ \hline
1021 \end{tabular}
1022 \end{center}
1023
1024 \begin{description}
1025 \item[Hash Index] Memoised copy
1026 \item[Selected] 
1027   Is this category selected (-1 == not memoised, selected? 0 or 1)
1028 \item[Kind]
1029 One of the following values (defined in CostCentre.lh):
1030
1031 \begin{description}
1032 \item[@CON_K@]
1033 A constructor.
1034 \item[@FN_K@]
1035 A literal function.
1036 \item[@PAP_K@]
1037 A partial application.
1038 \item[@THK_K@]
1039 A thunk, or suspension.
1040 \item[@BH_K@]
1041 A black hole.
1042 \item[@ARR_K@]
1043 An array.
1044 \item[@ForeignObj_K@]
1045 A Foreign object (non-Haskell heap resident).
1046 \item[@SPT_K@]
1047 The Stable Pointer table.  (There should only be one of these but it
1048 represents a form of weak space leak since it can't shrink to meet
1049 non-demand so it may be worth watching separately? ADR)
1050 \item[@INTERNAL_KIND@]
1051 Something internal to the runtime system.
1052 \end{description}
1053
1054
1055 \item[Description] Source derived string detailing closure description.
1056 \item[Type] Source derived string detailing closure type.
1057 \end{description}
1058
1059 \item {\em Parallelism info\/}
1060 \ToDo{}
1061
1062 \item {\em Debugging info\/}
1063 \ToDo{}
1064
1065 \end{itemize}
1066
1067
1068
1069 \section{Kinds of Heap Object}
1070 \label{sect:closures}
1071
1072 Heap objects can be classified in several ways, but one useful one is
1073 this:
1074 \begin{itemize}
1075 \item 
1076 {\em Static closures} occupy fixed, statically-allocated memory
1077 locations, with globally known addresses.
1078
1079 \item 
1080 {\em Dynamic closures} are individually allocated in the heap.
1081
1082 \item 
1083 {\em Stack closures} are closures allocated within a thread's stack
1084 (which is itself a heap object).  Unlike other closures, there are
1085 never any pointers to stack closures.  Stack closures are discussed in
1086 Section~\ref{sect:stacks}.
1087
1088 \end{itemize}
1089 A second useful classification is this:
1090 \begin{itemize}
1091 \item 
1092 {\em Executive closures}, such as thunks and data constructors,
1093 participate directly in a program's execution.  They can be subdivided into
1094 two kinds of objects according to their type:
1095 \begin{itemize}
1096 \item 
1097 {\em Pointed objects}, represent values of a {\em pointed} type
1098 (<.pointed types launchbury.>) --i.e.~a type that includes $\bottom$ such as @Int@ or @Int# -> Int#@.
1099
1100 \item {\em Unpointed objects}, represent values of a {\em unpointed} type --i.e.~a type that does not include $\bottom$ such as @Int#@ or @Array#@.
1101
1102 \item {\em Activation frames}, represent ``continuations''.  They are
1103 always stored on the stack and are never pointed to by heap objects or
1104 passed as arguments.  \note{It's not clear if this will still be true
1105 once we support speculative evaluation.}
1106
1107 \end{itemize}
1108
1109 \item {\em Administrative closures}, such as stack objects and thread
1110 state objects, do not represent values in the original program.
1111 \end{itemize}
1112
1113 Only pointed objects can be entered.  All pointed objects share a
1114 common header format: the ``pointed header''; while all unpointed
1115 objects share a common header format: the ``unpointed header''.
1116 \ToDo{Describe the difference and update the diagrams to mention
1117 an appropriate header type.}
1118
1119 This section enumerates all the kinds of heap objects in the system.
1120 Each is identified by a distinct @INFO_TYPE@ tag in its info table.
1121
1122 \ToDo{Check this table very carefully}
1123
1124 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
1125 \hline
1126
1127 closure kind          & HNF & UPD & NS & STA & THU & MUT & UPT & BH & IND & Section \\
1128
1129 \hline                                                              
1130 {\em Pointed} \\ 
1131 \hline 
1132
1133 @CONSTR@              & 1   &     & 1  &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:CONSTR}    \\
1134 @CONSTR_STATIC@       & 1   &     & 1  & 1   &     &     &     &    &     & \ref{sect:CONSTR}    \\
1135 @CONSTR_STATIC_NOCAF@ & 1   &     & 1  & 1   &     &     &     &    &     & \ref{sect:CONSTR}    \\
1136                                                                                                  
1137 @FUN@                 & 1   &     & ?  &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:FUN}       \\
1138 @FUN_STATIC@          & 1   &     & ?  & 1   &     &     &     &    &     & \ref{sect:FUN}       \\
1139                                                                                                  
1140 @THUNK@               & 1   & 1   &    &     & 1   &     &     &    &     & \ref{sect:THUNK}     \\
1141 @THUNK_STATIC@        & 1   & 1   &    & 1   & 1   &     &     &    &     & \ref{sect:THUNK}     \\
1142 @THUNK_SELECTOR@      & 1   & 1   & 1  &     & 1   &     &     &    &     & \ref{sect:THUNK_SEL}     \\
1143                                                                                                  
1144 @PAP@                 & 1   &     & ?  &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:PAP}       \\
1145                                                                                                  
1146 @IND@                 &     &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1147 @IND_OLDGEN@          & 1   &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1148 @IND_PERM@            &     &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1149 @IND_OLDGEN_PERM@     & 1   &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1150 @IND_STATIC@          & ?   &     & 1  & 1   & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1151
1152 \hline
1153 {\em Unpointed} \\ 
1154 \hline
1155
1156
1157 @ARR_WORDS@           & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:ARR_WORDS1},\ref{sect:ARR_WORDS2} \\
1158 @ARR_PTRS@            & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:ARR_PTRS}  \\
1159 @MUTVAR@              & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:MUTVAR}    \\
1160 @MUTARR_PTRS@         & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:MUTARR_PTRS} \\
1161 @MUTARR_PTRS_FROZEN@  & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:MUTARR_PTRS_FROZEN} \\
1162
1163 @FOREIGN@             & 1   &     & 1  &     &     &     & 1   &    &     & \ref{sect:FOREIGN}   \\
1164
1165 @BH@                  & ?   & 0/1 & 1  &     & ?   & ?   &     & 1  & ?   & \ref{sect:BH}        \\
1166 @MVAR@                &     &     &    &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:MVAR}      \\
1167 @IVAR@                &     &     &    &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:IVAR}      \\
1168 @FETCHME@             &     &     &    &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:FETCHME}   \\
1169 \hline
1170 \end{tabular}
1171
1172 Activation frames do not live (directly) on the heap --- but they have
1173 a similar organisation.  The classification bits are all zero in
1174 activation frames.
1175
1176 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
1177 closure kind            & Section                       \\ \hline
1178 @RET_SMALL@             & \ref{sect:activation-records} \\
1179 @RET_VEC_SMALL@         & \ref{sect:activation-records} \\
1180 @RET_BIG@               & \ref{sect:activation-records} \\
1181 @RET_VEC_BIG@           & \ref{sect:activation-records} \\
1182 @UPDATE_FRAME@          & \ref{sect:activation-records} \\
1183 \hline
1184 \end{tabular}
1185
1186 There are also a number of administrative objects.  The classification bits are
1187 all zero in administrative objects.
1188
1189 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
1190 closure kind            & Section                       \\ \hline
1191 @TSO@                   & \ref{sect:TSO}                \\
1192 @STACK_OBJECT@          & \ref{sect:STACK_OBJECT}       \\
1193 @STABLEPTR_TABLE@       & \ref{sect:STABLEPTR_TABLE}    \\
1194 @SPARK_OBJECT@          & \ref{sect:SPARK}              \\
1195 @BLOCKED_FETCH@         & \ref{sect:BLOCKED_FETCH}      \\
1196 \hline
1197 \end{tabular}
1198
1199 \ToDo{I guess the parallel system has something like a stable ptr
1200 table.  Is there any opportunity for sharing code/data structures
1201 here?}
1202
1203
1204 \subsection{Classification bits}
1205
1206 The top bits of the @INFO_TYPE@ tag tells what sort of animal the
1207 closure is.
1208
1209 \begin{tabular}{|l|l|l|}                                                        \hline
1210 Abbrev & Bit & Interpretation                                                   \\ \hline
1211 HNF    & 0   & 1 $\Rightarrow$ Head normal form                                 \\
1212 UPD    & 4   & 1 $\Rightarrow$ May be updated (inconsistent with being a HNF)   \\ 
1213 NS     & 1   & 1 $\Rightarrow$ Don't spark me  (Any HNF will have this set to 1)\\
1214 STA    & 2   & 1 $\Rightarrow$ This is a static closure                         \\
1215 THU    & 8   & 1 $\Rightarrow$ Is a thunk                                       \\
1216 MUT    & 3   & 1 $\Rightarrow$ Has mutable pointer fields                       \\ 
1217 UPT    & 5   & 1 $\Rightarrow$ Has an unpointed type (eg a primitive array)     \\
1218 BH     & 6   & 1 $\Rightarrow$ Is a black hole                                  \\
1219 IND    & 7   & 1 $\Rightarrow$ Is an indirection                                \\
1220 \hline
1221 \end{tabular}
1222
1223 Updatable structures (@_UP@) are thunks that may be shared.  Primitive
1224 arrays (@_BM@ -- Big Mothers) are structures that are always held
1225 in-memory (basically extensions of a closure).  Because there may be
1226 offsets into these arrays, a primitive array cannot be handled as a
1227 FetchMe in the parallel system, but must be shipped in its entirety if
1228 its parent closure is shipped.
1229
1230 The other bits in the info-type field simply give a unique bit-pattern
1231 to identify the closure type.
