[PowerPC] Collect some CallLowering arguments into a struct. [NFC]
[llvm-project.git] / clang / docs / ThreadSafetyAnalysis.rst
blobea8e98a1884bf71f8fd0a4599a179499aa48074f
2 ======================
3 Thread Safety Analysis
4 ======================
6 Introduction
7 ============
9 Clang Thread Safety Analysis is a C++ language extension which warns about
10 potential race conditions in code.  The analysis is completely static (i.e.
11 compile-time); there is no run-time overhead.  The analysis is still
12 under active development, but it is mature enough to be deployed in an
13 industrial setting.  It is being developed by Google, in collaboration with
14 CERT/SEI, and is used extensively in Google's internal code base.
16 Thread safety analysis works very much like a type system for multi-threaded
17 programs.  In addition to declaring the *type* of data (e.g. ``int``, ``float``,
18 etc.), the programmer can (optionally) declare how access to that data is
19 controlled in a multi-threaded environment.  For example, if ``foo`` is
20 *guarded by* the mutex ``mu``, then the analysis will issue a warning whenever
21 a piece of code reads or writes to ``foo`` without first locking ``mu``.
22 Similarly, if there are particular routines that should only be called by
23 the GUI thread, then the analysis will warn if other threads call those
24 routines.
26 Getting Started
27 ----------------
29 .. code-block:: c++
31   #include "mutex.h"
33   class BankAccount {
34   private:
35     Mutex mu;
36     int   balance GUARDED_BY(mu);
38     void depositImpl(int amount) {
39       balance += amount;       // WARNING! Cannot write balance without locking mu.
40     }
42     void withdrawImpl(int amount) REQUIRES(mu) {
43       balance -= amount;       // OK. Caller must have locked mu.
44     }
46   public:
47     void withdraw(int amount) {
48       mu.Lock();
49       withdrawImpl(amount);    // OK.  We've locked mu.
50     }                          // WARNING!  Failed to unlock mu.
52     void transferFrom(BankAccount& b, int amount) {
53       mu.Lock();
54       b.withdrawImpl(amount);  // WARNING!  Calling withdrawImpl() requires locking b.mu.
55       depositImpl(amount);     // OK.  depositImpl() has no requirements.
56       mu.Unlock();
57     }
58   };
60 This example demonstrates the basic concepts behind the analysis.  The
61 ``GUARDED_BY`` attribute declares that a thread must lock ``mu`` before it can
62 read or write to ``balance``, thus ensuring that the increment and decrement
63 operations are atomic.  Similarly, ``REQUIRES`` declares that
64 the calling thread must lock ``mu`` before calling ``withdrawImpl``.
65 Because the caller is assumed to have locked ``mu``, it is safe to modify
66 ``balance`` within the body of the method.
68 The ``depositImpl()`` method does not have ``REQUIRES``, so the
69 analysis issues a warning.  Thread safety analysis is not inter-procedural, so
70 caller requirements must be explicitly declared.
71 There is also a warning in ``transferFrom()``, because although the method
72 locks ``this->mu``, it does not lock ``b.mu``.  The analysis understands
73 that these are two separate mutexes, in two different objects.
75 Finally, there is a warning in the ``withdraw()`` method, because it fails to
76 unlock ``mu``.  Every lock must have a corresponding unlock, and the analysis
77 will detect both double locks, and double unlocks.  A function is allowed to
78 acquire a lock without releasing it, (or vice versa), but it must be annotated
79 as such (using ``ACQUIRE``/``RELEASE``).
82 Running The Analysis
83 --------------------
85 To run the analysis, simply compile with the ``-Wthread-safety`` flag, e.g.
87 .. code-block:: bash
89   clang -c -Wthread-safety example.cpp
91 Note that this example assumes the presence of a suitably annotated
92 :ref:`mutexheader` that declares which methods perform locking,
93 unlocking, and so on.
96 Basic Concepts: Capabilities
97 ============================
99 Thread safety analysis provides a way of protecting *resources* with
100 *capabilities*.  A resource is either a data member, or a function/method
101 that provides access to some underlying resource.  The analysis ensures that
102 the calling thread cannot access the *resource* (i.e. call the function, or
103 read/write the data) unless it has the *capability* to do so.
