drd/docs/drd-manual.xml: Remove a redundant phrase.
[valgrind.git] / drd / docs / drd-manual.xml
blobe0c407ca04c9b882449a7953de2243541a9acabd
1 <?xml version="1.0"?> <!-- -*- sgml -*- -->
2 <!DOCTYPE chapter PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.2//EN"
3   "http://www.oasis-open.org/docbook/xml/4.2/docbookx.dtd"
4 [ <!ENTITY % vg-entities SYSTEM "../../docs/xml/vg-entities.xml"> %vg-entities; ]>
7 <chapter id="drd-manual" xreflabel="DRD: a thread error detector">
8   <title>DRD: a thread error detector</title>
10 <para>To use this tool, you must specify
11 <option>--tool=drd</option>
12 on the Valgrind command line.</para>
15 <sect1 id="drd-manual.overview" xreflabel="Overview">
16 <title>Overview</title>
18 <para>
19 DRD is a Valgrind tool for detecting errors in multithreaded C and C++
20 programs. The tool works for any program that uses the POSIX threading
21 primitives or that uses threading concepts built on top of the POSIX threading
22 primitives.
23 </para>
25 <sect2 id="drd-manual.mt-progr-models" xreflabel="MT-progr-models">
26 <title>Multithreaded Programming Paradigms</title>
28 <para>
29 There are two possible reasons for using multithreading in a program:
30 <itemizedlist>
31   <listitem>
32     <para>
33       To model concurrent activities. Assigning one thread to each activity
34       can be a great simplification compared to multiplexing the states of
35       multiple activities in a single thread. This is why most server software
36       and embedded software is multithreaded.
37     </para>
38   </listitem>
39   <listitem>
40     <para>
41       To use multiple CPU cores simultaneously for speeding up
42       computations. This is why many High Performance Computing (HPC)
43       applications are multithreaded.
44     </para>
45   </listitem>
46 </itemizedlist>
47 </para>
49 <para>
50 Multithreaded programs can use one or more of the following programming
51 paradigms. Which paradigm is appropriate depends e.g. on the application type.
52 Some examples of multithreaded programming paradigms are:
53 <itemizedlist>
54   <listitem>
55     <para>
56       Locking. Data that is shared over threads is protected from concurrent
57       accesses via locking. E.g. the POSIX threads library, the Qt library
58       and the Boost.Thread library support this paradigm directly.
59     </para>
60   </listitem>
61   <listitem>
62     <para>
63       Message passing. No data is shared between threads, but threads exchange
64       data by passing messages to each other. Examples of implementations of
65       the message passing paradigm are MPI and CORBA.
66     </para>
67   </listitem>
68   <listitem>
69     <para>
70       Automatic parallelization. A compiler converts a sequential program into
71       a multithreaded program. The original program may or may not contain
72       parallelization hints. One example of such parallelization hints is the
73       OpenMP standard. In this standard a set of directives are defined which
74       tell a compiler how to parallelize a C, C++ or Fortran program. OpenMP
75       is well suited for computational intensive applications. As an example,
76       an open source image processing software package is using OpenMP to
77       maximize performance on systems with multiple CPU
78       cores. GCC supports the
79       OpenMP standard from version 4.2.0 on.
80     </para>
81   </listitem>
82   <listitem>
83     <para>
84       Software Transactional Memory (STM). Any data that is shared between
85       threads is updated via transactions. After each transaction it is
86       verified whether there were any conflicting transactions. If there were
87       conflicts, the transaction is aborted, otherwise it is committed. This
88       is a so-called optimistic approach. There is a prototype of the Intel C++
89       Compiler available that supports STM. Research about the addition of
90       STM support to GCC is ongoing.
91     </para>
92   </listitem>
93 </itemizedlist>
94 </para>
96 <para>
97 DRD supports any combination of multithreaded programming paradigms as
98 long as the implementation of these paradigms is based on the POSIX
99 threads primitives. DRD however does not support programs that use
100 e.g. Linux' futexes directly. Attempts to analyze such programs with
101 DRD will cause DRD to report many false positives.
102 </para>
104 </sect2>
107 <sect2 id="drd-manual.pthreads-model" xreflabel="Pthreads-model">
108 <title>POSIX Threads Programming Model</title>
110 <para>
111 POSIX threads, also known as Pthreads, is the most widely available
112 threading library on Unix systems.
113 </para>
115 <para>
116 The POSIX threads programming model is based on the following abstractions:
117 <itemizedlist>
118   <listitem>
119     <para>
120       A shared address space. All threads running within the same
121       process share the same address space. All data, whether shared or
122       not, is identified by its address.
123     </para>
124   </listitem>
125   <listitem>
126     <para>
127       Regular load and store operations, which allow to read values
128       from or to write values to the memory shared by all threads
129       running in the same process.
130     </para>
131   </listitem>
132   <listitem>
133     <para>
134       Atomic store and load-modify-store operations. While these are
135       not mentioned in the POSIX threads standard, most
136       microprocessors support atomic memory operations.
137     </para>
138   </listitem>
139   <listitem>
140     <para>
141       Threads. Each thread represents a concurrent activity.
142     </para>
143   </listitem>
144   <listitem>
145     <para>
146       Synchronization objects and operations on these synchronization
147       objects. The following types of synchronization objects have been
148       defined in the POSIX threads standard: mutexes, condition variables,
149       semaphores, reader-writer synchronization objects, barriers and
150       spinlocks.
151     </para>
152   </listitem>
153 </itemizedlist>
154 </para>
156 <para>
157 Which source code statements generate which memory accesses depends on
158 the <emphasis>memory model</emphasis> of the programming language being
159 used. There is not yet a definitive memory model for the C and C++
160 languages. For a draft memory model, see also the document
161 <ulink url="http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2007/n2338.html">
162 WG21/N2338: Concurrency memory model compiler consequences</ulink>.
163 </para>
165 <para>
166 For more information about POSIX threads, see also the Single UNIX
167 Specification version 3, also known as
168 <ulink url="http://www.opengroup.org/onlinepubs/000095399/idx/threads.html">
169 IEEE Std 1003.1</ulink>.
170 </para>
172 </sect2>
175 <sect2 id="drd-manual.mt-problems" xreflabel="MT-Problems">
176 <title>Multithreaded Programming Problems</title>
178 <para>
179 Depending on which multithreading paradigm is being used in a program,
180 one or more of the following problems can occur:
181 <itemizedlist>
182   <listitem>
183     <para>
184       Data races. One or more threads access the same memory location without
185       sufficient locking. Most but not all data races are programming errors
186       and are the cause of subtle and hard-to-find bugs.