1232
1233 \iffalse
1234 @
1235 #define _NF                     0x0001  /* Normal form  */
1236 #define _NS                     0x0002  /* Don't spark  */
1237 #define _ST                     0x0004  /* Is static    */
1238 #define _MU                     0x0008  /* Is mutable   */
1239 #define _UP                     0x0010  /* Is updatable (but not mutable) */
1240 #define _BM                     0x0020  /* Is a "primitive" array */
1241 #define _BH                     0x0040  /* Is a black hole */
1242 #define _IN                     0x0080  /* Is an indirection */
1243 #define _TH                     0x0100  /* Is a thunk */
1244
1245
1246
1247 SPEC    
1248 SPEC_N          SPEC | _NF | _NS
1249 SPEC_S          SPEC | _TH
1250 SPEC_U          SPEC | _UP | _TH
1251                 
1252 GEN     
1253 GEN_N           GEN | _NF | _NS
1254 GEN_S           GEN | _TH
1255 GEN_U           GEN | _UP | _TH
1256                 
1257 DYN             _NF | _NS
1258 TUPLE           _NF | _NS | _BM
1259 DATA            _NF | _NS | _BM
1260 MUTUPLE         _NF | _NS | _MU | _BM
1261 IMMUTUPLE       _NF | _NS | _BM
1262 STATIC          _NS | _ST
1263 CONST           _NF | _NS
1264 CHARLIKE        _NF | _NS
1265 INTLIKE         _NF | _NS
1266
1267 BH              _NS | _BH
1268 BH_N            BH
1269 BH_U            BH | _UP
1270                 
1271 BQ              _NS | _MU | _BH
1272 IND             _NS | _IN
1273 CAF             _NF | _NS | _ST | _IN
1274
1275 FM              
1276 FETCHME         FM | _MU
1277 FMBQ            FM | _MU | _BH
1278
1279 TSO             _MU
1280
1281 STKO    
1282 STKO_DYNAMIC    STKO | _MU
1283 STKO_STATIC     STKO | _ST
1284                 
1285 SPEC_RBH        _NS | _MU | _BH
1286 GEN_RBH         _NS | _MU | _BH
1287 BF              _NS | _MU | _BH
1288 INTERNAL        
1289
1290 @
1291 \fi
1292
1293 Notes:
1294
1295 An indirection either points to HNF (post update); or is result of
1296 overwriting a FetchMe, in which case the thing fetched is either
1297 under evaluation (BH), or by now an HNF.  Thus, indirections get NoSpark flag.
1298
1299
1300
1301 \subsection{Pointed Objects}
1302
1303 All pointed objects can be entered.
1304
1305 \subsubsection{Function closures}\label{sect:FUN}
1306
1307 Function closures represent lambda abstractions.  For example,
1308 consider the top-level declaration:
1309 @
1310   f = \x -> let g = \y -> x+y
1311             in g x
1312 @
1313 Both @f@ and @g@ are represented by function closures.  The closure
1314 for @f@ is {\em static} while that for @g@ is {\em dynamic}.
1315
1316 The layout of a function closure is as follows:
1317 \begin{center}
1318 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1319 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} \\ \hline
1320 \end{tabular}
1321 \end{center}
1322 The data words (pointers and non-pointers) are the free variables of
1323 the function closure.  
1324 The number of pointers
1325 and number of non-pointers are stored in the @INFO_SM@ word, in the least significant
1326 and most significant half-word respectively.
1327
1328 There are several different sorts of function closure, distinguished
1329 by their @INFO_TYPE@ field:
1330 \begin{itemize}
1331 \item @FUN@: a vanilla, dynamically allocated on the heap. 
1332
1333 \item $@FUN_@p@_@np$: to speed up garbage collection a number of
1334 specialised forms of @FUN@ are provided, for particular $(p,np)$ pairs,
1335 where $p$ is the number of pointers and $np$ the number of non-pointers.
1336
1337 \item @FUN_STATIC@.  Top-level, static, function closures (such as
1338 @f@ above) have a different
1339 layout than dynamic ones:
1340 \begin{center}
1341 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
1342 {\em Fixed header}  & {\em Static object link} \\ \hline
1343 \end{tabular}
1344 \end{center}
1345 Static function closurs have no free variables.  (However they may refer to other 
1346 static closures; these references are recorded in the function closure's SRT.)
1347 They have one field that is not present in dynamic closures, the {\em static object
1348 link} field.  This is used by the garbage collector in the same way that to-space
1349 is, to gather closures that have been determined to be live but that have not yet
1350 been scavenged.
1351 \note{Static function closures that have no static references, and hence
1352 a null SRT pointer, don't need the static object link field.  Is it worth
1353 taking advantage of this?  See @CONSTR_STATIC_NOCAF@.}
1354 \end{itemize}
1355
1356 Each lambda abstraction, $f$, in the STG program has its own private info table.
1357 The following labels are relevant:
1358 \begin{itemize}
1359 \item $f$@_info@  is $f$'s info table.
1360 \item $f$@_entry@ is $f$'s slow entry point (i.e. the entry code of its
1361 info table; so it will label the same byte as $f$@_info@).
1362 \item $f@_fast_@k$ is $f$'s fast entry point.  $k$ is the number of arguments
1363 $f$ takes; encoding this number in the fast-entry label occasionally catches some nasty
1364 code-generation errors.
1365 \end{itemize}
1366
1367 \subsubsection{Data Constructors}\label{sect:CONSTR}
1368
1369 Data-constructor closures represent values constructed with
1370 algebraic data type constructors.
1371 The general layout of data constructors is the same as that for function
1372 closures.  That is
1373 \begin{center}
1374 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1375 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} \\ \hline
1376 \end{tabular}
1377 \end{center}
1378
1379 The SRT pointer in a data constructor's info table is never used --- the
1380 code for a constructor does not make any static references.
1381 \note{Use it for something else??  E.g. tag?}
1382
1383 There are several different sorts of constructor:
1384 \begin{itemize}
1385 \item @CONSTR@: a vanilla, dynamically allocated constructor.
1386 \item @CONSTR_@$p$@_@$np$: just like $@FUN_@p@_@np$.
1387 \item @CONSTR_INTLIKE@.
1388 A dynamically-allocated heap object that looks just like an @Int@.  The 
1389 garbage collector checks to see if it can common it up with one of a fixed
1390 set of static int-like closures, thus getting it out of the dynamic heap
1391 altogether.
1392
1393 \item @CONSTR_CHARLIKE@:  same deal, but for @Char@.
1394
1395 \item @CONSTR_STATIC@ is similar to @FUN_STATIC@, with the complication that
1396 the layout of the constructor must mimic that of a dynamic constructor,
1397 because a static constructor might be returned to some code that unpacks it.
1398 So its layout is like this:
1399 \begin{center}
1400 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1401 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} & {\em Static object link}\\ \hline
1402 \end{tabular}
1403 \end{center}
1404 The static object link, at the end of the closure, serves the same purpose
1405 as that for @FUN_STATIC@.  The pointers in the static constructor can point
1406 only to other static closures.
1407
1408 The static object link occurs last in the closure so that static
1409 constructors can store their data fields in exactly the same place as
1410 dynamic constructors.
1411
1412 \item @CONSTR_STATIC_NOCAF@.  A statically allocated data constructor
1413 that guarantees not to point (directly or indirectly) to any CAF
1414 (section~\ref{sect:CAF}).  This means it does not need a static object
1415 link field.  Since we expect that there might be quite a lot of static
1416 constructors this optimisation makes sense.  Furthermore, the @NOCAF@
1417 tag allows the compiler to indicate that no CAFs can be reached
1418 anywhere {\em even indirectly}.
1419
1420
1421 \end{itemize}
1422
1423 For each data constructor $Con$, two
1424 info tables are generated:
1425 \begin{itemize}
1426 \item $Con$@_info@ labels $Con$'s dynamic info table, 
1427 shared by all dynamic instances of the constructor.
1428 \item $Con$@_static@ labels $Con$'s static info table, 
1429 shared by all static instances of the constructor.
1430 \end{itemize}
1431
1432 \subsubsection{Thunks}
1433 \label{sect:THUNK}
1434 \label{sect:THUNK_SEL}
1435
1436 A thunk represents an expression that is not obviously in head normal 
1437 form.  For example, consider the following top-level definitions:
1438 @
1439   range = between 1 10
1440   f = \x -> let ys = take x range
1441             in sum ys
1442 @
1443 Here the right-hand sides of @range@ and @ys@ are both thunks; the former
1444 is static while the latter is dynamic.
1445
1446 The layout of a thunk is the same as that for a function closure,
1447 except that it may have some words of ``slop'' at the end to make sure
1448 that it has 
1449 at least @MIN_UPD_PAYLOAD@ words in addition to its
1450 fixed header.
1451 \begin{center}
1452 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1453 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} & {\em Slop} \\ \hline
1454 \end{tabular}
1455 \end{center}
1456 The @INFO_SM@ word contains the same information as for function
1457 closures; that is, number of pointers and number of non-pointers (excluding slop).
1458
1459 A thunk differs from a function closure in that it can be updated.
1460
1461 There are several forms of thunk:
1462 \begin{itemize}
1463 \item @THUNK@: a vanilla, dynamically allocated thunk.
1464 The garbage collection code for thunks whose
1465 pointer + non-pointer words is less than @MIN_UPD_PAYLOAD@ differs from
1466 that for function closures and data constructors, because the GC code
1467 has to account for the slop.
1468 \item $@THUNK_@p@_@np$.  Similar comments apply.
1469 \item @THUNK_STATIC@.  A static thunk is also known as 
1470 a {\em constant applicative form}, or {\em CAF}.
1471
1472 \begin{center}
1473 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1474 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} & {\em Slop} & {\em Static object link}\\ \hline
1475 \end{tabular}
1476 \end{center}
1477
1478 \item @THUNK_SELECTOR@ is a (dynamically allocated) thunk
1479 whose entry code performs a simple selection operation from
1480 a data constructor drawn from a single-constructor type.  For example,
1481 the thunk
1482 @
1483         x = case y of (a,b) -> a
1484 @
1485 is a selector thunk.  A selector thunk is laid out like this:
1486 \begin{center}
1487 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1488 {\em Fixed header}  & {\em Selectee pointer} \\ \hline
1489 \end{tabular}
1490 \end{center}
1491 The @INFO_SM@ word contains the byte offset of the desired word in
1492 the selectee.  Note that this is different from all other thunks.
1493
1494 The garbage collector ``peeks'' at the selectee's
1495 tag (in its info table).  If it is evaluated, then it goes ahead and do
1496 the selection, and then behaves just as if the selector thunk was an
1497 indirection to the selected field.
1498 If it is not
1499 evaluated, it treats the selector thunk like any other thunk of that
1500 shape.  [Implementation notes.  
1501 Copying: only the evacuate routine needs to be special.
1502 Compacting: only the PRStart (marking) routine needs to be special.]
1503 \end{itemize}
1504
1505
1506 The only label associated with a thunk is its info table:
1507 \begin{description}
1508 \item[$f$@_info@] is $f$'s info table.
1509 \end{description}
1510
1511
1512 \subsubsection{Partial applications (PAPs)}\label{sect:PAP}
1513
1514 A partial application (PAP) represents a function applied to too few arguments.
1515 It is only built as a result of updating after an argument-satisfaction
1516 check failure.  A PAP has the following shape:
1517 \begin{center}
1518 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1519 {\em Fixed header}  & {\em No of arg words} & {\em Function closure} & {\em Arg stack} \\ \hline
1520 \end{tabular}
1521 \end{center}
1522 The ``arg stack'' is a copy of of the chunk of stack above the update
1523 frame; ``no of arg words'' tells how many words it consists of.  The
1524 function closure is (a pointer to) the closure for the function whose
1525 argument-satisfaction check failed.
1526
1527 There is just one standard form of PAP with @INFO_TYPE@ = @PAP@.
1528 There is just one info table too, called @PAP_info@.
1529 Its entry code simply copies the arg stack chunk back on top of the
1530 stack and enters the function closure.  (It has to do a stack overflow test first.)