105 Capabilities are associated with named C++ objects which declare specific
106 methods to acquire and release the capability.  The name of the object serves
107 to identify the capability.  The most common example is a mutex.  For example,
108 if ``mu`` is a mutex, then calling ``mu.Lock()`` causes the calling thread
109 to acquire the capability to access data that is protected by ``mu``. Similarly,
110 calling ``mu.Unlock()`` releases that capability.
112 A thread may hold a capability either *exclusively* or *shared*.  An exclusive
113 capability can be held by only one thread at a time, while a shared capability
114 can be held by many threads at the same time.  This mechanism enforces a
115 multiple-reader, single-writer pattern.  Write operations to protected data
116 require exclusive access, while read operations require only shared access.
118 At any given moment during program execution, a thread holds a specific set of
119 capabilities (e.g. the set of mutexes that it has locked.)  These act like keys
120 or tokens that allow the thread to access a given resource.  Just like physical
121 security keys, a thread cannot make copy of a capability, nor can it destroy
122 one.  A thread can only release a capability to another thread, or acquire one
123 from another thread.  The annotations are deliberately agnostic about the
124 exact mechanism used to acquire and release capabilities; it assumes that the
125 underlying implementation (e.g. the Mutex implementation) does the handoff in
126 an appropriate manner.
128 The set of capabilities that are actually held by a given thread at a given
129 point in program execution is a run-time concept.  The static analysis works
130 by calculating an approximation of that set, called the *capability
131 environment*.  The capability environment is calculated for every program point,
132 and describes the set of capabilities that are statically known to be held, or
133 not held, at that particular point.  This environment is a conservative
134 approximation of the full set of capabilities that will actually held by a
135 thread at run-time.
138 Reference Guide
139 ===============
141 The thread safety analysis uses attributes to declare threading constraints.
142 Attributes must be attached to named declarations, such as classes, methods,
143 and data members. Users are *strongly advised* to define macros for the various
144 attributes; example definitions can be found in :ref:`mutexheader`, below.
145 The following documentation assumes the use of macros.
147 For historical reasons, prior versions of thread safety used macro names that
148 were very lock-centric.  These macros have since been renamed to fit a more
149 general capability model.  The prior names are still in use, and will be
150 mentioned under the tag *previously* where appropriate.
153 GUARDED_BY(c) and PT_GUARDED_BY(c)
154 ----------------------------------
156 ``GUARDED_BY`` is an attribute on data members, which declares that the data
157 member is protected by the given capability.  Read operations on the data
158 require shared access, while write operations require exclusive access.
160 ``PT_GUARDED_BY`` is similar, but is intended for use on pointers and smart
161 pointers. There is no constraint on the data member itself, but the *data that
162 it points to* is protected by the given capability.
164 .. code-block:: c++
166   Mutex mu;
167   int *p1             GUARDED_BY(mu);
168   int *p2             PT_GUARDED_BY(mu);
169   unique_ptr<int> p3  PT_GUARDED_BY(mu);
171   void test() {
172     p1 = 0;             // Warning!
174     *p2 = 42;           // Warning!
175     p2 = new int;       // OK.
177     *p3 = 42;           // Warning!
178     p3.reset(new int);  // OK.
179   }
182 REQUIRES(...), REQUIRES_SHARED(...)
183 -----------------------------------
185 *Previously*: ``EXCLUSIVE_LOCKS_REQUIRED``, ``SHARED_LOCKS_REQUIRED``
187 ``REQUIRES`` is an attribute on functions or methods, which
188 declares that the calling thread must have exclusive access to the given
189 capabilities.  More than one capability may be specified.  The capabilities
190 must be held on entry to the function, *and must still be held on exit*.
192 ``REQUIRES_SHARED`` is similar, but requires only shared access.
194 .. code-block:: c++
196   Mutex mu1, mu2;
197   int a GUARDED_BY(mu1);
198   int b GUARDED_BY(mu2);
200   void foo() REQUIRES(mu1, mu2) {
201     a = 0;
202     b = 0;
203   }
205   void test() {
206     mu1.Lock();
207     foo();         // Warning!  Requires mu2.