187     </para>
188   </listitem>
189   <listitem>
190     <para>
191       Lock contention. One thread blocks the progress of one or more other
192       threads by holding a lock too long.
193     </para>
194   </listitem>
195   <listitem>
196     <para>
197       Improper use of the POSIX threads API. Most implementations of the POSIX
198       threads API have been optimized for runtime speed. Such implementations
199       will not complain on certain errors, e.g. when a mutex is being unlocked
200       by another thread than the thread that obtained a lock on the mutex.
201     </para>
202   </listitem>
203   <listitem>
204     <para>
205       Deadlock. A deadlock occurs when two or more threads wait for
206       each other indefinitely.
207     </para>
208   </listitem>
209   <listitem>
210     <para>
211       False sharing. If threads that run on different processor cores
212       access different variables located in the same cache line
213       frequently, this will slow down the involved threads a lot due
214       to frequent exchange of cache lines.
215     </para>
216   </listitem>
217 </itemizedlist>
218 </para>
220 <para>
221 Although the likelihood of the occurrence of data races can be reduced
222 through a disciplined programming style, a tool for automatic
223 detection of data races is a necessity when developing multithreaded
224 software. DRD can detect these, as well as lock contention and
225 improper use of the POSIX threads API.
226 </para>
228 </sect2>
231 <sect2 id="drd-manual.data-race-detection" xreflabel="data-race-detection">
232 <title>Data Race Detection</title>
234 <para>
235 The result of load and store operations performed by a multithreaded program
236 depends on the order in which memory operations are performed. This order is
237 determined by:
238 <orderedlist>
239   <listitem>
240     <para>
241       All memory operations performed by the same thread are performed in
242       <emphasis>program order</emphasis>, that is, the order determined by the
243       program source code and the results of previous load operations.
244     </para>
245   </listitem>
246   <listitem>
247     <para>
248       Synchronization operations determine certain ordering constraints on
249       memory operations performed by different threads. These ordering
250       constraints are called the <emphasis>synchronization order</emphasis>.
251     </para>
252   </listitem>
253 </orderedlist>
254 The combination of program order and synchronization order is called the
255 <emphasis>happens-before relationship</emphasis>. This concept was first
256 defined by S. Adve et al in the paper <emphasis>Detecting data races on weak
257 memory systems</emphasis>, ACM SIGARCH Computer Architecture News, v.19 n.3,
258 p.234-243, May 1991.
259 </para>
261 <para>
262 Two memory operations <emphasis>conflict</emphasis> if both operations are
263 performed by different threads, refer to the same memory location and at least
264 one of them is a store operation.
265 </para>
267 <para>
268 A multithreaded program is <emphasis>data-race free</emphasis> if all
269 conflicting memory accesses are ordered by synchronization
270 operations.
271 </para>
273 <para>
274 A well known way to ensure that a multithreaded program is data-race
275 free is to ensure that a locking discipline is followed. It is e.g.
276 possible to associate a mutex with each shared data item, and to hold
277 a lock on the associated mutex while the shared data is accessed.
278 </para>
280 <para>
281 All programs that follow a locking discipline are data-race free, but not all
282 data-race free programs follow a locking discipline. There exist multithreaded
283 programs where access to shared data is arbitrated via condition variables,
284 semaphores or barriers. As an example, a certain class of HPC applications
285 consists of a sequence of computation steps separated in time by barriers, and
286 where these barriers are the only means of synchronization. Although there are
287 many conflicting memory accesses in such applications and although such
288 applications do not make use mutexes, most of these applications do not
289 contain data races.
290 </para>
292 <para>
293 There exist two different approaches for verifying the correctness of
294 multithreaded programs at runtime. The approach of the so-called Eraser
295 algorithm is to verify whether all shared memory accesses follow a consistent
296 locking strategy. And the happens-before data race detectors verify directly
297 whether all interthread memory accesses are ordered by synchronization
298 operations. While the last approach is more complex to implement, and while it
299 is more sensitive to OS scheduling, it is a general approach that works for
300 all classes of multithreaded programs. An important advantage of
301 happens-before data race detectors is that these do not report any false
302 positives.
303 </para>
305 <para>
306 DRD is based on the happens-before algorithm.
307 </para>
309 </sect2>
312 </sect1>
315 <sect1 id="drd-manual.using-drd" xreflabel="Using DRD">
316 <title>Using DRD</title>
318 <sect2 id="drd-manual.options" xreflabel="DRD Command-line Options">
319 <title>DRD Command-line Options</title>
321 <para>The following command-line options are available for controlling the
322 behavior of the DRD tool itself:</para>
324 <!-- start of xi:include in the manpage -->
325 <variablelist id="drd.opts.list">
326   <varlistentry>
327     <term>
328       <option><![CDATA[--check-stack-var=<yes|no> [default: no]]]></option>
329     </term>
330     <listitem>
331       <para>
332         Controls whether DRD detects data races on stack
333         variables. Verifying stack variables is disabled by default because
334         most programs do not share stack variables over threads.
335       </para>
336     </listitem>
337   </varlistentry>
338   <varlistentry>
339     <term>
340       <option><![CDATA[--exclusive-threshold=<n> [default: off]]]></option>
341     </term>
342     <listitem>
343       <para>
344         Print an error message if any mutex or writer lock has been
345         held longer than the time specified in milliseconds. This
346         option enables the detection of lock contention.
347       </para>
348     </listitem>
349   </varlistentry>
350   <varlistentry>
351     <term>
352       <option><![CDATA[--join-list-vol=<n> [default: 10]]]></option>
353     </term>
354     <listitem>
355       <para>
356         Data races that occur between a statement at the end of one thread
357         and another thread can be missed if memory access information is
358         discarded immediately after a thread has been joined. This option
359         allows to specify for how many joined threads memory access information
360         should be retained.
