[project @ 1999-01-28 12:12:17 by simonm]
[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 (ADR) 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 % \documentstyle[preprint]{acmconf}
15 \documentclass[11pt]{article}
16 \oddsidemargin 0.1 in       %   Note that \oddsidemargin = \evensidemargin
17 \evensidemargin 0.1 in
18 \marginparwidth 0.85in    %   Narrow margins require narrower marginal notes
19 \marginparsep 0 in 
20 \sloppy
21
22 %\usepackage{epsfig}
23
24 %\newcommand{\note}[1]{{\em Note: #1}}
25 \newcommand{\note}[1]{{{\bf Note:}\sl #1}}
26 \newcommand{\ToDo}[1]{{{\bf ToDo:}\sl #1}}
27 \newcommand{\Arg}[1]{\mbox{${\tt arg}_{#1}$}}
28 \newcommand{\bottom}{bottom} % foo, can't remember the symbol name
29
30 \newcommand{\secref}[1]{Section~\ref{sec:#1}}
31 \newcommand{\figref}[1]{Figure~\ref{fig:#1}}
32 \newcommand{\Section}[2]{\section{#1}\label{sec:#2}}
33 \newcommand{\Subsection}[2]{\subsection{#1}\label{sec:#2}}
34 \newcommand{\Subsubsection}[2]{\subsubsection{#1}\label{sec:#2}}
35
36 % DIMENSION OF TEXT:
37 \textheight 8.5 in
38 \textwidth 6.25 in
39
40 \topmargin 0 in
41 \headheight 0 in
42 \headsep .25 in
43
44
45 \setlength{\parskip}{0.15cm}
46 \setlength{\parsep}{0.15cm}
47 \setlength{\topsep}{0cm}        % Reduces space before and after verbatim,
48                                 % which is implemented using trivlist 
49 \setlength{\parindent}{0cm}
50
51 \renewcommand{\textfraction}{0.2}
52 \renewcommand{\floatpagefraction}{0.7}
53
54 \begin{document}
55
56 \title{The STG runtime system (revised)}
57 \author{Simon Peyton Jones \\ Microsoft Research Ltd., Cambridge \and
58 Simon Marlow \\ Microsoft Research Ltd., Cambridge \and
59 Alastair Reid \\ Yale University} 
60
61 \maketitle
62
63 \tableofcontents
64 \newpage
65
66 \part{Introduction}
67 \Section{Overview}{overview}
68
69 This document describes the GHC/Hugs run-time system.  It serves as 
70 a Glasgow/Yale/Nottingham ``contract'' about what the RTS does.
71
72 \Subsection{New features compared to GHC 3.xx}{new-features}
73
74 \begin{itemize}
75 \item The RTS supports mixed compiled/interpreted execution, so
76 that a program can consist of a mixture of GHC-compiled and Hugs-interpreted
77 code.
78
79 \item The RTS supports concurrency by default.
80 This has some costs (eg we can't do hardware stack checks) but
81 reduces the number of different configurations we need to support.
82
83 \item CAFs are only retained if they are
84 reachable.  Since they are referred to by implicit references buried
85 in code, this means that the garbage collector must traverse the whole
86 accessible code tree.  This feature eliminates a whole class of painful
87 space leaks.
88
89 \item A running thread has only one stack, which contains a mixture of
90 pointers and non-pointers.  \secref{TSO} describes how we find out
91 which is which.  (GHC has used two stacks for some while.  Using one
92 stack instead of two reduces register pressure, reduces the size of
93 update frames, and eliminates ``stack-stubbing'' instructions.)
94
95 \item The ``return in registers'' return convention has been dropped
96 because it was complicated and doesn't work well on register-poor
97 architectures.  It has been partly replaced by unboxed tuples
98 (\secref{unboxed-tuples}) which allow the programmer to
99 explicitly state where results should be returned in registers (or on
100 the stack) instead of on the heap.
101
102 \item Exceptions are supported by the RTS.
103
104 \item Weak Pointers generalise the previously available Foreign Object
105 interface.
106
107 \item The garbage collector supports a number of new features,
108 including a dynamically resizable heap and multiple generations with
109 aging within a generation.
110
111 \end{itemize}
112
113 \Subsection{Wish list}{wish-list}
114
115 Here's a list of things we'd like to support in the future.
116 \begin{itemize}
117 \item Interrupts, speculative computation.
118
119 \item
120 The SM could tune the size of the allocation arena, the number of
121 generations, etc taking into account residency, GC rate and page fault
122 rate.
123
124 \item 
125 We could trigger a GC when all threads are blocked waiting for IO if
126 the allocation arena (or some of the generations) are nearly full.
127
128 \end{itemize}
129
130 \Subsection{Configuration}{configuration}
131
132 Some of the above features are expensive or less portable, so we
133 envision building a number of different configurations supporting
134 different subsets of the above features.
135
136 You can make the following choices:
137 \begin{itemize}
138 \item
139 Support for parallelism.  There are three mutually-exclusive choices.
140
141 \begin{description}
142 \item[@SEQUENTIAL@] Support for concurrency but not for parallelism.
143 \item[@GRANSIM@]    Concurrency support and simulated parallelism.
144 \item[@PARALLEL@]   Concurrency support and real parallelism.
145 \end{description}
146
147 \item @PROFILING@ adds cost-centre profiling.
148
149 \item @TICKY@ gathers internal statistics (often known as ``ticky-ticky'' code).
150
151 \item @DEBUG@ does internal consistency checks.
152
153 \item Persistence. (well, not yet).
154
155 \item
156 Which garbage collector to use.  At the moment we
157 only anticipate one, however.
158 \end{itemize}
159
160 \Subsection{Glossary}{glossary}
161
162 \ToDo{This terminology is not used consistently within the document.
163 If you find something which disagrees with this terminology, fix the
164 usage.}
165
166 In the type system, we have boxed and unboxed types.
167
168 \begin{itemize}
169
170 \item A \emph{pointed} type is one that contains $\bot$.  Variables with
171 pointed types are the only things which can be lazily evaluated.  In
172 the STG machine, this means that they are the only things that can be 
173 \emph{entered} or \emph{updated} and it requires that they be boxed.
174
175 \item An \emph{unpointed} type is one that does not contain $\bot$.
176 Variables with unpointed types are never delayed --- they are always
177 evaluated when they are constructed.  In the STG machine, this means
178 that they cannot be \emph{entered} or \emph{updated}.  Unpointed objects
179 may be boxed (like @Array#@) or unboxed (like @Int#@).
180
181 \end{itemize}
182
183 In the implementation, we have different kinds of objects:
184
185 \begin{itemize}
186
187 \item \emph{boxed} objects are heap objects used by the evaluators
188
189 \item \emph{unboxed} objects are not heap allocated
190
191 \item \emph{stack} objects are allocated on the stack
192
193 \item \emph{closures} are objects which can be \emph{entered}. 
194 They are always boxed and always have boxed types.
195 They may be in WHNF or they may be unevaluated.  
196
197 \item A \emph{thunk} is a (representation of) a value of a \emph{pointed}
198 type which is \emph{not} in WHNF.
199
200 \item A \emph{value} is an object in WHNF.  It can be pointed or unpointed.
201
202 \end{itemize}
203
204
205
206 At the hardware level, we have \emph{word}s and \emph{pointer}s.
207
208 \begin{itemize}
209
210 \item A \emph{word} is (at least) 32 bits and can hold either a signed
211 or an unsigned int.
212
213 \item A \emph{pointer} is (at least) 32 bits and big enough to hold a
214 function pointer or a data pointer.  
215
216 \end{itemize}
217
218 Occasionally, a field of a data structure must hold either a word or a
219 pointer.  In such circumstances, it is \emph{not safe} to assume that
220 words and pointers are the same size.  \ToDo{GHC currently makes words
221 the same size as pointers to reduce complexity in the code
222 generator/RTS.  It would be useful to relax this restriction, and have
223 eg. 32-bit Ints on a 64-bit machine.}
224
225 \subsection{Subtle Dependencies}
226
227 Some decisions have very subtle consequences which should be written
228 down in case we want to change our minds.  
229
230 \begin{itemize}
231
232 \item
233
234 If the garbage collector is allowed to shrink the stack of a thread,
235 we cannot omit the stack check in return continuations
236 (\secref{heap-and-stack-checks}).
237
238 \item
239
240 When we return to the scheduler, the top object on the stack is a closure.
241 The scheduler restarts the thread by entering the closure.
242
243 \secref{hugs-return-convention} discusses how Hugs returns an
244 unboxed value to GHC and how GHC returns an unboxed value to Hugs.
245
246 \item 
247
248 When we return to the scheduler, we need a few empty words on the stack
249 to store a closure to reenter.  \secref{heap-and-stack-checks}
250 discusses who does the stack check and how much space they need.
251
252 \item
253
254 Heap objects never contain slop --- this is required if we want to
255 support mostly-copying garbage collection.
256
257 This is a big problem when updating since the updatee is usually
258 bigger than an indirection object.  The fix is to overwrite the end of
259 the updatee with ``slop objects'' (described in
260 \secref{slop-objects}).  This is hard to arrange if we do
261 \emph{lazy} blackholing (\secref{lazy-black-holing}) so we
262 currently plan to blackhole an object when we push the update frame.
263
264 % Idea: have specialised update code for various common sizes of
265 % updatee, the update frame hence encodes the length of the object.
266 % Specialised indirections will also encode the length of the object.  A
267 % generic version of the update code will overwrite the slop with a slop
268 % object.  We can do the same thing for blackhole objects, or just have
269 % a generic version that is the same size as an indirection and
270 % overwrite the slop with a slop object when blackholing.  So: does this
271 % avoid the need to do eager black holing?
272
273 \item
274
275 Info tables for constructors contain enough information to decide which
276 return convention they use.  This allows Hugs to use a single piece of
277 entry code for all constructors and insulates Hugs from changes in the
278 choice of return convention.
279
280 \end{itemize}
281
282 \Section{Source Language}{source-language}
283
284 \Subsection{Explicit Allocation}{explicit-allocation}
285
286 As in the original STG machine, (almost) all heap allocation is caused
287 by executing a let(rec).  Since we no longer support the return in
288 registers convention for data constructors, constructors now cause heap
289 allocation and so they should be let-bound.
290
291 For example, we now write
292 @
293 > cons = \ x xs -> let r = (:) x xs in r
294 @
295 instead of
296 @
297 > cons = \ x xs -> (:) x xs
298 @
299
300 \note{For historical reasons, GHC doesn't use this syntax --- but it should.}
301
302 \Subsection{Unboxed tuples}{unboxed-tuples}
303
304 Functions can take multiple arguments as easily as they can take one
305 argument: there's no cost for adding another argument.  But functions
306 can only return one result: the cost of adding a second ``result'' is
307 that the function must construct a tuple of ``results'' on the heap.
308 The assymetry is rather galling and can make certain programming
309 styles quite expensive.  For example, consider a simple state transformer
310 monad:
311 @
312 > type S a     = State -> (a,State)
313 > bindS m k s0 = case m s0 of { (a,s1) -> k a s1 }
314 > returnS a s  = (a,s)
315 > getS s       = (s,s)
316 > setS s _     = ((),s)
317 @
318 Here, every use of @returnS@, @getS@ or @setS@ constructs a new tuple
319 in the heap which is instantly taken apart (and becomes garbage) by
320 the case analysis in @bind@.  Even a short state-transformer program
321 will construct a lot of these temporary tuples.
322
323 Unboxed tuples provide a way for the programmer to indicate that they
324 do not expect a tuple to be shared and that they do not expect it to
325 be allocated in the heap.  Syntactically, unboxed tuples are just like
326 single constructor datatypes except for the annotation @unboxed@.
327 @
328 > data unboxed AAndState# a = AnS a State
329 > type S a = State -> AAndState# a
330 > bindS m k s0 = case m s0 of { AnS a s1 -> k a s1 }
331 > returnS a s  = AnS a s
332 > getS s       = AnS s s
333 > setS s _     = AnS () s
334 @
335 Semantically, unboxed tuples are just unlifted tuples and are subject
336 to the same restrictions as other unpointed types.
337
338 Operationally, unboxed tuples are never built on the heap.  When
339 an unboxed tuple is returned, it is returned in multiple registers
340 or multiple stack slots.  At first sight, this seems a little strange
341 but it's no different from passing double precision floats in two
342 registers.
343
344 Notes:
345 \begin{itemize}
346 \item
347 Unboxed tuples can only have one constructor and that
348 thunks never have unboxed types --- so we'll never try to update an
349 unboxed constructor.  The restriction to a single constructor is
350 largely to avoid garbage collection complications.
351
352 \item
353 The core syntax does not allow variables to be bound to
354 unboxed tuples (ie in default case alternatives or as function arguments)
355 and does not allow unboxed tuples to be fields of other constructors.
356 However, there's no harm in allowing it in the source syntax as a
357 convenient, but easily removed, syntactic sugar.
358
359 \item
360 The compiler generates a closure of the form
361 @
362 > c = \ x y z -> C x y z
363 @
364 for every constructor (whether boxed or unboxed).  
365
366 This closure is normally used during desugaring to ensure that
367 constructors are saturated and to apply any strictness annotations.
368 They are also used when returning unboxed constructors to the machine
369 code evaluator from the bytecode evaluator and when a heap check fails
370 in a return continuation for an unboxed-tuple scrutinee.
371
372 \end{itemize}
373
374 \Subsection{STG Syntax}{stg-syntax}
375
376
377 \ToDo{Insert STG syntax with appropriate changes.}
378
379
380 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
381 \part{System Overview}
382 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
383
384 This part is concerned with defining the external interfaces of the
385 major components of the system; the next part is concerned with their
386 inner workings.
387
388 The major components of the system are:
389 \begin{itemize}
390
391 \item 
392
393 The evaluators (\secref{sm-overview}) are responsible for
394 evaluating heap objects.  The system supports two evaluators: the
395 machine code evaluator; and the bytecode evaluator.
396
397 \item 
398
399 The scheduler (\secref{scheduler-overview}) acts as the
400 coordinator for the whole system.  It is responsible for switching
401 between evaluators, switching between threads, garbage collection,
402 communication between multiple processors, etc.
403
404 \item 
405
406 The storage manager (\secref{evaluators-overview}) is
407 responsible for allocating blocks of contiguous memory and for garbage
408 collection.
409
410 \item 
411
412 The loader (\secref{loader-overview}) is responsible for
413 loading machine code and bytecode files from the file system and for
414 resolving references between separately compiled modules.
415
416 \item 
417
418 The compilers (\secref{compilers-overview}) generate machine
419 code and bytecode files which can be loaded by the loader.
420
421 \end{itemize}
422
423 \ToDo{Insert diagram showing all components underneath the scheduler
424 and communicating only with the scheduler}
425
426
427 \Section{The Evaluators}{evaluators-overview}
428
429 There are two evaluators: a machine code evaluator and a bytecode
430 evaluator.  The evaluators task is to evaluate code within a thread
431 until one of the following happens:
432
433 \begin{itemize}
434 \item heap overflow
435 \item stack overflow
436 \item it is preempted
437 \item it blocks in one of the concurrency primitives
438 \item it performs a safe ccall
439 \item it needs to switch to the other evaluator.
440 \end{itemize}
441
442 The evaluators expect to find a closure on top of the thread's stack
443 and terminate with a closure on top of the thread's stack.
444
445 \Subsection{Evaluation Model}{evaluation-model}
446
447 Whilst the evaluators differ internally, they share a common
448 evaluation model and many object representations.
449
450 \Subsubsection{Heap objects}{heap-objects-overview}
451
452 The choice of heap and stack objects used by the evaluators is tightly
453 bound to the evaluation model.  This section provides an overview of
454 the most important heap and stack objects; further details are given
455 later.
456
457 All heap objects look like this:
458
459 \begin{center}
460 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
461 \emph{Header} & \emph{Payload} \\ \hline
462 \end{tabular}
463 \end{center}
464
465 The headers vary between different kinds of object but they all start
466 with a pointer to a pair consisting of an \emph{info table} and some
467 \emph{entry code}.  The info table is used both by the evaluators and
468 by the storage manager and contains a @type@ field which identifies
469 which kind of heap object uses it and determines the interpretation of
470 the payload and of the other fields of the info table.  The entry code
471 is some machine code used by the machine code evaluator to evaluate
472 closures and raises an error for other kinds of objects.
473
474 The major kinds of heap object used are as follows.  (For simplicity,
475 this description omits certain optimisations and extra fields required
476 by the garbage collector.)
477
478 \begin{description}
479
480 \item[Constructors] are used to represent data constructors.  Their
481 payload consists of the fields of the constructor; the tag of the
482 constructor is stored in the info table.
483
484 \begin{center}
485 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
486 @CONSTR@ & \emph{Fields} \\ \hline
487 \end{tabular}
488 \end{center}
489
490 \item[Primitive objects] are used to represent objects with unlifted
491 types which are too large to fit in a register (or stack slot) or for
492 which sharing must be preserved.  Primitive objects include large
493 objects such as multiple precision integers and immutable arrays and
494 mutable objects such as mutable arrays, mutable variables, MVar's,
495 IVar's and foreign object pointers.  Since primitive objects are not
496 lifted, they cannot be entered.  Their payload varies according to the
497 kind of object.
498
499 \item[Function closures] are used to represent functions.  Their
500 payload (if any) consists of the free variables of the function.
501
502 \begin{center}
503 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
504 @FUN@ & \emph{Free Variables} \\ \hline
505 \end{tabular}
506 \end{center}
507
508 Function closures are only generated by the machine code compiler.
509
510 \item[Thunks] are used to represent unevaluated expressions which will
511 be updated with their result.  Their payload (if any) consists of the
512 free variables of the function.  The entry code for a thunk starts by
513 pushing an \emph{update frame} onto the stack.  When evaluation of the
514 thunk completes, the update frame will cause the thunk to be
515 overwritten again with an \emph{indirection} to the result of the
516 thunk, which is always a constructor or a partial application.
517
518 \begin{center}
519 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
520 @THUNK@ & \emph{Free Variables} \\ \hline
521 \end{tabular}
522 \end{center}
523
524 Thunks are only generated by the machine code evaluator.
525
526 \item[Byte-code Objects (@BCO@s)] are generated by the bytecode
527 compiler.  In conjunction with \emph{updatable applications} and
528 \emph{non-updatable applications} they are used to represent
529 functions, unevaluated expressions and return addresses.
530
531 \begin{center}
532 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
533 @BCO@ & \emph{Constant Pool} & \emph{Bytecodes} \\ \hline
534 \end{tabular}
535 \end{center}
536
537 \item[Non-updatable (Partial) Applications] are used to represent the
538 application of a function to an insufficient number of arguments.
539 Their payload consists of the function and the arguments received so far.
540
541 \begin{center}
542 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
543 @PAP@ & \emph{Function Closure} & \emph{Arguments} \\ \hline
544 \end{tabular}
545 \end{center}
546
547 @PAP@s are used when a function is applied to too few arguments and by
548 code generated by the lambda-lifting phase of the bytecode compiler.
549
550 \item[Updatable Applications] are used to represent the application of
551 a function to a sufficient number of arguments.  Their payload
552 consists of the function and its arguments.  
553
554 Updateable applications are like thunks: on entering an updateable
555 application, the evaluators push an \emph{update frame} onto the stack
556 and overwrite the application with a \emph{black hole}; when
557 evaluation completes, the evaluators overwrite the application with an
558 \emph{indirection} to the result of the application.
559
560 \begin{center}
561 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
562 @AP@ & \emph{Function Closure} & \emph{Arguments} \\ \hline
563 \end{tabular}
564 \end{center}
565
566 @AP@s are only generated by the bytecode compiler.
567
568 \item[Black holes] are used to mark updateable closures which are
569 currently being evaluated.  ``Black holing'' an object cures a
570 potential space leak and detects certain classes of infinite loops.
571 More imporantly, black holes act as synchronisation objects between
572 separate threads: if a second thread tries to enter an updateable
573 closure which is already being evaluated, the second thread is added
574 to a list of blocked threads and the thread is suspended.
575
576 When evaluation of the black-holed closure completes, the black hole
577 is overwritten with an indirection to the result of the closure and
578 any blocked threads are restored to the runnable queue.
579
580 Closures are overwritten by black-holes during a ``lazy black-holing''
581 phase which runs on each thread when it returns to the scheduler.
582 \ToDo{section describing lazy black-holing}.
583
584 \begin{center}
585 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
586 @BLACKHOLE@ & \emph{Blocked threads} \\ \hline
587 \end{tabular}
588 \end{center}
589
590 \ToDo{In a single threaded system, it's trivial to detect infinite
591 loops: reentering a BLACKHOLE is always an error.  How easy is it in a
592 multi-threaded system?}
593
594 \item[Indirections] are used to update an unevaluated closure with its
595 (usually fully evaluated) result in situations where it isn't possible
596 to perform an update in place.  (In the current system, we always
597 update with an indirection to avoid duplicating the result when doing
598 an update in place.)
599
600 \begin{center}
601 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
602 @IND@ & \emph{Closure} \\ \hline
603 \end{tabular}
604 \end{center}
605
606 Indirections needn't always point to a closure in WHNF.  They can
607 point to a chain of indirections which point to an evaluated closure.
608
609 \item[Thread State Objects (@TSO@s)] represent Haskell threads.  Their
610 payload consists of some per-thread information such as the Thread ID
611 and the status of the thread (runnable, blocked etc.), and the
612 thread's stack.  See @TSO.h@ for the full story.  @TSO@s may be
613 resized by the scheduler if its stack is too small or too large.
614
615 The thread stack grows downwards from higher to lower addresses.
616
617 \begin{center}
618 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
619 @TSO@ & \emph{Thread info} & \emph{Stack} \\ \hline
620 \end{tabular}
621 \end{center}
622
623 \end{description}
624
625 \Subsubsection{Stack objects}{stack-objects-overview}
626
627 The stack contains a mixture of \emph{pending arguments} and 
628 \emph{stack objects}.