208     mu1.Unlock();
209   }
212 ACQUIRE(...), ACQUIRE_SHARED(...), RELEASE(...), RELEASE_SHARED(...)
213 --------------------------------------------------------------------
215 *Previously*: ``EXCLUSIVE_LOCK_FUNCTION``, ``SHARED_LOCK_FUNCTION``,
216 ``UNLOCK_FUNCTION``
218 ``ACQUIRE`` is an attribute on functions or methods, which
219 declares that the function acquires a capability, but does not release it.  The
220 caller must not hold the given capability on entry, and it will hold the
221 capability on exit.  ``ACQUIRE_SHARED`` is similar.
223 ``RELEASE`` and ``RELEASE_SHARED`` declare that the function releases the given
224 capability.  The caller must hold the capability on entry, and will no longer
225 hold it on exit. It does not matter whether the given capability is shared or
226 exclusive.
228 .. code-block:: c++
230   Mutex mu;
231   MyClass myObject GUARDED_BY(mu);
233   void lockAndInit() ACQUIRE(mu) {
234     mu.Lock();
235     myObject.init();
236   }
238   void cleanupAndUnlock() RELEASE(mu) {
239     myObject.cleanup();
240   }                          // Warning!  Need to unlock mu.
242   void test() {
243     lockAndInit();
244     myObject.doSomething();
245     cleanupAndUnlock();
246     myObject.doSomething();  // Warning, mu is not locked.
247   }
249 If no argument is passed to ``ACQUIRE`` or ``RELEASE``, then the argument is
250 assumed to be ``this``, and the analysis will not check the body of the
251 function.  This pattern is intended for use by classes which hide locking
252 details behind an abstract interface.  For example:
254 .. code-block:: c++
256   template <class T>
257   class CAPABILITY("mutex") Container {
258   private:
259     Mutex mu;
260     T* data;
262   public:
263     // Hide mu from public interface.
264     void Lock()   ACQUIRE() { mu.Lock(); }
265     void Unlock() RELEASE() { mu.Unlock(); }
267     T& getElem(int i) { return data[i]; }
268   };
270   void test() {
271     Container<int> c;
272     c.Lock();
273     int i = c.getElem(0);
274     c.Unlock();
275   }
278 EXCLUDES(...)
279 -------------
281 *Previously*: ``LOCKS_EXCLUDED``
283 ``EXCLUDES`` is an attribute on functions or methods, which declares that
284 the caller must *not* hold the given capabilities.  This annotation is
285 used to prevent deadlock.  Many mutex implementations are not re-entrant, so
286 deadlock can occur if the function acquires the mutex a second time.
288 .. code-block:: c++
290   Mutex mu;
291   int a GUARDED_BY(mu);
293   void clear() EXCLUDES(mu) {
294     mu.Lock();
295     a = 0;
296     mu.Unlock();
297   }
299   void reset() {
300     mu.Lock();
301     clear();     // Warning!  Caller cannot hold 'mu'.
302     mu.Unlock();
303   }
305 Unlike ``REQUIRES``, ``EXCLUDES`` is optional.  The analysis will not issue a
306 warning if the attribute is missing, which can lead to false negatives in some
307 cases.  This issue is discussed further in :ref:`negative`.
310 NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS
311 -------------------------
313 ``NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS`` is an attribute on functions or methods, which
314 turns off thread safety checking for that method.  It provides an escape hatch
315 for functions which are either (1) deliberately thread-unsafe, or (2) are
316 thread-safe, but too complicated for the analysis to understand.  Reasons for
317 (2) will be described in the :ref:`limitations`, below.
319 .. code-block:: c++
321   class Counter {
322     Mutex mu;
323     int a GUARDED_BY(mu);
325     void unsafeIncrement() NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS { a++; }
326   };
328 Unlike the other attributes, NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS is not part of the
329 interface of a function, and should thus be placed on the function definition
330 (in the ``.cc`` or ``.cpp`` file) rather than on the function declaration
331 (in the header).