361       </para>
362     </listitem>
363   </varlistentry>
364   <varlistentry>
365     <term>
366       <option>
367         <![CDATA[--first-race-only=<yes|no> [default: no]]]>
368       </option>
369     </term>
370     <listitem>
371       <para>
372         Whether to report only the first data race that has been detected on a
373         memory location or all data races that have been detected on a memory
374         location.
375       </para>
376     </listitem>
377   </varlistentry>
378   <varlistentry>
379     <term>
380       <option>
381         <![CDATA[--free-is-write=<yes|no> [default: no]]]>
382       </option>
383     </term>
384     <listitem>
385       <para>
386         Whether to report races between accessing memory and freeing
387         memory. Enabling this option may cause DRD to run slightly
388         slower. Notes:</para>
389       <itemizedlist>
390         <listitem>
391           <para>
392             Don't enable this option when using custom memory allocators
393             that use
394             the <computeroutput>VG_USERREQ__MALLOCLIKE_BLOCK</computeroutput>
395             and <computeroutput>VG_USERREQ__FREELIKE_BLOCK</computeroutput>
396             because that would result in false positives.
397           </para>
398         </listitem>
399         <listitem>
400           <para>Don't enable this option when using reference-counted
401             objects because that will result in false positives, even when
402             that code has been annotated properly with
403             <computeroutput>ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE</computeroutput>
404             and <computeroutput>ANNOTATE_HAPPENS_AFTER</computeroutput>. See
405             e.g.  the output of the following command for an example:
406             <computeroutput>valgrind --tool=drd --free-is-write=yes
407               drd/tests/annotate_smart_pointer</computeroutput>.
408           </para>
409         </listitem>
410       </itemizedlist>
411     </listitem>
412   </varlistentry>
413   <varlistentry>
414     <term>
415       <option>
416         <![CDATA[--report-signal-unlocked=<yes|no> [default: yes]]]>
417       </option>
418     </term>
419     <listitem>
420       <para>
421         Whether to report calls to
422         <function>pthread_cond_signal</function> and
423         <function>pthread_cond_broadcast</function> where the mutex
424         associated with the signal through
425         <function>pthread_cond_wait</function> or
426         <function>pthread_cond_timed_wait</function>is not locked at
427         the time the signal is sent.  Sending a signal without holding
428         a lock on the associated mutex is a common programming error
429         which can cause subtle race conditions and unpredictable
430         behavior. There exist some uncommon synchronization patterns
431         however where it is safe to send a signal without holding a
432         lock on the associated mutex.
433       </para>
434     </listitem>
435   </varlistentry>
436   <varlistentry>
437     <term>
438       <option><![CDATA[--segment-merging=<yes|no> [default: yes]]]></option>
439     </term>
440     <listitem>
441       <para>
442         Controls segment merging. Segment merging is an algorithm to
443         limit memory usage of the data race detection
444         algorithm. Disabling segment merging may improve the accuracy
445         of the so-called 'other segments' displayed in race reports
446         but can also trigger an out of memory error.
447       </para>
448     </listitem>
449   </varlistentry>
450   <varlistentry>
451     <term>
452       <option><![CDATA[--segment-merging-interval=<n> [default: 10]]]></option>
453     </term>
454     <listitem>
455       <para>
456         Perform segment merging only after the specified number of new
457         segments have been created. This is an advanced configuration option
458         that allows to choose whether to minimize DRD's memory usage by
459         choosing a low value or to let DRD run faster by choosing a slightly
460         higher value. The optimal value for this parameter depends on the
461         program being analyzed. The default value works well for most programs.
462       </para>
463     </listitem>
464   </varlistentry>
465   <varlistentry>
466     <term>
467       <option><![CDATA[--shared-threshold=<n> [default: off]]]></option>
468     </term>
469     <listitem>
470       <para>
471         Print an error message if a reader lock has been held longer
472         than the specified time (in milliseconds). This option enables
473         the detection of lock contention.
474       </para>
475     </listitem>
476   </varlistentry>
477   <varlistentry>
478     <term>
479       <option><![CDATA[--show-confl-seg=<yes|no> [default: yes]]]></option>
480     </term>
481     <listitem>
482       <para>
483          Show conflicting segments in race reports. Since this
484          information can help to find the cause of a data race, this
485          option is enabled by default. Disabling this option makes the
486          output of DRD more compact.
487       </para>
488     </listitem>
489   </varlistentry>
490   <varlistentry>
491     <term>
492       <option><![CDATA[--show-stack-usage=<yes|no> [default: no]]]></option>
493     </term>
494     <listitem>
495       <para>
496         Print stack usage at thread exit time. When a program creates a large
497         number of threads it becomes important to limit the amount of virtual
498         memory allocated for thread stacks. This option makes it possible to
499         observe how much stack memory has been used by each thread of the
500         client program. Note: the DRD tool itself allocates some temporary
501         data on the client thread stack. The space necessary for this
502         temporary data must be allocated by the client program when it
503         allocates stack memory, but is not included in stack usage reported by
504         DRD.
505       </para>
506     </listitem>
507   </varlistentry>
508 </variablelist>
509 <!-- end of xi:include in the manpage -->
511 <!-- start of xi:include in the manpage -->
512 <para>
513 The following options are available for monitoring the behavior of the
514 client program:
515 </para>
517 <variablelist id="drd.debugopts.list">
518   <varlistentry>
519     <term>
520       <option><![CDATA[--trace-addr=<address> [default: none]]]></option>
521     </term>
522     <listitem>
523       <para>
524         Trace all load and store activity for the specified
525         address. This option may be specified more than once.
526       </para>
527     </listitem>
528   </varlistentry>
529   <varlistentry>
530     <term>
531       <option><![CDATA[--ptrace-addr=<address> [default: none]]]></option>
532     </term>
533     <listitem>
534       <para>
535         Trace all load and store activity for the specified address and keep
536         doing that even after the memory at that address has been freed and
537         reallocated.
