Fix timevar.cc build on systems that don't have CLOCK_MONOTONIC
[gcc.git] / libstdc++-v3 / doc / xml / manual / mt_allocator.xml
blob81d819d70d5b09784d6d5a35233199f3eff2f2b7
1 <chapter xmlns="http://docbook.org/ns/docbook" version="5.0"
2          xml:id="manual.ext.allocator.mt" xreflabel="mt allocator">
3 <?dbhtml filename="mt_allocator.html"?>
5 <info><title>The mt_allocator</title>
6   <keywordset>
7     <keyword>ISO C++</keyword>
8     <keyword>allocator</keyword>
9   </keywordset>
10 </info>
14 <para>
15 </para>
17 <section xml:id="allocator.mt.intro"><info><title>Intro</title></info>
20 <para>
21   The mt allocator [hereinafter referred to simply as "the allocator"]
22   is a fixed size (power of two) allocator that was initially
23   developed specifically to suit the needs of multi-threaded
24   applications [hereinafter referred to as an MT application]. Over
25   time the allocator has evolved and been improved in many ways, in
26   particular it now also does a good job in single-threaded
27   applications [hereinafter referred to as an ST application]. (Note:
28   In this document, when referring to single-threaded applications
29   this also includes applications that are compiled with gcc without
30   thread support enabled. This is accomplished using ifdef's on
31   __GTHREADS). This allocator is tunable, very flexible, and capable
32   of high-performance.
33 </para>
35 <para>
36   The aim of this document is to describe - from an application point of
37   view - the "inner workings" of the allocator.
38 </para>
40 </section>
43 <section xml:id="allocator.mt.design_issues"><info><title>Design Issues</title></info>
44 <?dbhtml filename="mt_allocator_design.html"?>
47 <section xml:id="allocator.mt.overview"><info><title>Overview</title></info>
51 <para> There are three general components to the allocator: a datum
52 describing the characteristics of the memory pool, a policy class
53 containing this pool that links instantiation types to common or
54 individual pools, and a class inheriting from the policy class that is
55 the actual allocator.
56 </para>
58 <para>The datum describing pools characteristics is
59 </para>
60 <programlisting>
61   template&lt;bool _Thread&gt;
62     class __pool
63 </programlisting>
64 <para> This class is parametrized on thread support, and is explicitly
65 specialized for both multiple threads (with <code>bool==true</code>)
66 and single threads (via <code>bool==false</code>.) It is possible to
67 use a custom pool datum instead of the default class that is provided.
68 </para>
70 <para> There are two distinct policy classes, each of which can be used
71 with either type of underlying pool datum.
72 </para>
74 <programlisting>
75   template&lt;bool _Thread&gt;
76     struct __common_pool_policy
78   template&lt;typename _Tp, bool _Thread&gt;
79     struct __per_type_pool_policy
80 </programlisting>
82 <para> The first policy, <code>__common_pool_policy</code>, implements a
83 common pool. This means that allocators that are instantiated with
84 different types, say <code>char</code> and <code>long</code> will both
85 use the same pool. This is the default policy.
86 </para>
88 <para> The second policy, <code>__per_type_pool_policy</code>, implements
89 a separate pool for each instantiating type. Thus, <code>char</code>
90 and <code>long</code> will use separate pools. This allows per-type
91 tuning, for instance.
92 </para>
94 <para> Putting this all together, the actual allocator class is
95 </para>
96 <programlisting>
97   template&lt;typename _Tp, typename _Poolp = __default_policy&gt;
98     class __mt_alloc : public __mt_alloc_base&lt;_Tp&gt;,  _Poolp
99 </programlisting>
100 <para> This class has the interface required for standard library allocator
101 classes, namely member functions <code>allocate</code> and
102 <code>deallocate</code>, plus others.