334 RETURN_CAPABILITY(c)
335 --------------------
337 *Previously*: ``LOCK_RETURNED``
339 ``RETURN_CAPABILITY`` is an attribute on functions or methods, which declares
340 that the function returns a reference to the given capability.  It is used to
341 annotate getter methods that return mutexes.
343 .. code-block:: c++
345   class MyClass {
346   private:
347     Mutex mu;
348     int a GUARDED_BY(mu);
350   public:
351     Mutex* getMu() RETURN_CAPABILITY(mu) { return &mu; }
353     // analysis knows that getMu() == mu
354     void clear() REQUIRES(getMu()) { a = 0; }
355   };
358 ACQUIRED_BEFORE(...), ACQUIRED_AFTER(...)
359 -----------------------------------------
361 ``ACQUIRED_BEFORE`` and ``ACQUIRED_AFTER`` are attributes on member
362 declarations, specifically declarations of mutexes or other capabilities.
363 These declarations enforce a particular order in which the mutexes must be
364 acquired, in order to prevent deadlock.
366 .. code-block:: c++
368   Mutex m1;
369   Mutex m2 ACQUIRED_AFTER(m1);
371   // Alternative declaration
372   // Mutex m2;
373   // Mutex m1 ACQUIRED_BEFORE(m2);
375   void foo() {
376     m2.Lock();
377     m1.Lock();  // Warning!  m2 must be acquired after m1.
378     m1.Unlock();
379     m2.Unlock();
380   }
383 CAPABILITY(<string>)
384 --------------------
386 *Previously*: ``LOCKABLE``
388 ``CAPABILITY`` is an attribute on classes, which specifies that objects of the
389 class can be used as a capability.  The string argument specifies the kind of
390 capability in error messages, e.g. ``"mutex"``.  See the ``Container`` example
391 given above, or the ``Mutex`` class in :ref:`mutexheader`.
394 SCOPED_CAPABILITY
395 -----------------
397 *Previously*: ``SCOPED_LOCKABLE``
399 ``SCOPED_CAPABILITY`` is an attribute on classes that implement RAII-style
400 locking, in which a capability is acquired in the constructor, and released in
401 the destructor.  Such classes require special handling because the constructor
402 and destructor refer to the capability via different names; see the
403 ``MutexLocker`` class in :ref:`mutexheader`, below.
406 TRY_ACQUIRE(<bool>, ...), TRY_ACQUIRE_SHARED(<bool>, ...)
407 ---------------------------------------------------------
409 *Previously:* ``EXCLUSIVE_TRYLOCK_FUNCTION``, ``SHARED_TRYLOCK_FUNCTION``
411 These are attributes on a function or method that tries to acquire the given
412 capability, and returns a boolean value indicating success or failure.
413 The first argument must be ``true`` or ``false``, to specify which return value
414 indicates success, and the remaining arguments are interpreted in the same way
415 as ``ACQUIRE``.  See :ref:`mutexheader`, below, for example uses.
418 ASSERT_CAPABILITY(...) and ASSERT_SHARED_CAPABILITY(...)
419 --------------------------------------------------------
421 *Previously:*  ``ASSERT_EXCLUSIVE_LOCK``, ``ASSERT_SHARED_LOCK``
423 These are attributes on a function or method that does a run-time test to see
424 whether the calling thread holds the given capability.  The function is assumed
425 to fail (no return) if the capability is not held.  See :ref:`mutexheader`,
426 below, for example uses.
429 GUARDED_VAR and PT_GUARDED_VAR
430 ------------------------------
432 Use of these attributes has been deprecated.
435 Warning flags
436 -------------
438 * ``-Wthread-safety``:  Umbrella flag which turns on the following three:
440   + ``-Wthread-safety-attributes``: Sanity checks on attribute syntax.
441   + ``-Wthread-safety-analysis``: The core analysis.
442   + ``-Wthread-safety-precise``: Requires that mutex expressions match precisely.
443        This warning can be disabled for code which has a lot of aliases.
444   + ``-Wthread-safety-reference``: Checks when guarded members are passed by reference.
447 :ref:`negative` are an experimental feature, which are enabled with:
449 * ``-Wthread-safety-negative``:  Negative capabilities.  Off by default.