538       </para>
539     </listitem>
540   </varlistentry>
541   <varlistentry>
542     <term>
543       <option><![CDATA[--trace-alloc=<yes|no> [default: no]]]></option>
544     </term>
545     <listitem>
546       <para>
547         Trace all memory allocations and deallocations. May produce a huge
548         amount of output.
549       </para>
550     </listitem>
551   </varlistentry>
552   <varlistentry>
553     <term>
554       <option><![CDATA[--trace-barrier=<yes|no> [default: no]]]></option>
555     </term>
556     <listitem>
557       <para>
558         Trace all barrier activity.
559       </para>
560     </listitem>
561   </varlistentry>
562   <varlistentry>
563     <term>
564       <option><![CDATA[--trace-cond=<yes|no> [default: no]]]></option>
565     </term>
566     <listitem>
567       <para>
568         Trace all condition variable activity.
569       </para>
570     </listitem>
571   </varlistentry>
572   <varlistentry>
573     <term>
574       <option><![CDATA[--trace-fork-join=<yes|no> [default: no]]]></option>
575     </term>
576     <listitem>
577       <para>
578         Trace all thread creation and all thread termination events.
579       </para>
580     </listitem>
581   </varlistentry>
582   <varlistentry>
583     <term>
584       <option><![CDATA[--trace-hb=<yes|no> [default: no]]]></option>
585     </term>
586     <listitem>
587       <para>
588         Trace execution of the <literal>ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE()</literal>,
589         <literal>ANNOTATE_HAPPENS_AFTER()</literal> and
590         <literal>ANNOTATE_HAPPENS_DONE()</literal> client requests.
591       </para>
592     </listitem>
593   </varlistentry>
594   <varlistentry>
595     <term>
596       <option><![CDATA[--trace-mutex=<yes|no> [default: no]]]></option>
597     </term>
598     <listitem>
599       <para>
600         Trace all mutex activity.
601       </para>
602     </listitem>
603   </varlistentry>
604   <varlistentry>
605     <term>
606       <option><![CDATA[--trace-rwlock=<yes|no> [default: no]]]></option>
607     </term>
608     <listitem>
609       <para>
610          Trace all reader-writer lock activity.
611       </para>
612     </listitem>
613   </varlistentry>
614   <varlistentry>
615     <term>
616       <option><![CDATA[--trace-semaphore=<yes|no> [default: no]]]></option>
617     </term>
618     <listitem>
619       <para>
620         Trace all semaphore activity.
621       </para>
622     </listitem>
623   </varlistentry>
624 </variablelist>
625 <!-- end of xi:include in the manpage -->
627 </sect2>
630 <sect2 id="drd-manual.data-races" xreflabel="Data Races">
631 <title>Detected Errors: Data Races</title>
633 <para>
634 DRD prints a message every time it detects a data race. Please keep
635 the following in mind when interpreting DRD's output:
636 <itemizedlist>
637   <listitem>
638     <para>
639       Every thread is assigned a <emphasis>thread ID</emphasis> by the DRD
640       tool. A thread ID is a number. Thread ID's start at one and are never
641       recycled.
642     </para>
643   </listitem>
644   <listitem>
645     <para>
646       The term <emphasis>segment</emphasis> refers to a consecutive
647       sequence of load, store and synchronization operations, all
648       issued by the same thread. A segment always starts and ends at a
649       synchronization operation. Data race analysis is performed
650       between segments instead of between individual load and store
651       operations because of performance reasons.
652     </para>
653   </listitem>
654   <listitem>
655     <para>
656       There are always at least two memory accesses involved in a data
657       race. Memory accesses involved in a data race are called
658       <emphasis>conflicting memory accesses</emphasis>. DRD prints a
659       report for each memory access that conflicts with a past memory
660       access.
661     </para>
662   </listitem>
663 </itemizedlist>
664 </para>
666 <para>
667 Below you can find an example of a message printed by DRD when it
668 detects a data race:
669 </para>
670 <programlisting><![CDATA[
671 $ valgrind --tool=drd --read-var-info=yes drd/tests/rwlock_race
673 ==9466== Thread 3:
674 ==9466== Conflicting load by thread 3 at 0x006020b8 size 4
675 ==9466==    at 0x400B6C: thread_func (rwlock_race.c:29)
676 ==9466==    by 0x4C291DF: vg_thread_wrapper (drd_pthread_intercepts.c:186)
677 ==9466==    by 0x4E3403F: start_thread (in /lib64/libpthread-2.8.so)
678 ==9466==    by 0x53250CC: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
679 ==9466== Location 0x6020b8 is 0 bytes inside local var "s_racy"
680 ==9466== declared at rwlock_race.c:18, in frame #0 of thread 3
681 ==9466== Other segment start (thread 2)
682 ==9466==    at 0x4C2847D: pthread_rwlock_rdlock* (drd_pthread_intercepts.c:813)
683 ==9466==    by 0x400B6B: thread_func (rwlock_race.c:28)
684 ==9466==    by 0x4C291DF: vg_thread_wrapper (drd_pthread_intercepts.c:186)
685 ==9466==    by 0x4E3403F: start_thread (in /lib64/libpthread-2.8.so)
686 ==9466==    by 0x53250CC: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
687 ==9466== Other segment end (thread 2)
688 ==9466==    at 0x4C28B54: pthread_rwlock_unlock* (drd_pthread_intercepts.c:912)
689 ==9466==    by 0x400B84: thread_func (rwlock_race.c:30)
690 ==9466==    by 0x4C291DF: vg_thread_wrapper (drd_pthread_intercepts.c:186)
691 ==9466==    by 0x4E3403F: start_thread (in /lib64/libpthread-2.8.so)
692 ==9466==    by 0x53250CC: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
694 ]]></programlisting>
696 <para>
697 The above report has the following meaning:
698 <itemizedlist>
699   <listitem>
700     <para>
701       The number in the column on the left is the process ID of the
702       process being analyzed by DRD.
703     </para>
704   </listitem>
705   <listitem>
706     <para>
707       The first line ("Thread 3") tells you the thread ID for
708       the thread in which context the data race has been detected.