103 </para>
105 </section>
106 </section>
108 <section xml:id="allocator.mt.impl"><info><title>Implementation</title></info>
109 <?dbhtml filename="mt_allocator_impl.html"?>
113 <section xml:id="allocator.mt.tune"><info><title>Tunable Parameters</title></info>
116 <para>Certain allocation parameters can be modified, or tuned. There
117 exists a nested <code>struct __pool_base::_Tune</code> that contains all
118 these parameters, which include settings for
119 </para>
120    <itemizedlist>
121      <listitem><para>Alignment</para></listitem>
122      <listitem><para>Maximum bytes before calling <code>::operator new</code> directly</para></listitem>
123      <listitem><para>Minimum bytes</para></listitem>
124      <listitem><para>Size of underlying global allocations</para></listitem>
125      <listitem><para>Maximum number of supported threads</para></listitem>
126      <listitem><para>Migration of deallocations to the global free list</para></listitem>
127      <listitem><para>Shunt for global <code>new</code> and <code>delete</code></para></listitem>
128    </itemizedlist>
129 <para>Adjusting parameters for a given instance of an allocator can only
130 happen before any allocations take place, when the allocator itself is
131 initialized. For instance:
132 </para>
133 <programlisting>
134 #include &lt;ext/mt_allocator.h&gt;
136 struct pod
138   int i;
139   int j;
142 int main()
144   typedef pod value_type;
145   typedef __gnu_cxx::__mt_alloc&lt;value_type&gt; allocator_type;
146   typedef __gnu_cxx::__pool_base::_Tune tune_type;
148   tune_type t_default;
149   tune_type t_opt(16, 5120, 32, 5120, 20, 10, false);
150   tune_type t_single(16, 5120, 32, 5120, 1, 10, false);
152   tune_type t;
153   t = allocator_type::_M_get_options();
154   allocator_type::_M_set_options(t_opt);
155   t = allocator_type::_M_get_options();
157   allocator_type a;
158   allocator_type::pointer p1 = a.allocate(128);
159   allocator_type::pointer p2 = a.allocate(5128);
161   a.deallocate(p1, 128);
162   a.deallocate(p2, 5128);
164   return 0;
166 </programlisting>
168 </section>
170 <section xml:id="allocator.mt.init"><info><title>Initialization</title></info>
173 <para>
174 The static variables (pointers to freelists, tuning parameters etc)
175 are initialized as above, or are set to the global defaults.
176 </para>
178 <para>
179 The very first allocate() call will always call the
180 _S_initialize_once() function.  In order to make sure that this
181 function is called exactly once we make use of a __gthread_once call
182 in MT applications and check a static bool (_S_init) in ST
183 applications.
184 </para>
186 <para>
187 The _S_initialize() function:
188 - If the GLIBCXX_FORCE_NEW environment variable is set, it sets the bool
189   _S_force_new to true and then returns. This will cause subsequent calls to
190   allocate() to return memory directly from a new() call, and deallocate will
191   only do a delete() call.
192 </para>
194 <para>
195 - If the GLIBCXX_FORCE_NEW environment variable is not set, both ST and MT
196   applications will:
197   - Calculate the number of bins needed. A bin is a specific power of two size
198     of bytes. I.e., by default the allocator will deal with requests of up to
199     128 bytes (or whatever the value of _S_max_bytes is when _S_init() is
200     called). This means that there will be bins of the following sizes
201     (in bytes): 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128.
203   - Create the _S_binmap array. All requests are rounded up to the next
204     "large enough" bin. I.e., a request for 29 bytes will cause a block from
205     the "32 byte bin" to be returned to the application. The purpose of
206     _S_binmap is to speed up the process of finding out which bin to use.
207     I.e., the value of _S_binmap[ 29 ] is initialized to 5 (bin 5 = 32 bytes).
208 </para>
209 <para>
210   - Create the _S_bin array. This array consists of bin_records. There will be
211     as many bin_records in this array as the number of bins that we calculated
212     earlier. I.e., if _S_max_bytes = 128 there will be 8 entries.
213     Each bin_record is then initialized:
214     - bin_record-&gt;first = An array of pointers to block_records. There will be
215       as many block_records pointers as there are maximum number of threads
216       (in a ST application there is only 1 thread, in a MT application there
217       are _S_max_threads).
218       This holds the pointer to the first free block for each thread in this
219       bin. I.e., if we would like to know where the first free block of size 32
220       for thread number 3 is we would look this up by: _S_bin[ 5 ].first[ 3 ]
222     The above created block_record pointers members are now initialized to
223     their initial values. I.e. _S_bin[ n ].first[ n ] = NULL;
224 </para>
226 <para>
227 - Additionally a MT application will:
228   - Create a list of free thread id's. The pointer to the first entry
229     is stored in _S_thread_freelist_first. The reason for this approach is
230     that the __gthread_self() call will not return a value that corresponds to
231     the maximum number of threads allowed but rather a process id number or
232     something else. So what we do is that we create a list of thread_records.