451 When new features and checks are added to the analysis, they can often introduce
452 additional warnings.  Those warnings are initially released as *beta* warnings
453 for a period of time, after which they are migrated into the standard analysis.
455 * ``-Wthread-safety-beta``:  New features.  Off by default.
458 .. _negative:
460 Negative Capabilities
461 =====================
463 Thread Safety Analysis is designed to prevent both race conditions and
464 deadlock.  The GUARDED_BY and REQUIRES attributes prevent race conditions, by
465 ensuring that a capability is held before reading or writing to guarded data,
466 and the EXCLUDES attribute prevents deadlock, by making sure that a mutex is
467 *not* held.
469 However, EXCLUDES is an optional attribute, and does not provide the same
470 safety guarantee as REQUIRES.  In particular:
472   * A function which acquires a capability does not have to exclude it.
473   * A function which calls a function that excludes a capability does not
474     have transitively exclude that capability.
476 As a result, EXCLUDES can easily produce false negatives:
478 .. code-block:: c++
480   class Foo {
481     Mutex mu;
483     void foo() {
484       mu.Lock();
485       bar();           // No warning.
486       baz();           // No warning.
487       mu.Unlock();
488     }
490     void bar() {       // No warning.  (Should have EXCLUDES(mu)).
491       mu.Lock();
492       // ...
493       mu.Unlock();
494     }
496     void baz() {
497       bif();           // No warning.  (Should have EXCLUDES(mu)).
498     }
500     void bif() EXCLUDES(mu);
501   };
504 Negative requirements are an alternative EXCLUDES that provide
505 a stronger safety guarantee.  A negative requirement uses the  REQUIRES
506 attribute, in conjunction with the ``!`` operator, to indicate that a capability
507 should *not* be held.
509 For example, using ``REQUIRES(!mu)`` instead of ``EXCLUDES(mu)`` will produce
510 the appropriate warnings:
512 .. code-block:: c++
514   class FooNeg {
515     Mutex mu;
517     void foo() REQUIRES(!mu) {   // foo() now requires !mu.
518       mu.Lock();
519       bar();
520       baz();
521       mu.Unlock();
522     }
524     void bar() {
525       mu.Lock();       // WARNING!  Missing REQUIRES(!mu).
526       // ...
527       mu.Unlock();
528     }
530     void baz() {
531       bif();           // WARNING!  Missing REQUIRES(!mu).
532     }
534     void bif() REQUIRES(!mu);
535   };
538 Negative requirements are an experimental feature which is off by default,
539 because it will produce many warnings in existing code.  It can be enabled
540 by passing ``-Wthread-safety-negative``.
543 .. _faq:
545 Frequently Asked Questions
546 ==========================
548 (Q) Should I put attributes in the header file, or in the .cc/.cpp/.cxx file?
550 (A) Attributes are part of the formal interface of a function, and should
551 always go in the header, where they are visible to anything that includes
552 the header.  Attributes in the .cpp file are not visible outside of the
553 immediate translation unit, which leads to false negatives and false positives.
556 (Q) "*Mutex is not locked on every path through here?*"  What does that mean?
558 (A) See :ref:`conditional_locks`, below.
561 .. _limitations:
563 Known Limitations
564 =================
566 Lexical scope
567 -------------
569 Thread safety attributes contain ordinary C++ expressions, and thus follow
570 ordinary C++ scoping rules.  In particular, this means that mutexes and other
571 capabilities must be declared before they can be used in an attribute.
572 Use-before-declaration is okay within a single class, because attributes are
573 parsed at the same time as method bodies. (C++ delays parsing of method bodies
574 until the end of the class.)  However, use-before-declaration is not allowed
575 between classes, as illustrated below.
577 .. code-block:: c++
579   class Foo;
581   class Bar {
582     void bar(Foo* f) REQUIRES(f->mu);  // Error: mu undeclared.
583   };
585   class Foo {
586     Mutex mu;
587   };
590 Private Mutexes
591 ---------------
593 Good software engineering practice dictates that mutexes should be private
594 members, because the locking mechanism used by a thread-safe class is part of
595 its internal implementation.  However, private mutexes can sometimes leak into
596 the public interface of a class.
