]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/libstd/sync/once.rs
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[rust.git] / src / libstd / sync / once.rs
1 // Copyright 2014 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
2 // file at the top-level directory of this distribution and at
3 // http://rust-lang.org/COPYRIGHT.
4 //
5 // Licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE or
6 // http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
7 // <LICENSE-MIT or http://opensource.org/licenses/MIT>, at your
8 // option. This file may not be copied, modified, or distributed
9 // except according to those terms.
10
11 //! A "once initialization" primitive
12 //!
13 //! This primitive is meant to be used to run one-time initialization. An
14 //! example use case would be for initializing an FFI library.
15
16 // A "once" is a relatively simple primitive, and it's also typically provided
17 // by the OS as well (see `pthread_once` or `InitOnceExecuteOnce`). The OS
18 // primitives, however, tend to have surprising restrictions, such as the Unix
19 // one doesn't allow an argument to be passed to the function.
20 //
21 // As a result, we end up implementing it ourselves in the standard library.
22 // This also gives us the opportunity to optimize the implementation a bit which
23 // should help the fast path on call sites. Consequently, let's explain how this
24 // primitive works now!
25 //
26 // So to recap, the guarantees of a Once are that it will call the
27 // initialization closure at most once, and it will never return until the one
28 // that's running has finished running. This means that we need some form of
29 // blocking here while the custom callback is running at the very least.
30 // Additionally, we add on the restriction of **poisoning**. Whenever an
31 // initialization closure panics, the Once enters a "poisoned" state which means
32 // that all future calls will immediately panic as well.
33 //
34 // So to implement this, one might first reach for a `StaticMutex`, but those
35 // unfortunately need to be deallocated (e.g. call `destroy()`) to free memory
36 // on all OSes (some of the BSDs allocate memory for mutexes). It also gets a
37 // lot harder with poisoning to figure out when the mutex needs to be
38 // deallocated because it's not after the closure finishes, but after the first
39 // successful closure finishes.
40 //
41 // All in all, this is instead implemented with atomics and lock-free
42 // operations! Whee! Each `Once` has one word of atomic state, and this state is
43 // CAS'd on to determine what to do. There are four possible state of a `Once`:
44 //
45 // * Incomplete - no initialization has run yet, and no thread is currently
46 //                using the Once.
47 // * Poisoned - some thread has previously attempted to initialize the Once, but
48 //              it panicked, so the Once is now poisoned. There are no other
49 //              threads currently accessing this Once.
50 // * Running - some thread is currently attempting to run initialization. It may
51 //             succeed, so all future threads need to wait for it to finish.
52 //             Note that this state is accompanied with a payload, described
53 //             below.
54 // * Complete - initialization has completed and all future calls should finish
55 //              immediately.
56 //
57 // With 4 states we need 2 bits to encode this, and we use the remaining bits
58 // in the word we have allocated as a queue of threads waiting for the thread
59 // responsible for entering the RUNNING state. This queue is just a linked list
60 // of Waiter nodes which is monotonically increasing in size. Each node is
61 // allocated on the stack, and whenever the running closure finishes it will
62 // consume the entire queue and notify all waiters they should try again.
63 //
64 // You'll find a few more details in the implementation, but that's the gist of
65 // it!
66
67 use fmt;
68 use marker;
69 use ptr;
70 use sync::atomic::{AtomicUsize, AtomicBool, Ordering};
71 use thread::{self, Thread};
72
73 /// A synchronization primitive which can be used to run a one-time global
74 /// initialization. Useful for one-time initialization for FFI or related
75 /// functionality. This type can only be constructed with the [`ONCE_INIT`]
76 /// value or the equivalent [`Once::new`] constructor.
77 ///
78 /// [`ONCE_INIT`]: constant.ONCE_INIT.html
79 /// [`Once::new`]: struct.Once.html#method.new
80 ///
81 /// # Examples
82 ///
83 /// ```
84 /// use std::sync::{Once, ONCE_INIT};
85 ///
86 /// static START: Once = ONCE_INIT;
87 ///
88 /// START.call_once(|| {
89 ///     // run initialization here
90 /// });
91 /// ```
92 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
93 pub struct Once {
94     // This `state` word is actually an encoded version of just a pointer to a
95     // `Waiter`, so we add the `PhantomData` appropriately.