233     This list is _S_max_threads long and each entry holds a size_t thread_id
234     which is initialized to 1, 2, 3, 4, 5 and so on up to _S_max_threads.
235     Each time a thread calls allocate() or deallocate() we call
236     _S_get_thread_id() which looks at the value of _S_thread_key which is a
237     thread local storage pointer. If this is NULL we know that this is a newly
238     created thread and we pop the first entry from this list and saves the
239     pointer to this record in the _S_thread_key variable. The next time
240     we will get the pointer to the thread_record back and we use the
241     thread_record-&gt;thread_id as identification. I.e., the first thread that
242     calls allocate will get the first record in this list and thus be thread
243     number 1 and will then find the pointer to its first free 32 byte block
244     in _S_bin[ 5 ].first[ 1 ]
245     When we create the _S_thread_key we also define a destructor
246     (_S_thread_key_destr) which means that when the thread dies, this
247     thread_record is returned to the front of this list and the thread id
248     can then be reused if a new thread is created.
249     This list is protected by a mutex (_S_thread_freelist_mutex) which is only
250     locked when records are removed or added to the list.
251 </para>
252 <para>
253   - Initialize the free and used counters of each bin_record:
254     - bin_record-&gt;free = An array of size_t. This keeps track of the number
255       of blocks on a specific thread's freelist in each bin. I.e., if a thread
256       has 12 32-byte blocks on it's freelists and allocates one of these, this
257       counter would be decreased to 11.
259     - bin_record-&gt;used = An array of size_t. This keeps track of the number
260       of blocks currently in use of this size by this thread. I.e., if a thread
261       has made 678 requests (and no deallocations...) of 32-byte blocks this
262       counter will read 678.
264     The above created arrays are now initialized with their initial values.
265     I.e. _S_bin[ n ].free[ n ] = 0;
266 </para>
267 <para>
268   - Initialize the mutex of each bin_record: The bin_record-&gt;mutex
269     is used to protect the global freelist. This concept of a global
270     freelist is explained in more detail in the section "A multi
271     threaded example", but basically this mutex is locked whenever a
272     block of memory is retrieved or returned to the global freelist
273     for this specific bin. This only occurs when a number of blocks
274     are grabbed from the global list to a thread specific list or when
275     a thread decides to return some blocks to the global freelist.
276 </para>
278 </section>
280 <section xml:id="allocator.mt.deallocation"><info><title>Deallocation Notes</title></info>
283 <para> Notes about deallocation. This allocator does not explicitly
284 release memory back to the OS, but keeps its own freelists instead.
285 Because of this, memory debugging programs like
286 valgrind or purify may notice leaks: sorry about this
287 inconvenience. Operating systems will reclaim allocated memory at
288 program termination anyway. If sidestepping this kind of noise is
289 desired, there are three options: use an allocator, like
290 <code>new_allocator</code> that releases memory while debugging, use
291 GLIBCXX_FORCE_NEW to bypass the allocator's internal pools, or use a
292 custom pool datum that releases resources on destruction.
293 </para>
295 <para>
296   On systems with the function <code>__cxa_atexit</code>, the
297 allocator can be forced to free all memory allocated before program
298 termination with the member function
299 <code>__pool_type::_M_destroy</code>. However, because this member
300 function relies on the precise and exactly-conforming ordering of
301 static destructors, including those of a static local
302 <code>__pool</code> object, it should not be used, ever, on systems
303 that don't have the necessary underlying support. In addition, in
304 practice, forcing deallocation can be tricky, as it requires the
305 <code>__pool</code> object to be fully-constructed before the object
306 that uses it is fully constructed. For most (but not all) STL
307 containers, this works, as an instance of the allocator is constructed
308 as part of a container's constructor. However, this assumption is
309 implementation-specific, and subject to change. For an example of a
310 pool that frees memory, see the
311     <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="https://gcc.gnu.org/cgit/gcc/tree/libstdc++-v3/testsuite/ext/mt_allocator/deallocate_local-6.cc"><filename>ext/mt_allocator/deallocate_local-6.cc</filename></link>
312     example.
