ghc/rts/Stable.c

   1 /* -----------------------------------------------------------------------------
   2  * $Id: Stable.c,v 1.19 2001/12/20 16:12:09 sewardj Exp $
   3  *
   4  * (c) The GHC Team, 1998-1999
   5  *
   6  * Stable names and stable pointers.
   7  *
   8  * ---------------------------------------------------------------------------*/
   9
  10 #include "PosixSource.h"
  11 #include "Rts.h"
  12 #include "Hash.h"
  13 #include "StablePriv.h"
  14 #include "RtsUtils.h"
  15 #include "Storage.h"
  16 #include "RtsAPI.h"
  17 #include "RtsFlags.h"
  18
  19 /* Comment from ADR's implementation in old RTS:
  20
  21   This files (together with @ghc/runtime/storage/PerformIO.lhc@ and a
  22   small change in @HpOverflow.lc@) consists of the changes in the
  23   runtime system required to implement "Stable Pointers". But we're
  24   getting a bit ahead of ourselves --- what is a stable pointer and what
  25   is it used for?
  26
  27   When Haskell calls C, it normally just passes over primitive integers,
  28   floats, bools, strings, etc.  This doesn't cause any problems at all
  29   for garbage collection because the act of passing them makes a copy
  30   from the heap, stack or wherever they are onto the C-world stack.
  31   However, if we were to pass a heap object such as a (Haskell) @String@
  32   and a garbage collection occured before we finished using it, we'd run
  33   into problems since the heap object might have been moved or even
  34   deleted.
  35
  36   So, if a C call is able to cause a garbage collection or we want to
  37   store a pointer to a heap object between C calls, we must be careful
  38   when passing heap objects. Our solution is to keep a table of all
  39   objects we've given to the C-world and to make sure that the garbage
  40   collector collects these objects --- updating the table as required to
  41   make sure we can still find the object.
  42
  43
  44   Of course, all this rather begs the question: why would we want to
  45   pass a boxed value?
  46
  47   One very good reason is to preserve laziness across the language
  48   interface. Rather than evaluating an integer or a string because it
  49   {\em might\/} be required by the C function, we can wait until the C
  50   function actually wants the value and then force an evaluation.
  51
  52   Another very good reason (the motivating reason!) is that the C code
  53   might want to execute an object of sort $IO ()$ for the side-effects
  54   it will produce. For example, this is used when interfacing to an X
  55   widgets library to allow a direct implementation of callbacks.
  56
  57
  58   The @makeStablePointer :: a -> IO (StablePtr a)@ function
  59   converts a value into a stable pointer.  It is part of the @PrimIO@
  60   monad, because we want to be sure we don't allocate one twice by
  61   accident, and then only free one of the copies.
  62
  63   \begin{verbatim}
  64   makeStablePtr#  :: a -> State# RealWorld -> (# RealWorld, a #)
  65   freeStablePtr#  :: StablePtr# a -> State# RealWorld -> State# RealWorld
  66   deRefStablePtr# :: StablePtr# a -> State# RealWorld ->
  67         (# State# RealWorld, a #)
  68   \end{verbatim}
  69
  70   There may be additional functions on the C side to allow evaluation,
  71   application, etc of a stable pointer.
  72
  73   When Haskell calls C, it normally just passes over primitive integers,
  74   floats, bools, strings, etc.  This doesn't cause any problems at all
  75   for garbage collection because the act of passing them makes a copy
  76   from the heap, stack or wherever they are onto the C-world stack.
  77   However, if we were to pass a heap object such as a (Haskell) @String@
  78   and a garbage collection occured before we finished using it, we'd run
  79   into problems since the heap object might have been moved or even
  80   deleted.
  81
  82   So, if a C call is able to cause a garbage collection or we want to
  83   store a pointer to a heap object between C calls, we must be careful
  84   when passing heap objects. Our solution is to keep a table of all
  85   objects we've given to the C-world and to make sure that the garbage
  86   collector collects these objects --- updating the table as required to
  87   make sure we can still find the object.
  88 */
  89
  90 snEntry *stable_ptr_table;
  91 snEntry *stable_ptr_free;
  92
  93 unsigned int SPT_size;
  94
  95 /* This hash table maps Haskell objects to stable names, so that every
  96  * call to lookupStableName on a given object will return the same
  97  * stable name.