96     state: AtomicUsize,
97     _marker: marker::PhantomData<*mut Waiter>,
98 }
99
100 // The `PhantomData` of a raw pointer removes these two auto traits, but we
101 // enforce both below in the implementation so this should be safe to add.
102 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
103 unsafe impl Sync for Once {}
104 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
105 unsafe impl Send for Once {}
106
107 /// State yielded to [`call_once_force`]’s closure parameter. The state can be
108 /// used to query the poison status of the [`Once`].
109 ///
110 /// [`call_once_force`]: struct.Once.html#method.call_once_force
111 /// [`Once`]: struct.Once.html
112 #[unstable(feature = "once_poison", issue = "33577")]
113 #[derive(Debug)]
114 pub struct OnceState {
115     poisoned: bool,
116 }
117
118 /// Initialization value for static [`Once`] values.
119 ///
120 /// [`Once`]: struct.Once.html
121 ///
122 /// # Examples
123 ///
124 /// ```
125 /// use std::sync::{Once, ONCE_INIT};
126 ///
127 /// static START: Once = ONCE_INIT;
128 /// ```
129 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
130 pub const ONCE_INIT: Once = Once::new();
131
132 // Four states that a Once can be in, encoded into the lower bits of `state` in
133 // the Once structure.
134 const INCOMPLETE: usize = 0x0;
135 const POISONED: usize = 0x1;
136 const RUNNING: usize = 0x2;
137 const COMPLETE: usize = 0x3;
138
139 // Mask to learn about the state. All other bits are the queue of waiters if
140 // this is in the RUNNING state.
141 const STATE_MASK: usize = 0x3;
142
143 // Representation of a node in the linked list of waiters in the RUNNING state.
144 struct Waiter {
145     thread: Option<Thread>,
146     signaled: AtomicBool,
147     next: *mut Waiter,
148 }
149
150 // Helper struct used to clean up after a closure call with a `Drop`
151 // implementation to also run on panic.
152 struct Finish {
153     panicked: bool,
154     me: &'static Once,
155 }
156
157 impl Once {
158     /// Creates a new `Once` value.
159     #[stable(feature = "once_new", since = "1.2.0")]
160     pub const fn new() -> Once {
161         Once {
162             state: AtomicUsize::new(INCOMPLETE),
163             _marker: marker::PhantomData,
164         }
165     }
166
167     /// Performs an initialization routine once and only once. The given closure
168     /// will be executed if this is the first time `call_once` has been called,
169     /// and otherwise the routine will *not* be invoked.
170     ///
171     /// This method will block the calling thread if another initialization
172     /// routine is currently running.
173     ///
174     /// When this function returns, it is guaranteed that some initialization
175     /// has run and completed (it may not be the closure specified). It is also
176     /// guaranteed that any memory writes performed by the executed closure can
177     /// be reliably observed by other threads at this point (there is a
178     /// happens-before relation between the closure and code executing after the
179     /// return).
180     ///
181     /// # Examples
182     ///
183     /// ```
184     /// use std::sync::{Once, ONCE_INIT};
185     ///
186     /// static mut VAL: usize = 0;
187     /// static INIT: Once = ONCE_INIT;
188     ///
189     /// // Accessing a `static mut` is unsafe much of the time, but if we do so
190     /// // in a synchronized fashion (e.g. write once or read all) then we're
191     /// // good to go!
192     /// //
193     /// // This function will only call `expensive_computation` once, and will
194     /// // otherwise always return the value returned from the first invocation.
195     /// fn get_cached_val() -> usize {
196     ///     unsafe {
197     ///         INIT.call_once(|| {
198     ///             VAL = expensive_computation();
199     ///         });
200     ///         VAL
201     ///     }
202     /// }
203     ///
204     /// fn expensive_computation() -> usize {
205     ///     // ...