597 Thread safety attributes follow normal C++ access restrictions, so if ``mu``
598 is a private member of ``c``, then it is an error to write ``c.mu`` in an
599 attribute.
601 One workaround is to (ab)use the ``RETURN_CAPABILITY`` attribute to provide a
602 public *name* for a private mutex, without actually exposing the underlying
603 mutex.  For example:
605 .. code-block:: c++
607   class MyClass {
608   private:
609     Mutex mu;
611   public:
612     // For thread safety analysis only.  Does not actually return mu.
613     Mutex* getMu() RETURN_CAPABILITY(mu) { return 0; }
615     void doSomething() REQUIRES(mu);
616   };
618   void doSomethingTwice(MyClass& c) REQUIRES(c.getMu()) {
619     // The analysis thinks that c.getMu() == c.mu
620     c.doSomething();
621     c.doSomething();
622   }
624 In the above example, ``doSomethingTwice()`` is an external routine that
625 requires ``c.mu`` to be locked, which cannot be declared directly because ``mu``
626 is private.  This pattern is discouraged because it
627 violates encapsulation, but it is sometimes necessary, especially when adding
628 annotations to an existing code base.  The workaround is to define ``getMu()``
629 as a fake getter method, which is provided only for the benefit of thread
630 safety analysis.
633 .. _conditional_locks:
635 No conditionally held locks.
636 ----------------------------
638 The analysis must be able to determine whether a lock is held, or not held, at
639 every program point.  Thus, sections of code where a lock *might be held* will
640 generate spurious warnings (false positives).  For example:
642 .. code-block:: c++
644   void foo() {
645     bool b = needsToLock();
646     if (b) mu.Lock();
647     ...  // Warning!  Mutex 'mu' is not held on every path through here.
648     if (b) mu.Unlock();
649   }
652 No checking inside constructors and destructors.
653 ------------------------------------------------
655 The analysis currently does not do any checking inside constructors or
656 destructors.  In other words, every constructor and destructor is treated as
657 if it was annotated with ``NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS``.
658 The reason for this is that during initialization, only one thread typically
659 has access to the object which is being initialized, and it is thus safe (and
660 common practice) to initialize guarded members without acquiring any locks.
661 The same is true of destructors.
663 Ideally, the analysis would allow initialization of guarded members inside the
664 object being initialized or destroyed, while still enforcing the usual access
665 restrictions on everything else.  However, this is difficult to enforce in
666 practice, because in complex pointer-based data structures, it is hard to
667 determine what data is owned by the enclosing object.
669 No inlining.
670 ------------
672 Thread safety analysis is strictly intra-procedural, just like ordinary type
673 checking.  It relies only on the declared attributes of a function, and will
674 not attempt to inline any method calls.  As a result, code such as the
675 following will not work:
677 .. code-block:: c++
679   template<class T>
680   class AutoCleanup {
681     T* object;
682     void (T::*mp)();
684   public:
685     AutoCleanup(T* obj, void (T::*imp)()) : object(obj), mp(imp) { }
686     ~AutoCleanup() { (object->*mp)(); }
687   };
689   Mutex mu;
690   void foo() {
691     mu.Lock();
692     AutoCleanup<Mutex>(&mu, &Mutex::Unlock);
693     // ...
694   }  // Warning, mu is not unlocked.
696 In this case, the destructor of ``Autocleanup`` calls ``mu.Unlock()``, so
697 the warning is bogus.  However,
698 thread safety analysis cannot see the unlock, because it does not attempt to
699 inline the destructor.  Moreover, there is no way to annotate the destructor,
700 because the destructor is calling a function that is not statically known.
701 This pattern is simply not supported.
704 No alias analysis.
705 ------------------
707 The analysis currently does not track pointer aliases.  Thus, there can be
708 false positives if two pointers both point to the same mutex.