  98  *
  99  * OLD COMMENTS about reference counting follow.  The reference count
 100  * in a stable name entry is now just a counter.
 101  *
 102  * Reference counting
 103  * ------------------
 104  * A plain stable name entry has a zero reference count, which means
 105  * the entry will dissappear when the object it points to is
 106  * unreachable.  For stable pointers, we need an entry that sticks
 107  * around and keeps the object it points to alive, so each stable name
 108  * entry has an associated reference count.
 109  *
 110  * A stable pointer has a weighted reference count N attached to it
 111  * (actually in its upper 5 bits), which represents the weight
 112  * 2^(N-1).  The stable name entry keeps a 32-bit reference count, which
 113  * represents any weight between 1 and 2^32 (represented as zero).
 114  * When the weight is 2^32, the stable name table owns "all" of the
 115  * stable pointers to this object, and the entry can be garbage
 116  * collected if the object isn't reachable.
 117  *
 118  * A new stable pointer is given the weight log2(W/2), where W is the
 119  * weight stored in the table entry.  The new weight in the table is W
 120  * - 2^log2(W/2).
 121  *
 122  * A stable pointer can be "split" into two stable pointers, by
 123  * dividing the weight by 2 and giving each pointer half.
 124  * When freeing a stable pointer, the weight of the pointer is added
 125  * to the weight stored in the table entry.
 126  * */
 127
 128 HashTable *addrToStableHash;
 129
 130 #define INIT_SPT_SIZE 64
 131
 132 static inline void
 133 initFreeList(snEntry *table, nat n, snEntry *free)
 134 {
 135   snEntry *p;
 136
 137   for (p = table + n - 1; p >= table; p--) {
 138     p->addr   = (P_)free;
 139     p->old    = NULL;
 140     p->ref    = 0;
 141     p->sn_obj = NULL;
 142     free = p;
 143   }
 144   stable_ptr_free = table;
 145 }
 146
 147 void
 148 initStablePtrTable(void)
 149 {
 150   /* the table will be allocated the first time makeStablePtr is
 151    * called */
 152   stable_ptr_table = NULL;
 153   stable_ptr_free  = NULL;
 154   addrToStableHash = NULL;
 155   SPT_size = 0;
 156 }
 157
 158 /*
 159  * get at the real stuff...remove indirections.
 160  *
 161  * ToDo: move to a better home.
 162  */
 163 static
 164 StgClosure*
 165 removeIndirections(StgClosure* p)
 166 {
 167   StgClosure* q = p;
 168
 169   while (get_itbl(q)->type == IND ||
 170          get_itbl(q)->type == IND_STATIC ||
 171          get_itbl(q)->type == IND_OLDGEN ||
 172          get_itbl(q)->type == IND_PERM ||
 173          get_itbl(q)->type == IND_OLDGEN_PERM ) {
 174       q = ((StgInd *)q)->indirectee;
 175   }
 176   return q;
 177 }
 178
 179 StgWord
 180 lookupStableName(StgPtr p)
 181 {
 182   StgWord sn;
 183
 184   if (stable_ptr_free == NULL) {
 185     enlargeStablePtrTable();
 186   }
 187
 188   /* removing indirections increases the likelihood
 189    * of finding a match in the stable name hash table.