629
630 Pending arguments are arguments to curried functions which have not
631 yet been incorporated into an activation frame.  For example, when
632 evaluating @let { g x y = x + y; f x = g{x} } in f{3,4}@, the
633 evaluator pushes both arguments onto the stack and enters @f@.  @f@
634 only requires one argument so it leaves the second argument as a
635 \emph{pending argument}.  The pending argument remains on the stack
636 until @f@ calls @g@ which requires two arguments: the argument passed
637 to it by @f@ and the pending argument which was passed to @f@.
638
639 Unboxed pending arguments are always preceeded by a ``tag'' which says
640 how large the argument is.  This allows the garbage collector to
641 locate pointers within the stack.
642
643 There are three kinds of stack object: return addresses, update frames
644 and seq frames.  All stack objects look like this
645
646 \begin{center}
647 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
648 \emph{Header} & \emph{Payload} \\ \hline
649 \end{tabular}
650 \end{center}
651
652 As with heap objects, the header starts with a pointer to a pair
653 consisting of an \emph{info table} and some \emph{entry code}.
654
655 \begin{description}
656
657 \item[Return addresses] are used to cause selection and execution of
658 case alternatives when a constructor is returned.  Return addresses
659 generated by the machine code compiler look like this:
660
661 \begin{center}
662 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
663 \emph{@RET_XXX@} & \emph{Free Variables of the case alternatives} \\ \hline
664 \end{tabular}
665 \end{center}
666
667 The free variables are a mixture of pointers and non-pointers whose
668 layout is described by a bitmask in the info table.
669
670 There are several kinds of @RET_XXX@ return address - see
671 \secref{activation-records} for the details.
672
673 Return addresses generated by the bytecode compiler look like this:
674 \begin{center}
675 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
676 \emph{@BCO_RET@} & \emph{BCO} & \emph{Free Variables of the case alternatives} \\ \hline
677 \end{tabular}
678 \end{center}
679
680 There is just one @BCO_RET@ info pointer.  We avoid needing different
681 @BCO_RET@s for each stack layout by tagging unboxed free variables as
682 though they were pending arguments.
683
684 \item[Update frames] are used to trigger updates.  When an update
685 frame is entered, it overwrites the updatee with an indirection to the
686 result, restarts any threads blocked on the @BLACKHOLE@ and returns to
687 the stack object underneath the update frame.
688
689 \begin{center}
690 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
691 \emph{@UPDATE_FRAME@} & \emph{Next Update Frame} & \emph{Updatee} \\ \hline
692 \end{tabular}
693 \end{center}
694
695 \item[Seq frames] are used to implement the polymorphic @seq@
696 primitive.  They are a special kind of update frame, and are linked on
697 the update frame list.
698
699 \begin{center}
700 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
701 \emph{@SEQ_FRAME@} & \emph{Next Update Frame} \\ \hline
702 \end{tabular}
703 \end{center}
704
705 \item[Stop frames] are put on the bottom of each thread's stack, and
706 act as sentinels for the update frame list (i.e. the last update frame
707 points to the stop frame).  Returning to a stop frame terminates the
708 thread.  Stop frames have no payload:
709
710 \begin{center}
711 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
712 \emph{@SEQ_FRAME@} \\ \hline
713 \end{tabular}
714 \end{center}
715
716 \end{description}
717
718 \Subsubsection{Case expressions}{case-expr-overview}
719
720 In the STG language, all evaluation is triggered by evaluating a case
721 expression.  When evaluating a case expression @case e of alts@, the
722 evaluators pushes a return address onto the stack and evaluate the
723 expression @e@.  When @e@ eventually reduces to a constructor, the
724 return address on the stack is entered.  The details of how the
725 constructor is passed to the return address and how the appropriate
726 case alternative is selected vary between evaluators.
727
728 Case expressions for unboxed data types are essentially the same: the
729 case expression pushes a return address onto the stack before
730 evaluating the scrutinee; when a function returns an unboxed value, it
731 enters the return address on top of the stack.
732
733
734 \Subsubsection{Function applications}{fun-app-overview}
735
736 In the STG language, all function calls are tail calls.  The arguments
737 are pushed onto the stack and the function closure is entered.  If any
738 arguments are unboxed, they must be tagged as unboxed pending
739 arguments.  Entering a closure is just a special case of calling a
740 function with no arguments.
741
742
743 \Subsubsection{Let expressions}{let-expr-overview}
744
745 In the STG language, almost all heap allocation is caused by let
746 expressions.  Filling in the contents of a set of mutually recursive
747 heap objects is simple enough; the only difficulty is that once the
748 heap space has been allocated, the thread must not return to the
749 scheduler until after the objects are filled in.
750
751
752 \Subsubsection{Primitive operations}{primop-overview}
753
754 \ToDo{}
755
756 Most primops are simple, some aren't.
757
758
759
760
761
762
763 \Section{Scheduler}{scheduler-overview}
764
765 The Scheduler is the heart of the run-time system.  A running program
766 consists of a single running thread, and a list of runnable and
767 blocked threads.  A thread is represented by a \emph{Thread Status
768 Object} (TSO), which contains a few words status information and a
769 stack.  Except for the running thread, all threads have a closure on
770 top of their stack; the scheduler restarts a thread by entering an
771 evaluator which performs some reduction and returns to the scheduler.
772
773 \Subsection{The scheduler's main loop}{scheduler-main-loop}
774
775 The scheduler consists of a loop which chooses a runnable thread and
776 invokes one of the evaluators which performs some reduction and
777 returns.
778
779 The scheduler also takes care of system-wide issues such as heap
780 overflow or communication with other processors (in the parallel
781 system) and thread-specific problems such as stack overflow.
782
783 \Subsection{Creating a thread}{create-thread}
784
785 Threads are created:
786
787 \begin{itemize}
788
789 \item
790
791 When the scheduler is first invoked.
792
793 \item
794
795 When a message is received from another processor (I think). (Parallel
796 system only.)
797
798 \item
799
800 When a C program calls some Haskell code.
801
802 \item
803
804 By @forkIO@, @takeMVar@ and (maybe) other Concurrent Haskell primitives.
805
806 \end{itemize}
807
808
809 \Subsection{Restarting a thread}{thread-restart}
810
811 When the scheduler decides to run a thread, it has to decide which
812 evaluator to use.  It does this by looking at the type of the closure
813 on top of the stack.
814 \begin{itemize}
815 \item @BCO@ $\Rightarrow$ bytecode evaluator
816 \item @FUN@ or @THUNK@ $\Rightarrow$ machine code evaluator
817 \item @CONSTR@ $\Rightarrow$ machine code evaluator
818 \item other $\Rightarrow$ either evaluator.
819 \end{itemize}
820
821 The only surprise in the above is that the scheduler must enter the
822 machine code evaluator if there's a constructor on top of the stack.
823 This allows the bytecode evaluator to return a constructor to a
824 machine code return address by pushing the constructor on top of the
825 stack and returning to the scheduler.  If the return address under the
826 constructor is @HUGS_RET@, the entry code for @HUGS_RET@ will
827 rearrange the stack so that the return @BCO@ is on top of the stack
828 and return to the scheduler which will then call the bytecode
829 evaluator.  There is little point in trying to shorten this slightly
830 indirect route since it is will happen very rarely if at all.
831
832 \note{As an optimisation, we could store the choice of evaluator in
833 the TSO status whenever we leave the evaluator.  This is required for
834 any thread, no matter what state it is in (blocked, stack overflow,
835 etc).  It isn't clear whether this would accomplish anything.}
836
837 \Subsection{Returning from a thread}{thread-return}
838
839 The evaluators return to the scheduler when any of the following
840 conditions arise:
841
842 \begin{itemize}
843 \item A heap check fails, and a garbage collection is required.
844
845 \item A stack check fails, and the scheduler must either enlarge the
846 current thread's stack, or flag an out of memory condition.
847
848 \item A thread enters a closure built by the other evaluator.  That
849 is, when the bytecode interpreter enters a closure compiled by GHC or
850 when the machine code evaluator enters a BCO.
851
852 \item A thread returns to a return continuation built by the other
853 evaluator.  That is, when the machine code evaluator returns to a
854 continuation built by Hugs or when the bytecode evaluator returns to a
855 continuation built by GHC.
856
857 \item The evaluator needs to perform a ``safe'' C call
858 (\secref{c-calls}).
859
860 \item The thread becomes blocked.  This happens when a thread requires
861 the result of a computation currently being performed by another
862 thread, or it reads a synchronisation variable that is currently empty
863 (\secref{MVAR}).
864
865 \item The thread is preempted (the preemption mechanism is described
866 in \secref{thread-preemption}).
867
868 \item The thread terminates.
869 \end{itemize}
870
871 Except when the thread terminates, the thread always terminates with a
872 closure on the top of the stack.  The mechanism used to trigger the
873 world switch and the choice of closure left on top of the stack varies
874 according to which world is being left and what is being returned.
875
876 \Subsubsection{Leaving the bytecode evaluator}{hugs-to-ghc-switch}
877
878 \paragraph{Entering a machine code closure}
879
880 When it enters a closure, the bytecode evaluator performs a switch
881 based on the type of closure (@AP@, @PAP@, @Ind@, etc).  On entering a
882 machine code closure, it returns to the scheduler with the closure on
883 top of the stack.
884
885 \paragraph{Returning a constructor}
886
887 When it enters a constructor, the bytecode evaluator tests the return
888 continuation on top of the stack.  If it is a machine code
889 continuation, it returns to the scheduler with the constructor on top
890 of the stack.
891
892 \note{This is why the scheduler must enter the machine code evaluator
893 if it finds a constructor on top of the stack.}
894
895 \paragraph{Returning an unboxed value}
896
897 \note{Hugs doesn't support unboxed values in source programs but they
898 are used for a few complex primops.}
899
900 When it returns an unboxed value, the bytecode evaluator tests the
901 return continuation on top of the stack.  If it is a machine code
902 continuation, it returns to the scheduler with the tagged unboxed
903 value and a special closure on top of the stack.  When the closure is
904 entered (by the machine code evaluator), it returns the unboxed value
905 on top of the stack to the return continuation under it.
906
907 The runtime library for GHC provides one of these closures for each unboxed
908 type.  Hugs cannot generate them itself since the entry code is really
909 very tricky.
910
911 \paragraph{Heap/Stack overflow and preemption}
912
913 The bytecode evaluator tests for heap/stack overflow and preemption
914 when entering a BCO and simply returns with the BCO on top of the
915 stack.
916
917 \Subsubsection{Leaving the machine code evaluator}{ghc-to-hugs-switch}
918
919 \paragraph{Entering a BCO}
920
921 The entry code for a BCO pushes the BCO onto the stack and returns to
922 the scheduler.
923
924 \paragraph{Returning a constructor}
925
926 We avoid the need to test return addresses in the machine code
927 evaluator by pushing a special return address on top of a pointer to
928 the bytecode return continuation.  \figref{hugs-return-stack}
929 shows the state of the stack just before evaluating the scrutinee.
930
931 \begin{figure}[ht]
932 \begin{center}
933 @
934 | stack    |
935 +----------+
936 | bco      |--> BCO
937 +----------+
938 | HUGS_RET |
939 +----------+
940 @
941 %\input{hugs_return1.pstex_t}
942 \end{center}
943 \caption{Stack layout for evaluating a scrutinee}
944 \label{fig:hugs-return-stack}
945 \end{figure}
946
947 This return address rearranges the stack so that the bco pointer is
948 above the constructor on the stack (as shown in
949 \figref{hugs-boxed-return}) and returns to the scheduler.
950
951 \begin{figure}[ht]
952 \begin{center}
953 @
954 | stack    |
955 +----------+
956 | con      |--> Constructor
957 +----------+
958 | bco      |--> BCO
959 +----------+
960 @
961 %\input{hugs_return2.pstex_t}
962 \end{center}
963 \caption{Stack layout for entering a Hugs return address}
964 \label{fig:hugs-boxed-return}
965 \end{figure}
966
967 \paragraph{Returning an unboxed value}
968
969 We avoid the need to test return addresses in the machine code
970 evaluator by pushing a special return address on top of a pointer to
971 the bytecode return continuation.  This return address rearranges the
972 stack so that the bco pointer is above the tagged unboxed value (as
973 shown in \figref{hugs-entering-unboxed-return}) and returns to the
974 scheduler.
975
976 \begin{figure}[ht]
977 \begin{center}
978 @
979 | stack    |
980 +----------+
981 | 1#       |
982 +----------+
983 | I#       |
984 +----------+
985 | bco      |--> BCO
986 +----------+
987 @
988 %\input{hugs_return2.pstex_t}
989 \end{center}
990 \caption{Stack layout for returning an unboxed value}
991 \label{fig:hugs-entering-unboxed-return}
992 \end{figure}
993
994 \paragraph{Heap/Stack overflow and preemption}
995
996 \ToDo{}
997
998
999 \Subsection{Preempting a thread}{thread-preemption}
1000
1001 Strictly speaking, threads cannot be preempted --- the scheduler
1002 merely sets a preemption request flag which the thread must arrange to
1003 test on a regular basis.  When an evaluator finds that the preemption
1004 request flag is set, it pushes an appropriate closure onto the stack
1005 and returns to the scheduler.
1006
1007 In the bytecode interpreter, the flag is tested whenever we enter a
1008 closure.  If the preemption flag is set, it leaves the closure on top
1009 of the stack and returns to the scheduler.
1010
1011 In the machine code evaluator, the flag is only tested when a heap or
1012 stack check fails.  This is less expensive than testing the flag on
1013 entering every closure but runs the risk that a thread will enter an
1014 infinite loop which does not allocate any space.  If the flag is set,
1015 the evaluator returns to the scheduler exactly as if a heap check had
1016 failed.
1017
1018 \Subsection{``Safe'' and ``unsafe'' C calls}{c-calls}
1019
1020 There are two ways of calling C: 
1021
1022 \begin{description}
1023
1024 \item[``Unsafe'' C calls] are used if the programer is certain that
1025 the C function will not do anything dangerous.  Unsafe C calls are
1026 faster but must be hand-checked by the programmer.
1027
1028 Dangerous things include:
1029
1030 \begin{itemize}
1031
1032 \item 
1033
1034 Call a system function such as @getchar@ which might block
1035 indefinitely.  This is dangerous because we don't want the entire
1036 runtime system to block just because one thread blocks.
1037
1038 \item
1039
1040 Call an RTS function which will block on the RTS access semaphore.
1041 This would lead to deadlock.
1042
1043 \item
1044
1045 Call a Haskell function.  This is just a special case of calling an
1046 RTS function.
1047
1048 \end{itemize}
1049
1050 Unsafe C calls are performed by pushing the arguments onto the C stack
1051 and jumping to the C function's entry point.  On exit, the result of
1052 the function is in a register which is returned to the Haskell code as
1053 an unboxed value.
1054
1055 \item[``Safe'' C calls] are used if the programmer suspects that the
1056 thread may do something dangerous.  Safe C calls are relatively slow
1057 but are less problematic.
1058
1059 Safe C calls are performed by pushing the arguments onto the Haskell
1060 stack, pushing a return continuation and returning a \emph{C function
1061 descriptor} to the scheduler.  The scheduler suspends the Haskell thread,
1062 spawns a new operating system thread which pops the arguments off the
1063 Haskell stack onto the C stack, calls the C function, pushes the
1064 function result onto the Haskell stack and informs the scheduler that
1065 the C function has completed and the Haskell thread is now runnable.
1066
1067 \end{description}
1068
1069 The bytecode evaluator will probably treat all C calls as being safe.
1070
1071 \ToDo{It might be good for the programmer to indicate how the program
1072 is unsafe.  For example, if we distinguish between C functions which
1073 might call Haskell functions and those which might block, we could
1074 perform an unsafe call for blocking functions in a single-threaded
1075 system or, perhaps, in a multi-threaded system which only happens to
1076 have a single thread at the moment.}
1077
1078
1079
1080 \Section{The Storage Manager}{sm-overview}
1081
1082 The storage manager is responsible for managing the heap and all
1083 objects stored in it.  It provides special support for lazy evaluation
1084 and for foreign function calls.
1085
1086 \Subsection{SM support for lazy evaluation}{sm-lazy-evaluation}
1087
1088 \begin{itemize}
1089 \item
1090
1091 Indirections are shorted out.
1092
1093 \item
1094
1095 Update frames pointing to unreachable objects are squeezed out.
1096
1097 \item
1098
1099 Adjacent update frames (for different closures) are compressed to a
1100 single update frame pointing to a single black hole.
1101
1102 \end{itemize}
1103
1104
1105 \Subsection{SM support for foreign function calls}{sm-foreign-calls}
1106
1107 \begin{itemize}
1108
1109 \item
1110
1111 Stable pointers allow other languages to access Haskell objects.
1112
1113 \item
1114
1115 Weak pointers and foreign objects provide finalisation support for
1116 Haskell references to external objects.
1117
1118 \end{itemize}
1119
1120 \Subsection{Misc}{sm-misc}
1121
1122 \begin{itemize}
1123
1124 \item
1125
1126 If the stack contains a large amount of free space, the storage
1127 manager may shrink the stack.  If it shrinks the stack, it guarantees
1128 never to leave less than @MIN_SIZE_SHRUNKEN_STACK@ empty words on the
1129 stack when it does so.
1130
1131 \item
1132
1133 For efficiency reasons, very large objects (eg large arrays and TSOs)
1134 are not moved if possible.
1135
1136 \end{itemize}
1137
1138
1139 \Section{The Compilers}{compilers-overview}
1140
1141 Need to describe interface files, format of bytecode files, symbols
1142 defined by machine code files.
1143
1144 \Subsection{Interface Files}{interface-files}
1145
1146 Here's an example - but I don't know the grammar - ADR.
1147 @
1148 _interface_ Main 1
1149 _exports_
1150 Main main ;
1151 _declarations_
1152 1 main _:_ IOBase.IO PrelBase.();;
1153 @
1154
1155 \Subsection{Bytecode files}{bytecode-files}
1156
1157 (All that matters here is what the loader sees.)
1158
1159 \Subsection{Machine code files}{asm-files}
1160
1161 (Again, all that matters is what the loader sees.)
1162
1163 \Section{The Loader}{loader-overview}
1164
1165 In a batch mode system, we can statically link all the modules
1166 together.  In an interactive system we need a loader which will
1167 explicitly load and unload individual modules (or, perhaps, blocks of
1168 mutually dependent modules) and resolve references between modules.
1169
1170 While many operating systems provide support for dynamic loading and
1171 will automatically resolve cross-module references for us, we generally
1172 cannot rely on being able to load mutually dependent modules.
1173
1174 A portable solution is to perform some of the linking ourselves.  Each module
1175 should provide three global symbols: 
1176 \begin{itemize}
1177 \item
1178 An initialisation routine.  (Might also be used for finalisation.)
1179 \item
1180 A table of symbols it exports.
1181 Entries in this table consist of the symbol name and the address of the
1182 names value.
1183 \item
1184 A table of symbols it imports.
1185 Entries in this table consist of the symbol name and a list of references
1186 to that symbol.
1187 \end{itemize}
1188
1189 On loading a group of modules, the loader adds the contents of the
1190 export lists to a symbol table and then fills in all the references in the
1191 import lists.
1192
1193 References in import lists are of two types:
1194 \begin{description}
1195 \item[ References in machine code ]
1196
1197 The most efficient approach is to patch the machine code directly, but
1198 this will be a lot of work, very painful to port and rather fragile.
1199
1200 Alternatively, the loader could store the value of each symbol in the
1201 import table for each module and the compiled code can access all
1202 external objects through the import table.  This requires that the
1203 import table be writable but does not require that the machine code or
1204 info tables be writable.
1205
1206 \item[ References in data structures (SRTs and static data constructors) ]
1207
1208 Either we patch the SRTs and constructors directly or we somehow use
1209 indirections through the symbol table.  Patching the SRTs requires
1210 that we make them writable and prevents us from making effective use
1211 of virtual memories that use copy-on-write policies (this only makes a
1212 difference if we want to run several copies of the same program
1213 simultaneously).  Using an indirection is possible but tricky.
1214
1215 Note: We could avoid patching machine code if all references to
1216 external references went through the SRT --- then we just have one
1217 thing to patch.  But the SRT always contains a pointer to the closure
1218 rather than the fast entry point (say), so we'd take a big performance
1219 hit for doing this.
1220
1221 \end{description}
1222
1223 Using the above scheme, all accesses to ``external'' objects involve a
1224 layer of indirection.  To avoid this overhead, the machine code
1225 compiler might provide a way for the programmer to specify which
1226 modules will be statically linked and which will be dynamically linked
1227 --- the idea being that statically linked code and data will be
1228 accessed directly.
1229
1230
1231 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1232 \part{Internal details}
1233 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1234
1235 This part is concerned with the internal details of the components
1236 described in the previous part.
1237
1238 The major components of the system are:
1239 \begin{itemize}
1240 \item The scheduler (\secref{storage-manager-internals})
1241 \item The storage manager (\secref{storage-manager-internals})
1242 \item The evaluators
1243 \item The loader
1244 \item The compilers
1245 \end{itemize}
1246
1247 \Section{The Scheduler}{scheduler-internals}
1248
1249 \ToDo{Detailed description of scheduler}
1250
1251 Many heap objects contain fields allowing them to be inserted onto lists
1252 during evaluation or during garbage collection. The lists required by
1253 the evaluator and storage manager are as follows.
1254
1255 \begin{itemize}
1256
1257 \item 4 lists of threads: runnable threads, sleeping threads, threads
1258 waiting for timeout and threads waiting for I/O.
1259
1260 \item The \emph{mutables list} is a list of all objects in the old
1261 generation which might contain pointers into the new generation.  Most
1262 of the objects on this list are indirections (\secref{IND})
1263 or ``mutable.''  (\secref{mutables}.)
1264
1265 \item The \emph{Foreign Object list} is a list of all foreign objects
1266  which have not yet been deallocated. (\secref{FOREIGN}.)
1267
1268 \item The \emph{Spark pool} is a doubly(?) linked list of Spark objects
1269 maintained by the parallel system.  (\secref{SPARK}.)
1270
1271 \item The \emph{Blocked Fetch list} (or
1272 lists?). (\secref{BLOCKED_FETCH}.)
1273
1274 \item For each thread, there is a list of all update frames on the
1275 stack.  (\secref{data-updates}.)
