bump product version to 6.4.0.3
[LibreOffice.git] / vcl / README.scheduler
blob52c76dac5b85f56f70809bd74eae49cbaa026b52
1 = Introduction =
3 The VCL scheduler handles LOs primary event queue. It is simple by design,
4 currently just a single-linked list, processed in list-order by priority
5 using round-robin for reoccurring tasks.
7 The scheduler has the following behaviour:
9 B.1. Tasks are scheduled just priority based
10 B.2. Implicitly cooperative AKA non-preemptive
11 B.3. It's not "fair" in any way (a consequence of B.2)
12 B.4. Tasks are handled round-robin (per priority)
13 B.5. Higher priorities have lower values
14 B.6. A small set of priorities instead of an flexible value AKA int
16 There are some consequences due to this design.
18 C.1. Higher priority tasks starve lower priority tasks
19      As long as a higher task is available, lower tasks are never run!
20      See Anti-pattern.
22 C.2. Tasks should be split into sensible blocks
23      If this can't really be done, process pending tasks by calling
24      Application::Reschedule(). Or use a thread.
26 C.3. This is not an OS scheduler
27      There is no real way to "fix" B.2. and B.3.
28      If you need to do a preemptive task, use a thread!
29      Otherwise make your task suspendable.
32 = Driving the scheduler AKA the system timer =
34   1. There is just one system timer, which drives LO event loop
35   2. The timer has to run in the main window thread
36   3. The scheduler is run with the Solar mutex acquired
37   4. The system timer is a single-shot timer
38   5. The scheduler system event / message has a low system priority.
39      All system events should have a higher priority.
41 Every time a task is started, the scheduler timer is adjusted. When the timer
42 fires, it posts an event to the system message queue. If the next most
43 important task is an Idle (AKA instant, 0ms timeout), the event is pushed to
44 the back of the queue, so we don't starve system messages, otherwise to the
45 front.
47 Every time the scheduler is invoked it searches for the next task to process,
48 restarts the timer with the timeout for the next event and then invokes the
49 task. After invoking the task and if the task is still active, it is pushed
50 to the end of the queue and the timeout is eventually adjusted.
53 = Locking =
55 The locking is quite primitive: all interaction with internal Scheduler
56 structures are locked. This includes the ImplSchedulerContext and the
57 Task::mpSchedulerData, which is actually a part of the scheduler.
58 Before invoking the task, we have to release the lock, so others can
59 Start new Tasks.
62 = Lifecycle / thread-safety of Scheduler-based objects =
64 A scheduler object it thread-safe in the way, that it can be associated to
65 any thread and any thread is free to call any functions on it. The owner must
66 guarantee that the Invoke() function can be called, while the Scheduler object
67 exists / is not disposed.
70 = Anti-pattern: Dependencies via (fine grained) priorities =
72 "Idle 1" should run before "Idle 2", therefore give "Idle 1" a higher priority
73 then "Idle 2". This just works correct for low frequency idles, but otherwise
74 always breaks!
76 If you have some longer work - even if it can be split by into schedulable,
77 smaller blocks - you normally don't want to schedule it with a non-default
78 priority, as it starves all lower priority tasks. Even if a block was processed
79 in "Idle 1", it is scheduled with the same (higher) priority again. Changing
80 the "Idle" to a "Timer" also won't work, as this breaks the dependency.
82 What is needed is task based dependency handling, so if "Task 1" is done, it
83 has to start "Task 2" and if "Task 1" is started again, it has to stop
84 "Task 2". This currently has to be done by the implementor, but this feature
85 can be added to the scheduler reasonably.