 190    */
 191   p = (StgPtr)removeIndirections((StgClosure*)p);
 192
 193   (void *)sn = lookupHashTable(addrToStableHash,(W_)p);
 194
 195   if (sn != 0) {
 196     ASSERT(stable_ptr_table[sn].addr == p);
 197     IF_DEBUG(stable,fprintf(stderr,"cached stable name %d at %p\n",sn,p));
 198     return sn;
 199   } else {
 200     sn = stable_ptr_free - stable_ptr_table;
 201     (P_)stable_ptr_free  = stable_ptr_free->addr;
 202     stable_ptr_table[sn].ref = 0;
 203     stable_ptr_table[sn].addr = p;
 204     stable_ptr_table[sn].sn_obj = NULL;
 205     /* IF_DEBUG(stable,fprintf(stderr,"new stable name %d at
 206        %p\n",sn,p)); */
 207
 208     /* add the new stable name to the hash table */
 209     insertHashTable(addrToStableHash, (W_)p, (void *)sn);
 210
 211     return sn;
 212   }
 213 }
 214
 215 static inline void
 216 freeStableName(snEntry *sn)
 217 {
 218   ASSERT(sn->sn_obj == NULL);
 219   if (sn->addr != NULL) {
 220       removeHashTable(addrToStableHash, (W_)sn->addr, NULL);
 221   }
 222   sn->addr = (P_)stable_ptr_free;
 223   stable_ptr_free = sn;
 224 }
 225
 226 StgStablePtr
 227 getStablePtr(StgPtr p)
 228 {
 229   StgWord sn;
 230
 231   sn = lookupStableName(p);
 232   stable_ptr_table[sn].ref++;
 233   return (StgStablePtr)(sn);
 234 }
 235
 236 void
 237 freeStablePtr(StgStablePtr sp)
 238 {
 239     StgWord sn = (StgWord)sp;
 240
 241     ASSERT(sn < SPT_size
 242            && stable_ptr_table[sn].addr != NULL
 243            && stable_ptr_table[sn].ref > 0);
 244
 245     stable_ptr_table[sn].ref --;
 246 }
 247
 248 void
 249 enlargeStablePtrTable(void)
 250 {
 251   nat old_SPT_size = SPT_size;
 252
 253   if (SPT_size == 0) {
 254     // 1st time
 255     SPT_size = INIT_SPT_SIZE;
 256     stable_ptr_table = stgMallocWords(SPT_size * sizeof(snEntry),
 257                                       "initStablePtrTable");
 258
 259     /* we don't use index 0 in the stable name table, because that
 260      * would conflict with the hash table lookup operations which
 261      * return NULL if an entry isn't found in the hash table.
 262      */
 263     initFreeList(stable_ptr_table+1,INIT_SPT_SIZE-1,NULL);
 264     addrToStableHash = allocHashTable();
 265   }
 266   else {
 267     // 2nd and subsequent times
 268     SPT_size *= 2;
 269     stable_ptr_table =
 270       stgReallocWords(stable_ptr_table, SPT_size * sizeof(snEntry),
 271                       "enlargeStablePtrTable");
 272
 273     initFreeList(stable_ptr_table + old_SPT_size, old_SPT_size, NULL);
 274   }
 275 }
 276
 277 /* -----------------------------------------------------------------------------
 278  * Treat stable pointers as roots for the garbage collector.
 279  *
 280  * A stable pointer is any stable name entry with a ref > 0.  We'll
 281  * take the opportunity to zero the "keep" flags at the same time.
 282  * -------------------------------------------------------------------------- */
 283
 284 void
 285 markStablePtrTable(evac_fn evac)
 286 {
 287     snEntry *p, *end_stable_ptr_table;
 288     StgPtr q;
 289
 290     end_stable_ptr_table = &stable_ptr_table[SPT_size];
 291
 292     // Mark all the stable *pointers* (not stable names).
 293     // _starting_ at index 1; index 0 is unused.
 294     for (p = stable_ptr_table+1; p < end_stable_ptr_table; p++) {
 295         q = p->addr;
 296
 297         // Internal pointers are free slots.  If q == NULL, it's a
 298         // stable name where the object has been GC'd, but the
 299         // StableName object (sn_obj) is still alive.
 300         if (q && (q < (P_)stable_ptr_table || q >= (P_)end_stable_ptr_table)) {
 301
 302             // save the current addr away: we need to be able to tell
 303             // whether the objects moved in order to be able to update
 304             // the hash table later.
 305             p->old = p->addr;
 306
 307             // if the ref is non-zero, treat addr as a root
 308             if (p->ref != 0) {
 309                 evac((StgClosure **)&p->addr);
 310             }
 311         }
 312     }
 313 }
 314
 315 /* -----------------------------------------------------------------------------
 316  * Thread the stable pointer table for compacting GC.
 317  *
 318  * Here we must call the supplied evac function for each pointer into
 319  * the heap from the stable pointer table, because the compacting
 320  * collector may move the object it points to.
 321  * -------------------------------------------------------------------------- */
 322
 323 void
 324 threadStablePtrTable( evac_fn evac )
 325 {
 326     snEntry *p, *end_stable_ptr_table;
 327     StgPtr q;
 328
 329     end_stable_ptr_table = &stable_ptr_table[SPT_size];
 330
 331     for (p = stable_ptr_table+1; p < end_stable_ptr_table; p++) {
 332
 333         if (p->sn_obj != NULL) {
 334             evac((StgClosure **)&p->sn_obj);
 335         }
 336
 337         q = p->addr;
 338         if (q && (q < (P_)stable_ptr_table || q >= (P_)end_stable_ptr_table)) {
 339             evac((StgClosure **)&p->addr);
 340         }
 341     }
 342 }
 343
 344 /* -----------------------------------------------------------------------------
 345  * Garbage collect any dead entries in the stable pointer table.