711 .. code-block:: c++
713   class MutexUnlocker {
714     Mutex* mu;
716   public:
717     MutexUnlocker(Mutex* m) RELEASE(m) : mu(m)  { mu->Unlock(); }
718     ~MutexUnlocker() ACQUIRE(mu) { mu->Lock(); }
719   };
721   Mutex mutex;
722   void test() REQUIRES(mutex) {
723     {
724       MutexUnlocker munl(&mutex);  // unlocks mutex
725       doSomeIO();
726     }                              // Warning: locks munl.mu
727   }
729 The MutexUnlocker class is intended to be the dual of the MutexLocker class,
730 defined in :ref:`mutexheader`.  However, it doesn't work because the analysis
731 doesn't know that munl.mu == mutex.  The SCOPED_CAPABILITY attribute handles
732 aliasing for MutexLocker, but does so only for that particular pattern.
735 ACQUIRED_BEFORE(...) and ACQUIRED_AFTER(...) are currently unimplemented.
736 -------------------------------------------------------------------------
738 To be fixed in a future update.
741 .. _mutexheader:
743 mutex.h
744 =======
746 Thread safety analysis can be used with any threading library, but it does
747 require that the threading API be wrapped in classes and methods which have the
748 appropriate annotations.  The following code provides ``mutex.h`` as an example;
749 these methods should be filled in to call the appropriate underlying
750 implementation.
753 .. code-block:: c++
756   #ifndef THREAD_SAFETY_ANALYSIS_MUTEX_H
757   #define THREAD_SAFETY_ANALYSIS_MUTEX_H
759   // Enable thread safety attributes only with clang.
760   // The attributes can be safely erased when compiling with other compilers.
761   #if defined(__clang__) && (!defined(SWIG))
762   #define THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(x)   __attribute__((x))
763   #else
764   #define THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(x)   // no-op
765   #endif
767   #define CAPABILITY(x) \
768     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(capability(x))
770   #define SCOPED_CAPABILITY \
771     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(scoped_lockable)
773   #define GUARDED_BY(x) \
774     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(guarded_by(x))
776   #define PT_GUARDED_BY(x) \
777     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(pt_guarded_by(x))
779   #define ACQUIRED_BEFORE(...) \
780     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(acquired_before(__VA_ARGS__))
782   #define ACQUIRED_AFTER(...) \
783     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(acquired_after(__VA_ARGS__))
785   #define REQUIRES(...) \
786     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(requires_capability(__VA_ARGS__))
788   #define REQUIRES_SHARED(...) \
789     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(requires_shared_capability(__VA_ARGS__))
791   #define ACQUIRE(...) \
792     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(acquire_capability(__VA_ARGS__))
794   #define ACQUIRE_SHARED(...) \
795     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(acquire_shared_capability(__VA_ARGS__))
797   #define RELEASE(...) \
798     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(release_capability(__VA_ARGS__))
800   #define RELEASE_SHARED(...) \
801     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(release_shared_capability(__VA_ARGS__))
803   #define TRY_ACQUIRE(...) \
804     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(try_acquire_capability(__VA_ARGS__))
806   #define TRY_ACQUIRE_SHARED(...) \
807     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(try_acquire_shared_capability(__VA_ARGS__))
809   #define EXCLUDES(...) \
810     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(locks_excluded(__VA_ARGS__))
812   #define ASSERT_CAPABILITY(x) \
813     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(assert_capability(x))
815   #define ASSERT_SHARED_CAPABILITY(x) \
816     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(assert_shared_capability(x))
818   #define RETURN_CAPABILITY(x) \
819     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(lock_returned(x))
821   #define NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS \
822     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(no_thread_safety_analysis)
825   // Defines an annotated interface for mutexes.
826   // These methods can be implemented to use any internal mutex implementation.
827   class CAPABILITY("mutex") Mutex {
828   public:
829     // Acquire/lock this mutex exclusively.  Only one thread can have exclusive
830     // access at any one time.  Write operations to guarded data require an
831     // exclusive lock.
832     void Lock() ACQUIRE();
834     // Acquire/lock this mutex for read operations, which require only a shared
835     // lock.  This assumes a multiple-reader, single writer semantics.  Multiple
836     // threads may acquire the mutex simultaneously as readers, but a writer
837     // must wait for all of them to release the mutex before it can acquire it
838     // exclusively.
839     void ReaderLock() ACQUIRE_SHARED();
841     // Release/unlock an exclusive mutex.