1531
1532 There are no static PAPs.
1533
1534 \subsubsection{Indirections}
1535 \label{sect:IND}
1536 \label{sect:IND_OLDGEN}
1537
1538 Indirection closures just point to other closures. They are introduced
1539 when a thunk is updated to point to its value. 
1540 The entry code for all indirections simply enters the closure it points to.
1541
1542 There are several forms of indirection:
1543 \begin{description}
1544 \item[@IND@] is the vanilla, dynamically-allocated indirection.
1545 It is removed by the garbage collector. It has the following
1546 shape:
1547 \begin{center}
1548 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
1549 {\em Fixed header} & {\em Target closure} \\ \hline
1550 \end{tabular}
1551 \end{center}
1552
1553 \item[@IND_OLDGEN@] is the indirection used to update an old-generation
1554 thunk. Its shape is like this:
1555 \begin{center}
1556 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
1557 {\em Fixed header} & {\em Mutable link field} & {\em Target closure} \\ \hline
1558 \end{tabular}
1559 \end{center}
1560 It contains a {\em mutable link field} that is used to string together
1561 all old-generation indirections that might have a pointer into
1562 the new generation.
1563
1564
1565 \item[@IND_PERMANENT@ and @IND_OLDGEN_PERMANENT@.]
1566 for lexical profiling, it is necessary to maintain cost centre
1567 information in an indirection, so ``permanent indirections'' are
1568 retained forever.  Otherwise they are just like vanilla indirections.
1569 \note{If a permanent indirection points to another permanent
1570 indirection or a @CONST@ closure, it is possible to elide the indirection
1571 since it will have no effect on the profiler.}
1572 \note{Do we still need @IND@ and @IND_OLDGEN@
1573 in the profiling build, or can we just make
1574 do with one pair whose behaviour changes when profiling is built?}
1575
1576 \item[@IND_STATIC@] is used for overwriting CAFs when they have been
1577 evaluated.  Static indirections are not removed by the garbage
1578 collector; and are statically allocated outside the heap (and should
1579 stay there).  Their static object link field is used just as for
1580 @FUN_STATIC@ closures.
1581
1582 \begin{center}
1583 \begin{tabular}{|l|l|l|}
1584 \hline
1585 {\em Fixed header} & {\em Target closure} & {\em Static object link} \\
1586 \hline
1587 \end{tabular}
1588 \end{center}
1589
1590 \end{description}
1591
1592 \subsubsection{Activation Records}
1593
1594 Activation records are parts of the stack described by return address
1595 info tables (closures with @INFO_TYPE@ values of @RET_SMALL@,
1596 @RET_VEC_SMALL@, @RET_BIG@ and @RET_VEC_BIG@). They are described in
1597 section~\ref{sect:activation-records}.
1598
1599
1600 \subsubsection{Black holes, MVars and IVars}
1601 \label{sect:BH}
1602 \label{sect:MVAR}
1603 \label{sect:IVAR}
1604
1605 Black hole closures are used to overwrite closures currently being
1606 evaluated. They inform the garbage collector that there are no live
1607 roots in the closure, thus removing a potential space leak.  
1608
1609 Black holes also become synchronization points in the threaded world.
1610 They contain a pointer to a list of blocked threads to be awakened
1611 when the black hole is updated (or @NULL@ if the list is empty).
1612 \begin{center}
1613 \begin{tabular}{|l|l|l|}
1614 \hline 
1615 {\em Fixed header} & {\em Mutable link} & {\em Blocked thread link} \\
1616 \hline
1617 \end{tabular}
1618 \end{center}
1619 The {\em Blocked thread link} points to the TSO of the first thread
1620 waiting for the value of this thunk.  All subsequent TSOs in the list
1621 are linked together using their @TSO_LINK@ field.
1622
1623 When the blocking queue is non-@NULL@, the black hole must be added to
1624 the mutables list since the TSOs on the list may contain pointers into
1625 the new generation.  There is no need to clutter up the mutables list
1626 with black holes with empty blocking queues.
1627
1628 \ToDo{MVars}
1629
1630
1631 \subsubsection{FetchMes}\label{sect:FETCHME}
1632
1633 In the parallel systems, FetchMes are used to represent pointers into
1634 the global heap.  When evaluated, the value they point to is read from
1635 the global heap.
1636
1637 \ToDo{Describe layout}
1638
1639
1640 \subsection{Unpointed Objects}
1641
1642 A variable of unpointed type is always bound to a {\em value}, never to a {\em thunk}.
1643 For this reason, unpointed objects cannot be entered.
1644
1645 A {\em value} may be:
1646 \begin{itemize}
1647 \item {\em Boxed}, i.e.~represented indirectly by a pointer to a heap object (e.g.~foreign objects, arrays); or
1648 \item {\em Unboxed}, i.e.~represented directly by a bit-pattern in one or more registers (e.g.~@Int#@ and @Float#@).
1649 \end{itemize}
1650 All {\em pointed} values are {\em boxed}.  
1651
1652 \subsubsection{Immutable Objects}
1653 \label{sect:ARR_WORDS1}
1654 \label{sect:ARR_PTRS}
1655
1656 \begin{description}
1657 \item[@ARR_WORDS@] is a variable-sized object consisting solely of
1658 non-pointers.  It is used for arrays of all
1659 sorts of things (bytes, words, floats, doubles... it doesn't matter).
1660 \begin{center}
1661 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
1662 \hline
1663 {\em Fixed Hdr} & {\em No of non-pointers} & {\em Non-pointers\ldots}   \\ \hline
1664 \end{tabular}
1665 \end{center}
1666
1667 \item[@ARR_PTRS@] is an immutable, variable sized array of pointers.
1668 \begin{center}
1669 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
1670 \hline
1671 {\em Fixed Hdr} & {\em Mutable link} & {\em No of pointers} & {\em Pointers\ldots}      \\ \hline
1672 \end{tabular}
1673 \end{center}
1674 The mutable link is present so that we can easily freeze and thaw an
1675 array (by changing the header and adding/removing the array to the
1676 mutables list).
1677
1678 \end{description}
1679
1680 \subsubsection{Mutable Objects}
1681 \label{sect:mutables}
1682 \label{sect:ARR_WORDS2}
1683 \label{sect:MUTVAR}
1684 \label{sect:MUTARR_PTRS}
1685 \label{sect:MUTARR_PTRS_FROZEN}
1686
1687 Some of these objects are {\em mutable}; they represent objects which
1688 are explicitly mutated by Haskell code through the @ST@ monad.
1689 They're not used for thunks which are updated precisely once.
1690 Depending on the garbage collector, mutable closures may contain extra
1691 header information which allows a generational collector to implement
1692 the ``write barrier.''
1693
1694 \begin{description}
1695
1696 \item[@ARR_WORDS@] is also used to represent {\em mutable} arrays of
1697 bytes, words, floats, doubles, etc.  It's possible to use the same
1698 object type because even generational collectors don't need to
1699 distinguish them.
1700
1701 \item[@MUTVAR@] is a mutable variable.
1702 \begin{center}
1703 \begin{tabular}{|c|c|c|}
1704 \hline
1705 {\em Fixed Hdr} & {\em Mutable link} & {\em Pointer} \\ \hline
1706 \end{tabular}
1707 \end{center}
1708
1709 \item[@MUTARR_PTRS@] is a mutable array of pointers.
1710 Such an array may be {\em frozen}, becoming an @SM_MUTARR_PTRS_FROZEN@, with a
1711 different info-table.
1712 \begin{center}
1713 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
1714 \hline
1715 {\em Fixed Hdr} & {\em Mutable link} & {\em No of ptrs} & {\em Pointers\ldots} \\ \hline
1716 \end{tabular}
1717 \end{center}
1718
1719 \item[@MUTARR_PTRS_FROZEN@] is a frozen @MUTARR_PTRS@ closure.
1720 The garbage collector converts @MUTARR_PTRS_FROZEN@ to @ARR_PTRS@ as it removes them from
1721 the mutables list.
1722
1723 \end{description}
1724
1725
1726 \subsubsection{Foreign Objects}\label{sect:FOREIGN}
1727
1728 Here's what a ForeignObj looks like:
1729
1730 \begin{center}
1731 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}
1732 \hline 
1733 {\em Fixed header} & {\em Data} & {\em Free Routine} & {\em Foreign object link} \\
1734 \hline
1735 \end{tabular}
1736 \end{center}
1737
1738 The @FreeRoutine@ is a reference to the finalisation routine to call
1739 when the @ForeignObj@ becomes garbage.  If @freeForeignObject@ is
1740 called on a Foreign Object, the @FreeRoutine@ is set to zero and the
1741 garbage collector will not attempt to call @FreeRoutine@ when the 
1742 object becomes garbage.
1743
1744 The Foreign object link is a link to the next foreign object in the
1745 list.  This list is traversed at the end of garbage collection: if an
1746 object is about to be deallocated (e.g.~it was not marked or
1747 evacuated), the free routine is called and the object is deleted from
1748 the list.  
1749
1750
1751 The remaining objects types are all administrative --- none of them may be entered.
1752
1753 \subsection{Thread State Objects (TSOs)}\label{sect:TSO}
1754
1755 In the multi-threaded system, the state of a suspended thread is
1756 packed up into a Thread State Object (TSO) which contains all the
1757 information needed to restart the thread and for the garbage collector
1758 to find all reachable objects.  When a thread is running, it may be
1759 ``unpacked'' into machine registers and various other memory locations
1760 to provide faster access.
1761
1762 Single-threaded systems don't really {\em need\/} TSOs --- but they do
1763 need some way to tell the storage manager about live roots so it is
1764 convenient to use a single TSO to store the mutator state even in
1765 single-threaded systems.
1766
1767 Rather than manage TSOs' alloc/dealloc, etc., in some {\em ad hoc}
1768 way, we instead alloc/dealloc/etc them in the heap; then we can use
1769 all the standard garbage-collection/fetching/flushing/etc machinery on
1770 them.  So that's why TSOs are ``heap objects,'' albeit very special
1771 ones.
1772 \begin{center}
1773 \begin{tabular}{|l|l|}
1774    \hline {\em Fixed header}
1775 \\ \hline @TSO_LINK@
1776 \\ \hline @TSO_WHATNEXT@
1777 \\ \hline @TSO_WHATNEXT_INFO@ 
1778 \\ \hline @TSO_STACK@ 
1779 \\ \hline {\em Exception Handlers}
1780 \\ \hline {\em Ticky Info}
1781 \\ \hline {\em Profiling Info}
1782 \\ \hline {\em Parallel Info}
1783 \\ \hline {\em GranSim Info}
1784 \\ \hline
1785 \end{tabular}
1786 \end{center}
1787 The contents of a TSO are:
1788 \begin{itemize}
1789
1790 \item A pointer (@TSO_LINK@) used to maintain a list of threads with a similar
1791   state (e.g.~all runable, all sleeping, all blocked on the same black
1792   hole, all blocked on the same MVar, etc.)