1276
1277 \item The Stable Pointer Table is a table of pointers to objects which
1278 are known to the outside world and must be retained by the garbage
1279 collector even if they are not accessible from within the heap.
1280
1281 \end{itemize}
1282
1283 \ToDo{The links for these fields are usually inserted immediately
1284 after the fixed header except ...}
1285
1286
1287
1288 \Section{The Storage Manager}{storage-manager-internals}
1289
1290 \subsection{Misc Text looking for a home}
1291
1292 A \emph{value} may be:
1293 \begin{itemize}
1294 \item \emph{Boxed}, i.e.~represented indirectly by a pointer to a heap object (e.g.~foreign objects, arrays); or
1295 \item \emph{Unboxed}, i.e.~represented directly by a bit-pattern in one or more registers (e.g.~@Int#@ and @Float#@).
1296 \end{itemize}
1297 All \emph{pointed} values are \emph{boxed}.  
1298
1299
1300 \Subsection{Heap Objects}{heap-objects}
1301 \label{sec:fixed-header}
1302
1303 \begin{figure}
1304 \begin{center}
1305 \input{closure}
1306 \end{center}
1307 \ToDo{Fix this picture}
1308 \caption{A closure}
1309 \label{fig:closure}
1310 \end{figure}
1311
1312 Every \emph{heap object} is a contiguous block of memory, consisting
1313 of a fixed-format \emph{header} followed by zero or more \emph{data
1314 words}.
1315
1316 The header consists of the following fields:
1317 \begin{itemize}
1318 \item A one-word \emph{info pointer}, which points to
1319 the object's static \emph{info table}.
1320 \item Zero or more \emph{admin words} that support
1321 \begin{itemize}
1322 \item Profiling (notably a \emph{cost centre} word).
1323   \note{We could possibly omit the cost centre word from some 
1324   administrative objects.}
1325 \item Parallelism (e.g. GranSim keeps the object's global address here,
1326 though GUM keeps a separate hash table).
1327 \item Statistics (e.g. a word to track how many times a thunk is entered.).
1328
1329 We add a Ticky word to the fixed-header part of closures.  This is
1330 used to indicate if a closure has been updated but not yet entered. It
1331 is set when the closure is updated and cleared when subsequently
1332 entered.  \footnote{% NB: It is \emph{not} an ``entry count'', it is
1333 an ``entries-after-update count.''  The commoning up of @CONST@,
1334 @CHARLIKE@ and @INTLIKE@ closures is turned off(?) if this is
1335 required. This has only been done for 2s collection.  }
1336
1337 \end{itemize}
1338 \end{itemize}
1339
1340 Most of the RTS is completely insensitive to the number of admin
1341 words.  The total size of the fixed header is given by
1342 @sizeof(StgHeader)@.
1343
1344 \Subsection{Info Tables}{info-tables}
1345
1346 An \emph{info table} is a contiguous block of memory, laid out as follows:
1347
1348 \begin{center}
1349 \begin{tabular}{|r|l|}
1350    \hline Parallelism Info      & variable
1351 \\ \hline Profile Info          & variable
1352 \\ \hline Debug Info            & variable
1353 \\ \hline Static reference table  & pointer word (optional)
1354 \\ \hline Storage manager layout info & pointer word
1355 \\ \hline Closure flags         & 8 bits
1356 \\ \hline Closure type          & 8 bits
1357 \\ \hline Constructor Tag / SRT length          & 16 bits
1358 \\ \hline entry code
1359 \\       \vdots
1360 \end{tabular}
1361 \end{center}
1362
1363 On a 64-bit machine the tag, type and flags fields will all be doubled
1364 in size, so the info table is a multiple of 64 bits.
1365
1366 An info table has the following contents (working backwards in memory
1367 addresses):
1368
1369 \begin{itemize}
1370
1371 \item The \emph{entry code} for the closure.  This code appears
1372 literally as the (large) last entry in the info table, immediately
1373 preceded by the rest of the info table.  An \emph{info pointer} always
1374 points to the first byte of the entry code.
1375
1376 \item A 16-bit constructor tag / SRT length.  For a constructor info
1377 table this field contains the tag of the constructor, in the range
1378 $0..n-1$ where $n$ is the number of constructors in the datatype.
1379 Otherwise, it contains the number of entries in this closure's Static
1380 Reference Table (\secref{srt}).
1381
1382 \item An 8-bit {\em closure type field}, which identifies what kind of
1383 closure the object is.  The various types of closure are described in
1384 \secref{closures}.
1385
1386 \item an 8-bit flags field, which holds various flags pertaining to
1387 the closure type.
1388
1389 \item A single pointer or word --- the {\em storage manager info
1390 field}, contains auxiliary information describing the closure's
1391 precise layout, for the benefit of the garbage collector and the code
1392 that stuffs graph into packets for transmission over the network.
1393 There are three kinds of layout information:
1394
1395 \begin{itemize}
1396 \item Standard layout information is for closures which place pointers
1397 before non-pointers in instances of the closure (this applies to most
1398 heap-based and static closures, but not activation records).  The
1399 layout information for standard closures is
1400
1401         \begin{itemize}
1402         \item Number of pointer fields (16 bits).
1403         \item Number of non-pointer fields (16 bits).
1404         \end{itemize}
1405
1406 \item Activation records don't have pointers before non-pointers,
1407 since stack-stubbing requires that the record has holes in it.  The
1408 layout is therefore represented by a bitmap in which each '1' bit
1409 represents a non-pointer word.  This kind of layout info is used for
1410 @RET_SMALL@ and @RET_VEC_SMALL@ closures.
1411
1412 \item If an activation record is longer than 32 words, then the layout
1413 field contains a pointer to a bitmap record, consisting of a length
1414 field followed by two or more bitmap words.  This layout information
1415 is used for @RET_BIG@ and @RET_VEC_BIG@ closures.
1416
1417 \item Selector Thunks (\secref{THUNK_SELECTOR}) use the closure
1418 layout field to hold the selector index, since the layout is always
1419 known (the closure contains a single pointer field).
1420 \end{itemize}
1421
1422 \item A one-word {\em Static Reference Table} field.  This field
1423 points to the static reference table for the closure (\secref{srt}),
1424 and is only present for the following closure types:
1425
1426         \begin{itemize}
1427         \item @FUN_*@
1428         \item @THUNK_*@
1429         \item @RET_*@
1430         \end{itemize}
1431
1432 \item \emph{Profiling info\/}
1433
1434 \ToDo{The profiling info is completely bogus.  I've not deleted it
1435 from the document but I've commented it all out.}
1436
1437 % change to \iftrue to uncomment this section
1438 \iffalse
1439
1440 Closure category records are attached to the info table of the
1441 closure. They are declared with the info table. We put pointers to
1442 these ClCat things in info tables.  We need these ClCat things because
1443 they are mutable, whereas info tables are immutable.  Hashing will map
1444 similar categories to the same hash value allowing statistics to be
1445 grouped by closure category.
1446
1447 Cost Centres and Closure Categories are hashed to provide indexes
1448 against which arbitrary information can be stored. These indexes are
1449 memoised in the appropriate cost centre or category record and
1450 subsequent hashes avoided by the index routine (it simply returns the
1451 memoised index).
1452
1453 There are different features which can be hashed allowing information
1454 to be stored for different groupings. Cost centres have the cost
1455 centre recorded (using the pointer), module and group. Closure
1456 categories have the closure description and the type
1457 description. Records with the same feature will be hashed to the same
1458 index value.
1459
1460 The initialisation routines, @init_index_<feature>@, allocate a hash
1461 table in which the cost centre / category records are stored. The
1462 lower bound for the table size is taken from @max_<feature>_no@. They
1463 return the actual table size used (the next power of 2). Unused
1464 locations in the hash table are indicated by a 0 entry. Successive
1465 @init_index_<feature>@ calls just return the actual table size.
1466
1467 Calls to @index_<feature>@ will insert the cost centre / category
1468 record in the @<feature>@ hash table, if not already inserted. The hash
1469 index is memoised in the record and returned. 
1470
1471 CURRENTLY ONLY ONE MEMOISATION SLOT IS AVILABLE IN EACH RECORD SO
1472 HASHING CAN ONLY BE DONE ON ONE FEATURE FOR EACH RECORD. This can be
1473 easily relaxed at the expense of extra memoisation space or continued
1474 rehashing.
1475
1476 The initialisation routines must be called before initialisation of
1477 the stacks and heap as they require to allocate storage. It is also
1478 expected that the caller may want to allocate additional storage in
1479 which to store profiling information based on the return table size
1480 value(s).
1481
1482 \begin{center}
1483 \begin{tabular}{|l|}
1484    \hline Hash Index
1485 \\ \hline Selected
1486 \\ \hline Kind
1487 \\ \hline Description String
1488 \\ \hline Type String
1489 \\ \hline
1490 \end{tabular}
1491 \end{center}
1492
1493 \begin{description}
1494 \item[Hash Index] Memoised copy
1495 \item[Selected] 
1496   Is this category selected (-1 == not memoised, selected? 0 or 1)
1497 \item[Kind]
1498 One of the following values (defined in CostCentre.lh):
1499
1500 \begin{description}
1501 \item[@CON_K@]
1502 A constructor.
1503 \item[@FN_K@]
1504 A literal function.
1505 \item[@PAP_K@]
1506 A partial application.
1507 \item[@THK_K@]
1508 A thunk, or suspension.
1509 \item[@BH_K@]
1510 A black hole.
1511 \item[@ARR_K@]
1512 An array.
1513 \item[@ForeignObj_K@]
1514 A Foreign object (non-Haskell heap resident).
1515 \item[@SPT_K@]
1516 The Stable Pointer table.  (There should only be one of these but it
1517 represents a form of weak space leak since it can't shrink to meet
1518 non-demand so it may be worth watching separately? ADR)
1519 \item[@INTERNAL_KIND@]
1520 Something internal to the runtime system.
1521 \end{description}
1522
1523
1524 \item[Description] Source derived string detailing closure description.
1525 \item[Type] Source derived string detailing closure type.
1526 \end{description}
1527
1528 \fi % end of commented out stuff
1529
1530 \item \emph{Parallelism info\/}
1531 \ToDo{}
1532
1533 \item \emph{Debugging info\/}
1534 \ToDo{}
1535
1536 \end{itemize}
1537
1538
1539 %-----------------------------------------------------------------------------
1540 \Subsection{Kinds of Heap Object}{closures}
1541
1542 Heap objects can be classified in several ways, but one useful one is
1543 this:
1544 \begin{itemize}
1545 \item 
1546 \emph{Static closures} occupy fixed, statically-allocated memory
1547 locations, with globally known addresses.
1548
1549 \item 
1550 \emph{Dynamic closures} are individually allocated in the heap.
1551
1552 \item 
1553 \emph{Stack closures} are closures allocated within a thread's stack
1554 (which is itself a heap object).  Unlike other closures, there are
1555 never any pointers to stack closures.  Stack closures are discussed in
1556 \secref{TSO}.
1557
1558 \end{itemize}
1559 A second useful classification is this:
1560 \begin{itemize}
1561
1562 \item \emph{Executive objects}, such as thunks and data constructors,
1563 participate directly in a program's execution.  They can be subdivided
1564 into three kinds of objects according to their type: \begin{itemize}
1565
1566 \item \emph{Pointed objects}, represent values of a \emph{pointed}
1567 type (<.pointed types launchbury.>) --i.e.~a type that includes
1568 $\bottom$ such as @Int@ or @Int# -> Int#@.
1569
1570 \item \emph{Unpointed objects}, represent values of a \emph{unpointed}
1571 type --i.e.~a type that does not include $\bottom$ such as @Int#@ or
1572 @Array#@.
1573
1574 \item \emph{Activation frames}, represent ``continuations''.  They are
1575 always stored on the stack and are never pointed to by heap objects or
1576 passed as arguments.  \note{It's not clear if this will still be true
1577 once we support speculative evaluation.}
1578
1579 \end{itemize}
1580
1581 \item \emph{Administrative objects}, such as stack objects and thread
1582 state objects, do not represent values in the original program.
1583 \end{itemize}
1584
1585 Only pointed objects can be entered.  If an unpointed object is
1586 entered the program will usually terminate with a fatal error.
1587
1588 This section enumerates all the kinds of heap objects in the system.
1589 Each is identified by a distinct closure type field in its info table.
1590
1591 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
1592 \hline
1593
1594 closure type          & Section \\
1595                       
1596 \hline                          
1597 \emph{Pointed} \\      
1598 \hline                
1599                       
1600 @CONSTR@              & \ref{sec:CONSTR}    \\
1601 @CONSTR_p_n@          & \ref{sec:CONSTR}    \\
1602 @CONSTR_STATIC@       & \ref{sec:CONSTR}    \\
1603 @CONSTR_NOCAF_STATIC@ & \ref{sec:CONSTR}    \\
1604                       
1605 @FUN@                 & \ref{sec:FUN}       \\
1606 @FUN_p_n@             & \ref{sec:FUN}       \\
1607 @FUN_STATIC@          & \ref{sec:FUN}       \\
1608                       
1609 @THUNK@               & \ref{sec:THUNK}     \\
1610 @THUNK_p_n@           & \ref{sec:THUNK}     \\
1611 @THUNK_STATIC@        & \ref{sec:THUNK}     \\
1612 @THUNK_SELECTOR@      & \ref{sec:THUNK_SELECTOR} \\
1613                       
1614 @BCO@                 & \ref{sec:BCO}       \\
1615                       
1616 @AP_UPD@              & \ref{sec:AP_UPD}    \\
1617 @PAP@                 & \ref{sec:PAP}       \\
1618                       
1619 @IND@                 & \ref{sec:IND}       \\
1620 @IND_OLDGEN@          & \ref{sec:IND}       \\
1621 @IND_PERM@            & \ref{sec:IND}       \\
1622 @IND_OLDGEN_PERM@     & \ref{sec:IND}       \\
1623 @IND_STATIC@          & \ref{sec:IND}       \\
1624                       
1625 @CAF_UNENTERED@       & \ref{sec:CAF}       \\
1626 @CAF_ENTERED@         & \ref{sec:CAF}       \\
1627 @CAF_BLACKHOLE@       & \ref{sec:CAF}       \\
1628
1629 \hline                
1630 \emph{Unpointed} \\    
1631 \hline                
1632                                       
1633 @BLACKHOLE@           & \ref{sec:BLACKHOLE} \\
1634 @BLACKHOLE_BQ@        & \ref{sec:BLACKHOLE_BQ} \\
1635
1636 @MVAR@                & \ref{sec:MVAR}      \\
1637
1638 @ARR_WORDS@           & \ref{sec:ARR_WORDS} \\
1639
1640 @MUTARR_PTRS@         & \ref{sec:MUT_ARR_PTRS} \\
1641 @MUTARR_PTRS_FROZEN@  & \ref{sec:MUT_ARR_PTRS_FROZEN} \\
1642
1643 @MUT_VAR@              & \ref{sec:MUT_VAR}    \\
1644
1645 @WEAK@                & \ref{sec:WEAK}   \\
1646 @FOREIGN@             & \ref{sec:FOREIGN}   \\
1647 @STABLE_NAME@         & \ref{sec:STABLE_NAME}   \\
1648 \hline
1649 \end{tabular}
1650
1651 Activation frames do not live (directly) on the heap --- but they have
1652 a similar organisation.
1653
1654 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
1655 closure type            & Section                       \\ \hline
1656 @RET_SMALL@             & \ref{sec:activation-records}  \\
1657 @RET_VEC_SMALL@         & \ref{sec:activation-records}  \\
1658 @RET_BIG@               & \ref{sec:activation-records}  \\
1659 @RET_VEC_BIG@           & \ref{sec:activation-records}  \\
1660 @UPDATE_FRAME@          & \ref{sec:activation-records}  \\
1661 @CATCH_FRAME@           & \ref{sec:activation-records}  \\
1662 @SEQ_FRAME@             & \ref{sec:activation-records}  \\
1663 @STOP_FRAME@            & \ref{sec:activation-records}  \\
1664 \hline
1665 \end{tabular}
1666
1667 There are also a number of administrative objects.  It is an error to
1668 enter one of these objects.
1669
1670 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
1671 closure type            & Section                       \\ \hline
1672 @TSO@                   & \ref{sec:TSO}                 \\
1673 @SPARK_OBJECT@          & \ref{sec:SPARK}               \\
1674 @BLOCKED_FETCH@         & \ref{sec:BLOCKED_FETCH}       \\
1675 @FETCHME@               & \ref{sec:FETCHME}   \\
1676 \hline
1677 \end{tabular}
1678
1679 \Subsection{Predicates}{closure-predicates}
1680
1681 The runtime system sometimes needs to be able to distinguish objects
1682 according to their properties: is the object updateable? is it in weak
1683 head normal form? etc.  These questions can be answered by examining
1684 the closure type field of the object's info table.  
1685
1686 We define the following predicates to detect families of related
1687 info types.  They are mutually exclusive and exhaustive.
1688
1689 \begin{itemize}
1690 \item @isCONSTR@ is true for @CONSTR@s.
1691 \item @isFUN@ is true for @FUN@s.
1692 \item @isTHUNK@ is true for @THUNK@s.
1693 \item @isBCO@ is true for @BCO@s.
1694 \item @isAP@ is true for @AP@s.
1695 \item @isPAP@ is true for @PAP@s.
1696 \item @isINDIRECTION@ is true for indirection objects. 
1697 \item @isBH@ is true for black holes.
1698 \item @isFOREIGN_OBJECT@ is true for foreign objects.
1699 \item @isARRAY@ is true for array objects.
1700 \item @isMVAR@ is true for @MVAR@s.
1701 \item @isIVAR@ is true for @IVAR@s.
1702 \item @isFETCHME@ is true for @FETCHME@s.
1703 \item @isSLOP@ is true for slop objects.
1704 \item @isRET_ADDR@ is true for return addresses.
1705 \item @isUPD_ADDR@ is true for update frames.
1706 \item @isTSO@ is true for @TSO@s.
1707 \item @isSTABLE_PTR_TABLE@ is true for the stable pointer table.
1708 \item @isSPARK_OBJECT@ is true for spark objects.
1709 \item @isBLOCKED_FETCH@ is true for blocked fetch objects.
1710 \item @isINVALID_INFOTYPE@ is true for all other info types.
1711
1712 \end{itemize}
1713
1714 The following predicates detect other interesting properties:
1715
1716 \begin{itemize}
1717
1718 \item @isPOINTED@ is true if an object has a pointed type.
1719
1720 If an object is pointed, the following predicates may be true
1721 (otherwise they are false).  @isWHNF@ and @isUPDATEABLE@ are
1722 mutually exclusive.
1723
1724 \begin{itemize} 
1725 \item @isWHNF@ is true if the object is in Weak Head Normal Form.  
1726 Note that unpointed objects are (arbitrarily) not considered to be in WHNF.
1727
1728 @isWHNF@ is true for @PAP@s, @CONSTR@s, @FUN@s and all @BCO@s.
1729
1730 \ToDo{Need to distinguish between whnf BCOs and non-whnf BCOs in their
1731 closure type}
1732
1733 \item @isUPDATEABLE@ is true if the object may be overwritten with an
1734  indirection object.
1735
1736 @isUPDATEABLE@ is true for @THUNK@s, @AP@s and @BH@s.
1737
1738 \end{itemize}
1739
1740 It is possible for a pointed object to be neither updatable nor in
1741 WHNF.  For example, indirections.
1742
1743 \item @isUNPOINTED@ is true if an object has an unpointed type.
1744 All such objects are boxed since only boxed objects have info pointers.
1745
1746 It is true for @ARR_WORDS@, @ARR_PTRS@, @MUTVAR@, @MUTARR_PTRS@,
1747 @MUTARR_PTRS_FROZEN@, @FOREIGN@ objects, @MVAR@s and @IVAR@s.
1748
1749 \item @isACTIVATION_FRAME@ is true for activation frames of all sorts.
1750
1751 It is true for return addresses and update frames.
1752 \begin{itemize}
1753 \item @isVECTORED_RETADDR@ is true for vectored return addresses.
1754 \item @isDIRECT_RETADDR@ is true for direct return addresses.
1755 \end{itemize}
1756
1757 \item @isADMINISTRATIVE@ is true for administrative objects:
1758 @TSO@s, the stable pointer table, spark objects and blocked fetches.
1759
1760 \item @hasSRT@ is true if the info table for the object contains an
1761 SRT pointer.  
1762
1763 @hasSRT@ is true for @THUNK@s, @FUN@s, and @RET@s.
1764
1765 \end{itemize}
1766
1767 \begin{itemize}
1768
1769 \item @isSTATIC@ is true for any statically allocated closure.
1770
1771 \item @isMUTABLE@ is true for objects with mutable pointer fields:
1772   @MUT_ARR@s, @MUTVAR@s, @MVAR@s and @IVAR@s.
1773
1774 \item @isSparkable@ is true if the object can (and should) be sparked.
1775 It is true of updateable objects which are not in WHNF with the
1776 exception of @THUNK_SELECTOR@s and black holes.
1777
1778 \end{itemize}
1779
1780 As a minor optimisation, we might use the top bits of the @INFO_TYPE@
1781 field to ``cache'' the answers to some of these predicates.
1782
1783 An indirection either points to HNF (post update); or is result of
1784 overwriting a FetchMe, in which case the thing fetched is either under
1785 evaluation (BLACKHOLE), or by now an HNF.  Thus, indirections get
1786 NoSpark flag.
1787
1788 \subsection{Closures (aka Pointed Objects)}
1789
1790 An object can be entered iff it is a closure.
1791
1792 \Subsubsection{Function closures}{FUN}
1793
1794 Function closures represent lambda abstractions.  For example,
1795 consider the top-level declaration:
1796 @
1797   f = \x -> let g = \y -> x+y
1798             in g x
1799 @
1800 Both @f@ and @g@ are represented by function closures.  The closure
1801 for @f@ is \emph{static} while that for @g@ is \emph{dynamic}.
