]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - library/std/src/sync/mpsc/shared.rs
Merge commit 'dbee13661efa269cb4cd57bb4c6b99a19732b484' into sync_cg_clif-2020-12-27
[rust.git] / library / std / src / sync / mpsc / shared.rs
1 /// Shared channels.
2 ///
3 /// This is the flavor of channels which are not necessarily optimized for any
4 /// particular use case, but are the most general in how they are used. Shared
5 /// channels are cloneable allowing for multiple senders.
6 ///
7 /// High level implementation details can be found in the comment of the parent
8 /// module. You'll also note that the implementation of the shared and stream
9 /// channels are quite similar, and this is no coincidence!
10 pub use self::Failure::*;
11 use self::StartResult::*;
12
13 use core::cmp;
14 use core::intrinsics::abort;
15
16 use crate::cell::UnsafeCell;
17 use crate::ptr;
18 use crate::sync::atomic::{AtomicBool, AtomicIsize, AtomicUsize, Ordering};
19 use crate::sync::mpsc::blocking::{self, SignalToken};
20 use crate::sync::mpsc::mpsc_queue as mpsc;
21 use crate::sync::{Mutex, MutexGuard};
22 use crate::thread;
23 use crate::time::Instant;
24
25 const DISCONNECTED: isize = isize::MIN;
26 const FUDGE: isize = 1024;
27 const MAX_REFCOUNT: usize = (isize::MAX) as usize;
28 #[cfg(test)]
29 const MAX_STEALS: isize = 5;
30 #[cfg(not(test))]
31 const MAX_STEALS: isize = 1 << 20;
32
33 pub struct Packet<T> {
34     queue: mpsc::Queue<T>,
35     cnt: AtomicIsize,          // How many items are on this channel
36     steals: UnsafeCell<isize>, // How many times has a port received without blocking?
37     to_wake: AtomicUsize,      // SignalToken for wake up
38
39     // The number of channels which are currently using this packet.
40     channels: AtomicUsize,
41
42     // See the discussion in Port::drop and the channel send methods for what
43     // these are used for
44     port_dropped: AtomicBool,
45     sender_drain: AtomicIsize,
46
47     // this lock protects various portions of this implementation during
48     // select()
49     select_lock: Mutex<()>,
50 }
51
52 pub enum Failure {
53     Empty,
54     Disconnected,
55 }
56
57 #[derive(PartialEq, Eq)]
58 enum StartResult {
59     Installed,
60     Abort,
61 }
62
63 impl<T> Packet<T> {
64     // Creation of a packet *must* be followed by a call to postinit_lock
65     // and later by inherit_blocker
66     pub fn new() -> Packet<T> {
67         Packet {
68             queue: mpsc::Queue::new(),
69             cnt: AtomicIsize::new(0),
70             steals: UnsafeCell::new(0),
71             to_wake: AtomicUsize::new(0),
72             channels: AtomicUsize::new(2),
73             port_dropped: AtomicBool::new(false),
74             sender_drain: AtomicIsize::new(0),
75             select_lock: Mutex::new(()),
76         }
77     }
78
79     // This function should be used after newly created Packet
80     // was wrapped with an Arc
81     // In other case mutex data will be duplicated while cloning
82     // and that could cause problems on platforms where it is
83     // represented by opaque data structure
84     pub fn postinit_lock(&self) -> MutexGuard<'_, ()> {
85         self.select_lock.lock().unwrap()
86     }
87
88     // This function is used at the creation of a shared packet to inherit a
89     // previously blocked thread. This is done to prevent spurious wakeups of
90     // threads in select().
91     //
92     // This can only be called at channel-creation time
93     pub fn inherit_blocker(&self, token: Option<SignalToken>, guard: MutexGuard<'_, ()>) {
94         if let Some(token) = token {
95             assert_eq!(self.cnt.load(Ordering::SeqCst), 0);
96             assert_eq!(self.to_wake.load(Ordering::SeqCst), 0);
97             self.to_wake.store(unsafe { token.cast_to_usize() }, Ordering::SeqCst);
98             self.cnt.store(-1, Ordering::SeqCst);
99
100             // This store is a little sketchy. What's happening here is that
101             // we're transferring a blocker from a oneshot or stream channel to
102             // this shared channel. In doing so, we never spuriously wake them
103             // up and rather only wake them up at the appropriate time. This
104             // implementation of shared channels assumes that any blocking
105             // recv() will undo the increment of steals performed in try_recv()
106             // once the recv is complete.  This thread that we're inheriting,
107             // however, is not in the middle of recv. Hence, the first time we
108             // wake them up, they're going to wake up from their old port, move
109             // on to the upgraded port, and then call the block recv() function.