313 </para>
315 </section>
317 </section>
319 <section xml:id="allocator.mt.example_single"><info><title>Single Thread Example</title></info>
320 <?dbhtml filename="mt_allocator_ex_single.html"?>
323 <para>
324 Let's start by describing how the data on a freelist is laid out in memory.
325 This is the first two blocks in freelist for thread id 3 in bin 3 (8 bytes):
326 </para>
327 <programlisting>
328 +----------------+
329 | next* ---------|--+  (_S_bin[ 3 ].first[ 3 ] points here)
330 |                |  |
331 |                |  |
332 |                |  |
333 +----------------+  |
334 | thread_id = 3  |  |
335 |                |  |
336 |                |  |
337 |                |  |
338 +----------------+  |
339 | DATA           |  |  (A pointer to here is what is returned to the
340 |                |  |   the application when needed)
341 |                |  |
342 |                |  |
343 |                |  |
344 |                |  |
345 |                |  |
346 |                |  |
347 +----------------+  |
348 +----------------+  |
349 | next*          |&lt;-+  (If next == NULL it's the last one on the list)
350 |                |
351 |                |
352 |                |
353 +----------------+
354 | thread_id = 3  |
355 |                |
356 |                |
357 |                |
358 +----------------+
359 | DATA           |
360 |                |
361 |                |
362 |                |
363 |                |
364 |                |
365 |                |
366 |                |
367 +----------------+
368 </programlisting>
370 <para>
371 With this in mind we simplify things a bit for a while and say that there is
372 only one thread (a ST application). In this case all operations are made to
373 what is referred to as the global pool - thread id 0 (No thread may be
374 assigned this id since they span from 1 to _S_max_threads in a MT application).
375 </para>
376 <para>
377 When the application requests memory (calling allocate()) we first look at the
378 requested size and if this is &gt; _S_max_bytes we call new() directly and return.
379 </para>
380 <para>
381 If the requested size is within limits we start by finding out from which
382 bin we should serve this request by looking in _S_binmap.
383 </para>
384 <para>
385 A quick look at _S_bin[ bin ].first[ 0 ] tells us if there are any blocks of
386 this size on the freelist (0). If this is not NULL - fine, just remove the
387 block that _S_bin[ bin ].first[ 0 ] points to from the list,
388 update _S_bin[ bin ].first[ 0 ] and return a pointer to that blocks data.
389 </para>
390 <para>
391 If the freelist is empty (the pointer is NULL) we must get memory from the
392 system and build us a freelist within this memory. All requests for new memory
393 is made in chunks of _S_chunk_size. Knowing the size of a block_record and
394 the bytes that this bin stores we then calculate how many blocks we can create
395 within this chunk, build the list, remove the first block, update the pointer
396 (_S_bin[ bin ].first[ 0 ]) and return a pointer to that blocks data.
397 </para>
399 <para>
400 Deallocation is equally simple; the pointer is casted back to a block_record
401 pointer, lookup which bin to use based on the size, add the block to the front
402 of the global freelist and update the pointer as needed
403 (_S_bin[ bin ].first[ 0 ]).
404 </para>
406 <para>
407 The decision to add deallocated blocks to the front of the freelist was made
408 after a set of performance measurements that showed that this is roughly 10%
409 faster than maintaining a set of "last pointers" as well.
410 </para>
412 </section>
414 <section xml:id="allocator.mt.example_multi"><info><title>Multiple Thread Example</title></info>
415 <?dbhtml filename="mt_allocator_ex_multi.html"?>
418 <para>
419 In the ST example we never used the thread_id variable present in each block.
420 Let's start by explaining the purpose of this in a MT application.
421 </para>
423 <para>
424 The concept of "ownership" was introduced since many MT applications
425 allocate and deallocate memory to shared containers from different
426 threads (such as a cache shared amongst all threads). This introduces
427 a problem if the allocator only returns memory to the current threads
428 freelist (I.e., there might be one thread doing all the allocation and
429 thus obtaining ever more memory from the system and another thread
430 that is getting a longer and longer freelist - this will in the end
431 consume all available memory).
432 </para>
434 <para>
435 Each time a block is moved from the global list (where ownership is
436 irrelevant), to a threads freelist (or when a new freelist is built
437 from a chunk directly onto a threads freelist or when a deallocation
438 occurs on a block which was not allocated by the same thread id as the
439 one doing the deallocation) the thread id is set to the current one.