1802
1803 The layout of a function closure is as follows:
1804 \begin{center}
1805 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1806 \emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} \\ \hline
1807 \end{tabular}
1808 \end{center}
1809
1810 The data words (pointers and non-pointers) are the free variables of
1811 the function closure.  The number of pointers and number of
1812 non-pointers are stored in @info->layout.ptrs@ and
1813 @info->layout.nptrs@ respecively.
1814
1815 There are several different sorts of function closure, distinguished
1816 by their closure type field:
1817
1818 \begin{itemize}
1819
1820 \item @FUN@: a vanilla, dynamically allocated on the heap.
1821
1822 \item $@FUN_@p@_@np$: to speed up garbage collection a number of
1823 specialised forms of @FUN@ are provided, for particular $(p,np)$
1824 pairs, where $p$ is the number of pointers and $np$ the number of
1825 non-pointers.
1826
1827 \item @FUN_STATIC@.  Top-level, static, function closures (such as @f@
1828 above) have a different layout than dynamic ones:
1829
1830 \begin{center}
1831 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
1832 \emph{Fixed header}  & \emph{Static object link} \\ \hline
1833 \end{tabular}
1834 \end{center}
1835
1836 Static function closures have no free variables.  (However they may
1837 refer to other static closures; these references are recorded in the
1838 function closure's SRT.)  They have one field that is not present in
1839 dynamic closures, the \emph{static object link} field.  This is used
1840 by the garbage collector in the same way that to-space is, to gather
1841 closures that have been determined to be live but that have not yet
1842 been scavenged.
1843
1844 \note{Static function closures that have no static references, and
1845 hence a null SRT pointer, don't need the static object link field.  We
1846 don't take advantage of this at the moment, but we could.  See
1847 @CONSTR_NOCAF_STATIC@.}  
1848 \end{itemize}
1849
1850 Each lambda abstraction, $f$, in the STG program has its own private
1851 info table.  The following labels are relevant:
1852
1853 \begin{itemize}
1854
1855 \item $f$@_info@  is $f$'s info table.
1856
1857 \item $f$@_entry@ is $f$'s slow entry point (i.e. the entry code of
1858 its info table; so it will label the same byte as $f$@_info@).
1859
1860 \item $f@_fast_@k$ is $f$'s fast entry point.  $k$ is the number of
1861 arguments $f$ takes; encoding this number in the fast-entry label
1862 occasionally catches some nasty code-generation errors.
1863
1864 \end{itemize}
1865
1866 \Subsubsection{Data constructors}{CONSTR}
1867
1868 Data-constructor closures represent values constructed with algebraic
1869 data type constructors.  The general layout of data constructors is
1870 the same as that for function closures.  That is
1871
1872 \begin{center}
1873 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1874 \emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} \\ \hline
1875 \end{tabular}
1876 \end{center}
1877
1878 There are several different sorts of constructor:
1879
1880 \begin{itemize}
1881
1882 \item @CONSTR@: a vanilla, dynamically allocated constructor.
1883
1884 \item @CONSTR_@$p$@_@$np$: just like $@FUN_@p@_@np$.
1885
1886 \item @CONSTR_INTLIKE@.  A dynamically-allocated heap object that
1887 looks just like an @Int@.  The garbage collector checks to see if it
1888 can common it up with one of a fixed set of static int-like closures,
1889 thus getting it out of the dynamic heap altogether.
1890
1891 \item @CONSTR_CHARLIKE@:  same deal, but for @Char@.
1892
1893 \item @CONSTR_STATIC@ is similar to @FUN_STATIC@, with the
1894 complication that the layout of the constructor must mimic that of a
1895 dynamic constructor, because a static constructor might be returned to
1896 some code that unpacks it.  So its layout is like this:
1897
1898 \begin{center}
1899 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1900 \emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} & \emph{Static object link}\\ \hline
1901 \end{tabular}
1902 \end{center}
1903
1904 The static object link, at the end of the closure, serves the same purpose
1905 as that for @FUN_STATIC@.  The pointers in the static constructor can point
1906 only to other static closures.
1907
1908 The static object link occurs last in the closure so that static
1909 constructors can store their data fields in exactly the same place as
1910 dynamic constructors.
1911
1912 \item @CONSTR_NOCAF_STATIC@.  A statically allocated data constructor
1913 that guarantees not to point (directly or indirectly) to any CAF
1914 (\secref{CAF}).  This means it does not need a static object
1915 link field.  Since we expect that there might be quite a lot of static
1916 constructors this optimisation makes sense.  Furthermore, the @NOCAF@
1917 tag allows the compiler to indicate that no CAFs can be reached
1918 anywhere \emph{even indirectly}.
1919
1920 \end{itemize}
1921
1922 For each data constructor $Con$, two info tables are generated:
1923
1924 \begin{itemize}
1925 \item $Con$@_con_info@ labels $Con$'s dynamic info table, 
1926 shared by all dynamic instances of the constructor.
1927 \item $Con$@_static@ labels $Con$'s static info table, 
1928 shared by all static instances of the constructor.
1929 \end{itemize}
1930
1931 Each constructor also has a \emph{constructor function}, which is a
1932 curried function which builds an instance of the constructor.  The
1933 constructor function has an info table labelled as @$Con$_info@, and
1934 entry code pointed to by @$Con$_entry@.
1935
1936 Nullary constructors are represented by a single static info table,
1937 which everyone points to.  Thus for a nullary constructor we can omit
1938 the dynamic info table and the constructor function.
1939
1940 \subsubsection{Thunks}
1941 \label{sec:THUNK}
1942 \label{sec:THUNK_SELECTOR}
1943
1944 A thunk represents an expression that is not obviously in head normal 
1945 form.  For example, consider the following top-level definitions:
1946 @
1947   range = between 1 10
1948   f = \x -> let ys = take x range
1949             in sum ys
1950 @
1951 Here the right-hand sides of @range@ and @ys@ are both thunks; the former
1952 is static while the latter is dynamic.
1953
1954 The layout of a thunk is the same as that for a function closure.
1955 However, thunks must have a payload of at least @MIN_UPD_SIZE@
1956 words to allow it to be overwritten with a black hole and an
1957 indirection.  The compiler may have to add extra non-pointer fields to
1958 satisfy this constraint.
1959
1960 \begin{center}
1961 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1962 \emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} \\ \hline
1963 \end{tabular}
1964 \end{center}
1965
1966 The layout word in the info table contains the same information as for
1967 function closures; that is, number of pointers and number of
1968 non-pointers.
1969
1970 A thunk differs from a function closure in that it can be updated.
1971
1972 There are several forms of thunk:
1973
1974 \begin{itemize}
1975
1976 \item @THUNK@ and $@THUNK_@p@_@np$: vanilla, dynamically allocated
1977 thunks.  Dynamic thunks are overwritten with normal indirections
1978 (@IND@), or old generation indirections (@IND_OLDGEN@): see
1979 \secref{IND}.
1980
1981 \item @THUNK_STATIC@.  A static thunk is also known as a
1982 \emph{constant applicative form}, or \emph{CAF}.  Static thunks are
1983 overwritten with static indirections.
1984
1985 \begin{center}
1986 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
1987 \emph{Fixed header}  & \emph{Static object link}\\ \hline
1988 \end{tabular}
1989 \end{center}
1990
1991 \item @THUNK_SELECTOR@ is a (dynamically allocated) thunk whose entry
1992 code performs a simple selection operation from a data constructor
1993 drawn from a single-constructor type.  For example, the thunk
1994 @
1995         x = case y of (a,b) -> a
1996 @
1997 is a selector thunk.  A selector thunk is laid out like this:
1998
1999 \begin{center}
2000 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
2001 \emph{Fixed header}  & \emph{Selectee pointer} \\ \hline
2002 \end{tabular}
2003 \end{center}
2004
2005 The layout word contains the byte offset of the desired word in the
2006 selectee.  Note that this is different from all other thunks.
2007
2008 The garbage collector ``peeks'' at the selectee's tag (in its info
2009 table).  If it is evaluated, then it goes ahead and does the
2010 selection, and then behaves just as if the selector thunk was an
2011 indirection to the selected field.  If it is not evaluated, it treats
2012 the selector thunk like any other thunk of that shape.
2013 [Implementation notes.  Copying: only the evacuate routine needs to be
2014 special.  Compacting: only the PRStart (marking) routine needs to be
2015 special.]
2016
2017 There is a fixed set of pre-compiled selector thunks built into the
2018 RTS, representing offsets from 0 to @MAX_SPEC_SELECTOR_THUNK@.  The
2019 info tables are labelled @sel_info_$n$@ where $n$ is the offset.
2020
2021 \end{itemize}
2022
2023 The only label associated with a thunk is its info table:
2024
2025 \begin{description}
2026 \item[$f$@_info@] is $f$'s info table.
2027 \end{description}
2028
2029
2030 \Subsubsection{Byte-code objects}{BCO}
2031
2032 A Byte-Code Object (BCO) is a container for a a chunk of byte-code,
2033 which can be executed by Hugs.  The byte-code represents a
2034 supercombinator in the program: when Hugs compiles a module, it
2035 performs lambda lifting and each resulting supercombinator becomes a
2036 byte-code object in the heap.
2037
2038 BCOs are not updateable; the bytecode compiler represents updatable
2039 thunks using a combination of @AP@s and @BCO@s.
2040
2041 The semantics of BCOs are described in \secref{hugs-heap-objects}.  A
2042 BCO has the following structure:
2043
2044 \begin{center}
2045 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}
2046 \hline 
2047 \emph{Fixed Header} & \emph{Layout} & \emph{Offset} & \emph{Size} &
2048 \emph{Literals} & \emph{Byte code} \\
2049 \hline
2050 \end{tabular}
2051 \end{center}
2052
2053 \noindent where:
2054 \begin{itemize}
2055 \item The entry code is a static code fragment/info table that returns
2056 to the scheduler to invoke Hugs (\secref{ghc-to-hugs-switch}).
2057 \item \emph{Layout} contains the number of pointer literals in the
2058 \emph{Literals} field.
2059 \item \emph{Offset} is the offset to the byte code from the start of
2060 the object.
2061 \item \emph{Size} is the number of words of byte code in the object.
2062 \item \emph{Literals} contains any pointer and non-pointer literals used in
2063 the byte-codes (including jump addresses), pointers first.
2064 \item \emph{Byte code} contains \emph{Size} words of non-pointer byte
2065 code.
2066 \end{itemize}
2067
2068
2069 \Subsubsection{Partial applications}{PAP}
2070
2071 A partial application (PAP) represents a function applied to too few
2072 arguments.  It is only built as a result of updating after an
2073 argument-satisfaction check failure.  A PAP has the following shape:
2074
2075 \begin{center}
2076 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
2077 \emph{Fixed header}  & \emph{No of words of stack} & \emph{Function closure} & \emph{Stack chunk ...} \\ \hline
2078 \end{tabular}
2079 \end{center}
2080
2081 The ``Stack chunk'' is a copy of the chunk of stack above the update
2082 frame; ``No of words of stack'' tells how many words it consists of.
2083 The function closure is (a pointer to) the closure for the function
2084 whose argument-satisfaction check failed.
2085
2086 In the normal case where a PAP is built as a result of an argument
2087 satisfaction check failure, the stack chunk will just contain
2088 ``pending arguments'', ie. pointers and tagged non-pointers.  It may
2089 in fact also contain activation records, but not update frames, seq
2090 frames, or catch frames.  The reason is the garbage collector uses the
2091 same code to scavenge a stack as it does to scavenge the payload of a
2092 PAP, but an update frame contains a link to the next update frame in
2093 the chain and this link would need to be relocated during garbage
2094 collection.  Revertible black holes and asynchronous exceptions use
2095 the more general form of PAPs (see Section \ref{revertible-bh}).
2096
2097 There is just one standard form of PAP. There is just one info table
2098 too, called @PAP_info@.  Its entry code simply copies the arg stack
2099 chunk back on top of the stack and enters the function closure.  (It
2100 has to do a stack overflow test first.)
2101
2102 There is just one way to build a PAP: by calling @stg_update_PAP@ with
2103 the function closure in register @R1@ and the pending arguments on the
2104 stack.  The @stg_update_PAP@ function will build the PAP, perform the
2105 update, and return to the next activation record on the stack.  If
2106 there are \emph{no} pending arguments on the stack, then no PAP need
2107 be built: in this case @stg_update_PAP@ just overwrites the updatee
2108 with an indirection to the function closure.
2109
2110 PAPs are also used to implement Hugs functions (where the arguments
2111 are free variables).  PAPs generated by Hugs can be static so we need
2112 both @PAP@ and @PAP_STATIC@.
2113
2114 \Subsubsection{@AP_UPD@ objects}{AP_UPD}
2115
2116 @AP_UPD@ objects are used to represent thunks built by Hugs.  The only
2117 distintion between an @AP_UPD@ and a @PAP@ is that an @AP_UPD@ is
2118 updateable.
2119
2120 \begin{center}
2121 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}
2122 \hline
2123 \emph{Fixed Header} & \emph{No of stack words} & \emph{Function closure} & \emph{Stack chunk} \\
2124 \hline
2125 \end{tabular}
2126 \end{center}
2127
2128 The entry code pushes an update frame, copies the arg stack chunk on
2129 top of the stack, and enters the function closure.  (It has to do a
2130 stack overflow test first.)
2131
2132 The ``stack chunk'' is a block of stack not containing update frames,
2133 seq frames or catch frames (just like a PAP).  In the case of Hugs,
2134 the stack chunk will contain the free variables of the thunk, and the
2135 function closure is (a pointer to) the closure for the thunk.  The
2136 argument stack may be empty if the thunk has no free variables.
2137
2138 \note{Since @AP_UPD@s are updateable, the @MIN_UPD_SIZE@ constraint
2139 applies here too.}
2140
2141 \Subsubsection{Indirections}{IND}
2142
2143 Indirection closures just point to other closures. They are introduced
2144 when a thunk is updated to point to its value.  The entry code for all
2145 indirections simply enters the closure it points to.
2146
2147 There are several forms of indirection:
2148
2149 \begin{description}
2150 \item[@IND@] is the vanilla, dynamically-allocated indirection.
2151 It is removed by the garbage collector. It has the following
2152 shape:
2153 \begin{center}
2154 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
2155 \emph{Fixed header} & \emph{Target closure} \\ \hline
2156 \end{tabular}
2157 \end{center}
2158
2159 An @IND@ only exists in the youngest generation.  In older
2160 generations, we have @IND_OLDGEN@s.  The update code
2161 (@Upd_frame_$n$_entry@) checks whether the updatee is in the youngest
2162 generation before deciding which kind of indirection to use.
2163
2164 \item[@IND_OLDGEN@] is the vanilla, dynamically-allocated indirection.
2165 It is removed by the garbage collector. It has the following
2166 shape:
2167 \begin{center}
2168 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
2169 \emph{Fixed header} & \emph{Target closure} & \emph{Mutable link field} \\ \hline
2170 \end{tabular}
2171 \end{center}
2172 It contains a \emph{mutable link field} that is used to string together
2173 mutable objects in each old generation.
2174
2175 \item[@IND_PERM@]
2176 for lexical profiling, it is necessary to maintain cost centre
2177 information in an indirection, so ``permanent indirections'' are
2178 retained forever.  Otherwise they are just like vanilla indirections.
2179 \note{If a permanent indirection points to another permanent
2180 indirection or a @CONST@ closure, it is possible to elide the indirection
2181 since it will have no effect on the profiler.}
2182
2183 \note{Do we still need @IND@ in the profiling build, or do we just
2184 need @IND@ but its behaviour changes when profiling is on?}
2185
2186 \item[@IND_OLDGEN_PERM@]
2187 Just like an @IND_OLDGEN@, but sticks around like an @IND_PERM@.
2188
2189 \item[@IND_STATIC@] is used for overwriting CAFs when they have been
2190 evaluated.  Static indirections are not removed by the garbage
2191 collector; and are statically allocated outside the heap (and should
2192 stay there).  Their static object link field is used just as for
2193 @FUN_STATIC@ closures.
2194
2195 \begin{center}
2196 \begin{tabular}{|l|l|l|}
2197 \hline
2198 \emph{Fixed header} & \emph{Target closure} & \emph{Static link field} \\
2199 \hline
2200 \end{tabular}
2201 \end{center}
2202
2203 \end{description}
2204
2205 \subsubsection{Black holes and blocking queues}
2206 \label{sec:BLACKHOLE}
2207 \label{sec:BLACKHOLE_BQ}
2208
2209 Black hole closures are used to overwrite closures currently being
2210 evaluated. They inform the garbage collector that there are no live
2211 roots in the closure, thus removing a potential space leak.  
2212
2213 Black holes also become synchronization points in the concurrent
2214 world.  When a thread attempts to enter a blackhole, it must wait for
2215 the result of the computation, which is presumably in progress in
2216 another thread.
2217
2218 \note{In a single-threaded system, entering a black hole indicates an
2219 infinite loop.  In a concurrent system, entering a black hole
2220 indicates an infinite loop only if the hole is being entered by the
2221 same thread that originally entered the closure.  It could also bring
2222 about a deadlock situation where several threads are waiting
2223 circularly on computations in progress.}
2224
2225 There are two types of black hole:
2226
2227 \begin{description}
2228
2229 \item[@BLACKHOLE@]
2230 A straightforward blackhole just consists of an info pointer and some
2231 padding to allow updating with an @IND_OLDGEN@ if necessary.  This
2232 type of blackhole has no waiting threads.
2233
2234 \begin{center}
2235 \begin{tabular}{|l|l|l|}
2236 \hline 
2237 \emph{Fixed header} & \emph{Padding} & \emph{Padding} \\
2238 \hline
2239 \end{tabular}
2240 \end{center}
2241
2242 If we're doing \emph{eager blackholing} then a thunk's info pointer is
2243 overwritten with @BLACKHOLE_info@ at the time of entry; hence the need
2244 for blackholes to be small, otherwise we'd be overwriting part of the
2245 thunk itself.
2246
2247 \item[@BLACKHOLE_BQ@] 
2248 When a thread enters a @BLACKHOLE@, it is turned into a @BLACKHOLE_BQ@
2249 (blocking queue), which contains a linked list of blocked threads in
2250 addition to the info pointer.
2251
2252 \begin{center}
2253 \begin{tabular}{|l|l|l|}
2254 \hline 
2255 \emph{Fixed header} & \emph{Blocked thread link} & \emph{Mutable link field} \\
2256 \hline
2257 \end{tabular}
2258 \end{center}
2259
2260 The \emph{Blocked thread link} points to the TSO of the first thread
2261 waiting for the value of this thunk.  All subsequent TSOs in the list
2262 are linked together using their @tso->link@ field, ending in
2263 @END_TSO_QUEUE_closure@.
2264
2265 Because new threads can be added to the \emph{Blocked thread link}, a
2266 blocking queue is \emph{mutable}, so we need a mutable link field in
2267 order to chain it on to a mutable list for the generational garbage
2268 collector.
2269
2270 \end{description}
2271
2272 \Subsubsection{FetchMes}{FETCHME} 
2273
2274 In the parallel systems, FetchMes are used to represent pointers into
2275 the global heap.  When evaluated, the value they point to is read from
2276 the global heap.
2277
2278 \ToDo{Describe layout}
2279
2280 Because there may be offsets into these arrays, a primitive array
2281 cannot be handled as a FetchMe in the parallel system, but must be
2282 shipped in its entirety if its parent closure is shipped.
2283
2284
2285
2286 \Subsection{Unpointed Objects}{unpointed-objects}
2287
2288 A variable of unpointed type is always bound to a \emph{value}, never
2289 to a \emph{thunk}.  For this reason, unpointed objects cannot be
2290 entered.
2291
2292 \subsubsection{Immutable objects}
2293 \label{sec:ARR_WORDS}
2294
2295 \begin{description}
2296 \item[@ARR_WORDS@] is a variable-sized object consisting solely of
2297 non-pointers.  It is used for arrays of all sorts of things (bytes,
2298 words, floats, doubles... it doesn't matter).
2299
2300 Strictly speaking, an @ARR_WORDS@ could be mutable, but because it
2301 only contains non-pointers we don't need to track this fact.
2302
2303 \begin{center}
2304 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
2305 \hline
2306 \emph{Fixed Hdr} & \emph{No of non-pointers} & \emph{Non-pointers\ldots}        \\ \hline
2307 \end{tabular}
2308 \end{center}
2309 \end{description}
2310
2311 \subsubsection{Mutable objects}
2312 \label{sec:mutables}
2313 \label{sec:MUT_VAR}
2314 \label{sec:MUT_ARR_PTRS}
2315 \label{sec:MUT_ARR_PTRS_FROZEN}
2316 \label{sec:MVAR}
2317
2318 Some of these objects are \emph{mutable}; they represent objects which
2319 are explicitly mutated by Haskell code through the @ST@ or @IO@
2320 monads.  They're not used for thunks which are updated precisely once.
2321 Depending on the garbage collector, mutable closures may contain extra
2322 header information which allows a generational collector to implement
2323 the ``write barrier.''
2324
2325 Notice that mutable objects all have the same general layout: there is
2326 a mutable link field as the second word after the header.  This is so
2327 that code to process old-generation mutable lists doesn't need to look
2328 at the type of the object to determine where its link field is.
2329
2330 \begin{description}
2331
2332 \item[@MUT_VAR@] is a mutable variable.
2333 \begin{center}
2334 \begin{tabular}{|c|c|c|}
2335 \hline
2336 \emph{Fixed Hdr} \emph{Pointer} & \emph{Mutable link} & \\ \hline
2337 \end{tabular}
2338 \end{center}
2339
2340 \item[@MUT_ARR_PTRS@] is a mutable array of pointers.  Such an array
2341 may be \emph{frozen}, becoming an @MUT_ARR_PTRS_FROZEN@, with a
2342 different info-table.
2343
2344 \begin{center}
2345 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
2346 \hline
2347 \emph{Fixed Hdr} & \emph{No of ptrs} & \emph{Mutable link} & \emph{Pointers\ldots} \\ \hline
2348 \end{tabular}
2349 \end{center}
2350
2351 \item[@MUT_ARR_PTRS_FROZEN@] This is the immutable version of
2352 @MUT_ARR_PTRS@.  It still has a mutable link field for two reasons: we
2353 need to keep it on the mutable list for an old generation at least
2354 until the next garbage collection, and it may become mutable again via
2355 @thawArray@.