1793
1794 \item A word (@TSO_WHATNEXT@) which is in suspended threads to record
1795  how to awaken it.  This typically requires a program counter which is stored
1796  in the pointer @TSO_WHATNEXT_INFO@
1797
1798 \item A pointer (@TSO_STACK@) to the top stack block.
1799
1800 \item Optional information for ``Ticky Ticky'' statistics: @TSO_STK_HWM@ is
1801   the maximum number of words allocated to this thread.
1802
1803 \item Optional information for profiling: 
1804   @TSO_CCC@ is the current cost centre.
1805
1806 \item Optional information for parallel execution:
1807 \begin{itemize}
1808
1809 \item The types of threads (@TSO_TYPE@):
1810 \begin{description}
1811 \item[@T_MAIN@]     Must be executed locally.
1812 \item[@T_REQUIRED@] A required thread  -- may be exported.
1813 \item[@T_ADVISORY@] An advisory thread -- may be exported.
1814 \item[@T_FAIL@]     A failure thread   -- may be exported.
1815 \end{description}
1816
1817 \item I've no idea what else
1818
1819 \end{itemize}
1820
1821 \item Optional information for GranSim execution:
1822 \begin{itemize}
1823 \item locked         
1824 \item sparkname  
1825 \item started at         
1826 \item exported   
1827 \item basic blocks       
1828 \item allocs     
1829 \item exectime   
1830 \item fetchtime  
1831 \item fetchcount         
1832 \item blocktime  
1833 \item blockcount         
1834 \item global sparks      
1835 \item local sparks       
1836 \item queue              
1837 \item priority   
1838 \item clock          (gransim light only)
1839 \end{itemize}
1840
1841
1842 Here are the various queues for GrAnSim-type events.
1843 @
1844 Q_RUNNING   
1845 Q_RUNNABLE  
1846 Q_BLOCKED   
1847 Q_FETCHING  
1848 Q_MIGRATING 
1849 @
1850
1851 \end{itemize}
1852
1853 \subsection{Other weird objects}
1854 \label{sect:SPARK}
1855 \label{sect:BLOCKED_FETCH}
1856
1857 \begin{description}
1858 \item[@BlockedFetch@ heap objects (`closures')] (parallel only)
1859
1860 @BlockedFetch@s are inbound fetch messages blocked on local closures.
1861 They arise as entries in a local blocking queue when a fetch has been
1862 received for a local black hole.  When awakened, we look at their
1863 contents to figure out where to send a resume.
1864
1865 A @BlockedFetch@ closure has the form:
1866 \begin{center}
1867 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
1868 {\em Fixed header} & link & node & gtid & slot & weight \\ \hline
1869 \end{tabular}
1870 \end{center}
1871
1872 \item[Spark Closures] (parallel only)
1873
1874 Spark closures are used to link together all closures in the spark pool.  When
1875 the current processor is idle, it may choose to speculatively evaluate some of
1876 the closures in the pool.  It may also choose to delete sparks from the pool.
1877 \begin{center}
1878 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
1879 {\em Fixed header} & {\em Spark pool link} & {\em Sparked closure} \\ \hline
1880 \end{tabular}
1881 \end{center}
1882
1883
1884 \end{description}
1885
1886
1887 \subsection{Stack Objects}
1888 \label{sect:STACK_OBJECT}
1889 \label{sect:stacks}
1890
1891 These are ``stack objects,'' which are used in the threaded world as
1892 the stack for each thread is allocated from the heap in smallish
1893 chunks.  (The stack in the sequential world is allocated outside of
1894 the heap.)
1895
1896 Each reduction thread has to have its own stack space.  As there may
1897 be many such threads, and as any given one may need quite a big stack,
1898 a naive give-'em-a-big-stack-and-let-'em-run approach will cost a {\em
1899 lot} of memory.
1900
1901 Our approach is to give a thread a small stack space, and then link
1902 on/off extra ``chunks'' as the need arises.  Again, this is a
1903 storage-management problem, and, yet again, we choose to graft the
1904 whole business onto the existing heap-management machinery.  So stack
1905 objects will live in the heap, be garbage collected, etc., etc..
1906
1907 A stack object is laid out like this:
1908
1909 \begin{center}
1910 \begin{tabular}{|l|}
1911 \hline
1912 {\em Fixed header} 
1913 \\ \hline
1914 {\em Link to next stack object (0 for last)}
1915 \\ \hline
1916 {\em N, the payload size in words}
1917 \\ \hline
1918 {\em @Sp@ (byte offset from head of object)}
1919 \\ \hline
1920 {\em @Su@ (byte offset from head of object)}
1921 \\ \hline
1922 {\em Payload (N words)}
1923 \\ \hline
1924 \end{tabular}
1925 \end{center}
1926
1927 \ToDo{Are stack objects on the mutable list?}
1928
1929 The stack grows downwards, towards decreasing
1930 addresses.  This makes it easier to print out the stack
1931 when debugging, and it means that a return address is
1932 at the lowest address of the chunk of stack it ``knows about''
1933 just like an info pointer on a closure.
1934
1935 The garbage collector needs to be able to find all the
1936 pointers in a stack.  How does it do this?
1937
1938 \begin{itemize}
1939
1940 \item Within the stack there are return addresses, pushed
1941 by @case@ expressions.  Below a return address (i.e. at higher
1942 memory addresses, since the stack grows downwards) is a chunk
1943 of stack that the return address ``knows about'', namely the
1944 activation record of the currently running function.
1945
1946 \item Below each such activation record is a {\em pending-argument
1947 section}, a chunk of
1948 zero or more words that are the arguments to which the result
1949 of the function should be applied.  The return address does not
1950 statically
1951 ``know'' how many pending arguments there are, or their types.
1952 (For example, the function might return a result of type $\alpha$.)
1953
1954 \item Below each pending-argument section is another return address,
1955 and so on.  Actually, there might be an update frame instead, but we
1956 can consider update frames as a special case of a return address with
1957 a well-defined activation record.
1958
1959 \ToDo{Doesn't it {\em have} to be an update frame?  After all, the arg
1960 satisfaction check is @Su - Sp >= ...@.}
1961
1962 \end{itemize}
1963
1964 The game plan is this.  The garbage collector
1965 walks the stack from the top, traversing pending-argument sections and
1966 activation records alternately.  Next we discuss how it finds
1967 the pointers in each of these two stack regions.
1968
1969
1970 \subsubsection{Activation records}\label{sect:activation-records}
1971
1972 An {\em activation record} is a contiguous chunk of stack,
1973 with a return address as its first word, followed by as many
1974 data words as the return address ``knows about''.  The return
1975 address is actually a fully-fledged info pointer.  It points
1976 to an info table, replete with:
1977
1978 \begin{itemize}
1979 \item entry code (i.e. the code to return to).
1980 \item @INFO_TYPE@ is either @RET_SMALL/RET_VEC_SMALL@ or @RET_BIG/RET_VEC_BIG@, depending
1981 on whether the activation record has more than 32 data words (\note{64 for 8-byte-word architectures}) and on whether 
1982 to use a direct or a vectored return.
1983 \item @INFO_SM@ for @RET_SMALL@ is a bitmap telling the layout
1984 of the activation record, one bit per word.  The least-significant bit
1985 describes the first data word of the record (adjacent to the fixed
1986 header) and so on.  A ``@1@'' indicates a non-pointer, a ``@0@''
1987 indicates
1988 a pointer.  We don't need to indicate exactly how many words there
1989 are,
1990 because when we get to all zeros we can treat the rest of the 
1991 activation record as part of the next pending-argument region.
1992
1993 For @RET_BIG@ the @INFO_SM@ field points to a block of bitmap
1994 words, starting with a word that tells how many words are in
1995 the block.
1996
1997 \item @INFO_SRT@ is the Static Reference Table for the return
1998 address (Section~\ref{sect:srt}).
1999 \end{itemize}
2000
2001 The activation record is a fully fledged closure too.
2002 As well as an info pointer, it has all the other attributes of
2003 a fixed header (Section~\ref{sect:fixed-header}) including a saved cost
2004 centre which is reloaded when the return address is entered.
2005
2006 In other words, all the attributes of closures are needed for
2007 activation records, so it's very convenient to make them look alike.
2008
2009
2010 \subsubsection{Pending arguments}
2011
2012 So that the garbage collector can correctly identify pointers
2013 in pending-argument sections we explicitly tag all non-pointers.
2014 Every non-pointer in a pending-argument section is preceded
2015 (at the next lower memory word) by a one-word byte count that
2016 says how many bytes to skip over (excluding the tag word).
2017
2018 The garbage collector traverses a pending argument section from 
2019 the top (i.e. lowest memory address).  It looks at each word in turn:
2020
2021 \begin{itemize}
2022 \item If it is less than or equal to a small constant @MAX_STACK_TAG@
2023 then
2024 it treats it as a tag heralding zero or more words of non-pointers,
2025 so it just skips over them.
2026
2027 \item If it points to the code segment, it must be a return
2028 address, so we have come to the end of the pending-argument section.
2029
2030 \item Otherwise it must be a bona fide heap pointer.
2031 \end{itemize}
2032
2033
2034 \subsection{The Stable Pointer Table}\label{sect:STABLEPTR_TABLE}
2035
2036 A stable pointer is a name for a Haskell object which can be passed to
2037 the external world.  It is ``stable'' in the sense that the name does
2038 not change when the Haskell garbage collector runs---in contrast to
2039 the address of the object which may well change.
2040
2041 A stable pointer is represented by an index into the
2042 @StablePointerTable@.  The Haskell garbage collector treats the
2043 @StablePointerTable@ as a source of roots for GC.
2044
2045 In order to provide efficient access to stable pointers and to be able
2046 to cope with any number of stable pointers (eg $0 \ldots 100000$), the
2047 table of stable pointers is an array stored on the heap and can grow
2048 when it overflows.  (Since we cannot compact the table by moving
2049 stable pointers about, it seems unlikely that a half-empty table can
2050 be reduced in size---this could be fixed if necessary by using a
2051 hash table of some sort.)
2052
2053 In general a stable pointer table closure looks like this:
2054
2055 \begin{center}
2056 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
2057 \hline
2058 {\em Fixed header} & {\em No of pointers} & {\em Free} & $SP_0$ & \ldots & $SP_{n-1}$ 
2059 \\\hline
2060 \end{tabular}
2061 \end{center}
2062
2063 The fields are:
2064 \begin{description}
2065
2066 \item[@NPtrs@:] number of (stable) pointers.
2067
2068 \item[@Free@:] the byte offset (from the first byte of the object) of the first free stable pointer.
2069
2070 \item[$SP_i$:] A stable pointer slot.  If this entry is in use, it is
2071 an ``unstable'' pointer to a closure.  If this entry is not in use, it
2072 is a byte offset of the next free stable pointer slot.