709     </para>
710   </listitem>
711   <listitem>
712     <para>
713       The next line tells which kind of operation was performed (load or
714       store) and by which thread. On the same line the start address and the
715       number of bytes involved in the conflicting access are also displayed.
716     </para>
717   </listitem>
718   <listitem>
719     <para>
720       Next, the call stack of the conflicting access is displayed. If
721       your program has been compiled with debug information
722       (<option>-g</option>), this call stack will include file names and
723       line numbers. The two
724       bottommost frames in this call stack (<function>clone</function>
725       and <function>start_thread</function>) show how the NPTL starts
726       a thread. The third frame
727       (<function>vg_thread_wrapper</function>) is added by DRD. The
728       fourth frame (<function>thread_func</function>) is the first
729       interesting line because it shows the thread entry point, that
730       is the function that has been passed as the third argument to
731       <function>pthread_create</function>.
732     </para>
733   </listitem>
734   <listitem>
735     <para>
736       Next, the allocation context for the conflicting address is
737       displayed. For dynamically allocated data the allocation call
738       stack is shown. For static variables and stack variables the
739       allocation context is only shown when the option
740       <option>--read-var-info=yes</option> has been
741       specified. Otherwise DRD will print <computeroutput>Allocation
742       context: unknown</computeroutput>.
743     </para>
744   </listitem>
745   <listitem>
746     <para>
747       A conflicting access involves at least two memory accesses. For
748       one of these accesses an exact call stack is displayed, and for
749       the other accesses an approximate call stack is displayed,
750       namely the start and the end of the segments of the other
751       accesses. This information can be interpreted as follows:
752       <orderedlist>
753         <listitem>
754           <para>
755             Start at the bottom of both call stacks, and count the
756             number stack frames with identical function name, file
757             name and line number. In the above example the three
758             bottommost frames are identical
759             (<function>clone</function>,
760             <function>start_thread</function> and
761             <function>vg_thread_wrapper</function>).
762           </para>
763         </listitem>
764         <listitem>
765           <para>
766             The next higher stack frame in both call stacks now tells
767             you between in which source code region the other memory
768             access happened. The above output tells that the other
769             memory access involved in the data race happened between
770             source code lines 28 and 30 in file
771             <computeroutput>rwlock_race.c</computeroutput>.
772           </para>
773         </listitem>
774       </orderedlist>
775     </para>
776   </listitem>
777 </itemizedlist>
778 </para>
780 </sect2>
783 <sect2 id="drd-manual.lock-contention" xreflabel="Lock Contention">
784 <title>Detected Errors: Lock Contention</title>
786 <para>
787 Threads must be able to make progress without being blocked for too long by
788 other threads. Sometimes a thread has to wait until a mutex or reader-writer
789 synchronization object is unlocked by another thread. This is called
790 <emphasis>lock contention</emphasis>.
791 </para>
793 <para>
794 Lock contention causes delays. Such delays should be as short as
795 possible. The two command line options
796 <literal>--exclusive-threshold=&lt;n&gt;</literal> and
797 <literal>--shared-threshold=&lt;n&gt;</literal> make it possible to
798 detect excessive lock contention by making DRD report any lock that
799 has been held longer than the specified threshold. An example:
800 </para>
801 <programlisting><![CDATA[
802 $ valgrind --tool=drd --exclusive-threshold=10 drd/tests/hold_lock -i 500
804 ==10668== Acquired at:
805 ==10668==    at 0x4C267C8: pthread_mutex_lock (drd_pthread_intercepts.c:395)
806 ==10668==    by 0x400D92: main (hold_lock.c:51)
807 ==10668== Lock on mutex 0x7fefffd50 was held during 503 ms (threshold: 10 ms).
808 ==10668==    at 0x4C26ADA: pthread_mutex_unlock (drd_pthread_intercepts.c:441)
809 ==10668==    by 0x400DB5: main (hold_lock.c:55)
811 ]]></programlisting>
813 <para>
814 The <literal>hold_lock</literal> test program holds a lock as long as
815 specified by the <literal>-i</literal> (interval) argument. The DRD
816 output reports that the lock acquired at line 51 in source file
817 <literal>hold_lock.c</literal> and released at line 55 was held during
818 503 ms, while a threshold of 10 ms was specified to DRD.
819 </para>
821 </sect2>
824 <sect2 id="drd-manual.api-checks" xreflabel="API Checks">
825 <title>Detected Errors: Misuse of the POSIX threads API</title>
827 <para>
828   DRD is able to detect and report the following misuses of the POSIX
829   threads API:
830   <itemizedlist>
831     <listitem>
832       <para>
833         Passing the address of one type of synchronization object
834         (e.g. a mutex) to a POSIX API call that expects a pointer to
835         another type of synchronization object (e.g. a condition
836         variable).
837       </para>
838     </listitem>
839     <listitem>
840       <para>
841         Attempts to unlock a mutex that has not been locked.
842       </para>
843     </listitem>
844     <listitem>
845       <para>
846         Attempts to unlock a mutex that was locked by another thread.
847       </para>
848     </listitem>
849     <listitem>
850       <para>
851         Attempts to lock a mutex of type
852         <literal>PTHREAD_MUTEX_NORMAL</literal> or a spinlock
853         recursively.
854       </para>
855     </listitem>
856     <listitem>
857       <para>
858         Destruction or deallocation of a locked mutex.
859       </para>
860     </listitem>
861     <listitem>
862       <para>
863         Sending a signal to a condition variable while no lock is held
864         on the mutex associated with the condition variable.
865       </para>
866     </listitem>
867     <listitem>
868       <para>
869         Calling <function>pthread_cond_wait</function> on a mutex
870         that is not locked, that is locked by another thread or that
871         has been locked recursively.
872       </para>
873     </listitem>
874     <listitem>
875       <para>
876         Associating two different mutexes with a condition variable
877         through <function>pthread_cond_wait</function>.
878       </para>
879     </listitem>
880     <listitem>
881       <para>
882         Destruction or deallocation of a condition variable that is
883         being waited upon.
884       </para>
885     </listitem>
886     <listitem>
887       <para>
888         Destruction or deallocation of a locked reader-writer synchronization
889         object.