 346  *
 347  * A dead entry has:
 348  *
 349  *          - a zero reference count
 350  *          - a dead sn_obj
 351  *
 352  * Both of these conditions must be true in order to re-use the stable
 353  * name table entry.  We can re-use stable name table entries for live
 354  * heap objects, as long as the program has no StableName objects that
 355  * refer to the entry.
 356  * -------------------------------------------------------------------------- */
 357
 358 void
 359 gcStablePtrTable( void )
 360 {
 361     snEntry *p, *end_stable_ptr_table;
 362     StgPtr q;
 363
 364     end_stable_ptr_table = &stable_ptr_table[SPT_size];
 365
 366     // NOTE: _starting_ at index 1; index 0 is unused.
 367     for (p = stable_ptr_table + 1; p < end_stable_ptr_table; p++) {
 368
 369         // Update the pointer to the StableName object, if there is one
 370         if (p->sn_obj != NULL) {
 371             p->sn_obj = isAlive(p->sn_obj);
 372         }
 373
 374         // Internal pointers are free slots.  If q == NULL, it's a
 375         // stable name where the object has been GC'd, but the
 376         // StableName object (sn_obj) is still alive.
 377         q = p->addr;
 378         if (q && (q < (P_)stable_ptr_table || q >= (P_)end_stable_ptr_table)) {
 379
 380             // StableNames only:
 381             if (p->ref == 0) {
 382                 if (p->sn_obj == NULL) {
 383                     // StableName object is dead
 384                     freeStableName(p);
 385                     IF_DEBUG(stable, fprintf(stderr,"GC'd Stable name %d\n",
 386                                              p - stable_ptr_table));
 387                     continue;
 388
 389                 } else {
 390                     (StgClosure *)p->addr = isAlive((StgClosure *)p->addr);
 391                     IF_DEBUG(stable, fprintf(stderr,"Stable name %d still alive at %p, ref %d\n", p - stable_ptr_table, p->addr, p->ref));
 392                 }
 393             }
 394         }
 395     }
 396 }
 397
 398 /* -----------------------------------------------------------------------------
 399  * Update the StablePtr/StableName hash table
 400  *
 401  * The boolean argument 'full' indicates that a major collection is
 402  * being done, so we might as well throw away the hash table and build
 403  * a new one.  For a minor collection, we just re-hash the elements
 404  * that changed.
 405  * -------------------------------------------------------------------------- */
 406
 407 void
 408 updateStablePtrTable(rtsBool full)
 409 {
 410     snEntry *p, *end_stable_ptr_table;
 411
 412     if (full && addrToStableHash != NULL) {
 413         freeHashTable(addrToStableHash,NULL);
 414         addrToStableHash = allocHashTable();
 415     }
 416
 417     end_stable_ptr_table = &stable_ptr_table[SPT_size];
 418
 419     // NOTE: _starting_ at index 1; index 0 is unused.
 420     for (p = stable_ptr_table + 1; p < end_stable_ptr_table; p++) {
 421
 422         if (p->addr == NULL) {
 423             if (p->old != NULL) {
 424                 // The target has been garbage collected.  Remove its
 425                 // entry from the hash table.
 426                 removeHashTable(addrToStableHash, (W_)p->old, NULL);
 427                 p->old = NULL;
 428             }
 429         }
 430         else if (p->addr < (P_)stable_ptr_table
 431                  || p->addr >= (P_)end_stable_ptr_table) {
 432             // Target still alive, Re-hash this stable name
 433             if (full) {
 434                 insertHashTable(addrToStableHash, (W_)p->addr,
 435                                 (void *)(p - stable_ptr_table));
 436             } else if (p->addr != p->old) {
 437                 removeHashTable(addrToStableHash, (W_)p->old, NULL);
 438                 insertHashTable(addrToStableHash, (W_)p->addr,
 439                                 (void *)(p - stable_ptr_table));
 440             }
 441         }
 442     }
 443 }