2356
2357 \begin{center}
2358 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
2359 \hline
2360 \emph{Fixed Hdr} & \emph{No of ptrs} & \emph{Mutable link} & \emph{Pointers\ldots} \\ \hline
2361 \end{tabular}
2362 \end{center}
2363
2364 \item[@MVAR@]
2365
2366 \begin{center}
2367 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}
2368 \hline 
2369 \emph{Fixed header} & \emph{Head} & \emph{Mutable link} & \emph{Tail}
2370 & \emph{Value}\\
2371 \hline
2372 \end{tabular}
2373 \end{center}
2374
2375 \ToDo{MVars}
2376
2377 \end{description}
2378
2379
2380 \Subsubsection{Foreign objects}{FOREIGN}
2381
2382 Here's what a ForeignObj looks like:
2383
2384 \begin{center}
2385 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}
2386 \hline 
2387 \emph{Fixed header} & \emph{Data} \\
2388 \hline
2389 \end{tabular}
2390 \end{center}
2391
2392 A foreign object is simple a boxed pointer to an address outside the
2393 Haskell heap, possible to @malloc@ed data.  The only reason foreign
2394 objects exist is so that we can track the lifetime of one using weak
2395 pointers (see \secref{WEAK}) and run a finaliser when the foreign
2396 object is unreachable.
2397
2398 \subsubsection{Weak pointers}
2399 \label{sec:WEAK}
2400
2401 \begin{center}
2402 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}
2403 \hline 
2404 \emph{Fixed header} & \emph{Key} & \emph{Value} & \emph{Finaliser}
2405 & \emph{Link}\\
2406 \hline
2407 \end{tabular}
2408 \end{center}
2409
2410 \ToDo{Weak poitners}
2411
2412 \subsubsection{Stable names}
2413 \label{sec:STABLE_NAME}
2414
2415 \begin{center}
2416 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}
2417 \hline 
2418 \emph{Fixed header} & \emph{Index} \\
2419 \hline
2420 \end{tabular}
2421 \end{center}
2422
2423 \ToDo{Stable names}
2424
2425 The remaining objects types are all administrative --- none of them
2426 may be entered.
2427
2428 \subsection{Other weird objects}
2429 \label{sec:SPARK}
2430 \label{sec:BLOCKED_FETCH}
2431
2432 \begin{description}
2433 \item[@BlockedFetch@ heap objects (`closures')] (parallel only)
2434
2435 @BlockedFetch@s are inbound fetch messages blocked on local closures.
2436 They arise as entries in a local blocking queue when a fetch has been
2437 received for a local black hole.  When awakened, we look at their
2438 contents to figure out where to send a resume.
2439
2440 A @BlockedFetch@ closure has the form:
2441 \begin{center}
2442 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
2443 \emph{Fixed header} & link & node & gtid & slot & weight \\ \hline
2444 \end{tabular}
2445 \end{center}
2446
2447 \item[Spark Closures] (parallel only)
2448
2449 Spark closures are used to link together all closures in the spark pool.  When
2450 the current processor is idle, it may choose to speculatively evaluate some of
2451 the closures in the pool.  It may also choose to delete sparks from the pool.
2452 \begin{center}
2453 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
2454 \emph{Fixed header} & \emph{Spark pool link} & \emph{Sparked closure} \\ \hline
2455 \end{tabular}
2456 \end{center}
2457
2458 \item[Slop Objects]\label{sec:slop-objects}
2459
2460 Slop objects are used to overwrite the end of an updatee if it is
2461 larger than an indirection.  Normal slop objects consist of an info
2462 pointer a size word and a number of slop words.  
2463
2464 \begin{center}
2465 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
2466 \emph{Info Pointer} & \emph{Size} & \emph{Slop Words} \\ \hline
2467 \end{tabular}
2468 \end{center}
2469
2470 This is too large for single word slop objects which consist of a
2471 single info table.
2472
2473 Note that slop objects only contain an info pointer, not a standard
2474 fixed header.  This doesn't cause problems because slop objects are
2475 always unreachable --- they can only be accessed by linearly scanning
2476 the heap.
2477
2478 \note{Currently we don't use slop objects because the storage manager
2479 isn't reliant on objects being adjacent, but if we move to a ``mostly
2480 copying'' style collector, this will become an issue.}
2481
2482 \end{description}
2483
2484 \Subsection{Thread State Objects (TSOs)}{TSO}
2485
2486 In the multi-threaded system, the state of a suspended thread is
2487 packed up into a Thread State Object (TSO) which contains all the
2488 information needed to restart the thread and for the garbage collector
2489 to find all reachable objects.  When a thread is running, it may be
2490 ``unpacked'' into machine registers and various other memory locations
2491 to provide faster access.
2492
2493 Single-threaded systems don't really \emph{need\/} TSOs --- but they do
2494 need some way to tell the storage manager about live roots so it is
2495 convenient to use a single TSO to store the mutator state even in
2496 single-threaded systems.
2497
2498 Rather than manage TSOs' alloc/dealloc, etc., in some \emph{ad hoc}
2499 way, we instead alloc/dealloc/etc them in the heap; then we can use
2500 all the standard garbage-collection/fetching/flushing/etc machinery on
2501 them.  So that's why TSOs are ``heap objects,'' albeit very special
2502 ones.
2503 \begin{center}
2504 \begin{tabular}{|l|l|}
2505    \hline \emph{Fixed header}
2506 \\ \hline \emph{Link field}
2507 \\ \hline \emph{Mutable link field}
2508 \\ \hline \emph{What next}
2509 \\ \hline \emph{State}
2510 \\ \hline \emph{Thread Id}
2511 \\ \hline \emph{Exception Handlers}
2512 \\ \hline \emph{Ticky Info}
2513 \\ \hline \emph{Profiling Info}
2514 \\ \hline \emph{Parallel Info}
2515 \\ \hline \emph{GranSim Info}
2516 \\ \hline \emph{Stack size}
2517 \\ \hline \emph{Max Stack size}
2518 \\ \hline \emph{Sp}
2519 \\ \hline \emph{Su}
2520 \\ \hline \emph{SpLim}
2521 \\ \hline 
2522 \\
2523           \emph{Stack}
2524 \\
2525 \\ \hline 
2526 \end{tabular}
2527 \end{center}
2528 The contents of a TSO are:
2529 \begin{description}
2530
2531 \item[\emph{Link field}] This is a pointer used to maintain a list of
2532 threads with a similar state (e.g.~all runnable, all sleeping, all
2533 blocked on the same black hole, all blocked on the same MVar,
2534 etc.)
2535
2536 \item[\emph{Mutable link field}] Because the stack is mutable by
2537 definition, the generational collector needs to track TSOs in older
2538 generations that may point into younger ones (which is just about any
2539 TSO for a thread that has run recently).  Hence the need for a mutable
2540 link field (see \secref{mutables}).
2541
2542 \item[\emph{What next}]
2543 This field has five values:  
2544 \begin{description}
2545 \item[@ThreadEnterGHC@]  The thread can be started by entering the
2546 closure pointed to by the word on the top of the stack.
2547 \item[@ThreadRunGHC@]  The thread can be started by jumping to the
2548 address on the top of the stack.
2549 \item[@ThreadEnterHugs@]  The stack has a pointer to a Hugs-built
2550 closure on top of the stack: enter the closure to run the thread.
2551 \item[@ThreadKilled@] The thread has been killed (by @killThread#@).
2552 It is probably still around because it is on some queue somewhere and
2553 hasn't been garbage collected yet.
2554 \item[@ThreadComplete@] The thread has finished.  Its @TSO@ hasn't
2555 been garbage collected yet.
2556 \end{description}
2557
2558 \item[\emph{Thread Id}]
2559 This field contains a (not necessarily unique) integer that identifies
2560 the thread.  It can be used eg. for hashing.
2561
2562 \item[\emph{Ticky Info}] Optional information for ``Ticky Ticky''
2563 statistics: @TSO_STK_HWM@ is the maximum number of words allocated to
2564 this thread.
2565
2566 \item[\emph{Profiling Info}] Optional information for profiling:
2567 @TSO_CCC@ is the current cost centre.
2568
2569 \item[\emph{Parallel Info}]
2570 Optional information for parallel execution.
2571
2572 % \begin{itemize}
2573
2574 % \item The types of threads (@TSO_TYPE@):
2575 % \begin{description}
2576 % \item[@T_MAIN@]     Must be executed locally.
2577 % \item[@T_REQUIRED@] A required thread  -- may be exported.
2578 % \item[@T_ADVISORY@] An advisory thread -- may be exported.
2579 % \item[@T_FAIL@]     A failure thread   -- may be exported.
2580 % \end{description}
2581
2582 % \item I've no idea what else
2583
2584 % \end{itemize}
2585
2586 \item[\emph{GranSim Info}]
2587 Optional information for gransim execution.
2588
2589 % \item Optional information for GranSim execution:
2590 % \begin{itemize}
2591 % \item locked         
2592 % \item sparkname        
2593 % \item started at       
2594 % \item exported         
2595 % \item basic blocks     
2596 % \item allocs   
2597 % \item exectime         
2598 % \item fetchtime        
2599 % \item fetchcount       
2600 % \item blocktime        
2601 % \item blockcount       
2602 % \item global sparks    
2603 % \item local sparks     
2604 % \item queue            
2605 % \item priority         
2606 % \item clock          (gransim light only)
2607 % \end{itemize}
2608
2609
2610 % Here are the various queues for GrAnSim-type events.
2611
2612 % Q_RUNNING   
2613 % Q_RUNNABLE  
2614 % Q_BLOCKED   
2615 % Q_FETCHING  
2616 % Q_MIGRATING 
2617
2618
2619 \item[\emph{Stack Info}] Various fields contain information on the
2620 stack: its current size, its maximum size (to avoid infinite loops
2621 overflowing the memory), the current stack pointer (\emph{Sp}), the
2622 current stack update frame pointer (\emph{Su}), and the stack limit
2623 (\emph{SpLim}).  The latter three fields are loaded into the relevant
2624 registers when the thread is run.
2625
2626 \item[\emph{Stack}] This is the actual stack for the thread,
2627 \emph{Stack size} words long.  It grows downwards from higher
2628 addresses to lower addresses.  When the stack overflows, it will
2629 generally be relocated into larger premises unless \emph{Max stack
2630 size} is reached.
2631
2632 \end{description}
2633
2634 The garbage collector needs to be able to find all the
2635 pointers in a stack.  How does it do this?
2636
2637 \begin{itemize}
2638
2639 \item Within the stack there are return addresses, pushed
2640 by @case@ expressions.  Below a return address (i.e. at higher
2641 memory addresses, since the stack grows downwards) is a chunk
2642 of stack that the return address ``knows about'', namely the
2643 activation record of the currently running function.
2644
2645 \item Below each such activation record is a \emph{pending-argument
2646 section}, a chunk of
2647 zero or more words that are the arguments to which the result
2648 of the function should be applied.  The return address does not
2649 statically
2650 ``know'' how many pending arguments there are, or their types.
2651 (For example, the function might return a result of type $\alpha$.)
2652
2653 \item Below each pending-argument section is another return address,
2654 and so on.  Actually, there might be an update frame instead, but we
2655 can consider update frames as a special case of a return address with
2656 a well-defined activation record.
2657
2658 \end{itemize}
2659
2660 The game plan is this.  The garbage collector walks the stack from the
2661 top, traversing pending-argument sections and activation records
2662 alternately.  Next we discuss how it finds the pointers in each of
2663 these two stack regions.
2664
2665 \Subsubsection{Activation records}{activation-records}
2666
2667 An \emph{activation record} is a contiguous chunk of stack,
2668 with a return address as its first word, followed by as many
2669 data words as the return address ``knows about''.  The return
2670 address is actually a fully-fledged info pointer.  It points
2671 to an info table, replete with:
2672
2673 \begin{itemize}
2674 \item entry code (i.e. the code to return to).
2675
2676 \item closure type is either @RET_SMALL/RET_VEC_SMALL@ or
2677 @RET_BIG/RET_VEC_BIG@, depending on whether the activation record has
2678 more than 32 data words (\note{64 for 8-byte-word architectures}) and
2679 on whether to use a direct or a vectored return.
2680
2681 \item the layout info for @RET_SMALL@ is a bitmap telling the layout
2682 of the activation record, one bit per word.  The least-significant bit
2683 describes the first data word of the record (adjacent to the fixed
2684 header) and so on.  A ``@1@'' indicates a non-pointer, a ``@0@''
2685 indicates a pointer.  We don't need to indicate exactly how many words
2686 there are, because when we get to all zeros we can treat the rest of
2687 the activation record as part of the next pending-argument region.
2688
2689 For @RET_BIG@ the layout field points to a block of bitmap words,
2690 starting with a word that tells how many words are in the block.
2691
2692 \item the info table contains a Static Reference Table pointer for the
2693 return address (\secref{srt}).
2694 \end{itemize}
2695
2696 The activation record is a fully fledged closure too.  As well as an
2697 info pointer, it has all the other attributes of a fixed header
2698 (\secref{fixed-header}) including a saved cost centre which
2699 is reloaded when the return address is entered.
2700
2701 In other words, all the attributes of closures are needed for
2702 activation records, so it's very convenient to make them look alike.
2703
2704
2705 \Subsubsection{Pending arguments}{pending-args}
2706
2707 So that the garbage collector can correctly identify pointers in
2708 pending-argument sections we explicitly tag all non-pointers.  Every
2709 non-pointer in a pending-argument section is preceded (at the next
2710 lower memory word) by a one-word byte count that says how many bytes
2711 to skip over (excluding the tag word).
2712
2713 The garbage collector traverses a pending argument section from the
2714 top (i.e. lowest memory address).  It looks at each word in turn:
2715
2716 \begin{itemize}
2717 \item If it is less than or equal to a small constant @MAX_STACK_TAG@
2718 then it treats it as a tag heralding zero or more words of
2719 non-pointers, so it just skips over them.
2720
2721 \item If it points to the code segment, it must be a return
2722 address, so we have come to the end of the pending-argument section.
2723
2724 \item Otherwise it must be a bona fide heap pointer.
2725 \end{itemize}
2726
2727
2728 \Subsection{The Stable Pointer Table}{STABLEPTR_TABLE}
2729
2730 A stable pointer is a name for a Haskell object which can be passed to
2731 the external world.  It is ``stable'' in the sense that the name does
2732 not change when the Haskell garbage collector runs---in contrast to
2733 the address of the object which may well change.
2734
2735 A stable pointer is represented by an index into the
2736 @StablePointerTable@.  The Haskell garbage collector treats the
2737 @StablePointerTable@ as a source of roots for GC.
2738
2739 In order to provide efficient access to stable pointers and to be able
2740 to cope with any number of stable pointers (eg $0 \ldots 100000$), the
2741 table of stable pointers is an array stored on the heap and can grow
2742 when it overflows.  (Since we cannot compact the table by moving
2743 stable pointers about, it seems unlikely that a half-empty table can
2744 be reduced in size---this could be fixed if necessary by using a
2745 hash table of some sort.)
2746
2747 In general a stable pointer table closure looks like this:
2748
2749 \begin{center}
2750 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
2751 \hline
2752 \emph{Fixed header} & \emph{No of pointers} & \emph{Free} & $SP_0$ & \ldots & $SP_{n-1}$ 
2753 \\\hline
2754 \end{tabular}
2755 \end{center}
2756
2757 The fields are:
2758 \begin{description}
2759
2760 \item[@NPtrs@:] number of (stable) pointers.
2761
2762 \item[@Free@:] the byte offset (from the first byte of the object) of the first free stable pointer.
2763
2764 \item[$SP_i$:] A stable pointer slot.  If this entry is in use, it is
2765 an ``unstable'' pointer to a closure.  If this entry is not in use, it
2766 is a byte offset of the next free stable pointer slot.
2767
2768 \end{description}
2769
2770 When a stable pointer table is evacuated
2771 \begin{enumerate}
2772 \item the free list entries are all set to @NULL@ so that the evacuation
2773   code knows they're not pointers;
2774
2775 \item The stable pointer slots are scanned linearly: non-@NULL@ slots
2776 are evacuated and @NULL@-values are chained together to form a new free list.
2777 \end{enumerate}
2778
2779 There's no need to link the stable pointer table onto the mutable
2780 list because we always treat it as a root.
2781
2782 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
2783 \Subsection{Garbage Collecting CAFs}{CAF}
2784 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
2785
2786 % begin{direct quote from current paper}
2787 A CAF (constant applicative form) is a top-level expression with no
2788 arguments.  The expression may need a large, even unbounded, amount of
2789 storage when it is fully evaluated.
2790
2791 CAFs are represented by closures in static memory that are updated
2792 with indirections to objects in the heap space once the expression is
2793 evaluated.  Previous version of GHC maintained a list of all evaluated
2794 CAFs and traversed them during GC, the result being that the storage
2795 allocated by a CAF would reside in the heap until the program ended.
2796 % end{direct quote from current paper}
2797
2798 % begin{elaboration on why CAFs are very very bad}
2799 Treating CAFs this way has two problems:
2800 \begin{itemize}
2801 \item
2802 It can cause a very large space leak.  For example, this program
2803 should run in constant space but, instead, will run out of memory.
2804 \begin{verbatim}
2805 > main :: IO ()
2806 > main = print nats
2807 >
2808 > nats :: [Int]
2809 > nats = [0..maxInt]
2810 \end{verbatim}
2811
2812 \item
2813 Expressions with no arguments have very different space behaviour
2814 depending on whether or not they occur at the top level.  For example, 
2815 if we make \verb+nats+ a local definition, the space leak goes away 
2816 and the resulting program runs in constant space, as expected.
2817 \begin{verbatim}
2818 > main :: IO ()
2819 > main = print nats
2820 >  where
2821 >   nats :: [Int]
2822 >   nats = [0..maxInt]
2823 \end{verbatim}
2824
2825 This huge change in the operational behaviour of the program 
2826 is a problem for optimising compilers and for programmers.
2827 For example, GHC will normally flatten a set of let bindings using
2828 this transformation:
2829 \begin{verbatim}
2830 let x1 = let x2 = e2 in e1   ==>   let x2 = e2 in let x1 = e1
2831 \end{verbatim}
2832 but it does not do so if this would raise \verb+x2+ to the top level
2833 since that may create a CAF.  Many Haskell programmers avoid creating
2834 large CAFs by adding a dummy argument to a CAF or by moving a CAF away
2835 from the top level.
2836
2837 \end{itemize}
2838 % end{elaboration on why CAFs are very very bad}
2839
2840 Solving the CAF problem requires different treatment in interactive
2841 systems such as Hugs than in batch-mode systems such as GHC 
2842 \begin{itemize}
2843 \item
2844 In a batch-mode the program the runtime system is terminated
2845 after every execution of the runtime system.  In such systems,
2846 the garbage collector can completely ``destroy'' a CAF when it 
2847 is no longer live --- in much the same way as it ``destroys''
2848 normal closures when they are no longer live.
2849
2850 \item
2851 In an interactive system, many expressions are evaluated without
2852 restarting the runtime system between each evaluation.  In such
2853 systems, the garbage collector cannot completely ``destroy'' a CAF
2854 when it is no longer live because, whilst it might not be required in
2855 the evaluation of the current expression, it might be required in the
2856 next evaluation.
2857
2858 There are two possible behaviours we migth want:
2859 \begin{enumerate}
2860 \item
2861 When a CAF is no longer required for the current evaluation, the CAF
2862 should be reverted to its original form.  This behaviour ensures that
2863 the operational behaviour of the interactive system is a reasonable
2864 predictor of the operational behaviour of the batch-mode system.  This
2865 allows us to use Hugs for performance debugging (in particular, trying
2866 to understand and reduce the heap usage of a program) --- an area of
2867 increasing importance as Haskell is used more and more to solve ``real
2868 problems'' in ``real problem domains''.
2869
2870 \item
2871 Even if a CAF is no longer required for the current evaluation, we might
2872 choose to hang onto it by collecting it in the normal way.  This keeps
2873 the space leak but might be useful in a teaching environment when
2874 trying to teach the difference between call by name evaluation (which
2875 doesn't share work) and lazy evaluation (which does share work).
2876
2877 \end{enumerate}
2878
2879 It turns out that it is easy to support both styles of use, so the
2880 runtime system provides a switch which lets us turn this on and off
2881 during execution.  \ToDo{What is this switch called?}  It would also
2882 be easy to provide a function \verb+RevertCAF+ to let the interpreter
2883 revert any CAF it wanted between (but not during) executions, if we so
2884 desired.  Running \verb+RevertCAF+ during execution would lose some sharing
2885 but is otherwise harmless.
2886
2887 \end{itemize}
2888
2889 % % begin{even more pointless observation?}
2890 % The simplest fix would be to remove the special treatment of 
2891 % top level variables.  This works but is very inefficient.
2892 % ToDo: say why.
2893 % (Note: delete this paragraph from final version.)
2894 % % end{even more pointless observation?}
2895
2896 % begin{pointless observation?}
2897 An easy but inefficient fix to the CAF problem would be to make a
2898 complete copy of the heap before every evaluation and discard the copy
2899 after evaluation.  This works but is inefficient.
2900 % end{pointless observation?}
2901
2902 An efficient way to achieve a similar effect is to revert all
2903 updatable thunks to their original form as they become unnecessary for
2904 the current evaluation.  To do this, we modify the compiler to ensure
2905 that the only updatable thunks generated by the compiler are CAFs and
2906 we modify the garbage collector to revert entered CAFs to unentered
2907 CAFs as their value becomes unnecessary.
2908
2909
2910 \subsubsection{New Heap Objects}
2911
2912 We add three new kinds of heap object: unentered CAF closures, entered
2913 CAF objects and CAF blackholes.  We first describe how they are
2914 evaluated and then how they are garbage collected.
2915 \begin{itemize}
2916 \item
2917 Unentered CAF closures contain a pointer to closure representing the
2918 body of the CAF.  The ``body closure'' is not updatable.