890       </para>
891     </listitem>
892     <listitem>
893       <para>
894         Attempts to unlock a reader-writer synchronization object that was not
895         locked by the calling thread.
896       </para>
897     </listitem>
898     <listitem>
899       <para>
900         Attempts to recursively lock a reader-writer synchronization object
901         exclusively.
902       </para>
903     </listitem>
904     <listitem>
905       <para>
906         Attempts to pass the address of a user-defined reader-writer
907         synchronization object to a POSIX threads function.
908       </para>
909     </listitem>
910     <listitem>
911       <para>
912         Attempts to pass the address of a POSIX reader-writer synchronization
913         object to one of the annotations for user-defined reader-writer
914         synchronization objects.
915       </para>
916     </listitem>
917     <listitem>
918       <para>
919         Reinitialization of a mutex, condition variable, reader-writer
920         lock, semaphore or barrier.
921       </para>
922     </listitem>
923     <listitem>
924       <para>
925         Destruction or deallocation of a semaphore or barrier that is
926         being waited upon.
927       </para>
928     </listitem>
929     <listitem>
930       <para>
931         Missing synchronization between barrier wait and barrier destruction.
932       </para>
933     </listitem>
934     <listitem>
935       <para>
936         Exiting a thread without first unlocking the spinlocks, mutexes or
937         reader-writer synchronization objects that were locked by that thread.
938       </para>
939     </listitem>
940     <listitem>
941       <para>
942         Passing an invalid thread ID to <function>pthread_join</function>
943         or <function>pthread_cancel</function>.
944       </para>
945     </listitem>
946   </itemizedlist>
947 </para>
949 </sect2>
952 <sect2 id="drd-manual.clientreqs" xreflabel="Client requests">
953 <title>Client Requests</title>
955 <para>
956 Just as for other Valgrind tools it is possible to let a client program
957 interact with the DRD tool through client requests. In addition to the
958 client requests several macros have been defined that allow to use the
959 client requests in a convenient way.
960 </para>
962 <para>
963 The interface between client programs and the DRD tool is defined in
964 the header file <literal>&lt;valgrind/drd.h&gt;</literal>. The
965 available macros and client requests are:
966 <itemizedlist>
967   <listitem>
968     <para>
969       The macro <literal>DRD_GET_VALGRIND_THREADID</literal> and the
970       corresponding client
971       request <varname>VG_USERREQ__DRD_GET_VALGRIND_THREAD_ID</varname>.
972       Query the thread ID that has been assigned by the Valgrind core to the
973       thread executing this client request. Valgrind's thread ID's start at
974       one and are recycled in case a thread stops.
975     </para>
976   </listitem>
977   <listitem>
978     <para>
979       The macro <literal>DRD_GET_DRD_THREADID</literal> and the corresponding
980       client request <varname>VG_USERREQ__DRD_GET_DRD_THREAD_ID</varname>.
981       Query the thread ID that has been assigned by DRD to the thread
982       executing this client request. These are the thread ID's reported by DRD
983       in data race reports and in trace messages. DRD's thread ID's start at
984       one and are never recycled.
985     </para>
986   </listitem>
987   <listitem>
988     <para>
989       The macros <literal>DRD_IGNORE_VAR(x)</literal>,
990       <literal>ANNOTATE_TRACE_MEMORY(&amp;x)</literal> and the corresponding
991       client request <varname>VG_USERREQ__DRD_START_SUPPRESSION</varname>. Some
992       applications contain intentional races. There exist e.g. applications
993       where the same value is assigned to a shared variable from two different
994       threads. It may be more convenient to suppress such races than to solve
995       these. This client request allows to suppress such races.
996     </para>
997   </listitem>
998   <listitem>
999     <para>
1000       The macro <literal>DRD_STOP_IGNORING_VAR(x)</literal> and the
1001       corresponding client request
1002       <varname>VG_USERREQ__DRD_FINISH_SUPPRESSION</varname>. Tell DRD
1003       to no longer ignore data races for the address range that was suppressed
1004       either via the macro <literal>DRD_IGNORE_VAR(x)</literal> or via the
1005       client request <varname>VG_USERREQ__DRD_START_SUPPRESSION</varname>.
1006     </para>
1007   </listitem>
1008   <listitem>
1009     <para>
1010       The macro <literal>DRD_TRACE_VAR(x)</literal>. Trace all load and store
1011       activity for the address range starting at <literal>&amp;x</literal> and
1012       occupying <literal>sizeof(x)</literal> bytes. When DRD reports a data
1013       race on a specified variable, and it's not immediately clear which
1014       source code statements triggered the conflicting accesses, it can be
1015       very helpful to trace all activity on the offending memory location.
1016     </para>
1017   </listitem>
1018   <listitem>
1019     <para>
1020       The macro <literal>DRD_STOP_TRACING_VAR(x)</literal>. Stop tracing load
1021       and store activity for the address range starting
1022       at <literal>&amp;x</literal> and occupying <literal>sizeof(x)</literal>
1023       bytes.
1024     </para>
1025   </listitem>
1026   <listitem>
1027     <para>
1028       The macro <literal>ANNOTATE_TRACE_MEMORY(&amp;x)</literal>. Trace all
1029       load and store activity that touches at least the single byte at the
1030       address <literal>&amp;x</literal>.
1031     </para>
1032   </listitem>
1033   <listitem>
1034     <para>
1035       The client request <varname>VG_USERREQ__DRD_START_TRACE_ADDR</varname>,
1036       which allows to trace all load and store activity for the specified
1037       address range.
1038     </para>
1039   </listitem>
1040   <listitem>
1041     <para>
1042       The client
1043       request <varname>VG_USERREQ__DRD_STOP_TRACE_ADDR</varname>. Do no longer
1044       trace load and store activity for the specified address range.
1045     </para>
1046   </listitem>
1047   <listitem>
1048     <para>
1049       The macro <literal>ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE(addr)</literal> tells DRD to
1050       insert a mark. Insert this macro just after an access to the variable at
1051       the specified address has been performed.