842     void Unlock() RELEASE();
844     // Release/unlock a shared mutex.
845     void ReaderUnlock() RELEASE_SHARED();
847     // Try to acquire the mutex.  Returns true on success, and false on failure.
848     bool TryLock() TRY_ACQUIRE(true);
850     // Try to acquire the mutex for read operations.
851     bool ReaderTryLock() TRY_ACQUIRE_SHARED(true);
853     // Assert that this mutex is currently held by the calling thread.
854     void AssertHeld() ASSERT_CAPABILITY(this);
856     // Assert that is mutex is currently held for read operations.
857     void AssertReaderHeld() ASSERT_SHARED_CAPABILITY(this);
858     
859     // For negative capabilities.
860     const Mutex& operator!() const { return *this; }
861   };
864   // MutexLocker is an RAII class that acquires a mutex in its constructor, and
865   // releases it in its destructor.
866   class SCOPED_CAPABILITY MutexLocker {
867   private:
868     Mutex* mut;
870   public:
871     MutexLocker(Mutex *mu) ACQUIRE(mu) : mut(mu) {
872       mu->Lock();
873     }
874     ~MutexLocker() RELEASE() {
875       mut->Unlock();
876     }
877   };
880   #ifdef USE_LOCK_STYLE_THREAD_SAFETY_ATTRIBUTES
881   // The original version of thread safety analysis the following attribute
882   // definitions.  These use a lock-based terminology.  They are still in use
883   // by existing thread safety code, and will continue to be supported.
885   // Deprecated.
886   #define PT_GUARDED_VAR \
887     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(pt_guarded_var)
889   // Deprecated.
890   #define GUARDED_VAR \
891     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(guarded_var)
893   // Replaced by REQUIRES
894   #define EXCLUSIVE_LOCKS_REQUIRED(...) \
895     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(exclusive_locks_required(__VA_ARGS__))
897   // Replaced by REQUIRES_SHARED
898   #define SHARED_LOCKS_REQUIRED(...) \
899     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(shared_locks_required(__VA_ARGS__))
901   // Replaced by CAPABILITY
902   #define LOCKABLE \
903     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(lockable)
905   // Replaced by SCOPED_CAPABILITY
906   #define SCOPED_LOCKABLE \
907     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(scoped_lockable)
909   // Replaced by ACQUIRE
910   #define EXCLUSIVE_LOCK_FUNCTION(...) \
911     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(exclusive_lock_function(__VA_ARGS__))
913   // Replaced by ACQUIRE_SHARED
914   #define SHARED_LOCK_FUNCTION(...) \
915     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(shared_lock_function(__VA_ARGS__))
917   // Replaced by RELEASE and RELEASE_SHARED
918   #define UNLOCK_FUNCTION(...) \
919     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(unlock_function(__VA_ARGS__))
921   // Replaced by TRY_ACQUIRE
922   #define EXCLUSIVE_TRYLOCK_FUNCTION(...) \
923     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(exclusive_trylock_function(__VA_ARGS__))
925   // Replaced by TRY_ACQUIRE_SHARED
926   #define SHARED_TRYLOCK_FUNCTION(...) \
927     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(shared_trylock_function(__VA_ARGS__))
929   // Replaced by ASSERT_CAPABILITY
930   #define ASSERT_EXCLUSIVE_LOCK(...) \
931     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(assert_exclusive_lock(__VA_ARGS__))
933   // Replaced by ASSERT_SHARED_CAPABILITY
934   #define ASSERT_SHARED_LOCK(...) \
935     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(assert_shared_lock(__VA_ARGS__))
937   // Replaced by EXCLUDE_CAPABILITY.
938   #define LOCKS_EXCLUDED(...) \
939     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(locks_excluded(__VA_ARGS__))
941   // Replaced by RETURN_CAPABILITY
942   #define LOCK_RETURNED(x) \
943     THREAD_ANNOTATION_ATTRIBUTE__(lock_returned(x))
945   #endif  // USE_LOCK_STYLE_THREAD_SAFETY_ATTRIBUTES
947   #endif  // THREAD_SAFETY_ANALYSIS_MUTEX_H