2919
2920 Unentered CAF closures contain two unused fields to make them the same
2921 size as entered CAF closures --- which allows us to perform an inplace
2922 update.  \ToDo{Do we have to add another kind of inplace update operation
2923 to the storage manager interface or do we consider this to be internal
2924 to the SM?}
2925 \begin{center}
2926 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
2927 \verb+CAF_unentered+ & \emph{body closure} & \emph{unused} & \emph{unused} \\ \hline
2928 \end{tabular}
2929 \end{center}
2930 When an unentered CAF is entered, we do the following:
2931 \begin{itemize}
2932 \item
2933 allocate a CAF black hole;
2934
2935 \item
2936 push an update frame (to update the CAF black hole) onto the stack;
2937
2938 \item
2939 overwrite the CAF with an entered CAF object (see below) with the same
2940 body and whose value field points to the black hole;
2941
2942 \item
2943 add the CAF to a list of all entered CAFs (called ``the CAF list'');
2944 and
2945
2946 \item
2947 the closure representing the value of the CAF is entered.
2948
2949 \end{itemize}
2950
2951 When evaluation of the CAF body returns a value, the update frame
2952 causes the CAF black hole to be updated with the value in the normal
2953 way.
2954
2955 \ToDo{Add a picture}
2956
2957 \item
2958 Entered CAF closures contain two pointers: a pointer to the CAF body
2959 (the same as for unentered CAF closures); a pointer to the CAF value
2960 (this is initialised with a CAF blackhole, as previously described);
2961 and a link to the next CAF in the CAF list 
2962
2963 \ToDo{How is the end of the list marked?  Null pointer or sentinel value?}.
2964
2965 \begin{center}
2966 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
2967 \verb+CAF_entered+ & \emph{body closure} & \emph{value} & \emph{link} \\ \hline
2968 \end{tabular}
2969 \end{center}
2970 When an entered CAF is entered, it enters its value closure.
2971
2972 \item
2973 CAF blackholes are identical to normal blackholes except that they
2974 have a different infotable.  The only reason for having CAF blackholes
2975 is to allow an optimisation of lazy blackholing where we stop scanning
2976 the stack when we see the first {\em normal blackhole} but not
2977 when we see a {\em CAF blackhole.}
2978 \ToDo{The optimisation we want to allow should be described elsewhere
2979 so that all we have to do here is describe the difference.}
2980
2981 Instead of allocating a blackhole to update with the value of the CAF,
2982 it might seem simpler to update the CAF directly.  This would require
2983 a new kind of update frame which would update the value field of the
2984 CAF with a pointer to the value and wouldn't catch blackholes caused
2985 by CAFs that depend on themselves so we chose not to do so.
2986
2987 \end{itemize}
2988
2989 \subsubsection{Garbage Collection}
2990
2991 To avoid the space leak, each run of the garbage collector must revert
2992 the entered CAFs which are not required to complete the current
2993 evaluation (that is all the closures reachable from the set of
2994 runnable threads and the stable pointer table).
2995
2996 It does this by performing garbage collection in three phases:
2997 \begin{enumerate}
2998 \item
2999 During the first phase, we ``mark'' all closures reachable from the
3000 scheduler state.  
3001
3002 How we ``mark'' closures depends on the garbage collector.  For
3003 example, in a 2-space collector, closures are ``marked'' by copying
3004 them into ``to-space'', overwriting them with a forwarding node and
3005 ``marking'' all the closures reachable from the copy.  The only
3006 requirements are that we can test whether a closure is marked and if a
3007 closure is marked then so are all closures reachable from it.
3008
3009 \ToDo{At present we say that the scheduler state includes any state
3010 that Hugs may have.  This is not true anymore.}
3011
3012 Performing this phase first provides us with a cheap test for
3013 execution closures: at this stage in execution, the execution closures
3014 are precisely the marked closures.
3015
3016 \item
3017 During the second phase, we revert all unmarked CAFs on the CAF list
3018 and remove them from the CAF list.
3019
3020 Since the CAF list is exactly the set of all entered CAFs, this reverts
3021 all entered CAFs which are not execution closures.
3022
3023 \item
3024 During the third phase, we mark all top level objects (including CAFs)
3025 by calling \verb+MarkHugsRoots+ which will call \verb+MarkRoot+ for
3026 each top level object known to Hugs.
3027
3028 \end{enumerate}
3029
3030 To implement the second style of interactive behaviour (where we
3031 deliberately keep the CAF-related space leak), we simply omit the
3032 second phase.  Omitting the second phase causes the third phase to
3033 mark any unmarked CAF value closures.
3034
3035 So far, we have been describing a pure Hugs system which contains no
3036 machine generated code.  The main difference in a hybrid system is
3037 that GHC-generated code is statically allocated in memory instead of
3038 being dynamically allocated on the heap.  We split both
3039 \verb+CAF_unentered+ and \verb+CAF_entered+ into two versions: a
3040 static and a dynamic version.  The static and dynamic versions of each
3041 CAF differ only in whether they are moved during garbage collection.
3042 When reverting CAFs, we revert dynamic entered CAFs to dynamic
3043 unentered CAFs and static entered CAFs to static unentered CAFs.
3044
3045
3046
3047
3048 \Section{The Bytecode Evaluator}{bytecode-evaluator}
3049
3050 This section describes how the Hugs interpreter interprets code in the
3051 same environment as compiled code executes.  Both evaluation models
3052 use a common garbage collector, so they must agree on the form of
3053 objects in the heap.
3054
3055 Hugs interprets code by converting it to byte-code and applying a
3056 byte-code interpreter to it.  Wherever possible, we try to ensure that
3057 the byte-code is all that is required to interpret a section of code.
3058 This means not dynamically generating info tables, and hence we can
3059 only have a small number of possible heap objects each with a statically
3060 compiled info table.  Similarly for stack objects: in fact we only
3061 have one Hugs stack object, in which all information is tagged for the
3062 garbage collector.
3063
3064 There is, however, one exception to this rule.  Hugs must generate
3065 info tables for any constructors it is asked to compile, since the
3066 alternative is to force a context-switch each time compiled code
3067 enters a Hugs-built constructor, which would be prohibitively
3068 expensive.
3069
3070 We achieve this simplicity by forgoing some of the optimisations used
3071 by compiled code:
3072 \begin{itemize}
3073 \item
3074
3075 Whereas compiled code has five different ways of entering a closure
3076 (\secref{entering-closures}), interpreted code has only one.
3077 The entry point for interpreted code behaves like slow entry points for
3078 compiled code.
3079
3080 \item
3081
3082 We use just one info table for \emph{all\/} direct returns.  
3083 This introduces two problems:
3084 \begin{enumerate}
3085 \item How does the interpreter know what code to execute?
3086
3087 Instead of pushing just a return address, we push a return BCO and a 
3088 trivial return address which just enters the return BCO.
3089
3090 (In a purely interpreted system, we could avoid pushing the trivial
3091 return address.)
3092
3093 \item How can the garbage collector follow pointers within the
3094 activation record?
3095
3096 We could push a third word ---a bitmask describing the location of any
3097 pointers within the record--- but, since we're already tagging unboxed
3098 function arguments on the stack, we use the same mechanism for unboxed
3099 values within the activation record.
3100
3101 \ToDo{Do we have to stub out dead variables in the activation frame?}
3102
3103 \end{enumerate}
3104
3105 \item
3106
3107 We trivially support vectored returns by pushing a return vector whose
3108 entries are all the same.
3109
3110 \item
3111
3112 We avoid the need to build SRTs by putting bytecode objects on the
3113 heap and restricting BCOs to a single basic block.
3114
3115 \end{itemize}
3116
3117 \Subsection{Hugs Info Tables}{hugs-info-tables}
3118
3119 Hugs requires the following info tables and closures:
3120 \begin{description}
3121 \item [@HUGS_RET@].
3122
3123 Contains both a vectored return table and a direct entry point.  All
3124 entry points are the same: they rearrange the stack to match the Hugs
3125 return convention (\secref{hugs-return-convention}) and return to the
3126 scheduler.  When the scheduler restarts the thread, it will find a BCO
3127 on top of the stack and will enter the Hugs interpreter.
3128
3129 \item [@UPD_RET@].
3130
3131 This is just the standard info table for an update frame.
3132
3133 \item [Constructors].
3134
3135 The entry code for a constructor jumps to a generic entry point in the
3136 runtime system which decides whether to do a vectored or unvectored
3137 return depending on the shape of the constructor/type.  This implies that
3138 info tables must have enough info to make that decision.
3139
3140 \item [@AP@ and @PAP@].
3141
3142 \item [Indirections].
3143
3144 \item [Selectors].
3145
3146 Hugs doesn't generate them itself but it ought to recognise them
3147
3148 \item [Complex primops].
3149
3150 Some of the primops are too complex for GHC to generate inline.
3151 Instead, these primops are hand-written and called as normal functions.
3152 Hugs only needs to know their names and types but doesn't care whether
3153 they are generated by GHC or by hand.  Two things to watch:
3154
3155 \begin{enumerate}
3156 \item
3157 Hugs must be able to enter these primops even if it is working on a
3158 standalone system that does not support genuine GHC generated code.
3159
3160 \item The complex primops often involve unboxed tuple types (which
3161 Hugs does not support at the source level) so we cannot specify their
3162 types in a Haskell source file.
3163
3164 \end{enumerate}
3165
3166 \end{description}
3167
3168 \Subsection{Hugs Heap Objects}{hugs-heap-objects}
3169
3170 \subsubsection{Byte-code objects}
3171
3172 Compiled byte code lives on the global heap, in objects called
3173 Byte-Code Objects (or BCOs).  The layout of BCOs is described in
3174 detail in \secref{BCO}, in this section we will describe
3175 their semantics.
3176
3177 Since byte-code lives on the heap, it can be garbage collected just
3178 like any other heap-resident data.  Hugs arranges that any BCO's
3179 referred to by the Hugs symbol tables are treated as live objects by
3180 the garbage collector.  When a module is unloaded, the pointers to its
3181 BCOs are removed from the symbol table, and the code will be garbage
3182 collected some time later.
3183
3184 A BCO represents a basic block of code --- the (only) entry points is
3185 at the beginning of a BCO, and it is impossible to jump into the
3186 middle of one.  A BCO represents not only the code for a function, but
3187 also its closure; a BCO can be entered just like any other closure.
3188 Hugs performs lambda-lifting during compilation to byte-code, and each
3189 top-level combinator becomes a BCO in the heap.
3190
3191
3192 \subsubsection{Thunks and partial applications}
3193
3194 A thunk consists of a code pointer, and values for the free variables
3195 of that code.  Since Hugs byte-code is lambda-lifted, free variables
3196 become arguments and are expected to be on the stack by the called
3197 function.
3198
3199 Hugs represents updateable thunks with @AP_UPD@ objects applying a closure
3200 to a list of arguments.  (As for @PAP@s, unboxed arguments should be
3201 preceded by a tag.)  When it is entered, it pushes an update frame
3202 followed by its payload on the stack, and enters the first word (which
3203 will be a pointer to a BCO).  The layout of @AP_UPD@ objects is described
3204 in more detail in \secref{AP_UPD}.
3205
3206 Partial applications are represented by @PAP@ objects, which are
3207 non-updatable.
3208
3209 \ToDo{Hugs Constructors}.
3210
3211 \Subsection{Calling conventions}{hugs-calling-conventions}
3212
3213 The calling convention for any byte-code function is straightforward:
3214 \begin{itemize}
3215 \item Push any arguments on the stack.
3216 \item Push a pointer to the BCO.
3217 \item Begin interpreting the byte code.
3218 \end{itemize}
3219
3220 In a system containing both GHC and Hugs, the bytecode interpreter
3221 only has to be able to enter BCOs: everything else can be handled by
3222 returning to the compiled world (as described in
3223 \secref{hugs-to-ghc-switch}) and entering the closure
3224 there.
3225
3226 This would work but it would obviously be very inefficient if we
3227 entered a @AP@ by switching worlds, entering the @AP@, pushing the
3228 arguments and function onto the stack, and entering the function
3229 which, likely as not, will be a byte-code object which we will enter
3230 by \emph{returning} to the byte-code interpreter.  To avoid such
3231 gratuitious world switching, we choose to recognise certain closure
3232 types as being ``standard'' --- and duplicate the entry code for the
3233 ``standard closures'' in the bytecode interpreter.
3234
3235 A closure is said to be ``standard'' if its entry code is entirely
3236 determined by its info table.  \emph{Standard Closures} have the
3237 desirable property that the byte-code interpreter can enter the
3238 closure by simply ``interpreting'' the info table instead of switching
3239 to the compiled world.  The standard closures include:
3240
3241 \begin{description}
3242 \item[Constructor] To enter a constructor, we simply return (see
3243 \secref{hugs-return-convention}).
3244
3245 \item[Indirection]
3246 To enter an indirection, we simply enter the object it points to
3247 after possibly adjusting the current cost centre.
3248
3249 \item[@AP@] 
3250
3251 To enter an @AP@, we push an update frame, push the
3252 arguments, push the function and enter the function.
3253 (Not forgetting a stack check at the start.)
3254
3255 \item[@PAP@]
3256
3257 To enter a @PAP@, we push the arguments, push the function and enter
3258 the function.  (Not forgetting a stack check at the start.)
3259
3260 \item[Selector]
3261
3262 To enter a selector (\secref{THUNK_SELECTOR}), we test whether the
3263 selectee is a value.  If so, we simply select the appropriate
3264 component; if not, it's simplest to treat it as a GHC-built closure
3265 --- though we could interpret it if we wanted.
3266
3267 \end{description}
3268
3269 The most obvious omissions from the above list are @BCO@s (which we
3270 dealt with above) and GHC-built closures (which are covered in
3271 \secref{hugs-to-ghc-switch}).
3272
3273
3274 \Subsection{Return convention}{hugs-return-convention}
3275
3276 When Hugs pushes a return address, it pushes both a pointer to the BCO
3277 to return to, and a pointer to a static code fragment @HUGS_RET@ (this
3278 is described in \secref{ghc-to-hugs-switch}).  The
3279 stack layout is shown in \figref{hugs-return-stack}.
3280
3281 \begin{figure}[ht]
3282 \begin{center}
3283 @
3284 | stack    |
3285 +----------+
3286 | bco      |--> BCO
3287 +----------+
3288 | HUGS_RET |
3289 +----------+
3290 @
3291 %\input{hugs_ret.pstex_t}
3292 \end{center}
3293 \caption{Stack layout for a Hugs return address}
3294 \label{fig:hugs-return-stack}
3295 \end{figure}
3296
3297 \begin{figure}[ht]
3298 \begin{center}
3299 @
3300 | stack    |
3301 +----------+
3302 | con      |--> CON
3303 +----------+
3304 @
3305 %\input{hugs_ret2.pstex_t}
3306 \end{center}
3307 \caption{Stack layout on enterings a Hugs return address}
3308 \label{fig:hugs-return2}
3309 \end{figure}
3310
3311 \begin{figure}[ht]
3312 \begin{center}
3313 @
3314 | stack    |
3315 +----------+
3316 | 3#       |
3317 +----------+
3318 | I#       |
3319 +----------+
3320 @
3321 %\input{hugs_ret2.pstex_t}
3322 \end{center}
3323 \caption{Stack layout on entering a Hugs return address with an unboxed value}
3324 \label{fig:hugs-return-int}
3325 \end{figure}
3326
3327 \begin{figure}[ht]
3328 \begin{center}
3329 @
3330 | stack    |
3331 +----------+
3332 | ghc_ret  |
3333 +----------+
3334 | con      |--> CON
3335 +----------+
3336 @
3337 %\input{hugs_ret3.pstex_t}
3338 \end{center}
3339 \caption{Stack layout on enterings a GHC return address}
3340 \label{fig:hugs-return3}
3341 \end{figure}
3342
3343 \begin{figure}[ht]
3344 \begin{center}
3345 @
3346 | stack    |
3347 +----------+
3348 | ghc_ret  |
3349 +----------+
3350 | 3#       |
3351 +----------+
3352 | I#       |
3353 +----------+
3354 | restart  |--> id_Int#_closure
3355 +----------+
3356 @
3357 %\input{hugs_ret2.pstex_t}
3358 \end{center}
3359 \caption{Stack layout on enterings a GHC return address with an unboxed value}
3360 \label{fig:hugs-return-int}
3361 \end{figure}
3362
3363 When a Hugs byte-code sequence enters a closure, it examines the 
3364 return address on top of the stack.
3365
3366 \begin{itemize}
3367
3368 \item If the return address is @HUGS_RET@, pop the @HUGS_RET@ and the
3369 bco for the continuation off the stack, push a pointer to the constructor onto
3370 the stack and enter the BCO with the current object pointer set to the BCO
3371 (\figref{hugs-return2}).
3372
3373 \item If the top of the stack is not @HUGS_RET@, we need to do a world
3374 switch as described in \secref{hugs-to-ghc-switch}.
3375
3376 \end{itemize}
3377
3378 \ToDo{This duplicates what we say about switching worlds
3379 (\secref{switching-worlds}) - kill one or t'other.}
3380
3381
3382 \ToDo{This was in the evaluation model part but it really belongs in
3383 this part which is about the internal details of each of the major
3384 sections.}
3385
3386 \Subsection{Addressing Modes}{hugs-addressing-modes}
3387
3388 To avoid potential alignment problems and simplify garbage collection,
3389 all literal constants are stored in two tables (one boxed, the other
3390 unboxed) within each BCO and are referred to by offsets into the tables.
3391 Slots in the constant tables are word aligned.
3392
3393 \ToDo{How big can the offsets be?  Is the offset specified in the
3394 address field or in the instruction?}
3395
3396 Literals can have the following types: char, int, nat, float, double,
3397 and pointer to boxed object.  There is no real difference between
3398 char, int, nat and float since they all occupy 32 bits --- but it
3399 costs almost nothing to distinguish them and may improve portability
3400 and simplify debugging.
3401
3402 \Subsection{Compilation}{hugs-compilation}
3403
3404
3405 \def\is{\mbox{\it is}}
3406 \def\ts{\mbox{\it ts}}
3407 \def\as{\mbox{\it as}}
3408 \def\bs{\mbox{\it bs}}
3409 \def\cs{\mbox{\it cs}}
3410 \def\rs{\mbox{\it rs}}
3411 \def\us{\mbox{\it us}}
3412 \def\vs{\mbox{\it vs}}
3413 \def\ws{\mbox{\it ws}}
3414 \def\xs{\mbox{\it xs}}
3415
3416 \def\e{\mbox{\it e}}
3417 \def\alts{\mbox{\it alts}}
3418 \def\fail{\mbox{\it fail}}
3419 \def\panic{\mbox{\it panic}}
3420 \def\ua{\mbox{\it ua}}
3421 \def\obj{\mbox{\it obj}}
3422 \def\bco{\mbox{\it bco}}
3423 \def\tag{\mbox{\it tag}}
3424 \def\entry{\mbox{\it entry}}
3425 \def\su{\mbox{\it su}}
3426
3427 \def\Ind#1{{\mbox{\it Ind}\ {#1}}}
3428 \def\update#1{{\mbox{\it update}\ {#1}}}
3429
3430 \def\next{$\Longrightarrow$}
3431 \def\append{\mathrel{+\mkern-6mu+}}
3432 \def\reverse{\mbox{\it reverse}}
3433 \def\size#1{{\vert {#1} \vert}}
3434 \def\arity#1{{\mbox{\it arity}{#1}}}
3435
3436 \def\AP{\mbox{\it AP}}
3437 \def\PAP{\mbox{\it PAP}}
3438 \def\GHCRET{\mbox{\it GHCRET}}
3439 \def\GHCOBJ{\mbox{\it GHCOBJ}}
3440
3441 To make sense of the instructions, we need a sense of how they will be
3442 used.  Here is a small compiler for the STG language.
3443
3444 @
3445 > cg (f{a1, ... am}) = do
3446 >   pushAtom am; ... pushAtom a1
3447 >   pushVar f
3448 >   SLIDE (m+1) |env|
3449 >   ENTER
3450 > cg (let {x1=rhs1; ... xm=rhsm} in e) = do
3451 >   ALLOC x1 |rhs1|, ... ALLOC xm |rhsm|
3452 >   build x1 rhs1,   ... build xm rhsm
3453 >   cg e
3454 > cg (case e of alts) = do
3455 >   PUSHALTS (cgAlts alts)
3456 >   cg e
3457
3458 > cgAlts { alt1; ... altm }  = cgAlt alt1 $ ... $ cgAlt altm pmFail
3459 >
3460 > cgAlt (x@C{xs} -> e) fail = do
3461 >   TEST C fail
3462 >   HEAPCHECK (heapUse e)
3463 >   UNPACK xs
3464 >   cg e
3465
3466 > build x (C{a1, ... am}) = do 
3467 >   pushUntaggedAtom am; ... pushUntaggedAtom a1
3468 >   PACK x C
3469 > -- A useful optimisation
3470 > build x ({v1, ... vm} \ {}. f{a1, ... am}) = do 
3471 >   pushVar am; ... pushVar a1
3472 >   pushVar f
3473 >   MKAP x m
3474 > build x ({v1, ... vm} \ {}. e) = do 
3475 >   pushVar vm; ... pushVar v1
3476 >   PUSHBCO (cgRhs ({v1, ... vm} \ {}. e))
3477 >   MKAP x m
3478 > build x ({v1, ... vm} \ {x1, ... xm}. e) = do 
3479 >   pushVar vm; ... pushVar v1
3480 >   PUSHBCO (cgRhs ({v1, ... vm} \ {x1, ... xm}. e))
3481 >   MKPAP x m
3482
3483 > cgRhs (vs \ xs. e) = do
3484 >   ARGCHECK   (xs ++ vs)  -- can be omitted if xs == {}
3485 >   STACKCHECK min(stackUse e,heapOverflowSlop)
3486 >   HEAPCHECK  (heapUse e)
3487 >   cg e
3488
3489 > pushAtom x  = pushVar x
3490 > pushAtom i# = PUSHINT i#
3491
3492 > pushVar x = if isGlobalVar x then PUSHGLOBAL x else PUSHLOCAL x 
3493
3494 > pushUntaggedAtom x  = pushVar x
3495 > pushUntaggedAtom i# = PUSHUNTAGGEDINT i#
3496
3497 > pushVar x = if isGlobalVar x then PUSHGLOBAL x else PUSHLOCAL x 
3498 @
3499
3500 \ToDo{Is there an easy way to add semi-tagging?  Would it be that different?}
3501
3502 \ToDo{Optimise thunks of the form @f{x1,...xm}@ so that we build an AP directly}
3503
3504 \Subsection{Instructions}{hugs-instructions}
3505
3506 We specify the semantics of instructions using transition rules of
3507 the form:
3508
3509 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3510 \hline
3511         & $\is$         & $s$   & $\su$         & $h$  & $hp$  & $\sigma$ \\
3512 \next   & $\is'$        & $s'$  & $\su'$        & $h'$ & $hp'$ & $\sigma$ \\
3513 \hline
3514 \end{tabular}
3515
3516 where $\is$ is an instruction stream, $s$ is the stack, $\su$ is the 
3517 update frame pointer and $h$ is the heap.