2073
2074 \end{description}
2075
2076 When a stable pointer table is evacuated
2077 \begin{enumerate}
2078 \item the free list entries are all set to @NULL@ so that the evacuation
2079   code knows they're not pointers;
2080
2081 \item The stable pointer slots are scanned linearly: non-@NULL@ slots
2082 are evacuated and @NULL@-values are chained together to form a new free list.
2083 \end{enumerate}
2084
2085 There's no need to link the stable pointer table onto the mutable
2086 list because we always treat it as a root.
2087
2088
2089
2090 \section{The Storage Manager}
2091
2092 The generational collector remembers the depth of the last generation
2093 collected and the value of the heap pointer at the end of the last GC.
2094 If the mutator has not moved the heap pointer, that means that the
2095 amount of space recovered is insufficient to satisfy even one request
2096 and it is time to collect an older generation or report a heap overflow.
2097
2098 A deeper collection is also triggered when a minor collection fails to
2099 recover at least @...@ bytes of space.
2100
2101 When can a GC happen?
2102
2103 @
2104 - During updates (ie during returns)
2105 - When a heap check fails
2106 - When a stack check fails (concurrent system only)
2107 - When a context switch happens (concurrent system only)
2108
2109 When do heap checks occur?
2110 - Immediately after entering a thunk
2111 - Immediately after entering a case alternative
2112
2113 When do stack checks occur?
2114 - We calculate the worst-case stack usage of an entire
2115   thunk so there's no need to put a check inside each alternative.
2116 - Immediately after entering a thunk
2117   We can't make a similar worst-case calculation for heap usage
2118   because the heap isn't used in a stacklike manner so any
2119   evaluation inside a case might steal some of the heap we've
2120   checked for.
2121
2122 Concurrency
2123 - Threads can be blocked
2124 - Threads can be put to sleep
2125   - Heap may move while we sleep
2126   - Black holing may happen while we sleep (ie during GC)
2127 @
2128
2129 \subsection{The SM state}
2130
2131 Contains @Hp@, @HpLim@, @StablePtrTable@ plus version-specific info.
2132
2133 \begin{itemize}
2134
2135 \item Static Object list 
2136 \item Foreign Object list
2137 \item Stable Pointer Table
2138
2139 \end{itemize}
2140
2141 In addition, the generational collector requires:
2142
2143 \begin{itemize}
2144
2145 \item Old Generation Indirection list
2146 \item Mutables list --- list of mutable objects in the old generation.
2147 \item @OldLim@ --- the boundary between the generations
2148 \item Old Foreign Object list --- foreign objects in the old generation
2149
2150 \end{itemize}
2151
2152 It is passed a table of {\em roots\/} containing
2153
2154 \begin{itemize}
2155
2156 \item All runnable TSOs
2157
2158 \end{itemize}
2159
2160
2161 In the parallel system, there must be some extra magic associated with
2162 global GC.
2163
2164 \subsection{The SM interface}
2165
2166 @initSM@ finalizes any runtime parameters of the storage manager.
2167
2168 @exitSM@ does any cleaning up required by the storage manager before
2169 the program is executed. Its main purpose is to print any summary
2170 statistics.
2171
2172 @initHeap@ allocates the heap. It initialises the @hp@ and @hplim@
2173 fields of @sm@ to represent an empty heap for the compiled-in garbage
2174 collector.  It also initialises @CAFlist@ to be the empty list. If we
2175 are using Appel's collector it also initialises the @OldLim@ field.
2176 It also initialises the stable pointer table and the @ForeignObjList@
2177 (and @OldForeignObjList@) fields.
2178
2179 @collectHeap@ invokes the garbage collector.  @collectHeap@ requires
2180 all the fields of @sm@ to be initialised appropriately (from the
2181 STG-machine registers).  The following are identified as heap roots:
2182 \begin{itemize}
2183 \item The updated CAFs recorded in @CAFlist@.
2184 \item Any pointers found on the stack.
2185 \item All runnable and sleeping TSOs.
2186 \item The stable pointer table.
2187 \end{itemize}
2188
2189 There are two possible results from a garbage collection:
2190 \begin{description} 
2191 \item[@GC_FAIL@] 
2192 The garbage collector is unable to free up any more space.
2193
2194 \item[@GC_SUCCESS@]
2195 The garbage collector managed to free up more space.
2196
2197 \begin{itemize} 
2198 \item @hp@ and @hplim@ will indicate the new space available for
2199 allocation.
2200
2201 \item The elements of @CAFlist@ and the stable pointers will be
2202 updated to point to the new locations of the closures they reference.
2203
2204 \item Any members of @ForeignObjList@ which became garbage should have
2205 been reported (by calling their finalising routines; and the
2206 @(Old)ForeignObjList@ updated to contain only those Foreign objects
2207 which are still live.  
2208
2209 \end{itemize}
2210
2211 \end{description}
2212
2213
2214 %************************************************************************
2215 %*                                                                      *
2216 \subsection{``What really happens in a garbage collection?''}
2217 %*                                                                      *
2218 %************************************************************************
2219
2220 This is a brief tutorial on ``what really happens'' going to/from the
2221 storage manager in a garbage collection.
2222
2223 \begin{description}
2224 %------------------------------------------------------------------------
2225 \item[The heap check:]
2226
2227 [OLD-ISH: WDP]
2228
2229 If you gaze into the C output of GHC, you see many macros calls like:
2230 \begin{verbatim}
2231 HEAP_CHK_2PtrsLive((_FHS+2));
2232 \end{verbatim}
2233
2234 This expands into the C (roughly speaking...):
2235 @
2236 Hp = Hp + (_FHS+2);     /* optimistically move heap pointer forward */
2237
2238 GC_WHILE_OR_IF (HEAP_OVERFLOW_OP(Hp, HpLim) OR_INTERVAL_EXPIRED) {
2239         STGCALL2_GC(PerformGC, <liveness-bits>, (_FHS+2));
2240 }
2241 @
2242
2243 In the parallel world, where we will need to re-try the heap check,
2244 @GC_WHILE_OR_IF@ will be a ``while''; in the sequential world, it will
2245 be an ``if''.
2246
2247 The ``heap lookahead'' checks, which are similar and used for
2248 multi-precision @Integer@ ops, have some further complications.  See
2249 the commentary there (@StgMacros.lh@).
2250
2251 %------------------------------------------------------------------------
2252 \item[Into @callWrapper_GC@...:]
2253
2254 When we failed the heap check (above), we were inside the
2255 GCC-registerised ``threaded world.''  @callWrapper_GC@ is all about
2256 getting in and out of the threaded world.  On SPARCs, with register
2257 windows, the name of the game is not shifting windows until we have
2258 what we want out of the old one.  In tricky cases like this, it's best
2259 written in assembly language.
2260
2261 Performing a GC (potentially) means giving up the thread of control.
2262 So we must fill in the thread-state-object (TSO) [and its associated
2263 stk object] with enough information for later resumption:
2264 \begin{enumerate}
2265 \item
2266 Save the return address in the TSO's PC field.
2267 \item
2268 Save the machine registers used in the STG threaded world in their
2269 corresponding TSO fields.  We also save the pointer-liveness
2270 information in the TSO.
2271 \item
2272 The registers that are not thread-specific, notably @Hp@ and
2273 @HpLim@, are saved in the @StorageMgrInfo@ structure.
2274 \item
2275 Call the routine it was asked to call; in this example, call
2276 @PerformGC@ with arguments @<liveness>@ and @_FHS+2@ (some constant)...
2277
2278 \end{enumerate}
2279
2280 %------------------------------------------------------------------------
2281 \item[Into the heap overflow wrapper, @PerformGC@ [parallel]:]
2282
2283 Most information has already been saved in the TSO.
2284
2285 \begin{enumerate}
2286 \item
2287 The first argument (@<liveness>@, in our example) say what registers
2288 are live, i.e., are ``roots'' the storage manager needs to know.
2289 \begin{verbatim}
2290 StorageMgrInfo.rootno   = 2;
2291 StorageMgrInfo.roots[0] = (P_) Ret1_SAVE;
2292 StorageMgrInfo.roots[1] = (P_) Ret2_SAVE;
2293 \end{verbatim}
2294
2295 \item
2296 We move the heap-pointer back [we had optimistically
2297 advanced it, in the initial heap check]
2298
2299 \item 
2300 We load up the @smInfo@ data from the STG registers' @*_SAVE@ locations.
2301
2302 \item
2303 We mark on the scheduler's big ``blackboard'' that a GC is
2304 required.
2305
2306 \item
2307 We reschedule, i.e., this thread gives up control.  (The scheduler
2308 will presumably initiate a garbage-collection, but it may have to do
2309 any number of other things---flushing, for example---before ``normal
2310 execution'' resumes; and it most certainly may not be this thread that
2311 resumes at that point!)
2312 \end{enumerate}
2313
2314 IT IS AT THIS POINT THAT THE WORLD IS COMPLETELY TIDY.
2315
2316 %------------------------------------------------------------------------
2317 \item[Out of @callWrapper_GC@ [parallel]:]
2318
2319 When this thread is finally resumed after GC (and who knows what
2320 else), it will restart by the normal enter-TSO/enter-stack-object
2321 sequence, which has the effect of re-loading the registers, etc.,
2322 (i.e., restoring the state).
2323
2324 Because the address we saved in the TSO's PC field was that at the end
2325 of the heap check, and because the check is a while-loop in the
2326 parallel system, we will now loop back around, and make sure there is
2327 enough space before continuing.
2328 \end{description}
2329
2330
2331
2332 \subsection{Static Reference Tables (SRTs)}
2333 \label{sect:srt}
2334 \label{sect:CAF}
2335 \label{sect:static-objects}
2336
2337 In the above, we assumed that objects always contained pointers to all
2338 their free variables.  In fact, this isn't quite true: GHC omits
2339 pointers to top-level objects and allocates their closures in static
2340 memory.  This optimisation reduces the number of free variables in
2341 heap objects - reducing memory usage and the effort needed to put them
2342 into heap objects.  However, this optimisation comes at a cost: we
2343 need to complicate the garbage collector with machinery for tracing
2344 these static references.
2345
2346 Early versions of GHC used a very simple algorithm: it treated all
2347 static objects as roots.  This is safe in the sense that no object is
2348 ever deallocated if there's a chance that it might be required later
2349 but can lead to some terrible space leaks.  For example, this program
2350 ought to be able to run in constant space but, because @xs@ is never
2351 deallocated, it runs in linear space.
2352
2353 @
2354 main = print xs
2355 xs = [1..]
2356 @
2357
2358 The correct behaviour is for the garbage collector to keep a static
2359 object alive iff it might be required later in execution.  That is, if
2360 it is reachable from any live heap objects {\em or\/} from any return
2361 addresses found on the stack or from the current program counter.