206     /// # 2
207     /// }
208     /// ```
209     ///
210     /// # Panics
211     ///
212     /// The closure `f` will only be executed once if this is called
213     /// concurrently amongst many threads. If that closure panics, however, then
214     /// it will *poison* this `Once` instance, causing all future invocations of
215     /// `call_once` to also panic.
216     ///
217     /// This is similar to [poisoning with mutexes][poison].
218     ///
219     /// [poison]: struct.Mutex.html#poisoning
220     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
221     pub fn call_once<F>(&'static self, f: F) where F: FnOnce() {
222         // Fast path, just see if we've completed initialization.
223         if self.state.load(Ordering::SeqCst) == COMPLETE {
224             return
225         }
226
227         let mut f = Some(f);
228         self.call_inner(false, &mut |_| f.take().unwrap()());
229     }
230
231     /// Performs the same function as [`call_once`] except ignores poisoning.
232     ///
233     /// Unlike [`call_once`], if this `Once` has been poisoned (i.e. a previous
234     /// call to `call_once` or `call_once_force` caused a panic), calling
235     /// `call_once_force` will still invoke the closure `f` and will _not_
236     /// result in an immediate panic. If `f` panics, the `Once` will remain
237     /// in a poison state. If `f` does _not_ panic, the `Once` will no
238     /// longer be in a poison state and all future calls to `call_once` or
239     /// `call_one_force` will no-op.
240     ///
241     /// The closure `f` is yielded a [`OnceState`] structure which can be used
242     /// to query the poison status of the `Once`.
243     ///
244     /// [`call_once`]: struct.Once.html#method.call_once
245     /// [`OnceState`]: struct.OnceState.html
246     ///
247     /// # Examples
248     ///
249     /// ```
250     /// #![feature(once_poison)]
251     ///
252     /// use std::sync::{Once, ONCE_INIT};
253     /// use std::thread;
254     ///
255     /// static INIT: Once = ONCE_INIT;
256     ///
257     /// // poison the once
258     /// let handle = thread::spawn(|| {
259     ///     INIT.call_once(|| panic!());
260     /// });
261     /// assert!(handle.join().is_err());
262     ///
263     /// // poisoning propagates
264     /// let handle = thread::spawn(|| {
265     ///     INIT.call_once(|| {});
266     /// });
267     /// assert!(handle.join().is_err());
268     ///
269     /// // call_once_force will still run and reset the poisoned state
270     /// INIT.call_once_force(|state| {
271     ///     assert!(state.poisoned());
272     /// });
273     ///
274     /// // once any success happens, we stop propagating the poison
275     /// INIT.call_once(|| {});
276     /// ```
277     #[unstable(feature = "once_poison", issue = "33577")]
278     pub fn call_once_force<F>(&'static self, f: F) where F: FnOnce(&OnceState) {
279         // same as above, just with a different parameter to `call_inner`.
280         if self.state.load(Ordering::SeqCst) == COMPLETE {
281             return
282         }
283
284         let mut f = Some(f);
285         self.call_inner(true, &mut |p| {
286             f.take().unwrap()(&OnceState { poisoned: p })
287         });
288     }
289
290     // This is a non-generic function to reduce the monomorphization cost of
291     // using `call_once` (this isn't exactly a trivial or small implementation).
292     //
293     // Additionally, this is tagged with `#[cold]` as it should indeed be cold
294     // and it helps let LLVM know that calls to this function should be off the
295     // fast path. Essentially, this should help generate more straight line code
296     // in LLVM.
297     //
298     // Finally, this takes an `FnMut` instead of a `FnOnce` because there's
299     // currently no way to take an `FnOnce` and call it via virtual dispatch
300     // without some allocation overhead.
301     #[cold]
302     fn call_inner(&'static self,
303                   ignore_poisoning: bool,
304                   init: &mut FnMut(bool)) {
305         let mut state = self.state.load(Ordering::SeqCst);
306
307         'outer: loop {
308             match state {
309                 // If we're complete, then there's nothing to do, we just
310                 // jettison out as we shouldn't run the closure.
311                 COMPLETE => return,
312
313                 // If we're poisoned and we're not in a mode to ignore
314                 // poisoning, then we panic here to propagate the poison.