88 = Implementation details =
90 == General: event priority for DoYield ==
92 There are three types of events, with different priority:
94 1. LO user events
95 2. System events
96 3. LO Scheduler event
98 They should be processed according to the following code:
100 bool DoYield( bool bWait, bool bAllCurrent )
102     bool bWasEvent = ProcessUserEvents( bAllCurrent );
103     if ( !bAllCurrent && bWasEvent )
104         return true;
105     bWasEvent = ProcessSystemEvents( bAllCurrent, &bWasSchedulerEvent ) || bWasEvent;
106     if ( !bWasSchedulerEvent && IsSchedulerEvent() )
107     {
108         ProcessSchedulerEvent()
109         bWasEvent = true;
110     }
111     if ( !bWasEvent && bWait )
112     {
113         WaitForSystemEvents();
114         bWasEvent = true;
115     }
116     return bWasEvent;
119 == General: main thread deferral ==
121 In almost all VCL backends, we run main thread deferrals by disabling the
122 SolarMutex using a boolean. In the case of the redirect, this makes
123 tryToAcquire and doAcquire return true or 1, while a release is ignored.
124 Also the IsCurrentThread() mutex check function will act accordingly, so all
125 the DBG_TESTSOLARMUTEX won't fail.
127 Since we just disable the locks when we start running the deferred code in the
128 main thread, we won't let the main thread run into stuff, where it would
129 normally wait for the SolarMutex.
131 Eventually this will move into the SolarMutex. KDE / Qt also does main
132 thread redirects using Qt::BlockingQueuedConnection.
134 == General: processing all current events for DoYield ==
136 This is easily implemented for all non-priority queue based implementations.
137 Windows and macOS both have a timestamp attached to their events / messages,
138 so simply get the current time and just process anything < timestamp.
139 For the KDE backend this is already the default behaviour - single event
140 processing isn't even supported. The headless backend accomplishes this by
141 just processing a copy of the list of current events.
143 Problematic in this regard is the Gtk+ backend. g_main_context_iteration
144 dispatches "only those highest priority event sources". There is no real way
145 to tell, when these became ready. I've added a workaround idea to the TODO
146 list. FWIW: Qt runs just a single timer source in the glib main context,
147 basically the same we're doing with the LO scheduler as a system event.
149 The gen X11 backend has some levels of redirection, but needs quite some work
150 to get this fixed.
152 == General: non-main thread yield ==
154 Yielding from a non-main thread must not wait in the main thread, as this
155 may block the main thread until some events happen.
157 Currently we wait on an extra conditional, which is cleared by the main event
158 loop.
160 == General: invalidation of elapsed timer event messages ==
162 Since the system timer to run the scheduler is single-shot, there should never
163 be more than one elapsed timer event in system event queue. When stopping or
164 restarting the timer, we eventually have to remove the now invalid event from
165 the queue.
167 But for the Windows and macOS backends this may fail as they have delayed
168 posting of events, so a consecutive remove after a post will actually yield no
169 remove. On Windows we even get unwanted processing of events outside of the
170 main event loop, which may call the Scheduler, as timer management is handled
171 in critical scheduler code.
173 To prevent these problems, we don't even try to remove these events, but
174 invalidate them by versioning the timer events. Timer events with invalid
175 versions are processed but simply don't run the scheduler.
177 == General: track time of long running tasks ==
179 There is TaskStopwatch class. It'll track the time and report a timeout either
180 when the tasks time slice is finished or some system event did occur.
182 Eventually it will be merged into the main scheduler, so each invoked task can
183 easily track it's runtime and eventually this can be used to "blame" / find
184 other long running tasks, so interactivity can be improved.
186 There were some questions coming up when implementing it:
188 === Why does the scheduler not detect that we only have idle tasks pending,
189 and skip the instant timeout? ===
191 You never know how long a task will run. Currently the scheduler simply asks
192 each task when it'll be ready to run, until two runnable tasks are found.
193 Normally this is very quick, as LO has a lot of one-shot instant tasks / Idles
194 and just a very few long term pending Timers.
196 Especially UNO calls add a lot of Idles to the task list, which just need to
197 be processed in order.