2362 Since it is obviously infeasible for the garbage collector to scan
2363 machine code looking for static references, the code generator must
2364 generate a table of all static references in any piece of code (and we
2365 must place a pointer to this table next to any piece of code we
2366 generate).
2367
2368 Here's what the SRT has to contain:
2369
2370 @
2371 ...
2372 @
2373
2374 Here's how we represent it:
2375
2376 @
2377 ...
2378 must be able to handle 0 references well
2379 @
2380
2381 @
2382 Other trickery:
2383 o The CAF list
2384 o The scavenge list
2385 o Generational GC trickery
2386 @
2387
2388 \subsection{Space leaks and black holes}
2389 \label{sect:black-hole}
2390
2391 \iffalse
2392
2393 \ToDo{Insert text stolen from update paper}
2394
2395 \else
2396
2397 A program exhibits a {\em space leak} if it retains storage that is
2398 sure not to be used again.  Space leaks are becoming increasingly
2399 common in imperative programs that @malloc@ storage and fail
2400 subsequently to @free@ it.  They are, however, also common in
2401 garbage-collected systems, especially where lazy evaluation is
2402 used.[.wadler leak, runciman heap profiling jfp.]
2403
2404 Quite a bit of experience has now accumulated suggesting that
2405 implementors must be very conscientious about avoiding gratuitous
2406 space leaks --- that is, ones which are an accidental artefact of some
2407 implementation technique.[.appel book.]  The update mechanism is
2408 a case in point, as <.jones jfp leak.> points out.  Consider a thunk for
2409 the expression
2410 @
2411   let xs = [1..1000] in last xs
2412
2413 where @last@ is a function that returns the last element of its
2414 argument list.  When the thunk is entered it will call @last@, which
2415 will consume @xs@ until it finds the last element.  Since the list
2416 @[1..1000]@ is produced lazily one might reasonably expect the
2417 expression to evaluate in constant space.  But {\em until the moment
2418 of update, the thunk itself still retains a pointer to the beginning
2419 of the list @xs@}.  So, until the update takes place the whole list
2420 will be retained!
2421
2422 Of course, this is completely gratuitous.  The pointer to @xs@ in the
2423 thunk will never be used again.  In <.peyton stock hardware.> the solution to
2424 this problem that we advocated was to overwrite a thunk's info with a
2425 fixed ``black hole'' info pointer, {\em at the moment of entry}.  The
2426 storage management information attached to a black-hole info pointer
2427 tells the garbage collector that the closure contains no pointers,
2428 thereby plugging the space leak.
2429
2430 \subsubsection{Lazy black-holing}
2431
2432 Black-holing is a well-known idea.  The trouble is that it is
2433 gallingly expensive.  To avoid the occasional space leak, for every
2434 single thunk entry we have to load a full-word literal constant into a
2435 register (often two instructions) and then store that register into a
2436 memory location.  
2437
2438 Fortunately, this cost can easily be avoided.  The
2439 idea is simple: {\em instead of black-holing every thunk on entry,
2440 wait until the garbage collector is called, and then black-hole all
2441 (and only) the thunks whose evaluation is in progress at that moment}.
2442 There is no benefit in black-holing a thunk that is updated before
2443 garbage collection strikes!  In effect, the idea is to perform the
2444 black-holing operation lazily, only when it is needed.  This
2445 dramatically cuts down the number of black-holing operations, as our
2446 results show {\em forward ref}.
2447
2448 How can we find all the thunks whose evaluation is in progress?  They
2449 are precisely the ones for which update frames are on the stack.  So
2450 all we need do is find all the update frames (via the @Su@ chain) and
2451 black-hole their thunks right at the start of garbage collection.
2452 Notice that it is not enough to refrain from treating update frames as
2453 roots: firstly because the thunks to which they point may need to be
2454 moved in a copying collector, but more importantly because the thunk
2455 might be accessible via some other route.
2456
2457 \subsubsection{Detecting loops}
2458
2459 Black-holing has a second minor advantage: evaluation of a thunk whose
2460 value depends on itself will cause a black hole closure to be entered,
2461 which can cause a suitable error message to be displayed. For example,
2462 consider the definition
2463 @
2464   x = 1+x
2465 @
2466 The code to evaluate @x@'s right hand side will evaluate @x@.  In the
2467 absence of black-holing, the result will be a stack overflow, as the
2468 evaluator repeatedly pushes a return address and enters @x@.  If
2469 thunks are black-holed on entry, then this infinite loop can be caught
2470 almost instantly.
2471
2472 With our new method of lazy black-holing, a self-referential program
2473 might cause either stack overflow or a black-hole error message,
2474 depending on exactly when garbage collection strikes.  It is quite
2475 easy to conceal these differences, however.  If stack overflow occurs,
2476 all we need do is examine the update frames on the stack to see if
2477 more than one refers to the same thunk.  If so, there is a loop that
2478 would have been detected by eager black-holing.
2479
2480 \subsubsection{Lazy locking}
2481 \label{sect:lock}
2482
2483 In a parallel implementation, it is necessary somehow to ``lock'' a
2484 thunk that is under evaluation, so that other parallel evaluators
2485 cannot simultaneously evaluate it and thereby duplicate work.
2486 Instead, an evaluator that enters a locked thunk should be blocked,
2487 and made runnable again when the thunk is updated.
2488
2489 This locking is readily arranged in the same way as black-holing, by
2490 overwriting the thunk's info pointer with a special ``locked'' info
2491 pointer, at the moment of entry.  If another evaluator enters the
2492 thunk before it has been updated, it will land in the entry code for
2493 the ``locked'' info pointer, which blocks the evaluator and queues it
2494 on the locked thunk.
2495
2496 The details are given by <.portable parallel trinder.>.  However, the close similarity
2497 between locking and black holing suggests the following question: can
2498 locking be done lazily too?  The answer is that it can, except that
2499 locking can be postponed only until the next {\em context switch},
2500 rather than the next {\em garbage collection}.  We are assuming here
2501 that the parallel implementation does not use shared memory to allow
2502 two processors to access the same closure.  If such access is
2503 permitted then every thunk entry requires a hardware lock, and becomes
2504 much too expensive.
2505
2506 Is lazy locking worth while, given that it requires extra work every
2507 context switch?  We believe it is, because contexts switches are
2508 relatively infrequent, and thousands of thunk-entries typically take
2509 place between each.
2510
2511 {\em Measurements elsewhere.  Omit this section? If so, fix cross refs to here.}
2512
2513 \fi
2514
2515
2516 \subsection{Squeezing identical updates}
2517
2518 \iffalse
2519
2520 \ToDo{Insert text stolen from update paper}
2521
2522 \else
2523
2524 Consider the following Haskell definition of the standard
2525 function @partition@ that divides a list into two, those elements
2526 that satisfy a predicate @p@ and those that do not:
2527 @
2528   partition :: (a->Bool) -> [a] -> ([a],[a])
2529   partition p [] = ([],[])
2530   partition p (x:xs) = if p x then (x:ys, zs)
2531                               else (ys, x:zs)
2532                      where
2533                        (ys,zs) = partition p xs
2534 @
2535 By the time this definition has been desugared, it looks like this:
2536 @
2537   partition p xs
2538     = case xs of
2539         [] -> ([],[])
2540         (x:xs) -> let
2541                     t = partition p xs
2542                     ys = fst t
2543                     zs = snd t
2544                   in
2545                   if p x then (x:ys,zs)
2546                          else (ys,x:zs)
2547 @
2548 Lazy evaluation demands that the recursive call is bound to an
2549 intermediate variable, @t@, from which @ys@ and @zs@ are lazily
2550 selected. (The functions @fst@ and @snd@ select the first and second
2551 elements of a pair, respectively.)
2552
2553 Now, suppose that @partition@ is applied to a list @[x1,x2]@,
2554 all of whose
2555 elements satisfy @p@.  We can get a good idea of what will happen
2556 at runtime by unrolling the recursion a few times in our heads.
2557 Unrolling once, and remembering that @(p x1)@ is @True@, we get this:
2558 @
2559   partition p [x1,x2]
2560 =
2561   let t1 = partition [x2]
2562       ys1 = fst t1
2563       zs1 = snd t1
2564   in (x1:ys1, zs1)
2565 @
2566 Unrolling the rest of the way gives this:
2567 @
2568   partition p [x1,x2]
2569 =
2570   let t2  = ([],[])
2571       ys2 = fst t2
2572       zs2 = snd t2
2573       t1  = (x2:ys2,zs2)
2574       ys1 = fst t1
2575       zs1 = snd t1
2576    in (x1:ys1,zs1)
2577 @
2578 Now consider what happens if @zs1@ is evaluated.  It is bound to a
2579 thunk, which will push an update frame before evaluating the
2580 expression @snd t1@.  This expression in turn forces evaluation of
2581 @zs2@, which pushes an update frame before evaluating @snd t2@.
2582 Indeed the stack of update frames will grow as deep as the list is
2583 long when @zs1@ is evaluated.  This is rather galling, since all the
2584 thunks @zs1@, @zs2@, and so on, have the same value.
2585
2586 \ToDo{Describe the state-transformer case in which we get a space leak from
2587 pending update frames.}
2588
2589 The solution is simple.  The garbage collector, which is going to traverse the
2590 update stack in any case, can easily identify two update frames that are directly
2591 on top of each other.  The second of these will update its target with the same
2592 value as the first.  Therefore, the garbage collector can perform the update 
2593 right away, by overwriting one update target with an indirection to the second,
2594 and eliminate the corresponding update frame.  In this way ever-growing stacks of
2595 update frames are reduced to a single representative at garbage collection time.
2596 If this is done at the start of garbage collection then, if it turns out that
2597 some of these update targets are garbage they will be collected right away.
2598
2599 \fi
2600
2601 \subsection{Space leaks and selectors}
2602
2603 \iffalse
2604
2605 \ToDo{Insert text stolen from update paper}
2606
2607 \else
2608
2609 In 1987, Wadler identified an important source of space leaks in
2610 lazy functional programs.  Consider the Haskell function definition:
2611 @
2612   f p = (g1 a, g2 b) where (a,b) = p
2613 @
2614 The pattern-matching in the @where@ clause is known as
2615 {\em lazy pattern-matching}, because it is performed only if @a@
2616 or @b@ is actually evaluated.  The desugarer translates lazy pattern matching
2617 to the use of selectors, @fst@ and @snd@ in this case:
2618 @
2619   f p = let a = fst p
2620             b = snd p
2621         in
2622         (b, a)
2623 @
2624 Now suppose that the second component of the pair @(f p)@, namely @a@,
2625 is evaluated and discarded, but the first is not although it remains
2626 reachable.  The garbage collector will find that the thunk for @b@ refers
2627 to @p@ and hence to @a@.  Thus, although @a@ cannot ever be used again, its
2628 space is retained.  It turns out that this space leak can have a very bad effect
2629 indeed on a program's space behaviour (Section~\ref{sect:selector-results}).