1052     </para>
1053   </listitem>
1054   <listitem>
1055     <para>
1056       The macro <literal>ANNOTATE_HAPPENS_AFTER(addr)</literal> tells DRD that
1057       the next access to the variable at the specified address should be
1058       considered to have happened after the access just before the latest
1059       <literal>ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE(addr)</literal> annotation that
1060       references the same variable. The purpose of these two macros is to tell
1061       DRD about the order of inter-thread memory accesses implemented via
1062       atomic memory operations. See
1063       also <literal>drd/tests/annotate_smart_pointer.cpp</literal> for an
1064       example.
1065     </para>
1066   </listitem>
1067   <listitem>
1068     <para>
1069       The macro <literal>ANNOTATE_RWLOCK_CREATE(rwlock)</literal> tells DRD
1070       that the object at address <literal>rwlock</literal> is a
1071       reader-writer synchronization object that is not a
1072       <literal>pthread_rwlock_t</literal> synchronization object.  See
1073       also <literal>drd/tests/annotate_rwlock.c</literal> for an example.
1074     </para>
1075   </listitem>
1076   <listitem>
1077     <para>
1078       The macro <literal>ANNOTATE_RWLOCK_DESTROY(rwlock)</literal> tells DRD
1079       that the reader-writer synchronization object at
1080       address <literal>rwlock</literal> has been destroyed.
1081     </para>
1082   </listitem>
1083   <listitem>
1084     <para>
1085       The macro <literal>ANNOTATE_WRITERLOCK_ACQUIRED(rwlock)</literal> tells
1086       DRD that a writer lock has been acquired on the reader-writer
1087       synchronization object at address <literal>rwlock</literal>.
1088     </para>
1089   </listitem>
1090   <listitem>
1091     <para>
1092       The macro <literal>ANNOTATE_READERLOCK_ACQUIRED(rwlock)</literal> tells
1093       DRD that a reader lock has been acquired on the reader-writer
1094       synchronization object at address <literal>rwlock</literal>.
1095     </para>
1096   </listitem>
1097   <listitem>
1098     <para>
1099       The macro <literal>ANNOTATE_RWLOCK_ACQUIRED(rwlock, is_w)</literal>
1100       tells DRD that a writer lock (when <literal>is_w != 0</literal>) or that
1101       a reader lock (when <literal>is_w == 0</literal>) has been acquired on
1102       the reader-writer synchronization object at
1103       address <literal>rwlock</literal>.
1104     </para>
1105   </listitem>
1106   <listitem>
1107     <para>
1108       The macro <literal>ANNOTATE_WRITERLOCK_RELEASED(rwlock)</literal> tells
1109       DRD that a writer lock has been released on the reader-writer
1110       synchronization object at address <literal>rwlock</literal>.
1111     </para>
1112   </listitem>
1113   <listitem>
1114     <para>
1115       The macro <literal>ANNOTATE_READERLOCK_RELEASED(rwlock)</literal> tells
1116       DRD that a reader lock has been released on the reader-writer
1117       synchronization object at address <literal>rwlock</literal>.
1118     </para>
1119   </listitem>
1120   <listitem>
1121     <para>
1122       The macro <literal>ANNOTATE_RWLOCK_RELEASED(rwlock, is_w)</literal>
1123       tells DRD that a writer lock (when <literal>is_w != 0</literal>) or that
1124       a reader lock (when <literal>is_w == 0</literal>) has been released on
1125       the reader-writer synchronization object at
1126       address <literal>rwlock</literal>.
1127     </para>
1128   </listitem>
1129   <listitem>
1130     <para>
1131       The macro <literal>ANNOTATE_BARRIER_INIT(barrier, count,
1132       reinitialization_allowed)</literal> tells DRD that a new barrier object
1133       at the address <literal>barrier</literal> has been initialized,
1134       that <literal>count</literal> threads participate in each barrier and
1135       also whether or not barrier reinitialization without intervening
1136       destruction should be reported as an error. See
1137       also <literal>drd/tests/annotate_barrier.c</literal> for an example.
1138     </para>
1139   </listitem>
1140   <listitem>
1141     <para>
1142       The macro <literal>ANNOTATE_BARRIER_DESTROY(barrier)</literal>
1143       tells DRD that a barrier object is about to be destroyed.
1144     </para>
1145   </listitem>
1146   <listitem>
1147     <para>
1148       The macro <literal>ANNOTATE_BARRIER_WAIT_BEFORE(barrier)</literal>
1149       tells DRD that waiting for a barrier will start.
1150     </para>
1151   </listitem>
1152   <listitem>
1153     <para>
1154       The macro <literal>ANNOTATE_BARRIER_WAIT_AFTER(barrier)</literal>
1155       tells DRD that waiting for a barrier has finished.
1156     </para>
1157   </listitem>
1158   <listitem>
1159     <para>
1160       The macro <literal>ANNOTATE_BENIGN_RACE_SIZED(addr, size,
1161       descr)</literal> tells DRD that any races detected on the specified
1162       address are benign and hence should not be
1163       reported. The <literal>descr</literal> argument is ignored but can be
1164       used to document why data races on <literal>addr</literal> are benign.
1165     </para>
1166   </listitem>
1167   <listitem>
1168     <para>
1169       The macro <literal>ANNOTATE_BENIGN_RACE_STATIC(var, descr)</literal>
1170       tells DRD that any races detected on the specified static variable are
1171       benign and hence should not be reported. The <literal>descr</literal>
1172       argument is ignored but can be used to document why data races
1173       on <literal>var</literal> are benign. Note: this macro can only be
1174       used in C++ programs and not in C programs.
