[project @ 1997-09-24 16:19:53 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 think it would be worth making the connection with CPS explicit.
9 %   Now that we have explicit activation records (on the stack), we can
10 %   explain the whole system in terms of CPS and tail calls --- with the
11 %   one requirement that we carefuly distinguish stack-allocated objects
12 %   from heap-allocated objects.
13
14
15 % \documentstyle[preprint]{acmconf}
16 \documentclass[11pt]{article}
17 \oddsidemargin 0.1 in       %   Note that \oddsidemargin = \evensidemargin
18 \evensidemargin 0.1 in
19 \marginparwidth 0.85in    %   Narrow margins require narrower marginal notes
20 \marginparsep 0 in 
21 \sloppy
22
23 \newcommand{\note}[1]{{\em Note: #1}}
24 % DIMENSION OF TEXT:
25 \textheight 8.5 in
26 \textwidth 6.25 in
27
28 \topmargin 0 in
29 \headheight 0 in
30 \headsep .25 in
31
32
33 \setlength{\parskip}{0.15cm}
34 \setlength{\parsep}{0.15cm}
35 \setlength{\topsep}{0cm}        % Reduces space before and after verbatim,
36                                 % which is implemented using trivlist 
37 \setlength{\parindent}{0cm}
38
39 \renewcommand{\textfraction}{0.2}
40 \renewcommand{\floatpagefraction}{0.7}
41
42 \begin{document}
43
44 \newcommand{\ToDo}[1]{{{\bf ToDo:}\sl #1}}
45 \newcommand{\Arg}[1]{\mbox{${\tt arg}_{#1}$}}
46 \newcommand{\bottom}{bottom} % foo, can't remember the symbol name
47
48 \title{The STG runtime system (revised)}
49 \author{Simon Peyton Jones \\ Glasgow University and Oregon Graduate Institute \and
50 Alastair Reid \\ Yale University} 
51
52 \maketitle
53
54 \tableofcontents
55 \newpage
56
57 \section{Introduction}
58
59 This document describes the GHC/Hugs run-time system.  It serves as 
60 a Glasgow/Yale/Nottingham ``contract'' about what the RTS does.
61
62 \subsection{New features compared to GHC 2.04}
63
64 \begin{itemize}
65 \item The RTS supports mixed compiled/interpreted execution, so
66 that a program can consist of a mixture of GHC-compiled and Hugs-interpreted
67 code.
68
69 \item CAFs are only retained if they are
70 reachable.  Since they are referred to by implicit references buried
71 in code, this means that the garbage collector must traverse the whole
72 accessible code tree.  This feature eliminates a whole class of painful
73 space leaks.
74
75 \item A running thread has only one stack, which contains a mixture
76 of pointers and non-pointers.  Section~\ref{sect:stacks} describes how
77 we find out which is which.  (GHC has used two stacks for some while.
78 Using one stack instead of two reduces register pressure, reduces the
79 size of update frames, and eliminates
80 ``stack-stubbing'' instructions.)
81
82 \end{itemize} 
83
84 \subsection{Wish list}
85
86 Here's a list of things we'd like to support in the future.
87 \begin{itemize}
88 \item Interrupts, speculative computation.
89
90 \item
91 The SM could tune the size of the allocation arena, the number of
92 generations, etc taking into account residency, GC rate and page fault
93 rate.
94
95 \item
96 There should be no need to specify the amnount of stack/heap space to
97 allocate when you started a program - let it just take as much or as
98 little as it wants.  (It might be useful to be able to specify maximum
99 sizes and to be able to suggest an initial size.)
100
101 \item 
102 We could trigger a GC when all threads are blocked waiting for IO if
103 the allocation arena (or some of the generations) are nearly full.
104
105 \end{itemize}
106
107 \subsection{Configuration}
108
109 Some of the above features are expensive or less portable, so we
110 envision building a number of different configurations supporting
111 different subsets of the above features.
112
113 You can make the following choices:
114 \begin{itemize}
115 \item
116 Support for concurrency or parallelism.  There are four 
117 mutually-exclusive choices.
118
119 \begin{description}
120 \item[@SEQUENTIAL@] No concurrency or parallelism support.
121   This configuration might not support interrupt recovery.
122 \item[@CONCURRENT@]  Support for concurrency but not for parallelism.
123 \item[@CONCURRENT@+@GRANSIM@] Concurrency support and simulated parallelism.
124 \item[@CONCURRENT@+@PARALLEL@]     Concurrency support and real parallelism.
125 \end{description}
126
127 \item @PROFILING@ adds cost-centre profiling.
128
129 \item @TICKY@ gathers internal statistics (often known as ``ticky-ticky'' code).
130
131 \item @DEBUG@ does internal consistency checks.
132
133 \item Persistence. (well, not yet).
134
135 \item
136 Which garbage collector to use.  At the moment we
137 only anticipate one, however.
138 \end{itemize}
139
140 \subsection{Terminology}
141
142 \begin{itemize}
143
144 \item A {\em word} is (at least) 32 bits and can hold either a signed
145 or an unsigned int.
146
147 \item A {\em pointer} is (at least) 32 bits and big enough to hold a
148 function pointer or a data pointer.  
149
150 \item A {\em closure} is a (representation of) a value of a {\em pointed}
151  type.  It may be in HNF or it may be unevaluated --- in either case, you can
152  try to evaluate it again.
153
154 \item A {\em thunk} is a (representation of) a value of a {\em pointed}
155  type which is {\em not} in HNF.
156
157 \end{itemize}
158
159 Occasionally, a field of a data structure must hold either a word or a
160 pointer.  In such circumstances, it is {\em not safe} to assume that
161 words and pointers are the same size.
162
163 % Todo:
164 % More terminology to mention.
165 % unboxed, unpointed
166
167 There are a few other system invariants which need to be mentioned ---
168 though not necessarily here:
169
170 \begin{itemize}
171
172 \item The garbage collector never expands an object when it promotes
173 it to the old generation.  This is important because the GC avoids
174 performing heap overflow checks by assuming that the amount added to
175 the old generation is no bigger than the current new generation.
176
177 \end{itemize}
178
179
180 \section{The Scheduler}
181
182 The Scheduler is the heart of the run-time system.  A running program
183 consists of a single running thread, and a list of runnable and
184 blocked threads.  The running thread returns to the scheduler when any
185 of the following conditions arises:
186
187 \begin{itemize}
188 \item A heap check fails, and a garbage collection is required
189 \item Compiled code needs to switch to interpreted code, and vice
190 versa.
191 \item The thread becomes blocked.
192 \item The thread is preempted.
193 \end{itemize}
194
195 A running system has a global state, consisting of
196
197 \begin{itemize}
198 \item @Hp@, the current heap pointer, which points to the next
199 available address in the Heap.
200 \item @HpLim@, the heap limit pointer, which points to the end of the
201 heap.
202 \item The Thread Preemption Flag, which is set whenever the currently
203 running thread should be preempted at the next opportunity.
204 \end{itemize}
205
206 Each thread has a thread-local state, which consists of
207
208 \begin{itemize}
209 \item @TSO@, the Thread State Object for this thread.  This is a heap
210 object that is used to store the current thread state when the thread
211 is blocked or sleeping.
212 \item @Sp@, the current stack pointer.
213 \item @Su@, the current stack update frame pointer.  This register
214 points to the most recent update frame on the stack, and is used to
215 calculate the number of arguments available when entering a function.
216 \item @SpLim@, the stack limit pointer.  This points to the end of the
217 current stack chunk.
218 \item Several general purpose registers, used for passing arguments to
219 functions.
220 \end{itemize}
221
222 \noindent and various other bits of information used in specialised
223 circumstances, such as profiling and parallel execution.  These are
224 described in the appropriate sections.
225
226 The following is pseudo-code for the inner loop of the scheduler
227 itself.
228
229 @
230 while (threads_exist) {
231   // handle global problems: GC, parallelism, etc
232   if (need_gc) gc();  
233   if (external_message) service_message();
234   // deal with other urgent stuff
235
236   pick a runnable thread;
237   do {
238     switch (thread->whatNext) {
239       case (RunGHC  pc): status=runGHC(pc);  break;
240       case (RunHugs bc): status=runHugs(bc); break;
241     }
242     switch (status) {  // handle local problems
243       case (StackOverflow): enlargeStack; break;
244       case (Error e)      : error(thread,e); break;
245       case (ExitWith e)   : exit(e); break;
246       case (Yield)        : break;
247     }
248   } while (thread_runnable);
249 }
250 @
251
252 Optimisations to avoid excess trampolining from Hugs into itself.
253 How do we invoke GC, ccalls, etc.
254 General ccall (@ccall-GC@) and optimised ccall.
255
256 \section{Evaluation}
257
258 This section describes the framework in which compiled code evaluates
259 expressions.  Only at certain points will compiled code need to be
260 able to talk to the interpreted world; these are discussed in Section
261 \ref{sec:hugs-ghc-interaction}.
262
263 \subsection{Calling conventions}
264
265 \subsubsection{The call/return registers}
266
267 One of the problems in designing a virtual machine is that we want it
268 abstract away from tedious machine details but still reveal enough of
269 the underlying hardware that we can make sensible decisions about code
270 generation.  A major problem area is the use of registers in
271 call/return conventions.  On a machine with lots of registers, it's
272 cheaper to pass arguments and results in registers than to pass them
273 on the stack.  On a machine with very few registers, it's cheaper to
274 pass arguments and results on the stack than to use ``virtual
275 registers'' in memory.  We therefore use a hybrid system: the first
276 $n$ arguments or results are passed in registers; and the remaining
277 arguments or results are passed on the stack.  For register-poor
278 architectures, it is important that we allow $n=0$.
279
280 We'll label the arguments and results \Arg{1} \ldots \Arg{m} --- with
281 the understanding that \Arg{1} \ldots \Arg{n} are in registers and
282 \Arg{n+1} \ldots \Arg{m} are on top of the stack.
283
284 Note that the mapping of arguments \Arg{1} \ldots \Arg{n} to machine
285 registers depends on the {\em kinds} of the arguments.  For example,
286 if the first argument is a Float, we might pass it in a different
287 register from if it is an Int.  In fact, we might find that a given
288 architecture lets us pass varying numbers of arguments according to
289 their types.  For example, if a CPU has 2 Int registers and 2 Float
290 registers then we could pass between 2 and 4 arguments in machine
291 registers --- depending on whether they all have the same kind or they
292 have different kinds.
293
294 \subsubsection{Entering closures}
295
296 To evaluate a closure we jump to the entry code for the closure
297 passing a pointer to the closure in \Arg{1} so that the entry code can
298 access its environment.
299
300 \subsubsection{Function call}
301
302 The function-call mechanism is obviously crucial.  There are five different
303 cases to consider:
304 \begin{enumerate}
305
306 \item {\em Known combinator (function with no free variables) and enough arguments.}  
307
308 A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
309 function's {\em fast entry point} passing arguments in \Arg{1} \ldots
310 \Arg{m}.  
311
312 The {\em fast entry point} is only called with exactly the right
313 number of arguments (in \Arg{1} \ldots \Arg{m}) so it can instantly
314 start doing useful work without first testing whether it has enough
315 registers or having to pop them off the stack first.
316
317 \item {\em Known combinator and insufficient arguments.}
318
319 A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to
320 function's {\em slow entry point}.
321
322 Any unpointed arguments which are pushed on the stack must be tagged.
323 This means pushing an extra word on the stack below the unpointed
324 words, containing the number of unpointed words above it.
325
326 %Todo: forward ref about tagging?
327 %Todo: picture?
328
329 The {\em slow entry point} might be called with insufficient arguments
330 and so it must test whether there are enough arguments on the stack.
331 This {\em argument satisfaction check} consists of checking that
332 @Su-Sp@ is big enough to hold all the arguments (including any tags).
333
334 \begin{itemize} 
335
336 \item If the argument satisfaction check fails, it is because there is
337 one or more update frames on the stack before the rest of the
338 arguments that the function needs.  In this case, we construct a PAP
339 (partial application, section~\ref{sect:PAP}) containing the arguments
340 which are on the stack.  The PAP construction code will return to the
341 update frame with the address of the PAP in \Arg{1}.
342
343 \item If the argument satisfaction check succeeds, we jump to the fast
344 entry point with the arguments in \Arg{1} \ldots \Arg{arity}.
345
346 If the fast entry point expects to receive some of \Arg{i} on the
347 stack, we can reduce the amount of movement required by making the
348 stack layout for the fast entry point look like the stack layout for
349 the slow entry point.  Since the slow entry point is entered with the
350 first argument on the top of the stack and with tags in front of any
351 unpointed arguments, this means that if \Arg{i} is unpointed, there
352 should be space below it for a tag and that the highest numbered
353 argument should be passed on the top of the stack.
354
355 We usually arrange that the fast entry point is placed immediately
356 after the slow entry point --- so we can just ``fall through'' to the
357 fast entry point without performing a jump.
358
359 \end{itemize}
360
361
362 \item {\em Known function closure (function with free variables) and enough arguments.}
363
364 A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
365 function's {\em fast entry point} passing a pointer to closure in
366 \Arg{1} and arguments in \Arg{2} \ldots \Arg{m+1}.
367
368 Like the fast entry point for a combinator, the fast entry point for a
369 closure is only called with appropriate values in \Arg{1} \ldots
370 \Arg{m+1} so we can start work straight away.  The pointer to the
371 closure is used to access the free variables of the closure.
372
373
374 \item {\em Known function closure and insufficient arguments.}
375
376 A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to the
377 closure's slow entry point passing a pointer to the closure in \Arg{1}.
378
379 Again, the slow entry point performs an argument satisfaction check
380 and either builds a PAP or pops the arguments off the stack into
381 \Arg{2} \ldots \Arg{m+1} and jumps to the fast entry point.
382
383
384 \item {\em Unknown function closure or thunk.}
385
386 Sometimes, the function being called is not statically identifiable.
387 Consider, for example, the @compose@ function:
388 @
389   compose f g x = f (g x)
390 @
391 Since @f@ and @g@ are passed as arguments to @compose@, the latter has
392 to make a heap call.  In a heap call the arguments are pushed onto the
393 stack, and the closure bound to the function is entered.  In the
394 example, a thunk for @(g x)@ will be allocated, (a pointer to it)
395 pushed on the stack, and the closure bound to @f@ will be
396 entered. That is, we will jump to @f@s entry point passing @f@ in
397 \Arg{1}.  If \Arg{1} is passed on the stack, it is pushed on top of
398 the thunk for @(g x)@.
399
400 The {\em entry code} for an updateable thunk (which must have arity 0)
401 pushes an update frame on the stack and starts executing the body of
402 the closure --- using \Arg{1} to access any free variables.  This is
403 described in more detail in section~\ref{sect:data-updates}.
404
405 The {\em entry code} for a non-updateable closure is just the
406 closure's slow entry point.
407
408 \end{enumerate}
409
410 In addition to the above considerations, if there are \emph{too many}
411 arguments then the extra arguments are simply pushed on the stack with
412 appropriate tags.
413
414 To summarise, a closure's standard (slow) entry point performs the following:
415 \begin{description}
416 \item[Argument satisfaction check.] (function closure only)
417 \item[Stack overflow check.]
418 \item[Heap overflow check.]
419 \item[Copy free variables out of closure.] %Todo: why?
420 \item[Eager black holing.] (updateable thunk only) %Todo: forward ref.
421 \item[Push update frame.]
422 \item[Evaluate body of closure.]