199 === Why not use things like Linux timer wheels? ===
201 LO has relatively few timers and a lot one-shot Idles. 99% of time the search
202 for the next task is quick, because there are just ~5 long term timers per
203 document (cache invalidation, cursor blinking etc.).
205 This might become a problem, if you have a lot of open documents, so the long
206 term timer list increases AKA for highly loaded LOOL instances.
208 But the Linux timer wheel mainly relies on the facts that the OS timers are
209 expected to not expire, as they are use to catch "error" timeouts, which rarely
210 happen, so this definitely not matches LO's usage.
212 === Not really usable to find misbehaving tasks ===
214 The TaskStopwatch class is just a little time keeper + detecting of input
215 events. This is not about misbehaving Tasks, but long running tasks, which
216 have to yield to the Scheduler, so other Tasks and System events can be
217 processed.
219 There is the TODO to merge the functionality into the Scheduler itself, at
220 which point we can think about profiling individual Tasks to improve
221 interactivity.
223 == macOS implementation details ==
225 Generally the Scheduler is handled as expected, except on resize, which is
226 handled with different runloop-modes in macOS. In case of a resize, the normal
227 runloop is suspended in sendEvent, so we can't call the scheduler via posted
228 main loop-events. Instead the scheduler uses the timer again.
230 Like the Windows backend, all Cocoa / GUI handling also has to be run in
231 the main thread. We're emulating Windows out-of-order PeekMessage processing,
232 via a YieldWakeupEvent and two conditionals. When in a RUNINMAIN call, all
233 the DBG_TESTSOLARMUTEX calls are disabled, as we can't release the SolarMutex,
234 but we can prevent running any other SolarMutex based code. Those wakeup
235 events must be ignored to prevent busy-locks. For more info read the "General:
236 main thread deferral" section.
238 We can neither rely on macOS dispatch_sync code block execution nor the
239 message handling, as both can't be prioritized or filtered and the first
240 does also not allow nested execution and is just processed in sequence.
242 There is also a workaround for a problem for pushing tasks to an empty queue,
243 as [NSApp postEvent: ... atStart: NO] doesn't append the event, if the
244 message queue is empty.
246 An additional problem is the filtering of events on Window close. This drops
247 posted timer events, when a Window is closed resulting in a busy DoYield loop,
248 so we have to re-post the event, after closing a window.
250 == Windows implementation details ==
252 Posted or sent event messages often trigger processing of WndProc in
253 PeekMessage, GetMessage or DispatchMessage, independently from the message to
254 fetch, remove or dispatch ("During this call, the system delivers pending,
255 nonqueued messages..."). Additionally messages have an inherited priority
256 based on the function used to generate them. Even if WM_TIMER messages should
257 have the lowest priority, a manually posted WM_TIMER is processed with the
258 priority of a PostMessage message.
260 So we're giving up on processing all our Scheduler events as a message in the
261 system message loop. Instead we just indicate a 0ms timer message by setting
262 the m_bDirectTimeout in the timer object. This timer is always processed, if
263 the system message wasn't already our timer. As a result we can also skip the
264 polling. All this is one more reason to drop the single message processing
265 in favour of always processing all pending (system) events.
267 There is another special case, we have to handle: window updates during move
268 and resize of windows. These system actions run in their own nested message
269 loop. So we have to completely switch to timers, even for 0ms. But these
270 posted events prevent any event processing, while we're busy. The only viable
271 solution seems to be to switch to WM_TIMER based timers, as these generate
272 messages with the lowest system priority (but they don't allow 0ms timeouts).
273 So processing slows down during resize and move, but we gain working painting,
274 even when busy.
276 An additional workaround is implemented for the delayed queuing of posted
277 messages, where PeekMessage in WinSalTimer::Stop() won't be able remove the
278 just posted timer callback message. See "General: invalidation of elapsed
279 timer event messages" for the details.
281 To run the required GUI code in the main thread without unlocking the
282 SolarMutex, we "disable" it. For more infos read the "General: main thread
283 deferral" section.