315                 POISONED if !ignore_poisoning => {
316                     panic!("Once instance has previously been poisoned");
317                 }
318
319                 // Otherwise if we see a poisoned or otherwise incomplete state
320                 // we will attempt to move ourselves into the RUNNING state. If
321                 // we succeed, then the queue of waiters starts at null (all 0
322                 // bits).
323                 POISONED |
324                 INCOMPLETE => {
325                     let old = self.state.compare_and_swap(state, RUNNING,
326                                                           Ordering::SeqCst);
327                     if old != state {
328                         state = old;
329                         continue
330                     }
331
332                     // Run the initialization routine, letting it know if we're
333                     // poisoned or not. The `Finish` struct is then dropped, and
334                     // the `Drop` implementation here is responsible for waking
335                     // up other waiters both in the normal return and panicking
336                     // case.
337                     let mut complete = Finish {
338                         panicked: true,
339                         me: self,
340                     };
341                     init(state == POISONED);
342                     complete.panicked = false;
343                     return
344                 }
345
346                 // All other values we find should correspond to the RUNNING
347                 // state with an encoded waiter list in the more significant
348                 // bits. We attempt to enqueue ourselves by moving us to the
349                 // head of the list and bail out if we ever see a state that's
350                 // not RUNNING.
351                 _ => {
352                     assert!(state & STATE_MASK == RUNNING);
353                     let mut node = Waiter {
354                         thread: Some(thread::current()),
355                         signaled: AtomicBool::new(false),
356                         next: ptr::null_mut(),
357                     };
358                     let me = &mut node as *mut Waiter as usize;
359                     assert!(me & STATE_MASK == 0);
360
361                     while state & STATE_MASK == RUNNING {
362                         node.next = (state & !STATE_MASK) as *mut Waiter;
363                         let old = self.state.compare_and_swap(state,
364                                                               me | RUNNING,
365                                                               Ordering::SeqCst);
366                         if old != state {
367                             state = old;
368                             continue
369                         }
370
371                         // Once we've enqueued ourselves, wait in a loop.
372                         // Afterwards reload the state and continue with what we
373                         // were doing from before.
374                         while !node.signaled.load(Ordering::SeqCst) {
375                             thread::park();
376                         }
377                         state = self.state.load(Ordering::SeqCst);
378                         continue 'outer
379                     }
380                 }
381             }
382         }
383     }
384 }
385
386 #[stable(feature = "std_debug", since = "1.16.0")]
387 impl fmt::Debug for Once {
388     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
389         f.pad("Once { .. }")
390     }
391 }
392
393 impl Drop for Finish {
394     fn drop(&mut self) {
395         // Swap out our state with however we finished. We should only ever see
396         // an old state which was RUNNING.
397         let queue = if self.panicked {
398             self.me.state.swap(POISONED, Ordering::SeqCst)
399         } else {
400             self.me.state.swap(COMPLETE, Ordering::SeqCst)
401         };
402         assert_eq!(queue & STATE_MASK, RUNNING);
403
404         // Decode the RUNNING to a list of waiters, then walk that entire list
405         // and wake them up. Note that it is crucial that after we store `true`
406         // in the node it can be free'd! As a result we load the `thread` to
407         // signal ahead of time and then unpark it after the store.
408         unsafe {
409             let mut queue = (queue & !STATE_MASK) as *mut Waiter;
410             while !queue.is_null() {
411                 let next = (*queue).next;
412                 let thread = (*queue).thread.take().unwrap();
413                 (*queue).signaled.store(true, Ordering::SeqCst);
414                 thread.unpark();
415                 queue = next;
416             }
417         }
418     }
419 }
420
421 impl OnceState {
422     /// Returns whether the associated [`Once`] was poisoned prior to the
423     /// invocation of the closure passed to [`call_once_force`].