423 \end{description}
424
425
426 \subsection{Case expressions and return conventions}
427 \label{sect:return-conventions}
428
429 The {\em evaluation} of a thunk is always initiated by
430 a @case@ expression.  For example:
431 @
432   case x of (a,b) -> E
433 @
434
435 The code for a @case@ expression looks like this:
436
437 \begin{itemize}
438 \item Push the free variables of the branches on the stack (fv(@E@) in
439 this case).
440 \item  Push a \emph{return address} on the stack.
441 \item  Evaluate the scrutinee (@x@ in this case).
442 \end{itemize}
443
444 Once evaluation of the scrutinee is complete, execution resumes at the
445 return address, which points to the code for the expression @E@.
446
447 When execution resumes at the return point, there must be some {\em
448 return convention} that defines where the components of the pair, @a@
449 and @b@, can be found.  The return convention varies according to the
450 type of the scrutinee @x@:
451
452 \begin{itemize}
453
454 \item 
455
456 (A space for) the return address is left on the top of the stack.
457 Leaving the return address on the stack ensures that the top of the
458 stack contains a valid activation record
459 (section~\ref{sect:activation-records}) --- should a garbage collection
460 be required.
461
462 \item If @x@ has a pointed type (e.g.~a data constructor or a function),
463 a pointer to @x@ is returned in \Arg{1}.
464
465 \ToDo{Warn that components of E should be extracted as soon as
466 possible to avoid a space leak.}
467
468 \item If @x@ is an unpointed type (e.g.~@Int#@ or @Float#@), @x@ is
469 returned in \Arg{1}
470
471 \item If @x@ is an unpointed tuple constructor, the components of @x@
472 are returned in \Arg{1} \ldots \Arg{n} but no object is constructed in
473 the heap.  Unboxed tuple constructors are useful for functions which
474 want to return multiple values such as those used in an (explicitly
475 encoded) state monad:
476
477 \ToDo{Move stuff about unboxed tuples to a separate section}
478
479 @
480 data unpointed AAndState a = AnS a State
481 type S a = State -> AAndState a
482
483 bindS m k s0 = case m s0 of { AnS s1 a -> k s1 a }
484 returnS a s  = AnS a s
485 @
486
487 Note that unboxed datatypes can only have one constructor and that
488 thunks never have unboxed types --- so we'll never try to update an
489 unboxed constructor.  Unboxed tuples are \emph{never} built on the
490 heap.
491
492 When passing an unboxed tuple to a function, the components are
493 flattened out and passed in \Arg{1} \ldots \Arg{n} as usual.
494
495 \end{itemize}
496
497 \subsection{Vectored Returns}
498
499 Many algebraic data types have more than one constructor.  For
500 example, the @Maybe@ type is defined like this:
501 @
502   data Maybe a = Nothing | Just a
503 @
504 How does the return convention encode which of the two constructors is
505 being returned?  A @case@ expression scrutinising a value of @Maybe@
506 type would look like this: 
507 @
508   case E of 
509     Nothing -> ...
510     Just a  -> ...
511 @
512 Rather than pushing a return address before evaluating the scrutinee,
513 @E@, the @case@ expression pushes (a pointer to) a {\em return
514 vector}, a static table consisting of two code pointers: one for the
515 @Just@ alternative, and one for the @Nothing@ alternative.  
516
517 \begin{itemize}
518
519 \item
520
521 The constructor @Nothing@ returns by jumping to the first item in the
522 return vector with a pointer to a (statically built) Nothing closure
523 in \Arg{1}.  
524
525 It might seem that we could avoid loading \Arg{1} in this case since the
526 first item in the return vector will know that @Nothing@ was returned
527 (and can easily access the Nothing closure in the (unlikely) event
528 that it needs it.  The only reason we load \Arg{1} is in case we have to
529 perform an update (section~\ref{sect:data-updates}).
530
531 \item 
532
533 The constructor @Just@ returns by jumping to the second element of the
534 return vector with a pointer to the closure in \Arg{1}.  
535
536 \end{itemize}
537
538 In this way no test need be made to see which constructor returns;
539 instead, execution resumes immediately in the appropriate branch of
540 the @case@.
541
542 \subsection{Direct Returns}
543
544 When a datatype has a large number of constructors, it may be
545 inappropriate to use vectored returns.  The vector tables may be
546 large and sparse, and it may be better to identify the constructor
547 using a test-and-branch sequence on the tag.  For this reason, we
548 provide an alternative return convention, called a \emph{direct
549 return}.
550
551 In a direct return, the return address pushed on the stack really is a
552 code pointer.  The returning code loads a pointer to the closure being
553 returned in \Arg{1} as usual, and also loads the tag into \Arg{2}.
554 The code at the return address will test the tag and jump to the
555 appropriate code for the case branch.
556
557 The choice of whether to use a vectored return or a direct return is
558 made on a type-by-type basis --- up to a certain maximum number of
559 constructors imposed by the update mechanism
560 (section~\ref{sect:data-updates}).
561
562 Single-constructor data types also use direct returns, although in
563 that case there is no need to return a tag in \Arg{2}.
564
565 \ToDo{Say whether we pop the return address before returning}
566
567 \ToDo{Stack stubbing?}
568
569 \subsection{Updates}
570 \label{sect:data-updates}
571
572 The entry code for an updatable thunk (which must also be of arity 0):
573
574 \begin{itemize}
575 \item copies the free variables out of the thunk into registers or
576   onto the stack.
577 \item pushes an {\em update frame} onto the stack.
578
579 An update frame is a small activation record consisting of
580 \begin{center}
581 \begin{tabular}{|l|l|l|}
582 \hline
583 {\em Fixed header} & {\em Update Frame link} & {\em Updatee} \\
584 \hline
585 \end{tabular}
586 \end{center}
587
588 \note{In the semantics part of the STG paper (section 5.6), an update
589 frame consists of everything down to the last update frame on the
590 stack.  This would make sense too --- and would fit in nicely with
591 what we're going to do when we add support for speculative
592 evaluation.}
593 \ToDo{I think update frames contain cost centres sometimes}
594
595 \item 
596 If we are doing ``eager blackholing,'' we then overwrite the thunk
597 with a black hole.  Otherwise, we leave it to the garbage collector to
598 black hole the thunk.
599
600 \item 
601 Start evaluating the body of the expression.
602
603 \end{itemize}
604
605 When the expression finishes evaluation, it will enter the update
606 frame on the top of the stack.  Since the returner doesn't know
607 whether it is entering a normal return address/vector or an update
608 frame, we follow exactly the same conventions as return addresses and
609 return vectors.  That is, on entering the update frame:
610
611 \begin{itemize} 
612 \item The value of the thunk is in \Arg{1}.  (Recall that only thunks
613 are updateable and that thunks return just one value.)
614
615 \item If the data type is a direct-return type rather than a
616 vectored-return type, then the tag is in \Arg{2}.
617
618 \item The update frame is still on the stack.
619 \end{itemize}
620
621 We can safely share a single statically-compiled update function
622 between all types.  However, the code must be able to handle both
623 vectored and direct-return datatypes.  This is done by arranging that
624 the update code looks like this:
625
626 @
627                 |       ^       |
628                 | return vector |
629                 |---------------|
630                 |  fixed-size   |
631                 |  info table   |
632                 |---------------|  <- update code pointer
633                 |  update code  |
634                 |       v       |
635 @
636
637 Each entry in the return vector (which is large enough to cover the
638 largest vectored-return type) points to the update code.
639
640 The update code:
641 \begin{itemize}
642 \item overwrites the {\em updatee} with an indirection to \Arg{1};
643 \item loads @Su@ from the Update Frame link;
644 \item removes the update frame from the stack; and 
645 \item enters \Arg{1}.
646 \end{itemize}
647
648 We enter \Arg{1} again, having probably just come from there, because
649 it knows whether to perform a direct or vectored return.  This could
650 be optimised by compiling special update code for each slot in the
651 return vector, which performs the correct return.
652
653 \subsection{Semi-tagging}
654 \label{sect:semi-tagging}
655
656 When a @case@ expression evaluates a variable that might be bound
657 to a thunk it is often the case that the scrutinee is already evaluated.
658 In this case we have paid the penalty of (a) pushing the return address (or
659 return vector address) on the stack, (b) jumping through the info pointer
660 of the scrutinee, and (c) returning by an indirect jump through the
661 return address on the stack.
662
663 If we knew that the scrutinee was already evaluated we could generate
664 (better) code which simply jumps to the appropriate branch of the @case@
665 with a pointer to the scrutinee in \Arg{1}.
666
667 An obvious idea, therefore, is to test dynamically whether the heap
668 closure is a value (using the tag in the info table).  If not, we
669 enter the closure as usual; if so, we jump straight to the appropriate
670 alternative.  Here, for example, is pseudo-code for the expression
671 @(case x of { (a,_,c) -> E }@:
672 @
673       \Arg{1} = <pointer to x>;
674       tag = \Arg{1}->entry->tag;
675       if (isWHNF(tag)) {
676           Sp--;  \\ insert space for return address
677           goto ret;
678       }
679       push(ret);           
680       goto \Arg{1}->entry;
681       
682       <info table for return address goes here>
683 ret:  a = \Arg{1}->data1; \\ suck out a and c to avoid space leak
684       c = \Arg{1}->data3;
685       <code for E2>
686 @
687 and here is the code for the expression @(case x of { [] -> E1; x:xs -> E2 }@:
688 @
689       \Arg{1} = <pointer to x>;
690       tag = \Arg{1}->entry->tag;
691       if (isWHNF(tag)) {
692           Sp--;  \\ insert space for return address
693           goto retvec[tag];
694       }
695       push(retinfo);          
696       goto \Arg{1}->entry;
697       
698       .addr ret2
699       .addr ret1
700 retvec:           \\ reversed return vector
701       <return info table for case goes here>
702 retinfo:
703       panic("Direct return into vectored case");
704       
705 ret1: <code for E1>
706
707 ret2: x  = \Arg{1}->head;
708       xs = \Arg{1}->tail;
709       <code for E2>
710 @
711 There is an obvious cost in compiled code size (but none in the size
712 of the bytecodes).  There is also a cost in execution time if we enter
713 more thunks than data constructors.
714
715 Both the direct and vectored returns are easily modified to chase chains
716 of indirections too.  In the vectored case, this is most easily done by
717 making sure that @IND = TAG_1 - 1@, and adding an extra field to every
718 return vector.  In the above example, the indirection code would be
719 @
720 ind:  \Arg{1} = \Arg{1}->next;
721       goto ind_loop;
722 @
723 where @ind_loop@ is the second line of code.
724
725 Note that we have to leave space for a return address since the return
726 address expects to find one.  If the body of the expression requires a
727 heap check, we will actually have to write the return address before
728 entering the garbage collector.
729
730
731 \subsection{Heap and Stack Checks}
732
733 \note{I reckon these deserve a subsection of their own}
734
735 Don't move heap pointer before success occurs.
736 Talk about how stack check looks ahead into the branches of case expressions.
737
738 \subsection{Handling interrupts/signals}
739
740 @
741 May have to keep C stack pointer in register to placate OS?
742 May have to revert black holes - ouch!
743 @
744
745 \section{Switching Worlds}
746
747 Because this is a combined compiled/interpreted system, the
748 interpreter will sometimes encounter compiled code, and vice-versa.
749
750 There are six cases we need to consider:
751
752 \begin{enumerate}
753 \item A GHC thread enters a Hugs-built thunk.
754 \item A GHC thread calls a Hugs-compiled function.
755 \item A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address.
756 \item A Hugs thread enters a GHC-built thunk.
757 \item A Hugs thread calls a GHC-compiled function.
758 \item A Hugs thread returns to a Hugs-compiled return address.
759 \end{enumerate}
760
761 \subsection{A GHC thread enters a Hugs-built thunk}
762
763 A Hugs-built thunk looks like this:
764
765 \begin{center}
766 \begin{tabular}{|l|l|}
767 \hline
768 \emph{Hugs} & \emph{Hugs-specific information} \\
769 \hline
770 \end{tabular}
771 \end{center}
772
773 \noindent where \emph{Hugs} is a pointer to a small
774 statically-compiled piece of code that does the following:
775
776 \begin{itemize}
777 \item Push the address of the thunk on the stack.
778 \item Push @entertop@ on the stack.
779 \item Save the current state of the thread in the TSO.
780 \item Return to the scheduler, with the @whatNext@ field set to
781 @RunHugs@.
782 \end{itemize}
783
784 \noindent where @entertop@ is a small statically-compiled piece of
785 code that does the following:
786
787 \begin{itemize}
788 \item pop the return address from the stack.
789 \item pop the next word off the stack into \Arg{1}.
790 \item enter \Arg{1}.
791 \end{itemize}
792
793 The infotable for @entertop@ has some byte-codes attached that do
794 essentially the same thing if the code is entered from Hugs.
795
796 \subsection{A GHC thread calls a Hugs-compiled function}
797
798 How do we do this?
799
800 \subsection{A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address}
801
802 When Hugs pushes return addresses on the stack, they look like this:
803
804 @
805         |               |
806         |_______________|
807         |               |  -----> bytecode object
808         |_______________|
809         |               |  _____
810         |_______________|       |___ GHC-friendly return code
811                                         _____
812                                         |    |
813                                         |    | Info Table
814                                         |____|
815                                         .    .
816                                         .    . Code
817                                         .    .
818 @
819
820 If GHC is returning, it will return to the address at the top of the
821 stack.  The code at this address
822
823 \begin{itemize}
824 \item saves the thread state in the TSO
825 \item returns to the scheduler with a @whatNext@ field of @RunHugs@.
826 \end{itemize}
827
828 If Hugs is returning to one of these addresses, it can spot the
829 special return address at the top and instead jump to the bytecodes
830 pointed to by the second word on the stack.
831
832 \subsection{A Hugs thread enters a GHC-compiled thunk}
833
834 When Hugs is called on to enter a non-Hugs closure (these are
835 recognisable by the lack of a \emph{Hugs} pointer at the front), the
836 following sequence of instructions is executed:
837
838 \begin{itemize}
839 \item Push the address of the thunk on the stack.
840 \item Push @entertop@ on the stack.
841 \item Save the current state of the thread in the TSO.
842 \item Return to the scheduler, with the @whatNext@ field set to
843 @RunGHC@.
844 \end{itemize}
845
846 \subsection{A Hugs thread calls a GHC-compiled function}
847
848 Hugs never calls GHC-functions directly, it only enters closures
849 (which point to the slow entry point for the function).  Hence in this
850 case, we just push the arguments on the stack and proceed as for a
851 thunk.
852
853 \subsection{A Hugs thread returns to a GHC-compiled return address}
854
855 \section{Heap objects}
856 \label{sect:fixed-header}
857
858 \ToDo{Fix this picture}
859
860 \begin{figure}
861 \begin{center}
862 \input{closure}
863 \end{center}
864 \caption{A closure}
865 \label{fig:closure}
866 \end{figure}
867
868 Every {\em heap object}, or {\em closure} is a contiguous block
869 of memory, consisting of a fixed-format {\em header} followed
870 by zero or more {\em data words}.
871 The header consists of
872 the following fields:
873 \begin{itemize}
874 \item A one-word {\em info pointer}, which points to
875 the object's static {\em info table}.
876 \item Zero or more {\em admin words} that support
877 \begin{itemize}
878 \item Profiling (notably a {\em cost centre} word).
879   \note{We could possibly omit the cost centre word from some 
880   administrative objects.}
881 \item Parallelism (e.g. GranSim keeps the object's global address here,
882 though GUM keeps a separate hash table).
883 \item Statistics (e.g. a word to track how many times a thunk is entered.).
884
885 We add a Ticky word to the fixed-header part of closures.  This is
886 used to record indicate if a closure has been updated but not yet
887 entered. It is set when the closure is updated and cleared when
888 subsequently entered.