2630
2631 Wadler's paper also proposed a solution: if the garbage collector
2632 encounters a thunk of the form @snd p@, where @p@ is evaluated, then
2633 the garbage collector should perform the selection and overwrite the
2634 thunk with a pointer to the second component of the pair.  In effect, the
2635 garbage collector thereby performs a bounded amount of as-yet-undemanded evaluation
2636 in the hope of improving space behaviour.
2637 We implement this idea directly, by making the garbage collector
2638 eagerly execute all selector thunks\footnote{A word of caution: it is rather easy 
2639 to make a mistake in the implementation, especially if the garbage collector
2640 uses pointer reversal to traverse the reachable graph.},
2641 with results 
2642 reported in Section~\ref{sect:THUNK_SEL}.
2643
2644 One could easily imagine generalisations of this idea, with the garbage 
2645 collector performing bounded amounts of space-saving work.  One example is
2646 this:
2647 @
2648   f x []     = (x,x)
2649   f x (y:ys) = f (x+1) ys
2650 @
2651 Most lazy evaluators will build up a chain of thunks for the accumulating
2652 parameter, @x@, each of which increments @x@.  It is not safe to evaluate
2653 any of these thunks eagerly, since @f@ is not strict in @x@, and we know nothing
2654 about the value of @x@ passed in the initial call to @f@.
2655 On the other hand, if the garbage collector found a thunk @(x+1)@ where
2656 @x@ happened to be evaluated, then it could ``execute'' it eagerly.
2657 If done carefully, the entire chain could be eliminated in a single
2658 garbage collection.   We have not (yet) implemented this idea.
2659 A very similar idea, dubbed ``stingy evaluation'', is described 
2660 by <.stingy.>.
2661
2662 <.sparud lazy pattern matching.> describes another solution to the
2663 lazy-pattern-matching
2664 problem.  His solution involves adding code to the two thunks for
2665 @a@ and @b@ so that if either is evaluated it arranges to update the
2666 other as well as itself.  The garbage-collector solution is a little
2667 more general, since it applies whether or not the selectors were
2668 generated by lazy pattern matching, and in our setting it was easier
2669 to implement than Sparud's.
2670
2671 \fi
2672
2673
2674 \subsection{Internal workings of the Compacting Collector}
2675
2676 \subsection{Internal workings of the Copying Collector}
2677
2678 \subsection{Internal workings of the Generational Collector}
2679
2680
2681
2682 \section{Profiling}
2683
2684 Registering costs centres looks awkward - can we tidy it up?
2685
2686 \section{Parallelism}
2687
2688 Something about global GC, inter-process messages and fetchmes.
2689
2690 \section{Debugging}
2691
2692 \section{Ticky Ticky profiling}
2693
2694 Measure what proportion of ...:
2695 \begin{itemize}
2696 \item
2697 ... Enters are to data values, function values, thunks.
2698 \item
2699 ... allocations are for data values, functions values, thunks.
2700 \item
2701 ... updates are for data values, function values.
2702 \item
2703 ... updates ``fit''
2704 \item
2705 ... return-in-heap (dynamic)
2706 \item
2707 ... vectored return (dynamic)
2708 \item
2709 ... updates are wasted (never re-entered).
2710 \item
2711 ... constructor returns get away without hitting an update.
2712 \end{itemize}
2713
2714 %************************************************************************
2715 %*                                                                      *
2716 \subsubsection[ticky-stk-heap-use]{Stack and heap usage}
2717 %*                                                                      *
2718 %************************************************************************
2719
2720 Things we are interested in here:
2721 \begin{itemize}
2722 \item
2723 How many times we do a heap check and move @Hp@; comparing this with
2724 the allocations gives an indication of how many things we get per trip
2725 to the well:
2726
2727 If we do a ``heap lookahead,'' we haven't really allocated any
2728 heap, so we need to undo the effects of an @ALLOC_HEAP@:
2729
2730 \item
2731 The stack high-water mark.
2732
2733 \item
2734 Re-use of stack slots, and stubbing of stack slots:
2735
2736 \end{itemize}
2737
2738 %************************************************************************
2739 %*                                                                      *
2740 \subsubsection[ticky-allocs]{Allocations}
2741 %*                                                                      *
2742 %************************************************************************
2743
2744 We count things every time we allocate something in the dynamic heap.
2745 For each, we count the number of words of (1)~``admin'' (header),
2746 (2)~good stuff (useful pointers and data), and (3)~``slop'' (extra
2747 space, in hopes it will allow an in-place update).
2748
2749 The first five macros are inserted when the compiler generates code
2750 to allocate something; the categories correspond to the @ClosureClass@
2751 datatype (manifest functions, thunks, constructors, big tuples, and
2752 partial applications).
2753
2754 We may also allocate space when we do an update, and there isn't
2755 enough space.  These macros suffice (for: updating with a partial
2756 application and a constructor):
2757
2758 In the threaded world, we allocate space for the spark pool, stack objects,
2759 and thread state objects.
2760
2761 The histogrammy bit is fairly straightforward; the @-2@ is: one for
2762 0-origin C arrays; the other one because we do {\em no} one-word
2763 allocations, so we would never inc that histogram slot; so we shift
2764 everything over by one.
2765
2766 Some hard-to-account-for words are allocated by/for primitives,
2767 includes Integer support.  @ALLOC_PRIM2@ tells us about these.  We
2768 count everything as ``goods'', which is not strictly correct.
2769 (@ALLOC_PRIM@ is the same sort of stuff, but we know the
2770 admin/goods/slop breakdown.)
2771
2772 %************************************************************************
2773 %*                                                                      *
2774 \subsubsection[ticky-enters]{Enters}
2775 %*                                                                      *
2776 %************************************************************************
2777
2778 We do more magical things with @ENT_FUN_DIRECT@.  Besides simply knowing
2779 how many ``fast-entry-point'' enters there were, we'd like {\em simple}
2780 information about where those enters were, and the properties thereof.
2781 @
2782 struct ent_counter {
2783     unsigned    registeredp:16, /* 0 == no, 1 == yes */
2784                 arity:16,       /* arity (static info) */
2785                 Astk_args:16,   /* # of args off A stack */
2786                 Bstk_args:16;   /* # of args off B stack */
2787                                 /* (rest of args are in registers) */
2788     StgChar     *f_str;         /* name of the thing */
2789     StgChar     *f_arg_kinds;   /* info about the args types */
2790     StgChar     *wrap_str;      /* name of its wrapper (if any) */
2791     StgChar     *wrap_arg_kinds;/* info about the orig wrapper's arg types */
2792     I_          ctr;            /* the actual counter */
2793     struct ent_counter *link;   /* link to chain them all together */
2794 };
2795 @
2796
2797 %************************************************************************
2798 %*                                                                      *
2799 \subsubsection[ticky-returns]{Returns}
2800 %*                                                                      *
2801 %************************************************************************
2802
2803 Whenever a ``return'' occurs, it is returning the constituent parts of
2804 a data constructor.  The parts can be returned either in registers, or
2805 by allocating some heap to put it in (the @ALLOC_*@ macros account for
2806 the allocation).  The constructor can either be an existing one
2807 (@*OLD*@) or we could have {\em just} figured out this stuff
2808 (@*NEW*@).
2809
2810 Here's some special magic that Simon wants [edited to match names
2811 actually used]:
2812
2813 @
2814 From: Simon L Peyton Jones <simonpj>
2815 To: partain, simonpj
2816 Subject: counting updates
2817 Date: Wed, 25 Mar 92 08:39:48 +0000
2818
2819 I'd like to count how many times we update in place when actually Node
2820 points to the thing.  Here's how:
2821
2822 @RET_OLD_IN_REGS@ sets the variable @ReturnInRegsNodeValid@ to @True@;
2823 @RET_NEW_IN_REGS@ sets it to @False@.
2824
2825 @RET_SEMI_???@ sets it to??? ToDo [WDP]
2826
2827 @UPD_CON_IN_PLACE@ tests the variable, and increments @UPD_IN_PLACE_COPY_ctr@
2828 if it is true.
2829
2830 Then we need to report it along with the update-in-place info.
2831 @
2832
2833
2834 Of all the returns (sum of four categories above), how many were
2835 vectored?  (The rest were obviously unvectored).
2836
2837 %************************************************************************
2838 %*                                                                      *
2839 \subsubsection[ticky-update-frames]{Update frames}
2840 %*                                                                      *
2841 %************************************************************************
2842
2843 These macros count up the following update information.
2844
2845 \begin{tabular}{|l|l|} \hline
2846 Macro                   &       Counts                                  \\ \hline
2847                         &                                               \\
2848 @UPDF_STD_PUSHED@       &       Update frame pushed                     \\
2849 @UPDF_CON_PUSHED@       &       Constructor update frame pushed         \\
2850 @UPDF_HOLE_PUSHED@      &       An update frame to update a black hole  \\
2851 @UPDF_OMITTED@          &       A thunk decided not to push an update frame \\
2852                         &       (all subsets of @ENT_THK@)              \\
2853 @UPDF_RCC_PUSHED@       &       Cost Centre restore frame pushed        \\
2854 @UPDF_RCC_OMITTED@      &       Cost Centres not required -- not pushed \\\hline
2855 \end{tabular}
2856
2857 %************************************************************************
2858 %*                                                                      *
2859 \subsubsection[ticky-updates]{Updates}
2860 %*                                                                      *
2861 %************************************************************************
2862
2863 These macros record information when we do an update.  We always
2864 update either with a data constructor (CON) or a partial application
2865 (PAP).
2866
2867 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
2868 Macro                   &       Where                                           \\ \hline
2869                         &                                                       \\
2870 @UPD_EXISTING@          &       Updating with an indirection to something       \\
2871                         &       already in the heap                             \\
2872 @UPD_SQUEEZED@          &       Same as @UPD_EXISTING@ but because              \\
2873                         &       of stack-squeezing                              \\
2874 @UPD_CON_W_NODE@        &       Updating with a CON: by indirecting to Node     \\
2875 @UPD_CON_IN_PLACE@      &       Ditto, but in place                             \\
2876 @UPD_CON_IN_NEW@        &       Ditto, but allocating the object                \\
2877 @UPD_PAP_IN_PLACE@      &       Same, but updating w/ a PAP                     \\
2878 @UPD_PAP_IN_NEW@        &                                                       \\\hline
2879 \end{tabular}
2880
2881 %************************************************************************
2882 %*                                                                      *
2883 \subsubsection[ticky-selectors]{Doing selectors at GC time}
2884 %*                                                                      *
2885 %************************************************************************
2886
2887 @GC_SEL_ABANDONED@: we could've done the selection, but we gave up
2888 (e.g., to avoid overflowing the C stack); @GC_SEL_MINOR@: did a
2889 selection in a minor GC; @GC_SEL_MAJOR@: ditto, but major GC.