110             //
111             // When calling this function, they'll find there's data immediately
112             // available, counting it as a steal. This in fact wasn't a steal
113             // because we appropriately blocked them waiting for data.
114             //
115             // To offset this bad increment, we initially set the steal count to
116             // -1. You'll find some special code in abort_selection() as well to
117             // ensure that this -1 steal count doesn't escape too far.
118             unsafe {
119                 *self.steals.get() = -1;
120             }
121         }
122
123         // When the shared packet is constructed, we grabbed this lock. The
124         // purpose of this lock is to ensure that abort_selection() doesn't
125         // interfere with this method. After we unlock this lock, we're
126         // signifying that we're done modifying self.cnt and self.to_wake and
127         // the port is ready for the world to continue using it.
128         drop(guard);
129     }
130
131     pub fn send(&self, t: T) -> Result<(), T> {
132         // See Port::drop for what's going on
133         if self.port_dropped.load(Ordering::SeqCst) {
134             return Err(t);
135         }
136
137         // Note that the multiple sender case is a little trickier
138         // semantically than the single sender case. The logic for
139         // incrementing is "add and if disconnected store disconnected".
140         // This could end up leading some senders to believe that there
141         // wasn't a disconnect if in fact there was a disconnect. This means
142         // that while one thread is attempting to re-store the disconnected
143         // states, other threads could walk through merrily incrementing
144         // this very-negative disconnected count. To prevent senders from
145         // spuriously attempting to send when the channels is actually
146         // disconnected, the count has a ranged check here.
147         //
148         // This is also done for another reason. Remember that the return
149         // value of this function is:
150         //
151         //  `true` == the data *may* be received, this essentially has no
152         //            meaning
153         //  `false` == the data will *never* be received, this has a lot of
154         //             meaning
155         //
156         // In the SPSC case, we have a check of 'queue.is_empty()' to see
157         // whether the data was actually received, but this same condition
158         // means nothing in a multi-producer context. As a result, this
159         // preflight check serves as the definitive "this will never be
160         // received". Once we get beyond this check, we have permanently
161         // entered the realm of "this may be received"
162         if self.cnt.load(Ordering::SeqCst) < DISCONNECTED + FUDGE {
163             return Err(t);
164         }
165
166         self.queue.push(t);
167         match self.cnt.fetch_add(1, Ordering::SeqCst) {
168             -1 => {
169                 self.take_to_wake().signal();
170             }
171
172             // In this case, we have possibly failed to send our data, and
173             // we need to consider re-popping the data in order to fully
174             // destroy it. We must arbitrate among the multiple senders,
175             // however, because the queues that we're using are
176             // single-consumer queues. In order to do this, all exiting
177             // pushers will use an atomic count in order to count those
178             // flowing through. Pushers who see 0 are required to drain as
179             // much as possible, and then can only exit when they are the
180             // only pusher (otherwise they must try again).
181             n if n < DISCONNECTED + FUDGE => {
182                 // see the comment in 'try' for a shared channel for why this
183                 // window of "not disconnected" is ok.
184                 self.cnt.store(DISCONNECTED, Ordering::SeqCst);
185
186                 if self.sender_drain.fetch_add(1, Ordering::SeqCst) == 0 {
187                     loop {
188                         // drain the queue, for info on the thread yield see the
189                         // discussion in try_recv
190                         loop {
191                             match self.queue.pop() {
192                                 mpsc::Data(..) => {}
193                                 mpsc::Empty => break,
194                                 mpsc::Inconsistent => thread::yield_now(),
195                             }
196                         }
197                         // maybe we're done, if we're not the last ones
198                         // here, then we need to go try again.
199                         if self.sender_drain.fetch_sub(1, Ordering::SeqCst) == 1 {
200                             break;
201                         }
202                     }
203
204                     // At this point, there may still be data on the queue,
205                     // but only if the count hasn't been incremented and
206                     // some other sender hasn't finished pushing data just
207                     // yet. That sender in question will drain its own data.
208                 }
209             }
210
211             // Can't make any assumptions about this case like in the SPSC case.
212             _ => {}
213         }
214
215         Ok(())
216     }
217
218     pub fn recv(&self, deadline: Option<Instant>) -> Result<T, Failure> {
219         // This code is essentially the exact same as that found in the stream
220         // case (see stream.rs)
221         match self.try_recv() {
222             Err(Empty) => {}
223             data => return data,
224         }
225
226         let (wait_token, signal_token) = blocking::tokens();
227         if self.decrement(signal_token) == Installed {
228             if let Some(deadline) = deadline {
229                 let timed_out = !wait_token.wait_max_until(deadline);
230                 if timed_out {
231                     self.abort_selection(false);
232                 }
233             } else {
234                 wait_token.wait();
235             }
236         }
237
238         match self.try_recv() {
239             data @ Ok(..) => unsafe {
240                 *self.steals.get() -= 1;
241                 data
242             },
243             data => data,
244         }
245     }
246
247     // Essentially the exact same thing as the stream decrement function.