889
890 NB: It is {\em not} an ``entry count'', it is an
891 ``entries-after-update count.''  The commoning up of @CONST@,
892 @CHARLIKE@ and @INTLIKE@ closures is turned off(?) if this is
893 required. This has only been done for 2s collection.
894
895
896
897 \end{itemize}
898 \end{itemize}
899 Most of the RTS is completely insensitive to the number of admin words.
900 The total size of the fixed header is @FIXED_HS@.
901
902 Many heap objects contain fields allowing them to be inserted onto lists
903 during evaluation or during garbage collection. The lists required by
904 the evaluator and storage manager are as follows.
905
906 \begin{itemize}
907 \item 2 lists of threads: runnable threads and sleeping threads.
908
909 \item The {\em static object list} is a list of all statically
910 allocated objects which might contain pointers into the heap.
911 (Section~\ref{sect:static-objects}.)
912
913 \item The {\em updated thunk list} is a list of all thunks in the old
914 generation which have been updated with an indirection.  
915 (Section~\ref{sect:IND_OLDGEN}.)
916
917 \item The {\em mutables list} is a list of all other objects in the
918 old generation which might contain pointers into the new generation.
919 Most of the object on this list are ``mutable.''
920 (Section~\ref{sect:mutables}.)
921
922 \item The {\em Foreign Object list} is a list of all foreign objects
923  which have not yet been deallocated. (Section~\ref{sect:FOREIGN}.)
924
925 \item The {\em Spark pool} is a doubly(?) linked list of Spark objects
926 maintained by the parallel system.  (Section~\ref{sect:SPARK}.)
927
928 \item The {\em Blocked Fetch list} (or
929 lists?). (Section~\ref{sect:BLOCKED_FETCH}.)
930
931 \item For each thread, there is a list of all update frames on the
932 stack.  (Section~\ref{sect:data-updates}.)
933
934
935 \end{itemize}
936
937 \ToDo{The links for these fields are usually inserted immediately
938 after the fixed header except ...}
939
940 \subsection{Info Tables}
941
942 An {\em info table} is a contiguous block of memory, {\em laid out
943 backwards}.  That is, the first field in the list that follows
944 occupies the highest memory address, and the successive fields occupy
945 successive decreasing memory addresses.
946
947 \begin{center}
948 \begin{tabular}{|c|}
949    \hline Parallelism Info 
950 \\ \hline Profile Info 
951 \\ \hline Debug Info 
952 \\ \hline Tag/bytecode pointer
953 \\ \hline Static reference table 
954 \\ \hline Storage manager layout info
955 \\ \hline Closure type 
956 \\ \hline entry code \ldots
957 \\ \hline
958 \end{tabular}
959 \end{center}
960 An info table has the following contents (working backwards in memory
961 addresses):
962 \begin{itemize}
963 \item The {\em entry code} for the closure.
964 This code appears literally as the (large) last entry in the
965 info table, immediately preceded by the rest of the info table.
966 An {\em info pointer} always points to the first byte of the entry code.
967
968 \item A one-word {\em closure type field}, @INFO_TYPE@, identifies what kind
969 of closure the object is.  The various types of closure are described
970 in Section~\ref{sect:closures}.
971 In some configurations, some useful properties of 
972 closures (is it a HNF?  can it be sparked?)
973 are represented as high-order bits so they can be tested quickly.
974
975 \item A single pointer or word --- the {\em storage manager info field},
976 @INFO_SM@, contains auxiliary information describing the closure's
977 precise layout, for the benefit of the garbage collector and the code
978 that stuffs graph into packets for transmission over the network.
979
980 \item A one-pointer {\em Static Reference Table (SRT) pointer}, @INFO_SRT@, points to
981 a table which enables the garbage collector to identify all accessible
982 code and CAFs.  They are fully described in Section~\ref{sect:srt}.
983
984 \item A one-pointer {\em tag/bytecode-pointer} field, @INFO_TAG@ or @INFO_BC@.  
985 For data constructors this field contains the constructor tag, in the
986 range $0..n-1$ where $n$ is the number of constructors.
987
988 For other objects that can be entered this field points to the byte
989 codes for the object.  For the constructor case you can think of the
990 tag as the name of a a suitable bytecode sequence but it can also be used to
991 implement semi-tagging (section~\ref{sect:semi-tagging}).
992
993 One awkward question (which may not belong here) is ``how does the
994 bytecode interpreter know whether to do a vectored return?''  The
995 answer is it examines the @INFO_TYPE@ field of the return address:
996 @RET_VEC_@$sz$ requires a vectored return and @RET_@$sz$ requires a
997 direct return.
998
999 \item {\em Profiling info\/}
1000
1001 Closure category records are attached to the info table of the
1002 closure. They are declared with the info table. We put pointers to
1003 these ClCat things in info tables.  We need these ClCat things because
1004 they are mutable, whereas info tables are immutable.  Hashing will map
1005 similar categories to the same hash value allowing statistics to be
1006 grouped by closure category.
1007
1008 Cost Centres and Closure Categories are hashed to provide indexes
1009 against which arbitrary information can be stored. These indexes are
1010 memoised in the appropriate cost centre or category record and
1011 subsequent hashes avoided by the index routine (it simply returns the
1012 memoised index).
1013
1014 There are different features which can be hashed allowing information
1015 to be stored for different groupings. Cost centres have the cost
1016 centre recorded (using the pointer), module and group. Closure
1017 categories have the closure description and the type
1018 description. Records with the same feature will be hashed to the same
1019 index value.
1020
1021 The initialisation routines, @init_index_<feature>@, allocate a hash
1022 table in which the cost centre / category records are stored. The
1023 lower bound for the table size is taken from @max_<feature>_no@. They
1024 return the actual table size used (the next power of 2). Unused
1025 locations in the hash table are indicated by a 0 entry. Successive
1026 @init_index_<feature>@ calls just return the actual table size.
1027
1028 Calls to @index_<feature>@ will insert the cost centre / category
1029 record in the @<feature>@ hash table, if not already inserted. The hash
1030 index is memoised in the record and returned. 
1031
1032 CURRENTLY ONLY ONE MEMOISATION SLOT IS AVILABLE IN EACH RECORD SO
1033 HASHING CAN ONLY BE DONE ON ONE FEATURE FOR EACH RECORD. This can be
1034 easily relaxed at the expense of extra memoisation space or continued
1035 rehashing.
1036
1037 The initialisation routines must be called before initialisation of
1038 the stacks and heap as they require to allocate storage. It is also
1039 expected that the caller may want to allocate additional storage in
1040 which to store profiling information based on the return table size
1041 value(s).
1042
1043 \begin{center}
1044 \begin{tabular}{|l|}
1045    \hline Hash Index
1046 \\ \hline Selected
1047 \\ \hline Kind
1048 \\ \hline Description String
1049 \\ \hline Type String
1050 \\ \hline
1051 \end{tabular}
1052 \end{center}
1053
1054 \begin{description}
1055 \item[Hash Index] Memoised copy
1056 \item[Selected] 
1057   Is this category selected (-1 == not memoised, selected? 0 or 1)
1058 \item[Kind]
1059 One of the following values (defined in CostCentre.lh):
1060
1061 \begin{description}
1062 \item[@CON_K@]
1063 A constructor.
1064 \item[@FN_K@]
1065 A literal function.
1066 \item[@PAP_K@]
1067 A partial application.
1068 \item[@THK_K@]
1069 A thunk, or suspension.
1070 \item[@BH_K@]
1071 A black hole.
1072 \item[@ARR_K@]
1073 An array.
1074 \item[@ForeignObj_K@]
1075 A Foreign object (non-Haskell heap resident).
1076 \item[@SPT_K@]
1077 The Stable Pointer table.  (There should only be one of these but it
1078 represents a form of weak space leak since it can't shrink to meet
1079 non-demand so it may be worth watching separately? ADR)
1080 \item[@INTERNAL_KIND@]
1081 Something internal to the runtime system.
1082 \end{description}
1083
1084
1085 \item[Description] Source derived string detailing closure description.
1086 \item[Type] Source derived string detailing closure type.
1087 \end{description}
1088
1089 \item {\em Parallelism info\/}
1090 \ToDo{}
1091
1092 \item {\em Debugging info\/}
1093 \ToDo{}
1094
1095 \end{itemize}
1096
1097
1098
1099 \section{Kinds of Heap Object}
1100 \label{sect:closures}
1101
1102 Heap objects can be classified in several ways, but one useful one is
1103 this:
1104 \begin{itemize}
1105 \item 
1106 {\em Static closures} occupy fixed, statically-allocated memory
1107 locations, with globally known addresses.
1108
1109 \item 
1110 {\em Dynamic closures} are individually allocated in the heap.
1111
1112 \item 
1113 {\em Stack closures} are closures allocated within a thread's stack
1114 (which is itself a heap object).  Unlike other closures, there are
1115 never any pointers to stack closures.  Stack closures are discussed in
1116 Section~\ref{sect:stacks}.
1117
1118 \end{itemize}
1119 A second useful classification is this:
1120 \begin{itemize}
1121 \item 
1122 {\em Executive closures}, such as thunks and data constructors,
1123 participate directly in a program's execution.  They can be subdivided into
1124 two kinds of objects according to their type:
1125 \begin{itemize}
1126 \item 
1127 {\em Pointed objects}, represent values of a {\em pointed} type
1128 (<.pointed types launchbury.>) --i.e.~a type that includes $\bottom$ such as @Int@ or @Int# -> Int#@.
1129
1130 \item {\em Unpointed objects}, represent values of a {\em unpointed} type --i.e.~a type that does not include $\bottom$ such as @Int#@ or @Array#@.
1131
1132 \item {\em Activation frames}, represent ``continuations''.  They are
1133 always stored on the stack and are never pointed to by heap objects or
1134 passed as arguments.  \note{It's not clear if this will still be true
1135 once we support speculative evaluation.}
1136
1137 \end{itemize}
1138
1139 \item {\em Administrative closures}, such as stack objects and thread
1140 state objects, do not represent values in the original program.
1141 \end{itemize}
1142
1143 Only pointed objects can be entered.  All pointed objects share a
1144 common header format: the ``pointed header''; while all unpointed
1145 objects share a common header format: the ``unpointed header''.
1146 \ToDo{Describe the difference and update the diagrams to mention
1147 an appropriate header type.}
1148
1149 This section enumerates all the kinds of heap objects in the system.
1150 Each is identified by a distinct @INFO_TYPE@ tag in its info table.
1151
1152 \ToDo{Check this table very carefully}
1153
1154 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
1155 \hline
1156
1157 closure kind          & HNF & UPD & NS & STA & THU & MUT & UPT & BH & IND & Section \\
1158
1159 \hline                                                              
1160 {\em Pointed} \\ 
1161 \hline 
1162
1163 @CONSTR@              & 1   &     & 1  &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:CONSTR}    \\
1164 @CONSTR_STATIC@       & 1   &     & 1  & 1   &     &     &     &    &     & \ref{sect:CONSTR}    \\
1165 @CONSTR_STATIC_NOCAF@ & 1   &     & 1  & 1   &     &     &     &    &     & \ref{sect:CONSTR}    \\
1166                                                                                                  
1167 @FUN@                 & 1   &     & ?  &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:FUN}       \\
1168 @FUN_STATIC@          & 1   &     & ?  & 1   &     &     &     &    &     & \ref{sect:FUN}       \\
1169                                                                                                  
1170 @THUNK@               & 1   & 1   &    &     & 1   &     &     &    &     & \ref{sect:THUNK}     \\
1171 @THUNK_STATIC@        & 1   & 1   &    & 1   & 1   &     &     &    &     & \ref{sect:THUNK}     \\
1172 @THUNK_SELECTOR@      & 1   & 1   & 1  &     & 1   &     &     &    &     & \ref{sect:THUNK_SEL}     \\
1173                                                                                                  
1174 @PAP@                 & 1   &     & ?  &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:PAP}       \\
1175                                                                                                  
1176 @IND@                 &     &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1177 @IND_OLDGEN@          & 1   &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1178 @IND_PERM@            &     &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1179 @IND_OLDGEN_PERM@     & 1   &     & 1  &     & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1180 @IND_STATIC@          & ?   &     & 1  & 1   & ?   &     &     &    & 1   & \ref{sect:IND}       \\
1181
1182 \hline
1183 {\em Unpointed} \\ 
1184 \hline
1185
1186
1187 @ARR_WORDS@           & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:ARR_WORDS1},\ref{sect:ARR_WORDS2} \\
1188 @ARR_PTRS@            & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:ARR_PTRS}  \\
1189 @MUTVAR@              & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:MUTVAR}    \\
1190 @MUTARR_PTRS@         & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:MUTARR_PTRS} \\
1191 @MUTARR_PTRS_FROZEN@  & 1   &     & 1  &     &     & 1   & 1   &    &     & \ref{sect:MUTARR_PTRS_FROZEN} \\
1192
1193 @FOREIGN@             & 1   &     & 1  &     &     &     & 1   &    &     & \ref{sect:FOREIGN}   \\
1194
1195 @BH@                  & ?   & 0/1 & 1  &     & ?   & ?   &     & 1  & ?   & \ref{sect:BH}        \\
1196 @MVAR@                &     &     &    &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:MVAR}      \\
1197 @IVAR@                &     &     &    &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:IVAR}      \\
1198 @FETCHME@             &     &     &    &     &     &     &     &    &     & \ref{sect:FETCHME}   \\
1199 \hline
1200 \end{tabular}
1201
1202 Activation frames do not live (directly) on the heap --- but they have
1203 a similar organisation.  The classification bits are all zero in
1204 activation frames.
1205
1206 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
1207 closure kind            & Section                       \\ \hline
1208 @RET_SMALL@             & \ref{sect:activation-records} \\
1209 @RET_VEC_SMALL@         & \ref{sect:activation-records} \\
1210 @RET_BIG@               & \ref{sect:activation-records} \\
1211 @RET_VEC_BIG@           & \ref{sect:activation-records} \\
1212 @UPDATE_FRAME@          & \ref{sect:activation-records} \\
1213 \hline
1214 \end{tabular}
1215
1216 There are also a number of administrative objects.  The classification bits are
1217 all zero in administrative objects.
1218
1219 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
1220 closure kind            & Section                       \\ \hline
1221 @TSO@                   & \ref{sect:TSO}                \\
1222 @STACK_OBJECT@          & \ref{sect:STACK_OBJECT}       \\
1223 @STABLEPTR_TABLE@       & \ref{sect:STABLEPTR_TABLE}    \\
1224 @SPARK_OBJECT@          & \ref{sect:SPARK}              \\
1225 @BLOCKED_FETCH@         & \ref{sect:BLOCKED_FETCH}      \\
1226 \hline
1227 \end{tabular}
1228
1229 \ToDo{I guess the parallel system has something like a stable ptr
1230 table.  Is there any opportunity for sharing code/data structures
1231 here?}
1232
1233
1234 \subsection{Classification bits}
1235
1236 The top bits of the @INFO_TYPE@ tag tells what sort of animal the
1237 closure is.
