new lock algorithm with state and congestion count in one atomic int
authorJens Gustedt <Jens.Gustedt@inria.fr>
Wed, 3 Jan 2018 13:17:12 +0000 (14:17 +0100)
committerRich Felker <dalias@aerifal.cx>
Tue, 9 Jan 2018 18:10:12 +0000 (13:10 -0500)
A variant of this new lock algorithm has been presented at SAC'16, see
https://hal.inria.fr/hal-01304108. A full version of that paper is
available at https://hal.inria.fr/hal-01236734.

The main motivation of this is to improve on the safety of the basic lock
implementation in musl. This is achieved by squeezing a lock flag and a
congestion count (= threads inside the critical section) into a single
int. Thereby an unlock operation does exactly one memory
transfer (a_fetch_add) and never touches the value again, but still
detects if a waiter has to be woken up.

This is a fix of a use-after-free bug in pthread_detach that had
temporarily been patched. Therefore this patch also reverts

         c1e27367a9b26b9baac0f37a12349fc36567c8b6

This is also the only place where internal knowledge of the lock
algorithm is used.

The main price for the improved safety is a little bit larger code.

Under high congestion, the scheduling behavior will be different
compared to the previous algorithm. In that case, a successful
put-to-sleep may appear out of order compared to the arrival in the
critical section.

src/internal/pthread_impl.h
src/thread/__lock.c
src/thread/pthread_detach.c

index 56e19348ece8fcb8152e4ad10410eb91b35a176b..602d6f56a546df2e8fc0889ac01afee1186ae148 100644 (file)
@@ -136,6 +136,12 @@ static inline void __wake(volatile void *addr, int cnt, int priv)
        __syscall(SYS_futex, addr, FUTEX_WAKE|priv, cnt) != -ENOSYS ||
        __syscall(SYS_futex, addr, FUTEX_WAKE, cnt);
 }
+static inline void __futexwait(volatile void *addr, int val, int priv)
+{
+       if (priv) priv = FUTEX_PRIVATE;
+       __syscall(SYS_futex, addr, FUTEX_WAIT|priv, val) != -ENOSYS ||
+       __syscall(SYS_futex, addr, FUTEX_WAIT, val);
+}
 
 void __acquire_ptc(void);
 void __release_ptc(void);
index 0874c04a4c0a81a9fa0dc032479ec18cec81d8aa..45557c8885ddefc3a05d010e85014b551352afb7 100644 (file)
@@ -1,15 +1,60 @@
 #include "pthread_impl.h"
 
+/* This lock primitive combines a flag (in the sign bit) and a
+ * congestion count (= threads inside the critical section, CS) in a
+ * single int that is accessed through atomic operations. The states
+ * of the int for value x are:
+ *
+ * x == 0: unlocked and no thread inside the critical section
+ *
+ * x < 0: locked with a congestion of x-INT_MIN, including the thread
+ * that holds the lock
+ *
+ * x > 0: unlocked with a congestion of x
+ *
+ * or in an equivalent formulation x is the congestion count or'ed
+ * with INT_MIN as a lock flag.
+ */
+
 void __lock(volatile int *l)
 {
-       if (libc.threads_minus_1)
-               while (a_swap(l, 1)) __wait(l, l+1, 1, 1);
+       if (!libc.threads_minus_1) return;
+       /* fast path: INT_MIN for the lock, +1 for the congestion */
+       int current = a_cas(l, 0, INT_MIN + 1);
+       if (!current) return;
+       /* A first spin loop, for medium congestion. */
+       for (unsigned i = 0; i < 10; ++i) {
+               if (current < 0) current -= INT_MIN + 1;
+               // assertion: current >= 0
+               int val = a_cas(l, current, INT_MIN + (current + 1));
+               if (val == current) return;
+               current = val;
+       }
+       // Spinning failed, so mark ourselves as being inside the CS.
+       current = a_fetch_add(l, 1) + 1;
+       /* The main lock acquisition loop for heavy congestion. The only
+        * change to the value performed inside that loop is a successful
+        * lock via the CAS that acquires the lock. */
+       for (;;) {
+               /* We can only go into wait, if we know that somebody holds the
+                * lock and will eventually wake us up, again. */
+               if (current < 0) {
+                       __futexwait(l, current, 1);
+                       current -= INT_MIN + 1;
+               }
+               /* assertion: current > 0, the count includes us already. */
+               int val = a_cas(l, current, INT_MIN + current);
+               if (val == current) return;
+               current = val;
+       }
 }
 
 void __unlock(volatile int *l)
 {
-       if (l[0]) {
-               a_store(l, 0);
-               if (l[1]) __wake(l, 1, 1);
+       /* Check l[0] to see if we are multi-threaded. */
+       if (l[0] < 0) {
+               if (a_fetch_add(l, -(INT_MIN + 1)) != (INT_MIN + 1)) {
+                       __wake(l, 1, 1);
+               }
        }
 }
index 134826078df3f7805ea5f2e3a85088108dfc3ef5..d9c90d1c89fa9ab56024eef5464db64e040e9c1c 100644 (file)
@@ -6,11 +6,10 @@ int __pthread_join(pthread_t, void **);
 static int __pthread_detach(pthread_t t)
 {
        /* Cannot detach a thread that's already exiting */
-       if (a_swap(t->exitlock, 1))
+       if (a_cas(t->exitlock, 0, INT_MIN + 1))
                return __pthread_join(t, 0);
        t->detached = 2;
-       a_store(t->exitlock, 0);
-       __wake(t->exitlock, 1, 1);
+       __unlock(t->exitlock);
        return 0;
 }