285 == KDE implementation details ==
287 This implementation also works as intended. But there is a different Yield
288 handling, because Qts QAbstractEventDispatcher::processEvents will always
289 process all pending events.
292 = TODOs and ideas =
294 == Task dependencies AKA children ==
296 Every task can have a list of children / a child.
298  * When a task is stopped, the children are started.
299  * When a task is started, the children are stopped.
301 This should be easy to implement.
303 == Per priority time-sorted queues ==
305 This would result in O(1) scheduler. It was used in the Linux kernel for some
306 time (search Ingo Molnar's O(1) scheduler). This can be a scheduling
307 optimization, which would prevent walking longer event list. But probably the
308 management overhead would be too large, as we have many one-shot events.
310 To find the next task the scheduler just walks the (constant) list of priority
311 queues and schedules the first ready event of any queue.
313 The downside of this approach: Insert / Start / Reschedule(for "auto" tasks)
314 now need O(log(n)) to find the position in the queue of the priority.
316 == Always process all (higher priority) pending events ==
318 Currently Application::Reschedule() processes a single event or "all" events,
319 with "all" defined as "100 events" in most backends. This already is ignored
320 by the KDE backend, as Qt defines its QAbstractEventDispatcher::processEvents
321 processing all pending events (there are ways to skip event classes, but no
322 easy way to process just a single event).
324 Since the Scheduler is always handled by the system message queue, there is
325 really no more reasoning to stop after 100 events to prevent LO Scheduler
326 starvation.
328 == Drop static inherited or composed Task objects ==
330 The sequence of destruction of static objects is not defined. So a static Task
331 can not be guaranteed to happen before the Scheduler. When dynamic unloading
332 is involved, this becomes an even worse problem. This way we could drop the
333 mbStatic workaround from the Task class.
335 == Run the LO application in its own thread ==
337 This would probably get rid of most of the macOS and Windows implementation
338 details / workarounds, but is quite probably a large amount of work.
340 Instead of LO running in the main process / thread, we run it in a 2nd thread
341 and defer al GUI calls to the main thread. This way it'll hopefully not block
342 and can process system events.
344 That's just a theory - it definitely needs more analysis before even attending
345 an implementation.
347 == Re-evaluate the macOS ImplNSAppPostEvent ==
349 Probably a solution comparable to the Windows backends delayed PostMessage
350 workaround using a validation timestamp is better then the current peek,
351 remove, re-postEvent, which has to run in the main thread.
353 Originally I didn't evaluate, if the event is actually lost or just delayed.
355 == Drop nMaxEvents from Gtk+ based backends ==
357 gint last_priority = G_MAXINT;
358 bool bWasEvent = false;
359 do {
360     gint max_priority;
361     g_main_context_acquire( NULL );
362     bool bHasPending = g_main_context_prepare( NULL, &max_priority );
363     g_main_context_release( NULL );
364     if ( bHasPending )
365     {
366         if ( last_priority > max_priority )
367         {
368             bHasPending = g_main_context_iteration( NULL, bWait );
369             bWasEvent = bWasEvent || bHasPending;
370         }
371         else
372             bHasPending = false;
373     }
375 while ( bHasPending )
377 The idea is to use g_main_context_prepare and keep the max_priority as an
378 indicator. We cannot prevent running newer lower events, but we can prevent
379 running new higher events, which should be sufficient for most stuff.
381 This also touches user event processing, which currently runs as a high
382 priority idle in the event loop.
384 == Drop nMaxEvents from gen (X11) backend ==
386 A few layers of indirection make this code hard to follow. The SalXLib::Yield
387 and SalX11Display::Yield architecture makes it impossible to process just the
388 current events. This really needs a refactoring and rearchitecture step, which
389 will also affect the Gtk+ and KDE backend for the user event handling.
391 == Merge TaskStopwatch functionality into the Scheduler ==
393 This way it can be easier used to profile Tasks, eventually to improve LO's
394 interactivity.