1238
1239 \begin{tabular}{|l|l|l|}                                                        \hline
1240 Abbrev & Bit & Interpretation                                                   \\ \hline
1241 HNF    & 0   & 1 $\Rightarrow$ Head normal form                                 \\
1242 UPD    & 4   & 1 $\Rightarrow$ May be updated (inconsistent with being a HNF)   \\ 
1243 NS     & 1   & 1 $\Rightarrow$ Don't spark me  (Any HNF will have this set to 1)\\
1244 STA    & 2   & 1 $\Rightarrow$ This is a static closure                         \\
1245 THU    & 8   & 1 $\Rightarrow$ Is a thunk                                       \\
1246 MUT    & 3   & 1 $\Rightarrow$ Has mutable pointer fields                       \\ 
1247 UPT    & 5   & 1 $\Rightarrow$ Has an unpointed type (eg a primitive array)     \\
1248 BH     & 6   & 1 $\Rightarrow$ Is a black hole                                  \\
1249 IND    & 7   & 1 $\Rightarrow$ Is an indirection                                \\
1250 \hline
1251 \end{tabular}
1252
1253 Updatable structures (@_UP@) are thunks that may be shared.  Primitive
1254 arrays (@_BM@ -- Big Mothers) are structures that are always held
1255 in-memory (basically extensions of a closure).  Because there may be
1256 offsets into these arrays, a primitive array cannot be handled as a
1257 FetchMe in the parallel system, but must be shipped in its entirety if
1258 its parent closure is shipped.
1259
1260 The other bits in the info-type field simply give a unique bit-pattern
1261 to identify the closure type.
1262
1263 \iffalse
1264 @
1265 #define _NF                     0x0001  /* Normal form  */
1266 #define _NS                     0x0002  /* Don't spark  */
1267 #define _ST                     0x0004  /* Is static    */
1268 #define _MU                     0x0008  /* Is mutable   */
1269 #define _UP                     0x0010  /* Is updatable (but not mutable) */
1270 #define _BM                     0x0020  /* Is a "primitive" array */
1271 #define _BH                     0x0040  /* Is a black hole */
1272 #define _IN                     0x0080  /* Is an indirection */
1273 #define _TH                     0x0100  /* Is a thunk */
1274
1275
1276
1277 SPEC    
1278 SPEC_N          SPEC | _NF | _NS
1279 SPEC_S          SPEC | _TH
1280 SPEC_U          SPEC | _UP | _TH
1281                 
1282 GEN     
1283 GEN_N           GEN | _NF | _NS
1284 GEN_S           GEN | _TH
1285 GEN_U           GEN | _UP | _TH
1286                 
1287 DYN             _NF | _NS
1288 TUPLE           _NF | _NS | _BM
1289 DATA            _NF | _NS | _BM
1290 MUTUPLE         _NF | _NS | _MU | _BM
1291 IMMUTUPLE       _NF | _NS | _BM
1292 STATIC          _NS | _ST
1293 CONST           _NF | _NS
1294 CHARLIKE        _NF | _NS
1295 INTLIKE         _NF | _NS
1296
1297 BH              _NS | _BH
1298 BH_N            BH
1299 BH_U            BH | _UP
1300                 
1301 BQ              _NS | _MU | _BH
1302 IND             _NS | _IN
1303 CAF             _NF | _NS | _ST | _IN
1304
1305 FM              
1306 FETCHME         FM | _MU
1307 FMBQ            FM | _MU | _BH
1308
1309 TSO             _MU
1310
1311 STKO    
1312 STKO_DYNAMIC    STKO | _MU
1313 STKO_STATIC     STKO | _ST
1314                 
1315 SPEC_RBH        _NS | _MU | _BH
1316 GEN_RBH         _NS | _MU | _BH
1317 BF              _NS | _MU | _BH
1318 INTERNAL        
1319
1320 @
1321 \fi
1322
1323 Notes:
1324
1325 An indirection either points to HNF (post update); or is result of
1326 overwriting a FetchMe, in which case the thing fetched is either
1327 under evaluation (BH), or by now an HNF.  Thus, indirections get NoSpark flag.
1328
1329
1330
1331 \subsection{Pointed Objects}
1332
1333 All pointed objects can be entered.
1334
1335 \subsubsection{Function closures}\label{sect:FUN}
1336
1337 Function closures represent lambda abstractions.  For example,
1338 consider the top-level declaration:
1339 @
1340   f = \x -> let g = \y -> x+y
1341             in g x
1342 @
1343 Both @f@ and @g@ are represented by function closures.  The closure
1344 for @f@ is {\em static} while that for @g@ is {\em dynamic}.
1345
1346 The layout of a function closure is as follows:
1347 \begin{center}
1348 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1349 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} \\ \hline
1350 \end{tabular}
1351 \end{center}
1352 The data words (pointers and non-pointers) are the free variables of
1353 the function closure.  
1354 The number of pointers
1355 and number of non-pointers are stored in the @INFO_SM@ word, in the least significant
1356 and most significant half-word respectively.
1357
1358 There are several different sorts of function closure, distinguished
1359 by their @INFO_TYPE@ field:
1360 \begin{itemize}
1361 \item @FUN@: a vanilla, dynamically allocated on the heap. 
1362
1363 \item $@FUN_@p@_@np$: to speed up garbage collection a number of
1364 specialised forms of @FUN@ are provided, for particular $(p,np)$ pairs,
1365 where $p$ is the number of pointers and $np$ the number of non-pointers.
1366
1367 \item @FUN_STATIC@.  Top-level, static, function closures (such as
1368 @f@ above) have a different
1369 layout than dynamic ones:
1370 \begin{center}
1371 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
1372 {\em Fixed header}  & {\em Static object link} \\ \hline
1373 \end{tabular}
1374 \end{center}
1375 Static function closurs have no free variables.  (However they may refer to other 
1376 static closures; these references are recorded in the function closure's SRT.)
1377 They have one field that is not present in dynamic closures, the {\em static object
1378 link} field.  This is used by the garbage collector in the same way that to-space
1379 is, to gather closures that have been determined to be live but that have not yet
1380 been scavenged.
1381 \note{Static function closures that have no static references, and hence
1382 a null SRT pointer, don't need the static object link field.  Is it worth
1383 taking advantage of this?  See @CONSTR_STATIC_NOCAF@.}
1384 \end{itemize}
1385
1386 Each lambda abstraction, $f$, in the STG program has its own private info table.
1387 The following labels are relevant:
1388 \begin{itemize}
1389 \item $f$@_info@  is $f$'s info table.
1390 \item $f$@_entry@ is $f$'s slow entry point (i.e. the entry code of its
1391 info table; so it will label the same byte as $f$@_info@).
1392 \item $f@_fast_@k$ is $f$'s fast entry point.  $k$ is the number of arguments
1393 $f$ takes; encoding this number in the fast-entry label occasionally catches some nasty
1394 code-generation errors.
1395 \end{itemize}
1396
1397 \subsubsection{Data Constructors}\label{sect:CONSTR}
1398
1399 Data-constructor closures represent values constructed with
1400 algebraic data type constructors.
1401 The general layout of data constructors is the same as that for function
1402 closures.  That is
1403 \begin{center}
1404 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1405 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} \\ \hline
1406 \end{tabular}
1407 \end{center}
1408
1409 The SRT pointer in a data constructor's info table is never used --- the
1410 code for a constructor does not make any static references.
1411 \note{Use it for something else??  E.g. tag?}
1412
1413 There are several different sorts of constructor:
1414 \begin{itemize}
1415 \item @CONSTR@: a vanilla, dynamically allocated constructor.
1416 \item @CONSTR_@$p$@_@$np$: just like $@FUN_@p@_@np$.
1417 \item @CONSTR_INTLIKE@.
1418 A dynamically-allocated heap object that looks just like an @Int@.  The 
1419 garbage collector checks to see if it can common it up with one of a fixed
1420 set of static int-like closures, thus getting it out of the dynamic heap
1421 altogether.
1422
1423 \item @CONSTR_CHARLIKE@:  same deal, but for @Char@.
1424
1425 \item @CONSTR_STATIC@ is similar to @FUN_STATIC@, with the complication that
1426 the layout of the constructor must mimic that of a dynamic constructor,
1427 because a static constructor might be returned to some code that unpacks it.
1428 So its layout is like this:
1429 \begin{center}
1430 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1431 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} & {\em Static object link}\\ \hline
1432 \end{tabular}
1433 \end{center}
1434 The static object link, at the end of the closure, serves the same purpose
1435 as that for @FUN_STATIC@.  The pointers in the static constructor can point
1436 only to other static closures.
1437
1438 The static object link occurs last in the closure so that static
1439 constructors can store their data fields in exactly the same place as
1440 dynamic constructors.
1441
1442 \item @CONSTR_STATIC_NOCAF@.  A statically allocated data constructor
1443 that guarantees not to point (directly or indirectly) to any CAF
1444 (section~\ref{sect:CAF}).  This means it does not need a static object
1445 link field.  Since we expect that there might be quite a lot of static
1446 constructors this optimisation makes sense.  Furthermore, the @NOCAF@
1447 tag allows the compiler to indicate that no CAFs can be reached
1448 anywhere {\em even indirectly}.
1449
1450
1451 \end{itemize}
1452
1453 For each data constructor $Con$, two
1454 info tables are generated:
1455 \begin{itemize}
1456 \item $Con$@_info@ labels $Con$'s dynamic info table, 
1457 shared by all dynamic instances of the constructor.
1458 \item $Con$@_static@ labels $Con$'s static info table, 
1459 shared by all static instances of the constructor.
1460 \end{itemize}
1461
1462 \subsubsection{Thunks}
1463 \label{sect:THUNK}
1464 \label{sect:THUNK_SEL}
1465
1466 A thunk represents an expression that is not obviously in head normal 
1467 form.  For example, consider the following top-level definitions:
1468 @
1469   range = between 1 10
1470   f = \x -> let ys = take x range
1471             in sum ys
1472 @
1473 Here the right-hand sides of @range@ and @ys@ are both thunks; the former
1474 is static while the latter is dynamic.
1475
1476 The layout of a thunk is the same as that for a function closure,
1477 except that it may have some words of ``slop'' at the end to make sure
1478 that it has 
1479 at least @MIN_UPD_PAYLOAD@ words in addition to its
1480 fixed header.
1481 \begin{center}
1482 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1483 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} & {\em Slop} \\ \hline
1484 \end{tabular}
1485 \end{center}
1486 The @INFO_SM@ word contains the same information as for function
1487 closures; that is, number of pointers and number of non-pointers (excluding slop).
1488
1489 A thunk differs from a function closure in that it can be updated.
1490
1491 There are several forms of thunk:
1492 \begin{itemize}
1493 \item @THUNK@: a vanilla, dynamically allocated thunk.
1494 The garbage collection code for thunks whose
1495 pointer + non-pointer words is less than @MIN_UPD_PAYLOAD@ differs from
1496 that for function closures and data constructors, because the GC code
1497 has to account for the slop.
1498 \item $@THUNK_@p@_@np$.  Similar comments apply.
1499 \item @THUNK_STATIC@.  A static thunk is also known as 
1500 a {\em constant applicative form}, or {\em CAF}.
1501
1502 \begin{center}
1503 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
1504 {\em Fixed header}  & {\em Pointers} & {\em Non-pointers} & {\em Slop} & {\em Static object link}\\ \hline
1505 \end{tabular}
1506 \end{center}
1507
1508 \item @THUNK_SELECTOR@ is a (dynamically allocated) thunk
1509 whose entry code performs a simple selection operation from
1510 a data constructor drawn from a single-constructor type.  For example,
1511 the thunk
1512 @
1513         x = case y of (a,b) -> a
1514 @
1515 is a selector thunk.  A selector thunk is laid out like this:
1516 \begin{center}
1517 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1518 {\em Fixed header}  & {\em Selectee pointer} \\ \hline
1519 \end{tabular}
1520 \end{center}
1521 The @INFO_SM@ word contains the byte offset of the desired word in
1522 the selectee.  Note that this is different from all other thunks.
1523
1524 The garbage collector ``peeks'' at the selectee's
1525 tag (in its info table).  If it is evaluated, then it goes ahead and do
1526 the selection, and then behaves just as if the selector thunk was an
1527 indirection to the selected field.
1528 If it is not
1529 evaluated, it treats the selector thunk like any other thunk of that
1530 shape.  [Implementation notes.  
1531 Copying: only the evacuate routine needs to be special.
1532 Compacting: only the PRStart (marking) routine needs to be special.]
1533 \end{itemize}
1534
1535
1536 The only label associated with a thunk is its info table:
1537 \begin{description}
1538 \item[$f$@_info@] is $f$'s info table.
1539 \end{description}
1540
1541
1542 \subsubsection{Partial applications (PAPs)}\label{sect:PAP}
1543
1544 A partial application (PAP) represents a function applied to too few arguments.
1545 It is only built as a result of updating after an argument-satisfaction
1546 check failure.  A PAP has the following shape:
1547 \begin{center}
1548 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
1549 {\em Fixed header}  & {\em No of arg words} & {\em Function closure} & {\em Arg stack} \\ \hline
1550 \end{tabular}
1551 \end{center}
1552 The ``arg stack'' is a copy of of the chunk of stack above the update
1553 frame; ``no of arg words'' tells how many words it consists of.  The
1554 function closure is (a pointer to) the closure for the function whose
1555 argument-satisfaction check failed.
1556
1557 There is just one standard form of PAP with @INFO_TYPE@ = @PAP@.
1558 There is just one info table too, called @PAP_info@.
1559 Its entry code simply copies the arg stack chunk back on top of the
1560 stack and enters the function closure.  (It has to do a stack overflow test first.)
1561
1562 There are no static PAPs.
1563
1564 \subsubsection{Indirections}
1565 \label{sect:IND}
1566 \label{sect:IND_OLDGEN}
1567
1568 Indirection closures just point to other closures. They are introduced
1569 when a thunk is updated to point to its value. 
1570 The entry code for all indirections simply enters the closure it points to.
1571
1572 There are several forms of indirection:
1573 \begin{description}
1574 \item[@IND@] is the vanilla, dynamically-allocated indirection.
1575 It is removed by the garbage collector. It has the following
1576 shape:
1577 \begin{center}
1578 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
1579 {\em Fixed header} & {\em Target closure} \\ \hline
1580 \end{tabular}
1581 \end{center}
1582
1583 \item[@IND_OLDGEN@] is the indirection used to update an old-generation
1584 thunk. Its shape is like this:
1585 \begin{center}
1586 \begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
1587 {\em Fixed header} & {\em Mutable link field} & {\em Target closure} \\ \hline
1588 \end{tabular}
1589 \end{center}
1590 It contains a {\em mutable link field} that is used to string together
1591 all old-generation indirections that might have a pointer into
1592 the new generation.
1593
1594
1595 \item[@IND_PERMANENT@ and @IND_OLDGEN_PERMANENT@.]
1596 for lexical profiling, it is necessary to maintain cost centre
1597 information in an indirection, so ``permanent indirections'' are
1598 retained forever.  Otherwise they are just like vanilla indirections.
1599 \note{If a permanent indirection points to another permanent
1600 indirection or a @CONST@ closure, it is possible to elide the indirection
1601 since it will have no effect on the profiler.}
1602 \note{Do we still need @IND@ and @IND_OLDGEN@
1603 in the profiling build, or can we just make
1604 do with one pair whose behaviour changes when profiling is built?}
1605
1606 \item[@IND_STATIC@] is used for overwriting CAFs when they have been
1607 evaluated.  Static indirections are not removed by the garbage
1608 collector; and are statically allocated outside the heap (and should
1609 stay there).  Their static object link field is used just as for
1610 @FUN_STATIC@ closures.
1611
1612 \begin{center}
1613 \begin{tabular}{|l|l|l|}
1614 \hline
1615 {\em Fixed header} & {\em Target closure} & {\em Static object link} \\
1616 \hline
1617 \end{tabular}
1618 \end{center}
1619
1620 \end{description}
1621
1622 \subsubsection{Activation Records}
1623
1624 Activation records are parts of the stack described by return address
1625 info tables (closures with @INFO_TYPE@ values of @RET_SMALL@,
1626 @RET_VEC_SMALL@, @RET_BIG@ and @RET_VEC_BIG@). They are described in
1627 section~\ref{sect:activation-records}.