2890
2891
2892
2893 \section{History}
2894
2895 We're nuking the following:
2896
2897 \begin{itemize}
2898 \item
2899   Two stacks
2900
2901 \item
2902   Return in registers.
2903   This lets us remove update code pointers from info tables,
2904   removes the need for phantom info tables, simplifies 
2905   semi-tagging, etc.
2906
2907 \item
2908   Threaded GC.
2909   Careful analysis suggests that it doesn't buy us very much
2910   and it is hard to work with.
2911
2912   Eliminating threaded GCs eliminates the desire to share SMReps
2913   so they are (once more) part of the Info table.
2914
2915 \item
2916   RetReg.
2917   Doesn't buy us anything on a register-poor architecture and
2918   isn't so important if we have semi-tagging.
2919
2920 @
2921     - Probably bad on register poor architecture 
2922     - Can avoid need to write return address to stack on reg rich arch.
2923       - when a function does a small amount of work, doesn't 
2924         enter any other thunks and then returns.
2925         eg entering a known constructor (but semitagging will catch this)
2926     - Adds complications
2927 @
2928
2929 \item
2930   Update in place
2931
2932   This lets us drop CONST closures and CHARLIKE closures (assuming we
2933   don't support Unicode).  The only point of these closures was to 
2934   avoid updating with an indirection.
2935
2936   We also drop @MIN_UPD_SIZE@ --- all we need is space to insert an
2937   indirection or a black hole.
2938
2939 \item
2940   STATIC SMReps are now called CONST
2941
2942 \item
2943   @SM_MUTVAR@ is new
2944
2945 \item The profiling ``kind'' field is now encoded in the @INFO_TYPE@ field.
2946 This identifies the general sort of the closure for profiling purposes.
2947
2948 \item Various papers describe deleting update frames for unreachable objects.
2949   This has never been implemented and we don't plan to anytime soon.
2950
2951 \end{itemize}
2952
2953 \section{Old tricks}
2954
2955 @CAF@ indirections:
2956
2957 These are statically defined closures which have been updated with a
2958 heap-allocated result.  Initially these are exactly the same as a
2959 @STATIC@ closure but with special entry code. On entering the closure
2960 the entry code must:
2961
2962 \begin{itemize}
2963 \item Allocate a black hole in the heap which will be updated with
2964       the result.
2965 \item Overwrite the static closure with a special @CAF@ indirection.
2966
2967 \item Link the static indirection onto the list of updated @CAF@s.
2968 \end{itemize}
2969
2970 The indirection and the link field require the initial @STATIC@
2971 closure to be of at least size @MIN_UPD_SIZE@ (excluding the fixed
2972 header).
2973
2974 @CAF@s are treated as special garbage collection roots.  These roots
2975 are explicitly collected by the garbage collector, since they may
2976 appear in code even if they are not linked with the main heap.  They
2977 consequently represent potentially enormous space-leaks.  A @CAF@
2978 closure retains a fixed location in statically allocated data space.
2979 When updated, the contents of the @CAF@ indirection are changed to
2980 reflect the new closure. @CAF@ indirections require special garbage
2981 collection code.
2982
2983 \section{Old stuff about SRTs}
2984
2985 Garbage collection of @CAF@s is tricky.  We have to cope with explicit
2986 collection from the @CAFlist@ as well as potential references from the
2987 stack and heap which will cause the @CAF@ evacuation code to be
2988 called.  They are treated like indirections which are shorted out.
2989 However they must also be updated to point to the new location of the
2990 new closure as the @CAF@ may still be used by references which
2991 reside in the code.
2992
2993 {\bf Copying Collection}
2994
2995 A first scheme might use evacuation code which evacuates the reference
2996 and updates the indirection. This is no good as subsequent evacuations
2997 will result in an already evacuated closure being evacuated. This will
2998 leave a forward reference in to-space!
2999
3000 An alternative scheme evacuates the @CAFlist@ first. The closures
3001 referenced are evacuated and the @CAF@ indirection updated to point to
3002 the evacuated closure. The @CAF@ evacuation code simply returns the
3003 updated indirection pointer --- the pointer to the evacuated closure.
3004 Unfortunately the closure the @CAF@ references may be a static
3005 closure, in fact, it may be another @CAF@. This will cause the second
3006 @CAF@'s evacuation code to be called before the @CAF@ has been
3007 evacuated, returning an unevacuated pointer.
3008
3009 Another scheme leaves updating the @CAF@ indirections to the end of
3010 the garbage collection.  All the references are evacuated and
3011 scavenged as usual (including the @CAFlist@). Once collection is
3012 complete the @CAFlist@ is traversed updating the @CAF@ references with
3013 the result of evacuating the referenced closure again. This will
3014 immediately return as it must be a forward reference, a static
3015 closure, or a @CAF@ which will indirect by evacuating its reference.
3016
3017 The crux of the problem is that the @CAF@ evacuation code needs to
3018 know if its reference has already been evacuated and updated. If not,
3019 then the reference can be evacuated, updated and returned safely
3020 (possibly evacuating another @CAF@). If it has, then the updated
3021 reference can be returned. This can be done using two @CAF@
3022 info-tables. At the start of a collection the @CAFlist@ is traversed
3023 and set to an internal {\em evacuate and update} info-table. During
3024 collection, evacution of such a @CAF@ also results in the info-table
3025 being reset back to the standard @CAF@ info-table. Thus subsequent
3026 evacuations will simply return the updated reference. On completion of
3027 the collection all @CAF@s will have {\em return reference} info-tables
3028 again.
3029
3030 This is the scheme we adopt. A @CAF@ indirection has evacuation code
3031 which returns the evacuated and updated reference. During garbage
3032 collection, all the @CAF@s are overwritten with an internal @CAF@ info
3033 table which has evacuation code which performs this evacuate and
3034 update and restores the original @CAF@ code. At some point during the
3035 collection we must ensure that all the @CAF@s are indeed evacuated.
3036
3037 The only potential problem with this scheme is a cyclic list of @CAF@s
3038 all directly referencing (possibly via indirections) another @CAF@!
3039 Evacuation of the first @CAF@ will fail in an infinite loop of @CAF@
3040 evacuations. This is solved by ensuring that the @CAF@ info-table is
3041 updated to a {\em return reference} info-table before performing the
3042 evacuate and update. If this {\em return reference} evacuation code is
3043 called before the actual evacuation is complete it must be because
3044 such a cycle of references exists. Returning the still unevacuated
3045 reference is OK --- all the @CAF@s will now reference the same
3046 @CAF@ which will reference itself! Construction of such a structure
3047 indicates the program must be in an infinite loop.
3048
3049 {\bf Compacting Collector}
3050
3051 When shorting out a @CAF@, its reference must be marked. A first
3052 attempt might explicitly mark the @CAF@s, updating the reference with
3053 the marked reference (possibly short circuting indirections). The
3054 actual @CAF@ marking code can indicate that they have already been
3055 marked (though this might not have actually been done yet) and return
3056 the indirection pointer so it is shorted out. Unfortunately the @CAF@
3057 reference might point to an indirection which will be subsequently
3058 shorted out. Rather than returning the @CAF@ reference we treat the
3059 @CAF@ as an indirection, calling the mark code of the reference, which
3060 will return the appropriately shorted reference.
3061
3062 Problem: Cyclic list of @CAF@s all directly referencing (possibly via
3063 indirections) another @CAF@!
3064
3065 Before compacting, the locations of the @CAF@ references are
3066 explicitly linked to the closures they reference (if they reference
3067 heap allocated closures) so that the compacting process will update
3068 them to the closure's new location. Unfortunately these locations'
3069 @CAF@ indirections are static.  This causes premature termination
3070 since the test to find the info pointer at the end of the location
3071 list will match more than one value.  This can be solved by using an
3072 auxiliary dynamic array (on the top of the A stack).  One location for
3073 each @CAF@ indirection is linked to the closure that the @CAF@
3074 references. Once collection is complete this array is traversed and
3075 the corresponding @CAF@ is then updated with the updated pointer from
3076 the auxiliary array.
3077
3078
3079 It is possible to use an alternative marking scheme, using a similar
3080 idea to the copying solution. This scheme avoids the need to update
3081 the @CAF@ references explicitly. We introduce an auxillary {\em mark
3082 and update} @CAF@ info-table which is used to update all @CAF@s at the
3083 start of a collection. The new code marks the @CAF@ reference,
3084 updating it with the returned reference.  The returned reference is
3085 itself returned so the @CAF@ is shorted out.  The code also modifies the
3086 @CAF@ info-table to be a {\em return reference}.  Subsequent attempts to
3087 mark the @CAF@ simply return the updated reference.
3088
3089 A cyclic @CAF@ reference will result in an attempt to mark the @CAF@
3090 before the marking has been completed and the reference updated. We
3091 cannot start marking the @CAF@ as it is already being marked. Nor can
3092 we return the reference as it has not yet been updated. Neither can we
3093 treat the CAF as an indirection since the @CAF@ reference has been
3094 obscured by the pointer reversal stack. All we can do is return the
3095 @CAF@ itself. This will result in some @CAF@ references not being
3096 shorted out.
3097
3098 This scheme has not been adopted but has been implemented. The code is
3099 commented out with @#if 0@.
3100
3101 \subsection{The virtual register set}
3102
3103 We refer to any (atomic) part of the virtual machine state as a ``register.''
3104 These ``registers'' may be shared between all threads in the system or may be
3105 specific to each thread.
3106
3107 Global: 
3108 @
3109   Hp
3110   HpLim
3111   Thread preemption flag
3112 @
3113
3114 Thread specific:
3115 @
3116   TSO - pointer to the TSO for when we have to pack thread away
3117   Sp
3118   SpLim
3119   Su - used to calculate number of arguments on stack
3120      - this is a more convenient representation
3121   Call/return registers (aka General purpose registers)
3122   Cost centre (and other debug/profile info)
3123   Statistic gathering (not in production system)
3124   Exception handlers 
3125     Heap overflow  - possible global?
3126     Stack overflow - possibly global?
3127     Pattern match failure
3128     maybe a failWith handler?
3129     maybe an exitWith handler?
3130     ...
3131 @
3132
3133 Some of these virtual ``registers'' are used very frequently and should
3134 be mapped onto machine registers if at all possible.  Others are used
3135 very infrequently and can be kept in memory to free up registers for
3136 other uses.
3137
3138 On register-poor architectures, we can play a few tricks to reduce the
3139 number of virtual registers which need to be accessed on a regular
3140 basis:
3141
3142 @
3143 - HpLim trick
3144 - Grow stack and heap towards each other (single-threaded system only)
3145 - We might need to keep the C stack pointer in a register if that
3146   is what the OS expects when a signal occurs.
3147 - Preemption flag trick
3148 - If any of the frequently accessed registers cannot be mapped onto
3149   machine registers we should keep the TSO in a machine register to
3150   allow faster access to all the other non-machine registers.
3151 @
3152
3153
3154 \end{document}
3155
3156