3518
3519
3520 \Subsection{Stack manipulation}{hugs-stack-manipulation}
3521
3522 \begin{description}
3523
3524 \item[ Push a global variable ].
3525
3526 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3527 \hline
3528         & PUSHGLOBAL $o$ : $\is$ & $s$          & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3529 \next   & $\is$                  & $\sigma!o:s$ & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3530 \hline
3531 \end{tabular}
3532
3533 \item[ Push a local variable ].
3534
3535 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3536 \hline
3537         & PUSHLOCAL $o$ : $\is$ & $s$           & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3538 \next   & $\is$                 & $s!o : s$     & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3539 \hline
3540 \end{tabular}
3541
3542 \item[ Push an unboxed int ].
3543
3544 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3545 \hline
3546         & PUSHINT $o$ : $\is$   & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3547 \next   & $\is$                 & $I\# : \sigma!o : s$  & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3548 \hline
3549 \end{tabular}
3550
3551 The $I\#$ is a tag included for the benefit of the garbage collector.
3552 Similar rules exist for floats, doubles, chars, etc.
3553
3554 \item[ Push an unboxed int ].
3555
3556 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3557 \hline
3558         & PUSHUNTAGGEDINT $o$ : $\is$   & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3559 \next   & $\is$                 & $\sigma!o : s$        & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3560 \hline
3561 \end{tabular}
3562
3563 Similar rules exist for floats, doubles, chars, etc.
3564
3565 \item[ Delete environment from stack --- ready for tail call ].
3566
3567 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3568 \hline
3569         & SLIDE $m$ $n$ : $\is$ & $\as \append \bs \append \cs$         & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3570 \next   & $\is$                 & $\as \append \cs$                     & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3571 \hline
3572 \end{tabular}
3573 \\
3574 where $\size{\as} = m$ and $\size{\bs} = n$.
3575
3576
3577 \item[ Push a return address ].
3578
3579 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3580 \hline
3581         & PUSHALTS $o$:$\is$    & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3582 \next   & $\is$                 & $@HUGS_RET@:\sigma!o:s$       & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3583 \hline
3584 \end{tabular}
3585
3586 \item[ Push a BCO ].
3587
3588 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3589 \hline
3590         & PUSHBCO $o$ : $\is$   & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3591 \next   & $\is$                 & $\sigma!o : s$        & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3592 \hline
3593 \end{tabular}
3594
3595 \end{description}
3596
3597 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
3598 \Subsection{Heap manipulation}{hugs-heap-manipulation}
3599 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
3600
3601 \begin{description}
3602
3603 \item[ Allocate a heap object ].
3604
3605 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3606 \hline
3607         & ALLOC $m$ : $\is$     & $s$    & $su$ & $h$ & $hp$   & $\sigma$ \\
3608 \next   & $\is$                 & $hp:s$ & $su$ & $h$ & $hp+m$ & $\sigma$ \\
3609 \hline
3610 \end{tabular}
3611
3612 \item[ Build a constructor ].
3613
3614 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3615 \hline
3616         & PACK $o$ $o'$ : $\is$ & $\ws \append s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
3617 \next   & $\is$                 & $s$                   & $su$ & $h[s!o \mapsto Pack C\{\ws\}]$ & $hp$ & $\sigma$ \\
3618 \hline
3619 \end{tabular}
3620 \\
3621 where $C = \sigma!o'$ and $\size{\ws} = \arity{C}$.
3622
3623 \item[ Build an AP or  PAP ].
3624
3625 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3626 \hline
3627         & MKAP $o$ $m$:$\is$    & $f : \ws \append s$   & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
3628 \next   & $\is$                 & $s$                   & $su$ & $h[s!o \mapsto \AP(f,\ws)]$    & $hp$ & $\sigma$ \\
3629 \hline
3630 \end{tabular}
3631 \\
3632 where $\size{\ws} = m$.
3633
3634 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3635 \hline
3636         & MKPAP $o$ $m$:$\is$   & $f : \ws \append s$   & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
3637 \next   & $\is$                 & $s$                   & $su$ & $h[s!o \mapsto \PAP(f,\ws)]$   & $hp$ & $\sigma$ \\
3638 \hline
3639 \end{tabular}
3640 \\
3641 where $\size{\ws} = m$.
3642
3643 \item[ Unpacking a constructor ].
3644
3645 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3646 \hline
3647         & UNPACK : $is$         & $a : s$                               & $su$ & $h[a \mapsto C\ \ws]$          & $hp$ & $\sigma$ \\
3648 \next   & $is'$                 & $(\reverse\ \ws) \append a : s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
3649 \hline
3650 \end{tabular}
3651
3652 The $\reverse\ \ws$ looks expensive but, since the stack grows down
3653 and the heap grows up, that's actually the cheap way of copying from
3654 heap to stack.  Looking at the compilation rules, you'll see that we
3655 always push the args in reverse order.
3656
3657 \end{description}
3658
3659
3660 \Subsection{Entering a closure}{hugs-entering}
3661
3662 \begin{description}
3663
3664 \item[ Enter a BCO ].
3665
3666 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3667 \hline
3668         & [ENTER]       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto BCO\{\is\} ]$     & $hp$ & $\sigma$ \\
3669 \next   & $\is$         & $a : s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $a$ \\
3670 \hline
3671 \end{tabular}
3672
3673 \item[ Enter a PAP closure ].
3674
3675 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3676 \hline
3677         & [ENTER]       & $a : s$               & $su$ & $h[a \mapsto \PAP(f,\ws)]$     & $hp$ & $\sigma$ \\
3678 \next   & [ENTER]       & $f : \ws \append s$   & $su$ & $h$                            & $hp$ & $???$ \\
3679 \hline
3680 \end{tabular}
3681
3682 \item[ Entering an AP closure ].
3683
3684 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3685 \hline
3686         & [ENTER]       & $a : s$                               & $su$  & $h[a \mapsto \AP(f,ws)]$      & $hp$ & $\sigma$ \\
3687 \next   & [ENTER]       & $f : \ws \append @UPD_RET@:\su:a:s$   & $su'$ & $h$                           & $hp$ & $???$ \\
3688 \hline
3689 \end{tabular}
3690
3691 Optimisations:
3692 \begin{itemize}
3693 \item Instead of blindly pushing an update frame for $a$, we can first test whether there's already
3694  an update frame there.  If so, overwrite the existing updatee with an indirection to $a$ and
3695  overwrite the updatee field with $a$.  (Overwriting $a$ with an indirection to the updatee also
3696  works.)  This results in update chains of maximum length 2. 
3697 \end{itemize}
3698
3699
3700 \item[ Returning a constructor ].
3701
3702 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3703 \hline
3704         & [ENTER]               & $a : @HUGS_RET@ : \alts : s$  & $su$ & $h[a \mapsto C\{\ws\}]$        & $hp$ & $\sigma$ \\
3705 \next   & $\alts.\entry$        & $a:s$                         & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
3706 \hline
3707 \end{tabular}
3708
3709
3710 \item[ Entering an indirection node ].
3711
3712 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3713 \hline
3714         & [ENTER]       & $a  : s$      & $su$ & $h[a \mapsto \Ind{a'}]$        & $hp$ & $\sigma$ \\
3715 \next   & [ENTER]       & $a' : s$      & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
3716 \hline
3717 \end{tabular}
3718
3719 \item[Entering GHC closure].
3720
3721 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3722 \hline
3723         & [ENTER]       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto \GHCOBJ]$         & $hp$ & $\sigma$ \\
3724 \next   & [ENTERGHC]    & $a : s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
3725 \hline
3726 \end{tabular}
3727
3728 \item[Returning a constructor to GHC].
3729
3730 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3731 \hline
3732         & [ENTER]       & $a : \GHCRET : s$     & $su$ & $h[a \mapsto C \ws]$   & $hp$ & $\sigma$ \\
3733 \next   & [ENTERGHC]    & $a : \GHCRET : s$     & $su$ & $h$                    & $hp$ & $\sigma$ \\
3734 \hline
3735 \end{tabular}
3736
3737 \end{description}
3738
3739
3740 \Subsection{Updates}{hugs-updates}
3741
3742 \begin{description}
3743
3744 \item[ Updating with a constructor].
3745
3746 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3747 \hline
3748         & [ENTER]       & $a : @UPD_RET@ : ua : s$      & $su$ & $h[a \mapsto C\{\ws\}]$  & $hp$ & $\sigma$ \\
3749 \next   & [ENTER]       & $a \append s$                 & $su$ & $h[au \mapsto \Ind{a}$   & $hp$ & $\sigma$ \\
3750 \hline
3751 \end{tabular}
3752
3753 \item[ Argument checks].
3754
3755 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3756 \hline
3757         & ARGCHECK $m$:$\is$    & $a : \as \append s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
3758 \next   & $\is$                 & $a : \as \append s$   & $su$ & $h'$   & $hp$ & $\sigma$ \\
3759 \hline
3760 \end{tabular}
3761 \\
3762 where $m \ge (su - sp)$
3763
3764 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3765 \hline
3766         & ARGCHECK $m$:$\is$    & $a : \as \append @UPD_RET@:su:ua:s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
3767 \next   & $\is$                 & $a : \as \append s$                   & $su$ & $h'$   & $hp$ & $\sigma$ \\
3768 \hline
3769 \end{tabular}
3770 \\
3771 where $m < (su - sp)$ and
3772       $h' = h[ua \mapsto \Ind{a'}, a' \mapsto \PAP(a,\reverse\ \as) ]$
3773
3774 Again, we reverse the list of values as we transfer them from the
3775 stack to the heap --- reflecting the fact that the stack and heap grow
3776 in different directions.
3777
3778 \end{description}
3779
3780 \Subsection{Branches}{hugs-branches}
3781
3782 \begin{description}
3783
3784 \item[ Testing a constructor ].
3785
3786 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3787 \hline
3788         & TEST $tag$ $is'$ : $is$       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto C\ \ws]$  & $hp$ & $\sigma$ \\
3789 \next   & $is$                          & $a : s$       & $su$ & $h$                    & $hp$ & $\sigma$ \\
3790 \hline
3791 \end{tabular}
3792 \\
3793 where $C.\tag = tag$
3794
3795 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3796 \hline
3797         & TEST $tag$ $is'$ : $is$       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto C\ \ws]$  & $hp$ & $\sigma$ \\
3798 \next   & $is'$                         & $a : s$       & $su$ & $h$                    & $hp$ & $\sigma$ \\
3799 \hline
3800 \end{tabular}
3801 \\
3802 where $C.\tag \neq tag$
3803
3804 \end{description}
3805
3806 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
3807 \Subsection{Heap and stack checks}{hugs-heap-stack-checks}
3808 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
3809
3810 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3811 \hline
3812         & STACKCHECK $stk$:$\is$        & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
3813 \next   & $\is$                         & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
3814 \hline
3815 \end{tabular}
3816 \\
3817 if $s$ has $stk$ free slots.
3818
3819 \begin{tabular}{|llrrrrr|}
3820 \hline
3821         & HEAPCHECK $hp$:$\is$          & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
3822 \next   & $\is$                         & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
3823 \hline
3824 \end{tabular}
3825 \\
3826 if $h$ has $hp$ free slots.
3827
3828 If either check fails, we push the current bco ($\sigma$) onto the
3829 stack and return to the scheduler.  When the scheduler has fixed the
3830 problem, it pops the top object off the stack and reenters it.
3831
3832
3833 Optimisations:
3834 \begin{itemize}
3835 \item The bytecode CHECK1000 conservatively checks for 1000 words of heap space and 1000 words of stack space.
3836       We use it to reduce code space and instruction decoding time.
3837 \item The bytecode HEAPCHECK1000 conservatively checks for 1000 words of heap space.
3838       It is used in case alternatives.
3839 \end{itemize}
3840
3841
3842 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
3843 \Subsection{Primops}{hugs-primops}
3844 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
3845
3846 \ToDo{primops take m words and return n words. The expect boxed arguments on the stack.}
3847
3848
3849 \Section{The Machine Code Evaluator}{asm-evaluator}
3850
3851 This section describes the framework in which compiled code evaluates
3852 expressions.  Only at certain points will compiled code need to be
3853 able to talk to the interpreted world; these are discussed in
3854 \secref{switching-worlds}.
3855
3856 \Subsection{Calling conventions}{ghc-calling-conventions}
3857
3858 \Subsubsection{The call/return registers}{ghc-regs}
3859
3860 One of the problems in designing a virtual machine is that we want it
3861 abstract away from tedious machine details but still reveal enough of
3862 the underlying hardware that we can make sensible decisions about code
3863 generation.  A major problem area is the use of registers in
3864 call/return conventions.  On a machine with lots of registers, it's
3865 cheaper to pass arguments and results in registers than to pass them
3866 on the stack.  On a machine with very few registers, it's cheaper to
3867 pass arguments and results on the stack than to use ``virtual
3868 registers'' in memory.  We therefore use a hybrid system: the first
3869 $n$ arguments or results are passed in registers; and the remaining
3870 arguments or results are passed on the stack.  For register-poor
3871 architectures, it is important that we allow $n=0$.
3872
3873 We'll label the arguments and results \Arg{1} \ldots \Arg{m} --- with
3874 the understanding that \Arg{1} \ldots \Arg{n} are in registers and
3875 \Arg{n+1} \ldots \Arg{m} are on top of the stack.
3876
3877 Note that the mapping of arguments \Arg{1} \ldots \Arg{n} to machine
3878 registers depends on the \emph{kinds} of the arguments.  For example,
3879 if the first argument is a Float, we might pass it in a different
3880 register from if it is an Int.  In fact, we might find that a given
3881 architecture lets us pass varying numbers of arguments according to
3882 their types.  For example, if a CPU has 2 Int registers and 2 Float
3883 registers then we could pass between 2 and 4 arguments in machine
3884 registers --- depending on whether they all have the same kind or they
3885 have different kinds.
3886
3887 \Subsubsection{Entering closures}{entering-closures}
3888
3889 To evaluate a closure we jump to the entry code for the closure
3890 passing a pointer to the closure in \Arg{1} so that the entry code can
3891 access its environment.
3892
3893 \Subsubsection{Function call}{ghc-fun-call}
3894
3895 The function-call mechanism is obviously crucial.  There are five different
3896 cases to consider:
3897 \begin{enumerate}
3898
3899 \item \emph{Known combinator (function with no free variables) and
3900 enough arguments.}
3901
3902 A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
3903 function's \emph{fast entry point} passing arguments in \Arg{1} \ldots
3904 \Arg{m}.
3905
3906 The \emph{fast entry point} is only called with exactly the right
3907 number of arguments (in \Arg{1} \ldots \Arg{m}) so it can instantly
3908 start doing useful work without first testing whether it has enough
3909 registers or having to pop them off the stack first.
3910
3911 \item \emph{Known combinator and insufficient arguments.}
3912
3913 A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to
3914 function's \emph{slow entry point}.
3915
3916 Any unpointed arguments which are pushed on the stack must be tagged.
3917 This means pushing an extra word on the stack below the unpointed
3918 words, containing the number of unpointed words above it.
3919
3920 %Todo: forward ref about tagging?
3921 %Todo: picture?
3922
3923 The \emph{slow entry point} might be called with insufficient arguments
3924 and so it must test whether there are enough arguments on the stack.
3925 This \emph{argument satisfaction check} consists of checking that
3926 @Su-Sp@ is big enough to hold all the arguments (including any tags).
3927
3928 \begin{itemize} 
3929
3930 \item If the argument satisfaction check fails, it is because there is
3931 one or more update frames on the stack before the rest of the
3932 arguments that the function needs.  In this case, we construct a PAP
3933 (partial application, \secref{PAP}) containing the arguments
3934 which are on the stack.  The PAP construction code will return to the
3935 update frame with the address of the PAP in \Arg{1}.
3936
3937 \item If the argument satisfaction check succeeds, we jump to the fast
3938 entry point with the arguments in \Arg{1} \ldots \Arg{arity}.
3939
3940 If the fast entry point expects to receive some of \Arg{i} on the
3941 stack, we can reduce the amount of movement required by making the
3942 stack layout for the fast entry point look like the stack layout for
3943 the slow entry point.  Since the slow entry point is entered with the
3944 first argument on the top of the stack and with tags in front of any
3945 unpointed arguments, this means that if \Arg{i} is unpointed, there
3946 should be space below it for a tag and that the highest numbered
3947 argument should be passed on the top of the stack.
3948
3949 We usually arrange that the fast entry point is placed immediately
3950 after the slow entry point --- so we can just ``fall through'' to the
3951 fast entry point without performing a jump.
3952
3953 \end{itemize}
3954
3955
3956 \item \emph{Known function closure (function with free variables) and
3957 enough arguments.}
3958
3959 A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
3960 function's \emph{fast entry point} passing a pointer to closure in
3961 \Arg{1} and arguments in \Arg{2} \ldots \Arg{m+1}.
3962
3963 Like the fast entry point for a combinator, the fast entry point for a
3964 closure is only called with appropriate values in \Arg{1} \ldots
3965 \Arg{m+1} so we can start work straight away.  The pointer to the
3966 closure is used to access the free variables of the closure.
3967
3968
3969 \item \emph{Known function closure and insufficient arguments.}
3970
3971 A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to the
3972 closure's slow entry point passing a pointer to the closure in \Arg{1}.
3973
3974 Again, the slow entry point performs an argument satisfaction check
3975 and either builds a PAP or pops the arguments off the stack into
3976 \Arg{2} \ldots \Arg{m+1} and jumps to the fast entry point.
3977
3978
3979 \item \emph{Unknown function closure, thunk or constructor.}
3980
3981 Sometimes, the function being called is not statically identifiable.
3982 Consider, for example, the @compose@ function:
3983 @
3984   compose f g x = f (g x)
3985 @
3986 Since @f@ and @g@ are passed as arguments to @compose@, the latter has
3987 to make a heap call.  In a heap call the arguments are pushed onto the
3988 stack, and the closure bound to the function is entered.  In the
3989 example, a thunk for @(g x)@ will be allocated, (a pointer to it)
3990 pushed on the stack, and the closure bound to @f@ will be
3991 entered. That is, we will jump to @f@s entry point passing @f@ in
3992 \Arg{1}.  If \Arg{1} is passed on the stack, it is pushed on top of
3993 the thunk for @(g x)@.
3994
3995 The \emph{entry code} for an updateable thunk (which must have arity 0)
3996 pushes an update frame on the stack and starts executing the body of
3997 the closure --- using \Arg{1} to access any free variables.  This is
3998 described in more detail in \secref{data-updates}.
3999
4000 The \emph{entry code} for a non-updateable closure is just the
4001 closure's slow entry point.
4002
4003 \end{enumerate}
4004
4005 In addition to the above considerations, if there are \emph{too many}
4006 arguments then the extra arguments are simply pushed on the stack with
4007 appropriate tags.
4008
4009 To summarise, a closure's standard (slow) entry point performs the
4010 following:
4011
4012 \begin{description}
4013 \item[Argument satisfaction check.] (function closure only)
4014 \item[Stack overflow check.]
4015 \item[Heap overflow check.]
4016 \item[Copy free variables out of closure.] %Todo: why?
4017 \item[Eager black holing.] (updateable thunk only) %Todo: forward ref.
4018 \item[Push update frame.]
4019 \item[Evaluate body of closure.]
4020 \end{description}
4021
4022
4023 \Subsection{Case expressions and return conventions}{return-conventions}
4024
4025 The \emph{evaluation} of a thunk is always initiated by
4026 a @case@ expression.  For example:
4027 @
4028   case x of (a,b) -> E
4029 @
4030
4031 The code for a @case@ expression looks like this:
4032
4033 \begin{itemize}
4034 \item Push the free variables of the branches on the stack (fv(@E@) in
4035 this case).
4036 \item  Push a \emph{return address} on the stack.
4037 \item  Evaluate the scrutinee (@x@ in this case).
4038 \end{itemize}
4039
4040 Once evaluation of the scrutinee is complete, execution resumes at the
4041 return address, which points to the code for the expression @E@.
4042
4043 When execution resumes at the return point, there must be some {\em
4044 return convention} that defines where the components of the pair, @a@
4045 and @b@, can be found.  The return convention varies according to the
4046 type of the scrutinee @x@:
4047
4048 \begin{itemize}
4049
4050 \item 
4051
4052 (A space for) the return address is left on the top of the stack.
4053 Leaving the return address on the stack ensures that the top of the
4054 stack contains a valid activation record
4055 (\secref{activation-records}) --- should a garbage
4056 collection be required.
4057
4058 \item If @x@ has a boxed type (e.g.~a data constructor or a function),
4059 a pointer to @x@ is returned in \Arg{1}.
4060
4061 \ToDo{Warn that components of E should be extracted as soon as
4062 possible to avoid a space leak.}
4063
4064 \item If @x@ is an unboxed type (e.g.~@Int#@ or @Float#@), @x@ is
4065 returned in \Arg{1}
4066
4067 \item If @x@ is an unboxed tuple constructor, the components of @x@
4068 are returned in \Arg{1} \ldots \Arg{n} but no object is constructed in
4069 the heap.  
4070
4071 When passing an unboxed tuple to a function, the components are
4072 flattened out and passed in \Arg{1} \ldots \Arg{n} as usual.