1628
1629
1630 \subsubsection{Black holes, MVars and IVars}
1631 \label{sect:BH}
1632 \label{sect:MVAR}
1633 \label{sect:IVAR}
1634
1635 Black hole closures are used to overwrite closures currently being
1636 evaluated. They inform the garbage collector that there are no live
1637 roots in the closure, thus removing a potential space leak.  
1638
1639 Black holes also become synchronization points in the threaded world.
1640 They contain a pointer to a list of blocked threads to be awakened
1641 when the black hole is updated (or @NULL@ if the list is empty).
1642 \begin{center}
1643 \begin{tabular}{|l|l|l|}
1644 \hline 
1645 {\em Fixed header} & {\em Mutable link} & {\em Blocked thread link} \\
1646 \hline
1647 \end{tabular}
1648 \end{center}
1649 The {\em Blocked thread link} points to the TSO of the first thread
1650 waiting for the value of this thunk.  All subsequent TSOs in the list
1651 are linked together using their @TSO_LINK@ field.
1652
1653 When the blocking queue is non-@NULL@, the black hole must be added to
1654 the mutables list since the TSOs on the list may contain pointers into
1655 the new generation.  There is no need to clutter up the mutables list
1656 with black holes with empty blocking queues.
1657
1658 \ToDo{MVars}
1659
1660
1661 \subsubsection{FetchMes}\label{sect:FETCHME}
1662
1663 In the parallel systems, FetchMes are used to represent pointers into
1664 the global heap.  When evaluated, the value they point to is read from
1665 the global heap.
1666
1667 \ToDo{Describe layout}
1668
1669
1670 \subsection{Unpointed Objects}
1671
1672 A variable of unpointed type is always bound to a {\em value}, never to a {\em thunk}.
1673 For this reason, unpointed objects cannot be entered.
1674
1675 A {\em value} may be:
1676 \begin{itemize}
1677 \item {\em Boxed}, i.e.~represented indirectly by a pointer to a heap object (e.g.~foreign objects, arrays); or
1678 \item {\em Unboxed}, i.e.~represented directly by a bit-pattern in one or more registers (e.g.~@Int#@ and @Float#@).
1679 \end{itemize}
1680 All {\em pointed} values are {\em boxed}.  
1681
1682 \subsubsection{Immutable Objects}
1683 \label{sect:ARR_WORDS1}
1684 \label{sect:ARR_PTRS}
1685
1686 \begin{description}
1687 \item[@ARR_WORDS@] is a variable-sized object consisting solely of
1688 non-pointers.  It is used for arrays of all
1689 sorts of things (bytes, words, floats, doubles... it doesn't matter).
1690 \begin{center}
1691 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
1692 \hline
1693 {\em Fixed Hdr} & {\em No of non-pointers} & {\em Non-pointers\ldots}   \\ \hline
1694 \end{tabular}
1695 \end{center}
1696
1697 \item[@ARR_PTRS@] is an immutable, variable sized array of pointers.
1698 \begin{center}
1699 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
1700 \hline
1701 {\em Fixed Hdr} & {\em Mutable link} & {\em No of pointers} & {\em Pointers\ldots}      \\ \hline
1702 \end{tabular}
1703 \end{center}
1704 The mutable link is present so that we can easily freeze and thaw an
1705 array (by changing the header and adding/removing the array to the
1706 mutables list).
1707
1708 \end{description}
1709
1710 \subsubsection{Mutable Objects}
1711 \label{sect:mutables}
1712 \label{sect:ARR_WORDS2}
1713 \label{sect:MUTVAR}
1714 \label{sect:MUTARR_PTRS}
1715 \label{sect:MUTARR_PTRS_FROZEN}
1716
1717 Some of these objects are {\em mutable}; they represent objects which
1718 are explicitly mutated by Haskell code through the @ST@ monad.
1719 They're not used for thunks which are updated precisely once.
1720 Depending on the garbage collector, mutable closures may contain extra
1721 header information which allows a generational collector to implement
1722 the ``write barrier.''
1723
1724 \begin{description}
1725
1726 \item[@ARR_WORDS@] is also used to represent {\em mutable} arrays of
1727 bytes, words, floats, doubles, etc.  It's possible to use the same
1728 object type because even generational collectors don't need to
1729 distinguish them.
1730
1731 \item[@MUTVAR@] is a mutable variable.
1732 \begin{center}
1733 \begin{tabular}{|c|c|c|}
1734 \hline
1735 {\em Fixed Hdr} & {\em Mutable link} & {\em Pointer} \\ \hline
1736 \end{tabular}
1737 \end{center}
1738
1739 \item[@MUTARR_PTRS@] is a mutable array of pointers.
1740 Such an array may be {\em frozen}, becoming an @SM_MUTARR_PTRS_FROZEN@, with a
1741 different info-table.
1742 \begin{center}
1743 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
1744 \hline
1745 {\em Fixed Hdr} & {\em Mutable link} & {\em No of ptrs} & {\em Pointers\ldots} \\ \hline
1746 \end{tabular}
1747 \end{center}
1748
1749 \item[@MUTARR_PTRS_FROZEN@] is a frozen @MUTARR_PTRS@ closure.
1750 The garbage collector converts @MUTARR_PTRS_FROZEN@ to @ARR_PTRS@ as it removes them from
1751 the mutables list.
1752
1753 \end{description}
1754
1755
1756 \subsubsection{Foreign Objects}\label{sect:FOREIGN}
1757
1758 Here's what a ForeignObj looks like:
1759
1760 \begin{center}
1761 \begin{tabular}{|l|l|l|l|}
1762 \hline 
1763 {\em Fixed header} & {\em Data} & {\em Free Routine} & {\em Foreign object link} \\
1764 \hline
1765 \end{tabular}
1766 \end{center}
1767
1768 The @FreeRoutine@ is a reference to the finalisation routine to call
1769 when the @ForeignObj@ becomes garbage.  If @freeForeignObject@ is
1770 called on a Foreign Object, the @FreeRoutine@ is set to zero and the
1771 garbage collector will not attempt to call @FreeRoutine@ when the 
1772 object becomes garbage.
1773
1774 The Foreign object link is a link to the next foreign object in the
1775 list.  This list is traversed at the end of garbage collection: if an
1776 object is about to be deallocated (e.g.~it was not marked or
1777 evacuated), the free routine is called and the object is deleted from
1778 the list.  
1779
1780
1781 The remaining objects types are all administrative --- none of them may be entered.
1782
1783 \subsection{Thread State Objects (TSOs)}\label{sect:TSO}
1784
1785 In the multi-threaded system, the state of a suspended thread is
1786 packed up into a Thread State Object (TSO) which contains all the
1787 information needed to restart the thread and for the garbage collector
1788 to find all reachable objects.  When a thread is running, it may be
1789 ``unpacked'' into machine registers and various other memory locations
1790 to provide faster access.
1791
1792 Single-threaded systems don't really {\em need\/} TSOs --- but they do
1793 need some way to tell the storage manager about live roots so it is
1794 convenient to use a single TSO to store the mutator state even in
1795 single-threaded systems.
1796
1797 Rather than manage TSOs' alloc/dealloc, etc., in some {\em ad hoc}
1798 way, we instead alloc/dealloc/etc them in the heap; then we can use
1799 all the standard garbage-collection/fetching/flushing/etc machinery on
1800 them.  So that's why TSOs are ``heap objects,'' albeit very special
1801 ones.
1802 \begin{center}
1803 \begin{tabular}{|l|l|}
1804    \hline {\em Fixed header}
1805 \\ \hline @TSO_LINK@
1806 \\ \hline @TSO_WHATNEXT@
1807 \\ \hline @TSO_WHATNEXT_INFO@ 
1808 \\ \hline @TSO_STACK@ 
1809 \\ \hline {\em Exception Handlers}
1810 \\ \hline {\em Ticky Info}
1811 \\ \hline {\em Profiling Info}
1812 \\ \hline {\em Parallel Info}
1813 \\ \hline {\em GranSim Info}
1814 \\ \hline
1815 \end{tabular}
1816 \end{center}
1817 The contents of a TSO are:
1818 \begin{itemize}
1819
1820 \item A pointer (@TSO_LINK@) used to maintain a list of threads with a similar
1821   state (e.g.~all runable, all sleeping, all blocked on the same black
1822   hole, all blocked on the same MVar, etc.)
1823
1824 \item A word (@TSO_WHATNEXT@) which is in suspended threads to record
1825  how to awaken it.  This typically requires a program counter which is stored
1826  in the pointer @TSO_WHATNEXT_INFO@
1827
1828 \item A pointer (@TSO_STACK@) to the top stack block.
1829
1830 \item Optional information for ``Ticky Ticky'' statistics: @TSO_STK_HWM@ is
1831   the maximum number of words allocated to this thread.
1832
1833 \item Optional information for profiling: 
1834   @TSO_CCC@ is the current cost centre.
1835
1836 \item Optional information for parallel execution:
1837 \begin{itemize}
1838
1839 \item The types of threads (@TSO_TYPE@):
1840 \begin{description}
1841 \item[@T_MAIN@]     Must be executed locally.
1842 \item[@T_REQUIRED@] A required thread  -- may be exported.
1843 \item[@T_ADVISORY@] An advisory thread -- may be exported.
1844 \item[@T_FAIL@]     A failure thread   -- may be exported.
1845 \end{description}
1846
1847 \item I've no idea what else
1848
1849 \end{itemize}
1850
1851 \item Optional information for GranSim execution:
1852 \begin{itemize}
1853 \item locked         
1854 \item sparkname  
1855 \item started at         
1856 \item exported   
1857 \item basic blocks       
1858 \item allocs     
1859 \item exectime   
1860 \item fetchtime  
1861 \item fetchcount         
1862 \item blocktime  
1863 \item blockcount         
1864 \item global sparks      
1865 \item local sparks       
1866 \item queue              
1867 \item priority   
1868 \item clock          (gransim light only)
1869 \end{itemize}
1870
1871
1872 Here are the various queues for GrAnSim-type events.
1873 @
1874 Q_RUNNING   
1875 Q_RUNNABLE  
1876 Q_BLOCKED   
1877 Q_FETCHING  
1878 Q_MIGRATING 
1879 @
1880
1881 \end{itemize}
1882
1883 \subsection{Other weird objects}
1884 \label{sect:SPARK}
1885 \label{sect:BLOCKED_FETCH}
1886
1887 \begin{description}
1888 \item[@BlockedFetch@ heap objects (`closures')] (parallel only)
1889
1890 @BlockedFetch@s are inbound fetch messages blocked on local closures.
1891 They arise as entries in a local blocking queue when a fetch has been
1892 received for a local black hole.  When awakened, we look at their
1893 contents to figure out where to send a resume.
1894
1895 A @BlockedFetch@ closure has the form:
1896 \begin{center}
1897 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
1898 {\em Fixed header} & link & node & gtid & slot & weight \\ \hline
1899 \end{tabular}
1900 \end{center}
1901
1902 \item[Spark Closures] (parallel only)
1903
1904 Spark closures are used to link together all closures in the spark pool.  When
1905 the current processor is idle, it may choose to speculatively evaluate some of
1906 the closures in the pool.  It may also choose to delete sparks from the pool.
1907 \begin{center}
1908 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
1909 {\em Fixed header} & {\em Spark pool link} & {\em Sparked closure} \\ \hline
1910 \end{tabular}
1911 \end{center}
1912
1913
1914 \end{description}
1915
1916
1917 \subsection{Stack Objects}
1918 \label{sect:STACK_OBJECT}
1919 \label{sect:stacks}
1920
1921 These are ``stack objects,'' which are used in the threaded world as
1922 the stack for each thread is allocated from the heap in smallish
1923 chunks.  (The stack in the sequential world is allocated outside of
1924 the heap.)
1925
1926 Each reduction thread has to have its own stack space.  As there may
1927 be many such threads, and as any given one may need quite a big stack,
1928 a naive give-'em-a-big-stack-and-let-'em-run approach will cost a {\em
1929 lot} of memory.
1930
1931 Our approach is to give a thread a small stack space, and then link
1932 on/off extra ``chunks'' as the need arises.  Again, this is a
1933 storage-management problem, and, yet again, we choose to graft the
1934 whole business onto the existing heap-management machinery.  So stack
1935 objects will live in the heap, be garbage collected, etc., etc..
1936
1937 A stack object is laid out like this:
1938
1939 \begin{center}
1940 \begin{tabular}{|l|}
1941 \hline
1942 {\em Fixed header} 
1943 \\ \hline
1944 {\em Link to next stack object (0 for last)}
1945 \\ \hline
1946 {\em N, the payload size in words}
1947 \\ \hline
1948 {\em @Sp@ (byte offset from head of object)}
1949 \\ \hline
1950 {\em @Su@ (byte offset from head of object)}
1951 \\ \hline
1952 {\em Payload (N words)}
1953 \\ \hline
1954 \end{tabular}
1955 \end{center}
1956
1957 \ToDo{Are stack objects on the mutable list?}
1958
1959 The stack grows downwards, towards decreasing
1960 addresses.  This makes it easier to print out the stack
1961 when debugging, and it means that a return address is
1962 at the lowest address of the chunk of stack it ``knows about''
1963 just like an info pointer on a closure.
1964
1965 The garbage collector needs to be able to find all the
1966 pointers in a stack.  How does it do this?
1967
1968 \begin{itemize}
1969
1970 \item Within the stack there are return addresses, pushed
1971 by @case@ expressions.  Below a return address (i.e. at higher
1972 memory addresses, since the stack grows downwards) is a chunk
1973 of stack that the return address ``knows about'', namely the
1974 activation record of the currently running function.
1975
1976 \item Below each such activation record is a {\em pending-argument
1977 section}, a chunk of
1978 zero or more words that are the arguments to which the result
1979 of the function should be applied.  The return address does not
1980 statically
1981 ``know'' how many pending arguments there are, or their types.
1982 (For example, the function might return a result of type $\alpha$.)
1983
1984 \item Below each pending-argument section is another return address,
1985 and so on.  Actually, there might be an update frame instead, but we
1986 can consider update frames as a special case of a return address with
1987 a well-defined activation record.
1988
1989 \ToDo{Doesn't it {\em have} to be an update frame?  After all, the arg
1990 satisfaction check is @Su - Sp >= ...@.}
1991
1992 \end{itemize}
1993
1994 The game plan is this.  The garbage collector
1995 walks the stack from the top, traversing pending-argument sections and
1996 activation records alternately.  Next we discuss how it finds
1997 the pointers in each of these two stack regions.
1998
1999
2000 \subsubsection{Activation records}\label{sect:activation-records}
2001
2002 An {\em activation record} is a contiguous chunk of stack,
2003 with a return address as its first word, followed by as many
2004 data words as the return address ``knows about''.  The return
2005 address is actually a fully-fledged info pointer.  It points
2006 to an info table, replete with:
2007
2008 \begin{itemize}
2009 \item entry code (i.e. the code to return to).
2010 \item @INFO_TYPE@ is either @RET_SMALL/RET_VEC_SMALL@ or @RET_BIG/RET_VEC_BIG@, depending
2011 on whether the activation record has more than 32 data words (\note{64 for 8-byte-word architectures}) and on whether 
2012 to use a direct or a vectored return.