248     // Returns true if blocking should proceed.
249     fn decrement(&self, token: SignalToken) -> StartResult {
250         unsafe {
251             assert_eq!(self.to_wake.load(Ordering::SeqCst), 0);
252             let ptr = token.cast_to_usize();
253             self.to_wake.store(ptr, Ordering::SeqCst);
254
255             let steals = ptr::replace(self.steals.get(), 0);
256
257             match self.cnt.fetch_sub(1 + steals, Ordering::SeqCst) {
258                 DISCONNECTED => {
259                     self.cnt.store(DISCONNECTED, Ordering::SeqCst);
260                 }
261                 // If we factor in our steals and notice that the channel has no
262                 // data, we successfully sleep
263                 n => {
264                     assert!(n >= 0);
265                     if n - steals <= 0 {
266                         return Installed;
267                     }
268                 }
269             }
270
271             self.to_wake.store(0, Ordering::SeqCst);
272             drop(SignalToken::cast_from_usize(ptr));
273             Abort
274         }
275     }
276
277     pub fn try_recv(&self) -> Result<T, Failure> {
278         let ret = match self.queue.pop() {
279             mpsc::Data(t) => Some(t),
280             mpsc::Empty => None,
281
282             // This is a bit of an interesting case. The channel is reported as
283             // having data available, but our pop() has failed due to the queue
284             // being in an inconsistent state.  This means that there is some
285             // pusher somewhere which has yet to complete, but we are guaranteed
286             // that a pop will eventually succeed. In this case, we spin in a
287             // yield loop because the remote sender should finish their enqueue
288             // operation "very quickly".
289             //
290             // Avoiding this yield loop would require a different queue
291             // abstraction which provides the guarantee that after M pushes have
292             // succeeded, at least M pops will succeed. The current queues
293             // guarantee that if there are N active pushes, you can pop N times
294             // once all N have finished.
295             mpsc::Inconsistent => {
296                 let data;
297                 loop {
298                     thread::yield_now();
299                     match self.queue.pop() {
300                         mpsc::Data(t) => {
301                             data = t;
302                             break;
303                         }
304                         mpsc::Empty => panic!("inconsistent => empty"),
305                         mpsc::Inconsistent => {}
306                     }
307                 }
308                 Some(data)
309             }
310         };
311         match ret {
312             // See the discussion in the stream implementation for why we
313             // might decrement steals.
314             Some(data) => unsafe {
315                 if *self.steals.get() > MAX_STEALS {
316                     match self.cnt.swap(0, Ordering::SeqCst) {
317                         DISCONNECTED => {
318                             self.cnt.store(DISCONNECTED, Ordering::SeqCst);
319                         }
320                         n => {
321                             let m = cmp::min(n, *self.steals.get());
322                             *self.steals.get() -= m;
323                             self.bump(n - m);
324                         }
325                     }
326                     assert!(*self.steals.get() >= 0);
327                 }
328                 *self.steals.get() += 1;
329                 Ok(data)
330             },
331
332             // See the discussion in the stream implementation for why we try
333             // again.
334             None => {
335                 match self.cnt.load(Ordering::SeqCst) {
336                     n if n != DISCONNECTED => Err(Empty),
337                     _ => {
338                         match self.queue.pop() {
339                             mpsc::Data(t) => Ok(t),
340                             mpsc::Empty => Err(Disconnected),
341                             // with no senders, an inconsistency is impossible.
342                             mpsc::Inconsistent => unreachable!(),
343                         }
344                     }
345                 }
346             }
347         }
348     }
349
350     // Prepares this shared packet for a channel clone, essentially just bumping
351     // a refcount.
352     pub fn clone_chan(&self) {
353         let old_count = self.channels.fetch_add(1, Ordering::SeqCst);
354
355         // See comments on Arc::clone() on why we do this (for `mem::forget`).
356         if old_count > MAX_REFCOUNT {
357             abort();
358         }
359     }
360
361     // Decrement the reference count on a channel. This is called whenever a
362     // Chan is dropped and may end up waking up a receiver. It's the receiver's
363     // responsibility on the other end to figure out that we've disconnected.