424     ///
425     /// [`call_once_force`]: struct.Once.html#method.call_once_force
426     /// [`Once`]: struct.Once.html
427     ///
428     /// # Examples
429     ///
430     /// A poisoned `Once`:
431     ///
432     /// ```
433     /// #![feature(once_poison)]
434     ///
435     /// use std::sync::{Once, ONCE_INIT};
436     /// use std::thread;
437     ///
438     /// static INIT: Once = ONCE_INIT;
439     ///
440     /// // poison the once
441     /// let handle = thread::spawn(|| {
442     ///     INIT.call_once(|| panic!());
443     /// });
444     /// assert!(handle.join().is_err());
445     ///
446     /// INIT.call_once_force(|state| {
447     ///     assert!(state.poisoned());
448     /// });
449     /// ```
450     ///
451     /// An unpoisoned `Once`:
452     ///
453     /// ```
454     /// #![feature(once_poison)]
455     ///
456     /// use std::sync::{Once, ONCE_INIT};
457     ///
458     /// static INIT: Once = ONCE_INIT;
459     ///
460     /// INIT.call_once_force(|state| {
461     ///     assert!(!state.poisoned());
462     /// });
463     #[unstable(feature = "once_poison", issue = "33577")]
464     pub fn poisoned(&self) -> bool {
465         self.poisoned
466     }
467 }
468
469 #[cfg(all(test, not(target_os = "emscripten")))]
470 mod tests {
471     use panic;
472     use sync::mpsc::channel;
473     use thread;
474     use super::Once;
475
476     #[test]
477     fn smoke_once() {
478         static O: Once = Once::new();
479         let mut a = 0;
480         O.call_once(|| a += 1);
481         assert_eq!(a, 1);
482         O.call_once(|| a += 1);
483         assert_eq!(a, 1);
484     }
485
486     #[test]
487     fn stampede_once() {
488         static O: Once = Once::new();
489         static mut RUN: bool = false;
490
491         let (tx, rx) = channel();
492         for _ in 0..10 {
493             let tx = tx.clone();
494             thread::spawn(move|| {
495                 for _ in 0..4 { thread::yield_now() }
496                 unsafe {
497                     O.call_once(|| {
498                         assert!(!RUN);
499                         RUN = true;
500                     });
501                     assert!(RUN);
502                 }
503                 tx.send(()).unwrap();
504             });
505         }
506
507         unsafe {
508             O.call_once(|| {
509                 assert!(!RUN);
510                 RUN = true;
511             });
512             assert!(RUN);
513         }
514
515         for _ in 0..10 {
516             rx.recv().unwrap();
517         }
518     }
519
520     #[test]
521     fn poison_bad() {
522         static O: Once = Once::new();
523
524         // poison the once
525         let t = panic::catch_unwind(|| {
526             O.call_once(|| panic!());
527         });
528         assert!(t.is_err());
529
530         // poisoning propagates
531         let t = panic::catch_unwind(|| {
532             O.call_once(|| {});
533         });
534         assert!(t.is_err());
535
536         // we can subvert poisoning, however
537         let mut called = false;
538         O.call_once_force(|p| {
539             called = true;
540             assert!(p.poisoned())
541         });
542         assert!(called);
543
544         // once any success happens, we stop propagating the poison
545         O.call_once(|| {});
546     }
547
548     #[test]
549     fn wait_for_force_to_finish() {
550         static O: Once = Once::new();
551
552         // poison the once
553         let t = panic::catch_unwind(|| {
554             O.call_once(|| panic!());
555         });
556         assert!(t.is_err());
557
558         // make sure someone's waiting inside the once via a force
559         let (tx1, rx1) = channel();
560         let (tx2, rx2) = channel();
561         let t1 = thread::spawn(move || {
562             O.call_once_force(|p| {
563                 assert!(p.poisoned());
564                 tx1.send(()).unwrap();
565                 rx2.recv().unwrap();
566             });
567         });
568
569         rx1.recv().unwrap();
570
571         // put another waiter on the once
572         let t2 = thread::spawn(|| {
573             let mut called = false;
574             O.call_once(|| {
575                 called = true;
576             });
577             assert!(!called);
578         });
579
580         tx2.send(()).unwrap();
581
582         assert!(t1.join().is_ok());
583         assert!(t2.join().is_ok());
584
585     }
586 }