2013 \item @INFO_SM@ for @RET_SMALL@ is a bitmap telling the layout
2014 of the activation record, one bit per word.  The least-significant bit
2015 describes the first data word of the record (adjacent to the fixed
2016 header) and so on.  A ``@1@'' indicates a non-pointer, a ``@0@''
2017 indicates
2018 a pointer.  We don't need to indicate exactly how many words there
2019 are,
2020 because when we get to all zeros we can treat the rest of the 
2021 activation record as part of the next pending-argument region.
2022
2023 For @RET_BIG@ the @INFO_SM@ field points to a block of bitmap
2024 words, starting with a word that tells how many words are in
2025 the block.
2026
2027 \item @INFO_SRT@ is the Static Reference Table for the return
2028 address (Section~\ref{sect:srt}).
2029 \end{itemize}
2030
2031 The activation record is a fully fledged closure too.
2032 As well as an info pointer, it has all the other attributes of
2033 a fixed header (Section~\ref{sect:fixed-header}) including a saved cost
2034 centre which is reloaded when the return address is entered.
2035
2036 In other words, all the attributes of closures are needed for
2037 activation records, so it's very convenient to make them look alike.
2038
2039
2040 \subsubsection{Pending arguments}
2041
2042 So that the garbage collector can correctly identify pointers
2043 in pending-argument sections we explicitly tag all non-pointers.
2044 Every non-pointer in a pending-argument section is preceded
2045 (at the next lower memory word) by a one-word byte count that
2046 says how many bytes to skip over (excluding the tag word).
2047
2048 The garbage collector traverses a pending argument section from 
2049 the top (i.e. lowest memory address).  It looks at each word in turn:
2050
2051 \begin{itemize}
2052 \item If it is less than or equal to a small constant @MAX_STACK_TAG@
2053 then
2054 it treats it as a tag heralding zero or more words of non-pointers,
2055 so it just skips over them.
2056
2057 \item If it points to the code segment, it must be a return
2058 address, so we have come to the end of the pending-argument section.
2059
2060 \item Otherwise it must be a bona fide heap pointer.
2061 \end{itemize}
2062
2063
2064 \subsection{The Stable Pointer Table}\label{sect:STABLEPTR_TABLE}
2065
2066 A stable pointer is a name for a Haskell object which can be passed to
2067 the external world.  It is ``stable'' in the sense that the name does
2068 not change when the Haskell garbage collector runs---in contrast to
2069 the address of the object which may well change.
2070
2071 A stable pointer is represented by an index into the
2072 @StablePointerTable@.  The Haskell garbage collector treats the
2073 @StablePointerTable@ as a source of roots for GC.
2074
2075 In order to provide efficient access to stable pointers and to be able
2076 to cope with any number of stable pointers (eg $0 \ldots 100000$), the
2077 table of stable pointers is an array stored on the heap and can grow
2078 when it overflows.  (Since we cannot compact the table by moving
2079 stable pointers about, it seems unlikely that a half-empty table can
2080 be reduced in size---this could be fixed if necessary by using a
2081 hash table of some sort.)
2082
2083 In general a stable pointer table closure looks like this:
2084
2085 \begin{center}
2086 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
2087 \hline
2088 {\em Fixed header} & {\em No of pointers} & {\em Free} & $SP_0$ & \ldots & $SP_{n-1}$ 
2089 \\\hline
2090 \end{tabular}
2091 \end{center}
2092
2093 The fields are:
2094 \begin{description}
2095
2096 \item[@NPtrs@:] number of (stable) pointers.
2097
2098 \item[@Free@:] the byte offset (from the first byte of the object) of the first free stable pointer.
2099
2100 \item[$SP_i$:] A stable pointer slot.  If this entry is in use, it is
2101 an ``unstable'' pointer to a closure.  If this entry is not in use, it
2102 is a byte offset of the next free stable pointer slot.
2103
2104 \end{description}
2105
2106 When a stable pointer table is evacuated
2107 \begin{enumerate}
2108 \item the free list entries are all set to @NULL@ so that the evacuation
2109   code knows they're not pointers;
2110
2111 \item The stable pointer slots are scanned linearly: non-@NULL@ slots
2112 are evacuated and @NULL@-values are chained together to form a new free list.
2113 \end{enumerate}
2114
2115 There's no need to link the stable pointer table onto the mutable
2116 list because we always treat it as a root.
2117
2118
2119
2120 \section{The Storage Manager}
2121
2122 The generational collector remembers the depth of the last generation
2123 collected and the value of the heap pointer at the end of the last GC.
2124 If the mutator has not moved the heap pointer, that means that the
2125 amount of space recovered is insufficient to satisfy even one request
2126 and it is time to collect an older generation or report a heap overflow.
2127
2128 A deeper collection is also triggered when a minor collection fails to
2129 recover at least @...@ bytes of space.
2130
2131 When can a GC happen?
2132
2133 @
2134 - During updates (ie during returns)
2135 - When a heap check fails
2136 - When a stack check fails (concurrent system only)
2137 - When a context switch happens (concurrent system only)
2138
2139 When do heap checks occur?
2140 - Immediately after entering a thunk
2141 - Immediately after entering a case alternative
2142
2143 When do stack checks occur?
2144 - We calculate the worst-case stack usage of an entire
2145   thunk so there's no need to put a check inside each alternative.
2146 - Immediately after entering a thunk
2147   We can't make a similar worst-case calculation for heap usage
2148   because the heap isn't used in a stacklike manner so any
2149   evaluation inside a case might steal some of the heap we've
2150   checked for.
2151
2152 Concurrency
2153 - Threads can be blocked
2154 - Threads can be put to sleep
2155   - Heap may move while we sleep
2156   - Black holing may happen while we sleep (ie during GC)
2157 @
2158
2159 \subsection{The SM state}
2160
2161 Contains @Hp@, @HpLim@, @StablePtrTable@ plus version-specific info.
2162
2163 \begin{itemize}
2164
2165 \item Static Object list 
2166 \item Foreign Object list
2167 \item Stable Pointer Table
2168
2169 \end{itemize}
2170
2171 In addition, the generational collector requires:
2172
2173 \begin{itemize}
2174
2175 \item Old Generation Indirection list
2176 \item Mutables list --- list of mutable objects in the old generation.
2177 \item @OldLim@ --- the boundary between the generations
2178 \item Old Foreign Object list --- foreign objects in the old generation
2179
2180 \end{itemize}
2181
2182 It is passed a table of {\em roots\/} containing
2183
2184 \begin{itemize}
2185
2186 \item All runnable TSOs
2187
2188 \end{itemize}
2189
2190
2191 In the parallel system, there must be some extra magic associated with
2192 global GC.
2193
2194 \subsection{The SM interface}
2195
2196 @initSM@ finalizes any runtime parameters of the storage manager.
2197
2198 @exitSM@ does any cleaning up required by the storage manager before
2199 the program is executed. Its main purpose is to print any summary
2200 statistics.
2201
2202 @initHeap@ allocates the heap. It initialises the @hp@ and @hplim@
2203 fields of @sm@ to represent an empty heap for the compiled-in garbage
2204 collector.  It also initialises @CAFlist@ to be the empty list. If we
2205 are using Appel's collector it also initialises the @OldLim@ field.
2206 It also initialises the stable pointer table and the @ForeignObjList@
2207 (and @OldForeignObjList@) fields.
2208
2209 @collectHeap@ invokes the garbage collector.  @collectHeap@ requires
2210 all the fields of @sm@ to be initialised appropriately (from the
2211 STG-machine registers).  The following are identified as heap roots:
2212 \begin{itemize}
2213 \item The updated CAFs recorded in @CAFlist@.
2214 \item Any pointers found on the stack.
2215 \item All runnable and sleeping TSOs.
2216 \item The stable pointer table.
2217 \end{itemize}
2218
2219 There are two possible results from a garbage collection:
2220 \begin{description} 
2221 \item[@GC_FAIL@] 
2222 The garbage collector is unable to free up any more space.
2223
2224 \item[@GC_SUCCESS@]
2225 The garbage collector managed to free up more space.
2226
2227 \begin{itemize} 
2228 \item @hp@ and @hplim@ will indicate the new space available for
2229 allocation.
2230
2231 \item The elements of @CAFlist@ and the stable pointers will be
2232 updated to point to the new locations of the closures they reference.
2233
2234 \item Any members of @ForeignObjList@ which became garbage should have
2235 been reported (by calling their finalising routines; and the
2236 @(Old)ForeignObjList@ updated to contain only those Foreign objects
2237 which are still live.  
2238
2239 \end{itemize}
2240
2241 \end{description}
2242
2243
2244 %************************************************************************
2245 %*                                                                      *
2246 \subsection{``What really happens in a garbage collection?''}
2247 %*                                                                      *
2248 %************************************************************************
2249
2250 This is a brief tutorial on ``what really happens'' going to/from the
2251 storage manager in a garbage collection.
2252
2253 \begin{description}
2254 %------------------------------------------------------------------------
2255 \item[The heap check:]
2256
2257 [OLD-ISH: WDP]
2258
2259 If you gaze into the C output of GHC, you see many macros calls like:
2260 \begin{verbatim}
2261 HEAP_CHK_2PtrsLive((_FHS+2));
2262 \end{verbatim}
2263
2264 This expands into the C (roughly speaking...):
2265 @
2266 Hp = Hp + (_FHS+2);     /* optimistically move heap pointer forward */
2267
2268 GC_WHILE_OR_IF (HEAP_OVERFLOW_OP(Hp, HpLim) OR_INTERVAL_EXPIRED) {
2269         STGCALL2_GC(PerformGC, <liveness-bits>, (_FHS+2));
2270 }
2271 @
2272
2273 In the parallel world, where we will need to re-try the heap check,
2274 @GC_WHILE_OR_IF@ will be a ``while''; in the sequential world, it will
2275 be an ``if''.
2276
2277 The ``heap lookahead'' checks, which are similar and used for
2278 multi-precision @Integer@ ops, have some further complications.  See
2279 the commentary there (@StgMacros.lh@).
2280
2281 %------------------------------------------------------------------------
2282 \item[Into @callWrapper_GC@...:]
2283
2284 When we failed the heap check (above), we were inside the
2285 GCC-registerised ``threaded world.''  @callWrapper_GC@ is all about
2286 getting in and out of the threaded world.  On SPARCs, with register
2287 windows, the name of the game is not shifting windows until we have
2288 what we want out of the old one.  In tricky cases like this, it's best
2289 written in assembly language.
2290
2291 Performing a GC (potentially) means giving up the thread of control.
2292 So we must fill in the thread-state-object (TSO) [and its associated
2293 stk object] with enough information for later resumption:
2294 \begin{enumerate}
2295 \item
2296 Save the return address in the TSO's PC field.
2297 \item
2298 Save the machine registers used in the STG threaded world in their
2299 corresponding TSO fields.  We also save the pointer-liveness
2300 information in the TSO.
2301 \item
2302 The registers that are not thread-specific, notably @Hp@ and
2303 @HpLim@, are saved in the @StorageMgrInfo@ structure.
2304 \item
2305 Call the routine it was asked to call; in this example, call
2306 @PerformGC@ with arguments @<liveness>@ and @_FHS+2@ (some constant)...
2307
2308 \end{enumerate}
2309
2310 %------------------------------------------------------------------------
2311 \item[Into the heap overflow wrapper, @PerformGC@ [parallel]:]
2312
2313 Most information has already been saved in the TSO.
2314
2315 \begin{enumerate}
2316 \item
2317 The first argument (@<liveness>@, in our example) say what registers
2318 are live, i.e., are ``roots'' the storage manager needs to know.
2319 \begin{verbatim}
2320 StorageMgrInfo.rootno   = 2;
2321 StorageMgrInfo.roots[0] = (P_) Ret1_SAVE;
2322 StorageMgrInfo.roots[1] = (P_) Ret2_SAVE;
2323 \end{verbatim}
2324
2325 \item
2326 We move the heap-pointer back [we had optimistically
2327 advanced it, in the initial heap check]
2328
2329 \item 
2330 We load up the @smInfo@ data from the STG registers' @*_SAVE@ locations.
2331
2332 \item
2333 We mark on the scheduler's big ``blackboard'' that a GC is
2334 required.
2335
2336 \item
2337 We reschedule, i.e., this thread gives up control.  (The scheduler
2338 will presumably initiate a garbage-collection, but it may have to do
2339 any number of other things---flushing, for example---before ``normal
2340 execution'' resumes; and it most certainly may not be this thread that
2341 resumes at that point!)
2342 \end{enumerate}
2343
2344 IT IS AT THIS POINT THAT THE WORLD IS COMPLETELY TIDY.
2345
2346 %------------------------------------------------------------------------
2347 \item[Out of @callWrapper_GC@ [parallel]:]
2348
2349 When this thread is finally resumed after GC (and who knows what
2350 else), it will restart by the normal enter-TSO/enter-stack-object
2351 sequence, which has the effect of re-loading the registers, etc.,
2352 (i.e., restoring the state).
2353
2354 Because the address we saved in the TSO's PC field was that at the end
2355 of the heap check, and because the check is a while-loop in the
2356 parallel system, we will now loop back around, and make sure there is
2357 enough space before continuing.
2358 \end{description}
2359
2360
2361
2362 \subsection{Static Reference Tables (SRTs)}
2363 \label{sect:srt}
2364 \label{sect:CAF}
2365 \label{sect:static-objects}
2366
2367 In the above, we assumed that objects always contained pointers to all
2368 their free variables.  In fact, this isn't quite true: GHC omits
2369 pointers to top-level objects and allocates their closures in static
2370 memory.  This optimisation reduces the number of free variables in
2371 heap objects - reducing memory usage and the effort needed to put them
2372 into heap objects.  However, this optimisation comes at a cost: we
2373 need to complicate the garbage collector with machinery for tracing
2374 these static references.
2375
2376 Early versions of GHC used a very simple algorithm: it treated all
2377 static objects as roots.  This is safe in the sense that no object is
2378 ever deallocated if there's a chance that it might be required later
2379 but can lead to some terrible space leaks.  For example, this program
2380 ought to be able to run in constant space but, because @xs@ is never
2381 deallocated, it runs in linear space.
2382
2383 @
2384 main = print xs
2385 xs = [1..]
2386 @
2387
2388 The correct behaviour is for the garbage collector to keep a static
2389 object alive iff it might be required later in execution.  That is, if
2390 it is reachable from any live heap objects {\em or\/} from any return
2391 addresses found on the stack or from the current program counter.
2392 Since it is obviously infeasible for the garbage collector to scan
2393 machine code looking for static references, the code generator must
2394 generate a table of all static references in any piece of code (and we
2395 must place a pointer to this table next to any piece of code we
2396 generate).
2397
2398 Here's what the SRT has to contain:
2399
2400 @
2401 ...
2402 @
2403
2404 Here's how we represent it:
2405
2406 @
2407 ...
2408 must be able to handle 0 references well
2409 @
2410
2411 @
2412 Other trickery:
2413 o The CAF list
2414 o The scavenge list
2415 o Generational GC trickery
2416 @
2417
2418 \subsection{Space leaks and black holes}
2419 \label{sect:black-hole}
2420
2421 \iffalse
2422
2423 \ToDo{Insert text stolen from update paper}
2424
2425 \else
2426
2427 A program exhibits a {\em space leak} if it retains storage that is
2428 sure not to be used again.  Space leaks are becoming increasingly
2429 common in imperative programs that @malloc@ storage and fail
2430 subsequently to @free@ it.  They are, however, also common in
2431 garbage-collected systems, especially where lazy evaluation is
2432 used.[.wadler leak, runciman heap profiling jfp.]