440 </para>
442 <para>
443 What's the use? Well, when a deallocation occurs we can now look at
444 the thread id and find out if it was allocated by another thread id
445 and decrease the used counter of that thread instead, thus keeping the
446 free and used counters correct. And keeping the free and used counters
447 corrects is very important since the relationship between these two
448 variables decides if memory should be returned to the global pool or
449 not when a deallocation occurs.
450 </para>
452 <para>
453 When the application requests memory (calling allocate()) we first
454 look at the requested size and if this is &gt;_S_max_bytes we call new()
455 directly and return.
456 </para>
458 <para>
459 If the requested size is within limits we start by finding out from which
460 bin we should serve this request by looking in _S_binmap.
461 </para>
463 <para>
464 A call to _S_get_thread_id() returns the thread id for the calling thread
465 (and if no value has been set in _S_thread_key, a new id is assigned and
466 returned).
467 </para>
469 <para>
470 A quick look at _S_bin[ bin ].first[ thread_id ] tells us if there are
471 any blocks of this size on the current threads freelist. If this is
472 not NULL - fine, just remove the block that _S_bin[ bin ].first[
473 thread_id ] points to from the list, update _S_bin[ bin ].first[
474 thread_id ], update the free and used counters and return a pointer to
475 that blocks data.
476 </para>
478 <para>
479 If the freelist is empty (the pointer is NULL) we start by looking at
480 the global freelist (0). If there are blocks available on the global
481 freelist we lock this bins mutex and move up to block_count (the
482 number of blocks of this bins size that will fit into a _S_chunk_size)
483 or until end of list - whatever comes first - to the current threads
484 freelist and at the same time change the thread_id ownership and
485 update the counters and pointers. When the bins mutex has been
486 unlocked, we remove the block that _S_bin[ bin ].first[ thread_id ]
487 points to from the list, update _S_bin[ bin ].first[ thread_id ],
488 update the free and used counters, and return a pointer to that blocks
489 data.
490 </para>
492 <para>
493 The reason that the number of blocks moved to the current threads
494 freelist is limited to block_count is to minimize the chance that a
495 subsequent deallocate() call will return the excess blocks to the
496 global freelist (based on the _S_freelist_headroom calculation, see
497 below).
498 </para>
500 <para>
501 However if there isn't any memory on the global pool we need to get
502 memory from the system - this is done in exactly the same way as in a
503 single threaded application with one major difference; the list built
504 in the newly allocated memory (of _S_chunk_size size) is added to the
505 current threads freelist instead of to the global.
506 </para>
508 <para>
509 The basic process of a deallocation call is simple: always add the
510 block to the front of the current threads freelist and update the
511 counters and pointers (as described earlier with the specific check of
512 ownership that causes the used counter of the thread that originally
513 allocated the block to be decreased instead of the current threads
514 counter).
515 </para>
517 <para>
518 And here comes the free and used counters to service. Each time a
519 deallocation() call is made, the length of the current threads
520 freelist is compared to the amount memory in use by this thread.
521 </para>
523 <para>
524 Let's go back to the example of an application that has one thread
525 that does all the allocations and one that deallocates. Both these
526 threads use say 516 32-byte blocks that was allocated during thread
527 creation for example.  Their used counters will both say 516 at this
528 point. The allocation thread now grabs 1000 32-byte blocks and puts
529 them in a shared container. The used counter for this thread is now
530 1516.
531 </para>
533 <para>
534 The deallocation thread now deallocates 500 of these blocks. For each
535 deallocation made the used counter of the allocating thread is
536 decreased and the freelist of the deallocation thread gets longer and
537 longer. But the calculation made in deallocate() will limit the length
538 of the freelist in the deallocation thread to _S_freelist_headroom %
539 of it's used counter.  In this case, when the freelist (given that the
540 _S_freelist_headroom is at it's default value of 10%) exceeds 52
541 (516/10) blocks will be returned to the global pool where the
542 allocating thread may pick them up and reuse them.
543 </para>
545 <para>
546 In order to reduce lock contention (since this requires this bins
547 mutex to be locked) this operation is also made in chunks of blocks
548 (just like when chunks of blocks are moved from the global freelist to
549 a threads freelist mentioned above). The "formula" used can probably
550 be improved to further reduce the risk of blocks being "bounced back
551 and forth" between freelists.
552 </para>
554 </section>
556 </chapter>