4073
4074 \end{itemize}
4075
4076 \Subsection{Vectored Returns}{vectored-returns}
4077
4078 Many algebraic data types have more than one constructor.  For
4079 example, the @Maybe@ type is defined like this:
4080 @
4081   data Maybe a = Nothing | Just a
4082 @
4083 How does the return convention encode which of the two constructors is
4084 being returned?  A @case@ expression scrutinising a value of @Maybe@
4085 type would look like this: 
4086 @
4087   case E of 
4088     Nothing -> ...
4089     Just a  -> ...
4090 @
4091 Rather than pushing a return address before evaluating the scrutinee,
4092 @E@, the @case@ expression pushes (a pointer to) a \emph{return
4093 vector}, a static table consisting of two code pointers: one for the
4094 @Just@ alternative, and one for the @Nothing@ alternative.  
4095
4096 \begin{itemize}
4097
4098 \item
4099
4100 The constructor @Nothing@ returns by jumping to the first item in the
4101 return vector with a pointer to a (statically built) Nothing closure
4102 in \Arg{1}.  
4103
4104 It might seem that we could avoid loading \Arg{1} in this case since the
4105 first item in the return vector will know that @Nothing@ was returned
4106 (and can easily access the Nothing closure in the (unlikely) event
4107 that it needs it.  The only reason we load \Arg{1} is in case we have to
4108 perform an update (\secref{data-updates}).
4109
4110 \item 
4111
4112 The constructor @Just@ returns by jumping to the second element of the
4113 return vector with a pointer to the closure in \Arg{1}.  
4114
4115 \end{itemize}
4116
4117 In this way no test need be made to see which constructor returns;
4118 instead, execution resumes immediately in the appropriate branch of
4119 the @case@.
4120
4121 \Subsection{Direct Returns}{direct-returns}
4122
4123 When a datatype has a large number of constructors, it may be
4124 inappropriate to use vectored returns.  The vector tables may be
4125 large and sparse, and it may be better to identify the constructor
4126 using a test-and-branch sequence on the tag.  For this reason, we
4127 provide an alternative return convention, called a \emph{direct
4128 return}.
4129
4130 In a direct return, the return address pushed on the stack really is a
4131 code pointer.  The returning code loads a pointer to the closure being
4132 returned in \Arg{1} as usual, and also loads the tag into \Arg{2}.
4133 The code at the return address will test the tag and jump to the
4134 appropriate code for the case branch.  If \Arg{2} isn't mapped to a
4135 real machine register on this architecture, then we don't load it on a
4136 return, instead using the tag directly from the info table.
4137
4138 The choice of whether to use a vectored return or a direct return is
4139 made on a type-by-type basis --- up to a certain maximum number of
4140 constructors imposed by the update mechanism
4141 (\secref{data-updates}).
4142
4143 Single-constructor data types also use direct returns, although in
4144 that case there is no need to return a tag in \Arg{2}.
4145
4146 \ToDo{for a nullary constructor we needn't return a pointer to the
4147 constructor in \Arg{1}.}
4148
4149 \Subsection{Updates}{data-updates}
4150
4151 The entry code for an updatable thunk (which must be of arity 0):
4152
4153 \begin{itemize}
4154 \item copies the free variables out of the thunk into registers or
4155   onto the stack.
4156 \item pushes an \emph{update frame} onto the stack.
4157
4158 An update frame is a small activation record consisting of
4159 \begin{center}
4160 \begin{tabular}{|l|l|l|}
4161 \hline
4162 \emph{Fixed header} & \emph{Update Frame link} & \emph{Updatee} \\
4163 \hline
4164 \end{tabular}
4165 \end{center}
4166
4167 \note{In the semantics part of the STG paper (section 5.6), an update
4168 frame consists of everything down to the last update frame on the
4169 stack.  This would make sense too --- and would fit in nicely with
4170 what we're going to do when we add support for speculative
4171 evaluation.}
4172 \ToDo{I think update frames contain cost centres sometimes}
4173
4174 \item If we are doing ``eager blackholing,'' we then overwrite the
4175 thunk with a black hole (\secref{BLACKHOLE}).  Otherwise, we leave it
4176 to the garbage collector to black hole the thunk.
4177
4178 \item 
4179 Start evaluating the body of the expression.
4180
4181 \end{itemize}
4182
4183 When the expression finishes evaluation, it will enter the update
4184 frame on the top of the stack.  Since the returner doesn't know
4185 whether it is entering a normal return address/vector or an update
4186 frame, we follow exactly the same conventions as return addresses and
4187 return vectors.  That is, on entering the update frame:
4188
4189 \begin{itemize} 
4190 \item The value of the thunk is in \Arg{1}.  (Recall that only thunks
4191 are updateable and that thunks return just one value.)
4192
4193 \item If the data type is a direct-return type rather than a
4194 vectored-return type, then the tag is in \Arg{2}.
4195
4196 \item The update frame is still on the stack.
4197 \end{itemize}
4198
4199 We can safely share a single statically-compiled update function
4200 between all types.  However, the code must be able to handle both
4201 vectored and direct-return datatypes.  This is done by arranging that
4202 the update code looks like this:
4203
4204 @
4205                 |       ^       |
4206                 | return vector |
4207                 |---------------|
4208                 |  fixed-size   |
4209                 |  info table   |
4210                 |---------------|  <- update code pointer
4211                 |  update code  |
4212                 |       v       |
4213 @
4214
4215 Each entry in the return vector (which is large enough to cover the
4216 largest vectored-return type) points to the update code.
4217
4218 The update code:
4219 \begin{itemize}
4220 \item overwrites the \emph{updatee} with an indirection to \Arg{1};
4221 \item loads @Su@ from the Update Frame link;
4222 \item removes the update frame from the stack; and 
4223 \item enters \Arg{1}.
4224 \end{itemize}
4225
4226 We enter \Arg{1} again, having probably just come from there, because
4227 it knows whether to perform a direct or vectored return.  This could
4228 be optimised by compiling special update code for each slot in the
4229 return vector, which performs the correct return.
4230
4231 \Subsection{Semi-tagging}{semi-tagging}
4232
4233 When a @case@ expression evaluates a variable that might be bound
4234 to a thunk it is often the case that the scrutinee is already evaluated.
4235 In this case we have paid the penalty of (a) pushing the return address (or
4236 return vector address) on the stack, (b) jumping through the info pointer
4237 of the scrutinee, and (c) returning by an indirect jump through the
4238 return address on the stack.
4239
4240 If we knew that the scrutinee was already evaluated we could generate
4241 (better) code which simply jumps to the appropriate branch of the
4242 @case@ with a pointer to the scrutinee in \Arg{1}.  (For direct
4243 returns to multiconstructor datatypes, we might also load the tag into
4244 \Arg{2}).
4245
4246 An obvious idea, therefore, is to test dynamically whether the heap
4247 closure is a value (using the tag in the info table).  If not, we
4248 enter the closure as usual; if so, we jump straight to the appropriate
4249 alternative.  Here, for example, is pseudo-code for the expression
4250 @(case x of { (a,_,c) -> E }@:
4251 @
4252       \Arg{1} = <pointer to x>;
4253       tag = \Arg{1}->entry->tag;
4254       if (isWHNF(tag)) {
4255           Sp--;  \\ insert space for return address
4256           goto ret;
4257       }
4258       push(ret);           
4259       goto \Arg{1}->entry;
4260       
4261       <info table for return address goes here>
4262 ret:  a = \Arg{1}->data1; \\ suck out a and c to avoid space leak
4263       c = \Arg{1}->data3;
4264       <code for E2>
4265 @
4266 and here is the code for the expression @(case x of { [] -> E1; x:xs -> E2 }@:
4267 @
4268       \Arg{1} = <pointer to x>;
4269       tag = \Arg{1}->entry->tag;
4270       if (isWHNF(tag)) {
4271           Sp--;  \\ insert space for return address
4272           goto retvec[tag];
4273       }
4274       push(retinfo);          
4275       goto \Arg{1}->entry;
4276       
4277       .addr ret2
4278       .addr ret1
4279 retvec:           \\ reversed return vector
4280       <return info table for case goes here>
4281 retinfo:
4282       panic("Direct return into vectored case");
4283       
4284 ret1: <code for E1>
4285
4286 ret2: x  = \Arg{1}->head;
4287       xs = \Arg{1}->tail;
4288       <code for E2>
4289 @
4290 There is an obvious cost in compiled code size (but none in the size
4291 of the bytecodes).  There is also a cost in execution time if we enter
4292 more thunks than data constructors.
4293
4294 Both the direct and vectored returns are easily modified to chase chains
4295 of indirections too.  In the vectored case, this is most easily done by
4296 making sure that @IND = TAG_1 - 1@, and adding an extra field to every
4297 return vector.  In the above example, the indirection code would be
4298 @
4299 ind:  \Arg{1} = \Arg{1}->next;
4300       goto ind_loop;
4301 @
4302 where @ind_loop@ is the second line of code.
4303
4304 Note that we have to leave space for a return address since the return
4305 address expects to find one.  If the body of the expression requires a
4306 heap check, we will actually have to write the return address before
4307 entering the garbage collector.
4308
4309
4310 \Subsection{Heap and Stack Checks}{heap-and-stack-checks}
4311
4312 The storage manager detects that it needs to garbage collect the old
4313 generation when the evaluator requests a garbage collection without
4314 having moved the heap pointer since the last garbage collection.  It
4315 is therefore important that the GC routines \emph{not} move the heap
4316 pointer unless the heap check fails.  This is different from what
4317 happens in the current STG implementation.
4318
4319 Assuming that the stack can never shrink, we perform a stack check
4320 when we enter a closure but not when we return to a return
4321 continuation.  This doesn't work for heap checks because we cannot
4322 predict what will happen to the heap if we call a function.
4323
4324 If we wish to allow the stack to shrink, we need to perform a stack
4325 check whenever we enter a return continuation.  Most of these checks
4326 could be eliminated if the storage manager guaranteed that a stack
4327 would always have 1000 words (say) of space after it was shrunk.  Then
4328 we can omit stack checks for less than 1000 words in return
4329 continuations.
4330
4331 When an argument satisfaction check fails, we need to push the closure
4332 (in R1) onto the stack - so we need to perform a stack check.  The
4333 problem is that the argument satisfaction check occurs \emph{before}
4334 the stack check.  The solution is that the caller of a slow entry
4335 point or closure will guarantee that there is at least one word free
4336 on the stack for the callee to use.  
4337
4338 Similarily, if a heap or stack check fails, we need to push the arguments
4339 and closure onto the stack.  If we just came from the slow entry point, 
4340 there's certainly enough space and it is the responsibility of anyone
4341 using the fast entry point to guarantee that there is enough space.
4342
4343 \ToDo{Be more precise about how much space is required - document it
4344 in the calling convention section.}
4345
4346 \Subsection{Handling interrupts/signals}{signals}
4347
4348 @
4349 May have to keep C stack pointer in register to placate OS?
4350 May have to revert black holes - ouch!
4351 @
4352
4353
4354
4355 \section{The Loader}
4356 \section{The Compilers}
4357
4358 \iffalse
4359 \part{Old stuff - needs to be mined for useful info}
4360
4361 \section{The Scheduler}
4362
4363 The Scheduler is the heart of the run-time system.  A running program
4364 consists of a single running thread, and a list of runnable and
4365 blocked threads.  The running thread returns to the scheduler when any
4366 of the following conditions arises:
4367
4368 \begin{itemize}
4369 \item A heap check fails, and a garbage collection is required
4370 \item Compiled code needs to switch to interpreted code, and vice
4371 versa.
4372 \item The thread becomes blocked.
4373 \item The thread is preempted.
4374 \end{itemize}
4375
4376 A running system has a global state, consisting of
4377
4378 \begin{itemize}
4379 \item @Hp@, the current heap pointer, which points to the next
4380 available address in the Heap.
4381 \item @HpLim@, the heap limit pointer, which points to the end of the
4382 heap.
4383 \item The Thread Preemption Flag, which is set whenever the currently
4384 running thread should be preempted at the next opportunity.
4385 \item A list of runnable threads. 
4386 \item A list of blocked threads.
4387 \end{itemize}
4388
4389 Each thread is represented by a Thread State Object (TSO), which is
4390 described in detail in \secref{TSO}.
4391
4392 The following is pseudo-code for the inner loop of the scheduler
4393 itself.
4394
4395 @
4396 while (threads_exist) {
4397   // handle global problems: GC, parallelism, etc
4398   if (need_gc) gc();  
4399   if (external_message) service_message();
4400   // deal with other urgent stuff
4401
4402   pick a runnable thread;
4403   do {
4404     // enter object on top of stack
4405     // if the top object is a BCO, we must enter it
4406     // otherwise appply any heuristic we wish.
4407     if (thread->stack[thread->sp]->info.type == BCO) {
4408         status = runHugs(thread,&smInfo);
4409     } else {
4410         status = runGHC(thread,&smInfo);
4411     }
4412     switch (status) {  // handle local problems
4413       case (StackOverflow): enlargeStack; break;
4414       case (Error e)      : error(thread,e); break;
4415       case (ExitWith e)   : exit(e); break;
4416       case (Yield)        : break;
4417     }
4418   } while (thread_runnable);
4419 }
4420 @
4421
4422 \Subsection{Invoking the garbage collector}{ghc-invoking-gc}
4423
4424 \Subsection{Putting the thread to sleep}{ghc-thread-sleeps}
4425
4426 \Subsection{Calling C from Haskell}{ghc-ccall}
4427
4428 We distinguish between "safe calls" where the programmer guarantees
4429 that the C function will not call a Haskell function or, in a
4430 multithreaded system, block for a long period of time and "unsafe
4431 calls" where the programmer cannot make that guarantee.  
4432
4433 Safe calls are performed without returning to the scheduler and are
4434 discussed elsewhere (\ToDo{discuss elsewhere}).
4435
4436 Unsafe calls are performed by returning an array (outside the Haskell
4437 heap) of arguments and a C function pointer to the scheduler.  The
4438 scheduler allocates a new thread from the operating system
4439 (multithreaded system only), spawns a call to the function and
4440 continues executing another thread.  When the ccall completes, the
4441 thread informs the scheduler and the scheduler adds the thread to the
4442 runnable threads list.  
4443
4444 \ToDo{Describe this in more detail.}
4445
4446
4447 \Subsection{Calling Haskell from C}{ghc-c-calls-haskell}
4448
4449 When C calls a Haskell closure, it sends a message to the scheduler
4450 thread.  On receiving the message, the scheduler creates a new Haskell
4451 thread, pushes the arguments to the C function onto the thread's stack
4452 (with tags for unboxed arguments) pushes the Haskell closure and adds
4453 the thread to the runnable list so that it can be entered in the
4454 normal way.
4455
4456 When the closure returns, the scheduler sends back a message which
4457 awakens the (C) thread.  
4458
4459 \ToDo{Do we need to worry about the garbage collector deallocating the
4460 thread if it gets blocked?}
4461
4462 \Subsection{Switching Worlds}{switching-worlds}
4463
4464 \ToDo{This has all changed: we always leave a closure on top of the
4465 stack if we mean to continue executing it.  The scheduler examines the
4466 top of the stack and tries to guess which world we want to be in.  If
4467 it finds a @BCO@, it certainly enters Hugs, if it finds a @GHC@
4468 closure, it certainly enters GHC and if it finds a standard closure,
4469 it is free to choose either one but it's probably best to enter GHC
4470 for everything except @BCO@s and perhaps @AP@s.}
4471
4472 Because this is a combined compiled/interpreted system, the
4473 interpreter will sometimes encounter compiled code, and vice-versa.
4474
4475 All world-switches go via the scheduler, ensuring that the world is in
4476 a known state ready to enter either compiled code or the interpreter.
4477 When a thread is run from the scheduler, the @whatNext@ field in the
4478 TSO (\secref{TSO}) is checked to find out how to execute the
4479 thread.
4480
4481 \begin{itemize}
4482 \item If @whatNext@ is set to @ReturnGHC@, we load up the required
4483 registers from the TSO and jump to the address at the top of the user
4484 stack.
4485 \item If @whatNext@ is set to @EnterGHC@, we load up the required
4486 registers from the TSO and enter the closure pointed to by the top
4487 word of the stack.
4488 \item If @whatNext@ is set to @EnterHugs@, we enter the top thing on
4489 the stack, using the interpreter.
4490 \end{itemize}
4491
4492 There are four cases we need to consider:
4493
4494 \begin{enumerate}
4495 \item A GHC thread enters a Hugs-built closure.
4496 \item A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address.
4497 \item A Hugs thread enters a GHC-built closure.
4498 \item A Hugs thread returns to a Hugs-compiled return address.
4499 \end{enumerate}
4500
4501 GHC-compiled modules cannot call functions in a Hugs-compiled module
4502 directly, because the compiler has no information about arities in the
4503 external module.  Therefore it must assume any top-level objects are
4504 CAFs, and enter their closures.
4505
4506 \ToDo{Hugs-built constructors?}
4507
4508 We now examine the various cases one by one and describe how the
4509 switch happens in each situation.
4510
4511 \subsection{A GHC thread enters a Hugs-built closure}
4512 \label{sec:ghc-to-hugs-switch}
4513
4514 There is three possibilities: GHC has entered a @PAP@, or it has
4515 entered a @AP@, or it has entered the BCO directly (for a top-level
4516 function closure).  @AP@s and @PAP@s are ``standard closures'' and
4517 so do not require us to enter the bytecode interpreter.
4518
4519 The entry code for a BCO does the following:
4520
4521 \begin{itemize}
4522 \item Push the address of the object entered on the stack.
4523 \item Save the current state of the thread in its TSO.
4524 \item Return to the scheduler, setting @whatNext@ to @EnterHugs@.
4525 \end{itemize}
4526
4527 BCO's for thunks and functions have the same entry conventions as
4528 slow entry points: they expect to find their arguments on the stac
4529 with unboxed arguments preceded by appropriate tags.
4530
4531 \subsection{A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address}
4532 \label{sec:ghc-to-hugs-switch}
4533
4534 Hugs return addresses are laid out as in \figref{hugs-return-stack}.
4535 If GHC is returning, it will return to the address at the top of the
4536 stack, namely @HUGS_RET@.  The code at @HUGS_RET@ performs the
4537 following:
4538
4539 \begin{itemize}
4540 \item pushes \Arg{1} (the return value) on the stack.
4541 \item saves the thread state in the TSO
4542 \item returns to the scheduler with @whatNext@ set to @EnterHugs@.
4543 \end{itemize}
4544
4545 \noindent When Hugs runs, it will enter the return value, which will
4546 return using the correct Hugs convention
4547 (\secref{hugs-return-convention}) to the return address underneath it
4548 on the stack.
4549
4550 \subsection{A Hugs thread enters a GHC-compiled closure}
4551 \label{sec:hugs-to-ghc-switch}
4552
4553 Hugs can recognise a GHC-built closure as not being one of the
4554 following types of object:
4555
4556 \begin{itemize}
4557 \item A @BCO@,
4558 \item A @AP@,
4559 \item A @PAP@,
4560 \item An indirection, or
4561 \item A constructor.
4562 \end{itemize}
4563
4564 When Hugs is called on to enter a GHC closure, it executes the
4565 following sequence of instructions:
4566
4567 \begin{itemize}
4568 \item Push the address of the closure on the stack.
4569 \item Save the current state of the thread in the TSO.
4570 \item Return to the scheduler, with the @whatNext@ field set to
4571 @EnterGHC@.
4572 \end{itemize}
4573
4574 \subsection{A Hugs thread returns to a GHC-compiled return address}
4575 \label{sec:hugs-to-ghc-switch}
4576
4577 When Hugs encounters a return address on the stack that is not
4578 @HUGS_RET@, it knows that a world-switch is required.  At this point
4579 the stack contains a pointer to the return value, followed by the GHC
4580 return address.  The following sequence is then performed:
4581
4582 \begin{itemize}
4583 \item save the state of the thread in the TSO.
4584 \item return to the scheduler, setting @whatNext@ to @EnterGHC@.
4585 \end{itemize}
4586
4587 The first thing that GHC will do is enter the object on the top of the
4588 stack, which is a pointer to the return value.  This value will then
4589 return itself to the return address using the GHC return convention.
4590
4591
4592 \fi
4593
4594
4595 \part{History}
4596
4597 We're nuking the following:
4598
4599 \begin{itemize}
4600 \item
4601   Two stacks
4602
4603 \item
4604   Return in registers.
4605   This lets us remove update code pointers from info tables,
4606   removes the need for phantom info tables, simplifies 
4607   semi-tagging, etc.
4608
4609 \item
4610   Threaded GC.
4611   Careful analysis suggests that it doesn't buy us very much
4612   and it is hard to work with.
4613
4614   Eliminating threaded GCs eliminates the desire to share SMReps
4615   so they are (once more) part of the Info table.
4616
4617 \item
4618   RetReg.
4619   Doesn't buy us anything on a register-poor architecture and
4620   isn't so important if we have semi-tagging.
4621
4622 @
4623     - Probably bad on register poor architecture 
4624     - Can avoid need to write return address to stack on reg rich arch.
4625       - when a function does a small amount of work, doesn't 
4626         enter any other thunks and then returns.
4627         eg entering a known constructor (but semitagging will catch this)
4628     - Adds complications
4629 @
4630
4631 \item
4632   Update in place
4633
4634   This lets us drop CONST closures and CHARLIKE closures (assuming we
4635   don't support Unicode).  The only point of these closures was to 
4636   avoid updating with an indirection.
4637
4638   We also drop @MIN_UPD_SIZE@ --- all we need is space to insert an
4639   indirection or a black hole.
4640
4641 \item
4642   STATIC SMReps are now called CONST
4643
4644 \item
4645   @MUTVAR@ is new
4646
4647 \item The profiling ``kind'' field is now encoded in the @INFO_TYPE@ field.
4648 This identifies the general sort of the closure for profiling purposes.
4649
4650 \item Various papers describe deleting update frames for unreachable objects.
4651   This has never been implemented and we don't plan to anytime soon.
4652
4653 \end{itemize}
4654
4655
4656 \end{document}
4657
4658