2433
2434 Quite a bit of experience has now accumulated suggesting that
2435 implementors must be very conscientious about avoiding gratuitous
2436 space leaks --- that is, ones which are an accidental artefact of some
2437 implementation technique.[.appel book.]  The update mechanism is
2438 a case in point, as <.jones jfp leak.> points out.  Consider a thunk for
2439 the expression
2440 @
2441   let xs = [1..1000] in last xs
2442
2443 where @last@ is a function that returns the last element of its
2444 argument list.  When the thunk is entered it will call @last@, which
2445 will consume @xs@ until it finds the last element.  Since the list
2446 @[1..1000]@ is produced lazily one might reasonably expect the
2447 expression to evaluate in constant space.  But {\em until the moment
2448 of update, the thunk itself still retains a pointer to the beginning
2449 of the list @xs@}.  So, until the update takes place the whole list
2450 will be retained!
2451
2452 Of course, this is completely gratuitous.  The pointer to @xs@ in the
2453 thunk will never be used again.  In <.peyton stock hardware.> the solution to
2454 this problem that we advocated was to overwrite a thunk's info with a
2455 fixed ``black hole'' info pointer, {\em at the moment of entry}.  The
2456 storage management information attached to a black-hole info pointer
2457 tells the garbage collector that the closure contains no pointers,
2458 thereby plugging the space leak.
2459
2460 \subsubsection{Lazy black-holing}
2461
2462 Black-holing is a well-known idea.  The trouble is that it is
2463 gallingly expensive.  To avoid the occasional space leak, for every
2464 single thunk entry we have to load a full-word literal constant into a
2465 register (often two instructions) and then store that register into a
2466 memory location.  
2467
2468 Fortunately, this cost can easily be avoided.  The
2469 idea is simple: {\em instead of black-holing every thunk on entry,
2470 wait until the garbage collector is called, and then black-hole all
2471 (and only) the thunks whose evaluation is in progress at that moment}.
2472 There is no benefit in black-holing a thunk that is updated before
2473 garbage collection strikes!  In effect, the idea is to perform the
2474 black-holing operation lazily, only when it is needed.  This
2475 dramatically cuts down the number of black-holing operations, as our
2476 results show {\em forward ref}.
2477
2478 How can we find all the thunks whose evaluation is in progress?  They
2479 are precisely the ones for which update frames are on the stack.  So
2480 all we need do is find all the update frames (via the @Su@ chain) and
2481 black-hole their thunks right at the start of garbage collection.
2482 Notice that it is not enough to refrain from treating update frames as
2483 roots: firstly because the thunks to which they point may need to be
2484 moved in a copying collector, but more importantly because the thunk
2485 might be accessible via some other route.
2486
2487 \subsubsection{Detecting loops}
2488
2489 Black-holing has a second minor advantage: evaluation of a thunk whose
2490 value depends on itself will cause a black hole closure to be entered,
2491 which can cause a suitable error message to be displayed. For example,
2492 consider the definition
2493 @
2494   x = 1+x
2495 @
2496 The code to evaluate @x@'s right hand side will evaluate @x@.  In the
2497 absence of black-holing, the result will be a stack overflow, as the
2498 evaluator repeatedly pushes a return address and enters @x@.  If
2499 thunks are black-holed on entry, then this infinite loop can be caught
2500 almost instantly.
2501
2502 With our new method of lazy black-holing, a self-referential program
2503 might cause either stack overflow or a black-hole error message,
2504 depending on exactly when garbage collection strikes.  It is quite
2505 easy to conceal these differences, however.  If stack overflow occurs,
2506 all we need do is examine the update frames on the stack to see if
2507 more than one refers to the same thunk.  If so, there is a loop that
2508 would have been detected by eager black-holing.
2509
2510 \subsubsection{Lazy locking}
2511 \label{sect:lock}
2512
2513 In a parallel implementation, it is necessary somehow to ``lock'' a
2514 thunk that is under evaluation, so that other parallel evaluators
2515 cannot simultaneously evaluate it and thereby duplicate work.
2516 Instead, an evaluator that enters a locked thunk should be blocked,
2517 and made runnable again when the thunk is updated.
2518
2519 This locking is readily arranged in the same way as black-holing, by
2520 overwriting the thunk's info pointer with a special ``locked'' info
2521 pointer, at the moment of entry.  If another evaluator enters the
2522 thunk before it has been updated, it will land in the entry code for
2523 the ``locked'' info pointer, which blocks the evaluator and queues it
2524 on the locked thunk.
2525
2526 The details are given by <.portable parallel trinder.>.  However, the close similarity
2527 between locking and black holing suggests the following question: can
2528 locking be done lazily too?  The answer is that it can, except that
2529 locking can be postponed only until the next {\em context switch},
2530 rather than the next {\em garbage collection}.  We are assuming here
2531 that the parallel implementation does not use shared memory to allow
2532 two processors to access the same closure.  If such access is
2533 permitted then every thunk entry requires a hardware lock, and becomes
2534 much too expensive.
2535
2536 Is lazy locking worth while, given that it requires extra work every
2537 context switch?  We believe it is, because contexts switches are
2538 relatively infrequent, and thousands of thunk-entries typically take
2539 place between each.
2540
2541 {\em Measurements elsewhere.  Omit this section? If so, fix cross refs to here.}
2542
2543 \fi
2544
2545
2546 \subsection{Squeezing identical updates}
2547
2548 \iffalse
2549
2550 \ToDo{Insert text stolen from update paper}
2551
2552 \else
2553
2554 Consider the following Haskell definition of the standard
2555 function @partition@ that divides a list into two, those elements
2556 that satisfy a predicate @p@ and those that do not:
2557 @
2558   partition :: (a->Bool) -> [a] -> ([a],[a])
2559   partition p [] = ([],[])
2560   partition p (x:xs) = if p x then (x:ys, zs)
2561                               else (ys, x:zs)
2562                      where
2563                        (ys,zs) = partition p xs
2564 @
2565 By the time this definition has been desugared, it looks like this:
2566 @
2567   partition p xs
2568     = case xs of
2569         [] -> ([],[])
2570         (x:xs) -> let
2571                     t = partition p xs
2572                     ys = fst t
2573                     zs = snd t
2574                   in
2575                   if p x then (x:ys,zs)
2576                          else (ys,x:zs)
2577 @
2578 Lazy evaluation demands that the recursive call is bound to an
2579 intermediate variable, @t@, from which @ys@ and @zs@ are lazily
2580 selected. (The functions @fst@ and @snd@ select the first and second
2581 elements of a pair, respectively.)
2582
2583 Now, suppose that @partition@ is applied to a list @[x1,x2]@,
2584 all of whose
2585 elements satisfy @p@.  We can get a good idea of what will happen
2586 at runtime by unrolling the recursion a few times in our heads.
2587 Unrolling once, and remembering that @(p x1)@ is @True@, we get this:
2588 @
2589   partition p [x1,x2]
2590 =
2591   let t1 = partition [x2]
2592       ys1 = fst t1
2593       zs1 = snd t1
2594   in (x1:ys1, zs1)
2595 @
2596 Unrolling the rest of the way gives this:
2597 @
2598   partition p [x1,x2]
2599 =
2600   let t2  = ([],[])
2601       ys2 = fst t2
2602       zs2 = snd t2
2603       t1  = (x2:ys2,zs2)
2604       ys1 = fst t1
2605       zs1 = snd t1
2606    in (x1:ys1,zs1)
2607 @
2608 Now consider what happens if @zs1@ is evaluated.  It is bound to a
2609 thunk, which will push an update frame before evaluating the
2610 expression @snd t1@.  This expression in turn forces evaluation of
2611 @zs2@, which pushes an update frame before evaluating @snd t2@.
2612 Indeed the stack of update frames will grow as deep as the list is
2613 long when @zs1@ is evaluated.  This is rather galling, since all the
2614 thunks @zs1@, @zs2@, and so on, have the same value.
2615
2616 \ToDo{Describe the state-transformer case in which we get a space leak from
2617 pending update frames.}
2618
2619 The solution is simple.  The garbage collector, which is going to traverse the
2620 update stack in any case, can easily identify two update frames that are directly
2621 on top of each other.  The second of these will update its target with the same
2622 value as the first.  Therefore, the garbage collector can perform the update 
2623 right away, by overwriting one update target with an indirection to the second,
2624 and eliminate the corresponding update frame.  In this way ever-growing stacks of
2625 update frames are reduced to a single representative at garbage collection time.
2626 If this is done at the start of garbage collection then, if it turns out that
2627 some of these update targets are garbage they will be collected right away.
2628
2629 \fi
2630
2631 \subsection{Space leaks and selectors}
2632
2633 \iffalse
2634
2635 \ToDo{Insert text stolen from update paper}
2636
2637 \else
2638
2639 In 1987, Wadler identified an important source of space leaks in
2640 lazy functional programs.  Consider the Haskell function definition:
2641 @
2642   f p = (g1 a, g2 b) where (a,b) = p
2643 @
2644 The pattern-matching in the @where@ clause is known as
2645 {\em lazy pattern-matching}, because it is performed only if @a@
2646 or @b@ is actually evaluated.  The desugarer translates lazy pattern matching
2647 to the use of selectors, @fst@ and @snd@ in this case:
2648 @
2649   f p = let a = fst p
2650             b = snd p
2651         in
2652         (b, a)
2653 @
2654 Now suppose that the second component of the pair @(f p)@, namely @a@,
2655 is evaluated and discarded, but the first is not although it remains
2656 reachable.  The garbage collector will find that the thunk for @b@ refers
2657 to @p@ and hence to @a@.  Thus, although @a@ cannot ever be used again, its
2658 space is retained.  It turns out that this space leak can have a very bad effect
2659 indeed on a program's space behaviour (Section~\ref{sect:selector-results}).
2660
2661 Wadler's paper also proposed a solution: if the garbage collector
2662 encounters a thunk of the form @snd p@, where @p@ is evaluated, then
2663 the garbage collector should perform the selection and overwrite the
2664 thunk with a pointer to the second component of the pair.  In effect, the
2665 garbage collector thereby performs a bounded amount of as-yet-undemanded evaluation
2666 in the hope of improving space behaviour.
2667 We implement this idea directly, by making the garbage collector
2668 eagerly execute all selector thunks\footnote{A word of caution: it is rather easy 
2669 to make a mistake in the implementation, especially if the garbage collector
2670 uses pointer reversal to traverse the reachable graph.},
2671 with results 
2672 reported in Section~\ref{sect:THUNK_SEL}.
2673
2674 One could easily imagine generalisations of this idea, with the garbage 
2675 collector performing bounded amounts of space-saving work.  One example is
2676 this:
2677 @
2678   f x []     = (x,x)
2679   f x (y:ys) = f (x+1) ys
2680 @
2681 Most lazy evaluators will build up a chain of thunks for the accumulating
2682 parameter, @x@, each of which increments @x@.  It is not safe to evaluate
2683 any of these thunks eagerly, since @f@ is not strict in @x@, and we know nothing
2684 about the value of @x@ passed in the initial call to @f@.
2685 On the other hand, if the garbage collector found a thunk @(x+1)@ where
2686 @x@ happened to be evaluated, then it could ``execute'' it eagerly.
2687 If done carefully, the entire chain could be eliminated in a single
2688 garbage collection.   We have not (yet) implemented this idea.
2689 A very similar idea, dubbed ``stingy evaluation'', is described 
2690 by <.stingy.>.
2691
2692 <.sparud lazy pattern matching.> describes another solution to the
2693 lazy-pattern-matching
2694 problem.  His solution involves adding code to the two thunks for
2695 @a@ and @b@ so that if either is evaluated it arranges to update the
2696 other as well as itself.  The garbage-collector solution is a little
2697 more general, since it applies whether or not the selectors were
2698 generated by lazy pattern matching, and in our setting it was easier
2699 to implement than Sparud's.
2700
2701 \fi
2702
2703
2704 \subsection{Internal workings of the Compacting Collector}
2705
2706 \subsection{Internal workings of the Copying Collector}
2707
2708 \subsection{Internal workings of the Generational Collector}
2709
2710
2711
2712 \section{Profiling}
2713
2714 Registering costs centres looks awkward - can we tidy it up?
2715
2716 \section{Parallelism}
2717
2718 Something about global GC, inter-process messages and fetchmes.
2719
2720 \section{Debugging}
2721
2722 \section{Ticky Ticky profiling}
2723
2724 Measure what proportion of ...:
2725 \begin{itemize}
2726 \item
2727 ... Enters are to data values, function values, thunks.
2728 \item
2729 ... allocations are for data values, functions values, thunks.
2730 \item
2731 ... updates are for data values, function values.
2732 \item
2733 ... updates ``fit''
2734 \item
2735 ... return-in-heap (dynamic)
2736 \item
2737 ... vectored return (dynamic)
2738 \item
2739 ... updates are wasted (never re-entered).
2740 \item
2741 ... constructor returns get away without hitting an update.
2742 \end{itemize}
2743
2744 %************************************************************************
2745 %*                                                                      *
2746 \subsubsection[ticky-stk-heap-use]{Stack and heap usage}
2747 %*                                                                      *
2748 %************************************************************************
2749
2750 Things we are interested in here:
2751 \begin{itemize}
2752 \item
2753 How many times we do a heap check and move @Hp@; comparing this with
2754 the allocations gives an indication of how many things we get per trip
2755 to the well:
2756
2757 If we do a ``heap lookahead,'' we haven't really allocated any
2758 heap, so we need to undo the effects of an @ALLOC_HEAP@:
2759
2760 \item
2761 The stack high-water mark.
2762
2763 \item
2764 Re-use of stack slots, and stubbing of stack slots:
2765
2766 \end{itemize}
2767
2768 %************************************************************************
2769 %*                                                                      *
2770 \subsubsection[ticky-allocs]{Allocations}
2771 %*                                                                      *
2772 %************************************************************************
2773
2774 We count things every time we allocate something in the dynamic heap.
2775 For each, we count the number of words of (1)~``admin'' (header),
2776 (2)~good stuff (useful pointers and data), and (3)~``slop'' (extra
2777 space, in hopes it will allow an in-place update).
2778
2779 The first five macros are inserted when the compiler generates code
2780 to allocate something; the categories correspond to the @ClosureClass@
2781 datatype (manifest functions, thunks, constructors, big tuples, and
2782 partial applications).
2783
2784 We may also allocate space when we do an update, and there isn't
2785 enough space.  These macros suffice (for: updating with a partial
2786 application and a constructor):
2787
2788 In the threaded world, we allocate space for the spark pool, stack objects,
2789 and thread state objects.
2790
2791 The histogrammy bit is fairly straightforward; the @-2@ is: one for
2792 0-origin C arrays; the other one because we do {\em no} one-word
2793 allocations, so we would never inc that histogram slot; so we shift
2794 everything over by one.
2795
2796 Some hard-to-account-for words are allocated by/for primitives,
2797 includes Integer support.  @ALLOC_PRIM2@ tells us about these.  We
2798 count everything as ``goods'', which is not strictly correct.
2799 (@ALLOC_PRIM@ is the same sort of stuff, but we know the
2800 admin/goods/slop breakdown.)
2801
2802 %************************************************************************
2803 %*                                                                      *
2804 \subsubsection[ticky-enters]{Enters}
2805 %*                                                                      *
2806 %************************************************************************
2807
2808 We do more magical things with @ENT_FUN_DIRECT@.  Besides simply knowing
2809 how many ``fast-entry-point'' enters there were, we'd like {\em simple}
2810 information about where those enters were, and the properties thereof.