364     pub fn drop_chan(&self) {
365         match self.channels.fetch_sub(1, Ordering::SeqCst) {
366             1 => {}
367             n if n > 1 => return,
368             n => panic!("bad number of channels left {}", n),
369         }
370
371         match self.cnt.swap(DISCONNECTED, Ordering::SeqCst) {
372             -1 => {
373                 self.take_to_wake().signal();
374             }
375             DISCONNECTED => {}
376             n => {
377                 assert!(n >= 0);
378             }
379         }
380     }
381
382     // See the long discussion inside of stream.rs for why the queue is drained,
383     // and why it is done in this fashion.
384     pub fn drop_port(&self) {
385         self.port_dropped.store(true, Ordering::SeqCst);
386         let mut steals = unsafe { *self.steals.get() };
387         while {
388             match self.cnt.compare_exchange(
389                 steals,
390                 DISCONNECTED,
391                 Ordering::SeqCst,
392                 Ordering::SeqCst,
393             ) {
394                 Ok(_) => false,
395                 Err(old) => old != DISCONNECTED,
396             }
397         } {
398             // See the discussion in 'try_recv' for why we yield
399             // control of this thread.
400             loop {
401                 match self.queue.pop() {
402                     mpsc::Data(..) => {
403                         steals += 1;
404                     }
405                     mpsc::Empty | mpsc::Inconsistent => break,
406                 }
407             }
408         }
409     }
410
411     // Consumes ownership of the 'to_wake' field.
412     fn take_to_wake(&self) -> SignalToken {
413         let ptr = self.to_wake.load(Ordering::SeqCst);
414         self.to_wake.store(0, Ordering::SeqCst);
415         assert!(ptr != 0);
416         unsafe { SignalToken::cast_from_usize(ptr) }
417     }
418
419     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
420     // select implementation
421     ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
422
423     // increment the count on the channel (used for selection)
424     fn bump(&self, amt: isize) -> isize {
425         match self.cnt.fetch_add(amt, Ordering::SeqCst) {
426             DISCONNECTED => {
427                 self.cnt.store(DISCONNECTED, Ordering::SeqCst);
428                 DISCONNECTED
429             }
430             n => n,
431         }
432     }
433
434     // Cancels a previous thread waiting on this port, returning whether there's
435     // data on the port.
436     //
437     // This is similar to the stream implementation (hence fewer comments), but
438     // uses a different value for the "steals" variable.
439     pub fn abort_selection(&self, _was_upgrade: bool) -> bool {
440         // Before we do anything else, we bounce on this lock. The reason for
441         // doing this is to ensure that any upgrade-in-progress is gone and
442         // done with. Without this bounce, we can race with inherit_blocker
443         // about looking at and dealing with to_wake. Once we have acquired the
444         // lock, we are guaranteed that inherit_blocker is done.
445         {
446             let _guard = self.select_lock.lock().unwrap();
447         }
448
449         // Like the stream implementation, we want to make sure that the count
450         // on the channel goes non-negative. We don't know how negative the
451         // stream currently is, so instead of using a steal value of 1, we load
452         // the channel count and figure out what we should do to make it
453         // positive.
454         let steals = {
455             let cnt = self.cnt.load(Ordering::SeqCst);
456             if cnt < 0 && cnt != DISCONNECTED { -cnt } else { 0 }
457         };
458         let prev = self.bump(steals + 1);
459
460         if prev == DISCONNECTED {
461             assert_eq!(self.to_wake.load(Ordering::SeqCst), 0);
462             true
463         } else {
464             let cur = prev + steals + 1;
465             assert!(cur >= 0);
466             if prev < 0 {
467                 drop(self.take_to_wake());
468             } else {
469                 while self.to_wake.load(Ordering::SeqCst) != 0 {
470                     thread::yield_now();
471                 }
472             }
473             unsafe {
474                 // if the number of steals is -1, it was the pre-emptive -1 steal
475                 // count from when we inherited a blocker. This is fine because
476                 // we're just going to overwrite it with a real value.
477                 let old = self.steals.get();
478                 assert!(*old == 0 || *old == -1);
479                 *old = steals;
480                 prev >= 0
481             }
482         }
483     }
484 }
485
486 impl<T> Drop for Packet<T> {
487     fn drop(&mut self) {
488         // Note that this load is not only an assert for correctness about
489         // disconnection, but also a proper fence before the read of
490         // `to_wake`, so this assert cannot be removed with also removing
491         // the `to_wake` assert.
492         assert_eq!(self.cnt.load(Ordering::SeqCst), DISCONNECTED);
493         assert_eq!(self.to_wake.load(Ordering::SeqCst), 0);
494         assert_eq!(self.channels.load(Ordering::SeqCst), 0);
495     }
496 }