2811 @
2812 struct ent_counter {
2813     unsigned    registeredp:16, /* 0 == no, 1 == yes */
2814                 arity:16,       /* arity (static info) */
2815                 Astk_args:16,   /* # of args off A stack */
2816                 Bstk_args:16;   /* # of args off B stack */
2817                                 /* (rest of args are in registers) */
2818     StgChar     *f_str;         /* name of the thing */
2819     StgChar     *f_arg_kinds;   /* info about the args types */
2820     StgChar     *wrap_str;      /* name of its wrapper (if any) */
2821     StgChar     *wrap_arg_kinds;/* info about the orig wrapper's arg types */
2822     I_          ctr;            /* the actual counter */
2823     struct ent_counter *link;   /* link to chain them all together */
2824 };
2825 @
2826
2827 %************************************************************************
2828 %*                                                                      *
2829 \subsubsection[ticky-returns]{Returns}
2830 %*                                                                      *
2831 %************************************************************************
2832
2833 Whenever a ``return'' occurs, it is returning the constituent parts of
2834 a data constructor.  The parts can be returned either in registers, or
2835 by allocating some heap to put it in (the @ALLOC_*@ macros account for
2836 the allocation).  The constructor can either be an existing one
2837 (@*OLD*@) or we could have {\em just} figured out this stuff
2838 (@*NEW*@).
2839
2840 Here's some special magic that Simon wants [edited to match names
2841 actually used]:
2842
2843 @
2844 From: Simon L Peyton Jones <simonpj>
2845 To: partain, simonpj
2846 Subject: counting updates
2847 Date: Wed, 25 Mar 92 08:39:48 +0000
2848
2849 I'd like to count how many times we update in place when actually Node
2850 points to the thing.  Here's how:
2851
2852 @RET_OLD_IN_REGS@ sets the variable @ReturnInRegsNodeValid@ to @True@;
2853 @RET_NEW_IN_REGS@ sets it to @False@.
2854
2855 @RET_SEMI_???@ sets it to??? ToDo [WDP]
2856
2857 @UPD_CON_IN_PLACE@ tests the variable, and increments @UPD_IN_PLACE_COPY_ctr@
2858 if it is true.
2859
2860 Then we need to report it along with the update-in-place info.
2861 @
2862
2863
2864 Of all the returns (sum of four categories above), how many were
2865 vectored?  (The rest were obviously unvectored).
2866
2867 %************************************************************************
2868 %*                                                                      *
2869 \subsubsection[ticky-update-frames]{Update frames}
2870 %*                                                                      *
2871 %************************************************************************
2872
2873 These macros count up the following update information.
2874
2875 \begin{tabular}{|l|l|} \hline
2876 Macro                   &       Counts                                  \\ \hline
2877                         &                                               \\
2878 @UPDF_STD_PUSHED@       &       Update frame pushed                     \\
2879 @UPDF_CON_PUSHED@       &       Constructor update frame pushed         \\
2880 @UPDF_HOLE_PUSHED@      &       An update frame to update a black hole  \\
2881 @UPDF_OMITTED@          &       A thunk decided not to push an update frame \\
2882                         &       (all subsets of @ENT_THK@)              \\
2883 @UPDF_RCC_PUSHED@       &       Cost Centre restore frame pushed        \\
2884 @UPDF_RCC_OMITTED@      &       Cost Centres not required -- not pushed \\\hline
2885 \end{tabular}
2886
2887 %************************************************************************
2888 %*                                                                      *
2889 \subsubsection[ticky-updates]{Updates}
2890 %*                                                                      *
2891 %************************************************************************
2892
2893 These macros record information when we do an update.  We always
2894 update either with a data constructor (CON) or a partial application
2895 (PAP).
2896
2897 \begin{tabular}{|l|l|}\hline
2898 Macro                   &       Where                                           \\ \hline
2899                         &                                                       \\
2900 @UPD_EXISTING@          &       Updating with an indirection to something       \\
2901                         &       already in the heap                             \\
2902 @UPD_SQUEEZED@          &       Same as @UPD_EXISTING@ but because              \\
2903                         &       of stack-squeezing                              \\
2904 @UPD_CON_W_NODE@        &       Updating with a CON: by indirecting to Node     \\
2905 @UPD_CON_IN_PLACE@      &       Ditto, but in place                             \\
2906 @UPD_CON_IN_NEW@        &       Ditto, but allocating the object                \\
2907 @UPD_PAP_IN_PLACE@      &       Same, but updating w/ a PAP                     \\
2908 @UPD_PAP_IN_NEW@        &                                                       \\\hline
2909 \end{tabular}
2910
2911 %************************************************************************
2912 %*                                                                      *
2913 \subsubsection[ticky-selectors]{Doing selectors at GC time}
2914 %*                                                                      *
2915 %************************************************************************
2916
2917 @GC_SEL_ABANDONED@: we could've done the selection, but we gave up
2918 (e.g., to avoid overflowing the C stack); @GC_SEL_MINOR@: did a
2919 selection in a minor GC; @GC_SEL_MAJOR@: ditto, but major GC.
2920
2921
2922
2923 \section{History}
2924
2925 We're nuking the following:
2926
2927 \begin{itemize}
2928 \item
2929   Two stacks
2930
2931 \item
2932   Return in registers.
2933   This lets us remove update code pointers from info tables,
2934   removes the need for phantom info tables, simplifies 
2935   semi-tagging, etc.
2936
2937 \item
2938   Threaded GC.
2939   Careful analysis suggests that it doesn't buy us very much
2940   and it is hard to work with.
2941
2942   Eliminating threaded GCs eliminates the desire to share SMReps
2943   so they are (once more) part of the Info table.
2944
2945 \item
2946   RetReg.
2947   Doesn't buy us anything on a register-poor architecture and
2948   isn't so important if we have semi-tagging.
2949
2950 @
2951     - Probably bad on register poor architecture 
2952     - Can avoid need to write return address to stack on reg rich arch.
2953       - when a function does a small amount of work, doesn't 
2954         enter any other thunks and then returns.
2955         eg entering a known constructor (but semitagging will catch this)
2956     - Adds complications
2957 @
2958
2959 \item
2960   Update in place
2961
2962   This lets us drop CONST closures and CHARLIKE closures (assuming we
2963   don't support Unicode).  The only point of these closures was to 
2964   avoid updating with an indirection.
2965
2966   We also drop @MIN_UPD_SIZE@ --- all we need is space to insert an
2967   indirection or a black hole.
2968
2969 \item
2970   STATIC SMReps are now called CONST
2971
2972 \item
2973   @SM_MUTVAR@ is new
2974
2975 \item The profiling ``kind'' field is now encoded in the @INFO_TYPE@ field.
2976 This identifies the general sort of the closure for profiling purposes.
2977
2978 \item Various papers describe deleting update frames for unreachable objects.
2979   This has never been implemented and we don't plan to anytime soon.
2980
2981 \end{itemize}
2982
2983 \section{Old tricks}
2984
2985 @CAF@ indirections:
2986
2987 These are statically defined closures which have been updated with a
2988 heap-allocated result.  Initially these are exactly the same as a
2989 @STATIC@ closure but with special entry code. On entering the closure
2990 the entry code must:
2991
2992 \begin{itemize}
2993 \item Allocate a black hole in the heap which will be updated with
2994       the result.
2995 \item Overwrite the static closure with a special @CAF@ indirection.
2996
2997 \item Link the static indirection onto the list of updated @CAF@s.
2998 \end{itemize}
2999
3000 The indirection and the link field require the initial @STATIC@
3001 closure to be of at least size @MIN_UPD_SIZE@ (excluding the fixed
3002 header).
3003
3004 @CAF@s are treated as special garbage collection roots.  These roots
3005 are explicitly collected by the garbage collector, since they may
3006 appear in code even if they are not linked with the main heap.  They
3007 consequently represent potentially enormous space-leaks.  A @CAF@
3008 closure retains a fixed location in statically allocated data space.
3009 When updated, the contents of the @CAF@ indirection are changed to
3010 reflect the new closure. @CAF@ indirections require special garbage
3011 collection code.
3012
3013 \section{Old stuff about SRTs}
3014
3015 Garbage collection of @CAF@s is tricky.  We have to cope with explicit
3016 collection from the @CAFlist@ as well as potential references from the
3017 stack and heap which will cause the @CAF@ evacuation code to be
3018 called.  They are treated like indirections which are shorted out.
3019 However they must also be updated to point to the new location of the
3020 new closure as the @CAF@ may still be used by references which
3021 reside in the code.
3022
3023 {\bf Copying Collection}
3024
3025 A first scheme might use evacuation code which evacuates the reference
3026 and updates the indirection. This is no good as subsequent evacuations
3027 will result in an already evacuated closure being evacuated. This will
3028 leave a forward reference in to-space!
3029
3030 An alternative scheme evacuates the @CAFlist@ first. The closures
3031 referenced are evacuated and the @CAF@ indirection updated to point to
3032 the evacuated closure. The @CAF@ evacuation code simply returns the
3033 updated indirection pointer --- the pointer to the evacuated closure.
3034 Unfortunately the closure the @CAF@ references may be a static
3035 closure, in fact, it may be another @CAF@. This will cause the second
3036 @CAF@'s evacuation code to be called before the @CAF@ has been
3037 evacuated, returning an unevacuated pointer.
3038
3039 Another scheme leaves updating the @CAF@ indirections to the end of
3040 the garbage collection.  All the references are evacuated and
3041 scavenged as usual (including the @CAFlist@). Once collection is
3042 complete the @CAFlist@ is traversed updating the @CAF@ references with
3043 the result of evacuating the referenced closure again. This will
3044 immediately return as it must be a forward reference, a static
3045 closure, or a @CAF@ which will indirect by evacuating its reference.
3046
3047 The crux of the problem is that the @CAF@ evacuation code needs to
3048 know if its reference has already been evacuated and updated. If not,
3049 then the reference can be evacuated, updated and returned safely
3050 (possibly evacuating another @CAF@). If it has, then the updated
3051 reference can be returned. This can be done using two @CAF@
3052 info-tables. At the start of a collection the @CAFlist@ is traversed
3053 and set to an internal {\em evacuate and update} info-table. During
3054 collection, evacution of such a @CAF@ also results in the info-table
3055 being reset back to the standard @CAF@ info-table. Thus subsequent
3056 evacuations will simply return the updated reference. On completion of
3057 the collection all @CAF@s will have {\em return reference} info-tables
3058 again.
3059
3060 This is the scheme we adopt. A @CAF@ indirection has evacuation code
3061 which returns the evacuated and updated reference. During garbage
3062 collection, all the @CAF@s are overwritten with an internal @CAF@ info
3063 table which has evacuation code which performs this evacuate and
3064 update and restores the original @CAF@ code. At some point during the
3065 collection we must ensure that all the @CAF@s are indeed evacuated.
3066
3067 The only potential problem with this scheme is a cyclic list of @CAF@s
3068 all directly referencing (possibly via indirections) another @CAF@!
3069 Evacuation of the first @CAF@ will fail in an infinite loop of @CAF@
3070 evacuations. This is solved by ensuring that the @CAF@ info-table is
3071 updated to a {\em return reference} info-table before performing the
3072 evacuate and update. If this {\em return reference} evacuation code is
3073 called before the actual evacuation is complete it must be because
3074 such a cycle of references exists. Returning the still unevacuated
3075 reference is OK --- all the @CAF@s will now reference the same
3076 @CAF@ which will reference itself! Construction of such a structure
3077 indicates the program must be in an infinite loop.
3078
3079 {\bf Compacting Collector}
3080
3081 When shorting out a @CAF@, its reference must be marked. A first
3082 attempt might explicitly mark the @CAF@s, updating the reference with
3083 the marked reference (possibly short circuting indirections). The
3084 actual @CAF@ marking code can indicate that they have already been
3085 marked (though this might not have actually been done yet) and return
3086 the indirection pointer so it is shorted out. Unfortunately the @CAF@
3087 reference might point to an indirection which will be subsequently
3088 shorted out. Rather than returning the @CAF@ reference we treat the
3089 @CAF@ as an indirection, calling the mark code of the reference, which
3090 will return the appropriately shorted reference.
3091
3092 Problem: Cyclic list of @CAF@s all directly referencing (possibly via
3093 indirections) another @CAF@!
3094
3095 Before compacting, the locations of the @CAF@ references are
3096 explicitly linked to the closures they reference (if they reference
3097 heap allocated closures) so that the compacting process will update
3098 them to the closure's new location. Unfortunately these locations'
3099 @CAF@ indirections are static.  This causes premature termination
3100 since the test to find the info pointer at the end of the location
3101 list will match more than one value.  This can be solved by using an
3102 auxiliary dynamic array (on the top of the A stack).  One location for
3103 each @CAF@ indirection is linked to the closure that the @CAF@
3104 references. Once collection is complete this array is traversed and
3105 the corresponding @CAF@ is then updated with the updated pointer from
3106 the auxiliary array.
3107
3108
3109 It is possible to use an alternative marking scheme, using a similar
3110 idea to the copying solution. This scheme avoids the need to update
3111 the @CAF@ references explicitly. We introduce an auxillary {\em mark
3112 and update} @CAF@ info-table which is used to update all @CAF@s at the
3113 start of a collection. The new code marks the @CAF@ reference,
3114 updating it with the returned reference.  The returned reference is
3115 itself returned so the @CAF@ is shorted out.  The code also modifies the
3116 @CAF@ info-table to be a {\em return reference}.  Subsequent attempts to
3117 mark the @CAF@ simply return the updated reference.
3118
3119 A cyclic @CAF@ reference will result in an attempt to mark the @CAF@
3120 before the marking has been completed and the reference updated. We
3121 cannot start marking the @CAF@ as it is already being marked. Nor can
3122 we return the reference as it has not yet been updated. Neither can we
3123 treat the CAF as an indirection since the @CAF@ reference has been
3124 obscured by the pointer reversal stack. All we can do is return the
3125 @CAF@ itself. This will result in some @CAF@ references not being
3126 shorted out.
3127
3128 This scheme has not been adopted but has been implemented. The code is
3129 commented out with @#if 0@.
3130
3131 \subsection{The virtual register set}
3132
3133 We refer to any (atomic) part of the virtual machine state as a ``register.''
3134 These ``registers'' may be shared between all threads in the system or may be
3135 specific to each thread.
3136
3137 Global: 
3138 @
3139   Hp
3140   HpLim
3141   Thread preemption flag
3142 @
3143
3144 Thread specific:
3145 @
3146   TSO - pointer to the TSO for when we have to pack thread away
3147   Sp
3148   SpLim
3149   Su - used to calculate number of arguments on stack
3150      - this is a more convenient representation
3151   Call/return registers (aka General purpose registers)
3152   Cost centre (and other debug/profile info)
3153   Statistic gathering (not in production system)
3154   Exception handlers 
3155     Heap overflow  - possible global?
3156     Stack overflow - possibly global?
3157     Pattern match failure
3158     maybe a failWith handler?
3159     maybe an exitWith handler?
3160     ...
3161 @
3162
3163 Some of these virtual ``registers'' are used very frequently and should
3164 be mapped onto machine registers if at all possible.  Others are used
3165 very infrequently and can be kept in memory to free up registers for
3166 other uses.
3167
3168 On register-poor architectures, we can play a few tricks to reduce the
3169 number of virtual registers which need to be accessed on a regular
3170 basis:
3171
3172 @
3173 - HpLim trick
3174 - Grow stack and heap towards each other (single-threaded system only)
3175 - We might need to keep the C stack pointer in a register if that
3176   is what the OS expects when a signal occurs.
3177 - Preemption flag trick
3178 - If any of the frequently accessed registers cannot be mapped onto
3179   machine registers we should keep the TSO in a machine register to
3180   allow faster access to all the other non-machine registers.
3181 @
3182
3183
3184 \end{document}
3185
3186