1175     </para>
1176   </listitem>
1177   <listitem>
1178     <para>
1179       The macro <literal>ANNOTATE_IGNORE_READS_BEGIN</literal> tells
1180       DRD to ignore all memory loads performed by the current thread.
1181     </para>
1182   </listitem>
1183   <listitem>
1184     <para>
1185       The macro <literal>ANNOTATE_IGNORE_READS_END</literal> tells
1186       DRD to stop ignoring the memory loads performed by the current thread.
1187     </para>
1188   </listitem>
1189   <listitem>
1190     <para>
1191       The macro <literal>ANNOTATE_IGNORE_WRITES_BEGIN</literal> tells
1192       DRD to ignore all memory stores performed by the current thread.
1193     </para>
1194   </listitem>
1195   <listitem>
1196     <para>
1197       The macro <literal>ANNOTATE_IGNORE_WRITES_END</literal> tells
1198       DRD to stop ignoring the memory stores performed by the current thread.
1199     </para>
1200   </listitem>
1201   <listitem>
1202     <para>
1203       The macro <literal>ANNOTATE_IGNORE_READS_AND_WRITES_BEGIN</literal> tells
1204       DRD to ignore all memory accesses performed by the current thread.
1205     </para>
1206   </listitem>
1207   <listitem>
1208     <para>
1209       The macro <literal>ANNOTATE_IGNORE_READS_AND_WRITES_END</literal> tells
1210       DRD to stop ignoring the memory accesses performed by the current thread.
1211     </para>
1212   </listitem>
1213   <listitem>
1214     <para>
1215       The macro <literal>ANNOTATE_NEW_MEMORY(addr, size)</literal> tells
1216       DRD that the specified memory range has been allocated by a custom
1217       memory allocator in the client program and that the client program
1218       will start using this memory range.
1219     </para>
1220   </listitem>
1221   <listitem>
1222     <para>
1223       The macro <literal>ANNOTATE_THREAD_NAME(name)</literal> tells DRD to
1224       associate the specified name with the current thread and to include this
1225       name in the error messages printed by DRD.
1226     </para>
1227   </listitem>
1228   <listitem>
1229     <para>
1230       The macros <literal>VALGRIND_MALLOCLIKE_BLOCK</literal> and
1231       <literal>VALGRIND_FREELIKE_BLOCK</literal> from the Valgrind core are
1232       implemented;  they are described in 
1233       <xref linkend="manual-core-adv.clientreq"/>.
1234     </para>
1235   </listitem>
1236 </itemizedlist>
1237 </para>
1239 <para>
1240 Note: if you compiled Valgrind yourself, the header file
1241 <literal>&lt;valgrind/drd.h&gt;</literal> will have been installed in
1242 the directory <literal>/usr/include</literal> by the command
1243 <literal>make install</literal>. If you obtained Valgrind by
1244 installing it as a package however, you will probably have to install
1245 another package with a name like <literal>valgrind-devel</literal>
1246 before Valgrind's header files are available.
1247 </para>
1249 </sect2>
1252 <sect2 id="drd-manual.C++11" xreflabel="C++11">
1253 <title>Debugging C++11 Programs</title>
1255 <para>If you want to use the C++11 class std::thread you will need to do the
1256   following to annotate the std::shared_ptr&lt;&gt; objects used in the
1257   implementation of that class:
1258 <itemizedlist>
1259   <listitem>
1260     <para>Add the following code at the start of a common header or at the
1261     start of each source file, before any C++ header files are included:</para>
1262     <programlisting>
1263 #include &lt;valgrind/drd.h&gt;
1264 #define _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(addr) ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE(addr)
1265 #define _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(addr)  ANNOTATE_HAPPENS_AFTER(addr)
1266 </programlisting>
1267   </listitem>
1268   <listitem>
1269     <para>Download the gcc source code and from source file
1270     libstdc++-v3/src/c++11/thread.cc copy the implementation of the
1271     <computeroutput>execute_native_thread_routine()</computeroutput>
1272     and <computeroutput>std::thread::_M_start_thread()</computeroutput>
1273     functions into a source file that is linked with your application. Make
1274     sure that also in this source file the
1275     _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_*() macros are defined properly.</para>
1276   </listitem>
1277 </itemizedlist>
1278 </para>
1279 <para>For more information, see also <emphasis>The
1280 GNU C++ Library Manual, Debugging Support</emphasis>
1281 (<ulink url="http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/manual/debug.html">http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/manual/debug.html</ulink>).</para>
1283 </sect2>
1286 <sect2 id="drd-manual.gnome" xreflabel="GNOME">
1287 <title>Debugging GNOME Programs</title>
1289 <para>
1290 GNOME applications use the threading primitives provided by the
1291 <computeroutput>glib</computeroutput> and
1292 <computeroutput>gthread</computeroutput> libraries. These libraries
1293 are built on top of POSIX threads, and hence are directly supported by
1294 DRD. Please keep in mind that you have to call
1295 <function>g_thread_init</function> before creating any threads, or
1296 DRD will report several data races on glib functions. See also the
1297 <ulink
1298 url="http://library.gnome.org/devel/glib/stable/glib-Threads.html">GLib
1299 Reference Manual</ulink> for more information about
1300 <function>g_thread_init</function>.
1301 </para>
1303 <para>
1304 One of the many facilities provided by the <literal>glib</literal>
1305 library is a block allocator, called <literal>g_slice</literal>. You
1306 have to disable this block allocator when using DRD by adding the
1307 following to the shell environment variables:
1308 <literal>G_SLICE=always-malloc</literal>. See also the <ulink
1309 url="http://library.gnome.org/devel/glib/stable/glib-Memory-Slices.html">GLib
1310 Reference Manual</ulink> for more information.
1311 </para>
1313 </sect2>
1316 <sect2 id="drd-manual.boost.thread" xreflabel="Boost.Thread">
1317 <title>Debugging Boost.Thread Programs</title>
1319 <para>
1320 The Boost.Thread library is the threading library included with the
1321 cross-platform Boost Libraries. This threading library is an early
1322 implementation of the upcoming C++0x threading library.
1323 </para>
1325 <para>
1326 Applications that use the Boost.Thread library should run fine under DRD.
1327 </para>
1329 <para>
1330 More information about Boost.Thread can be found here:
1331 <itemizedlist>
1332   <listitem>
1333     <para>
1334       Anthony Williams, <ulink
1335       url="http://www.boost.org/doc/libs/1_37_0/doc/html/thread.html">Boost.Thread</ulink>
1336       Library Documentation, Boost website, 2007.
1337     </para>
1338   </listitem>
1339   <listitem>
1340     <para>
1341       Anthony Williams, <ulink
1342       url="http://www.ddj.com/cpp/211600441">What's New in Boost
1343       Threads?</ulink>, Recent changes to the Boost Thread library,
1344       Dr. Dobbs Magazine, October 2008.
1345     </para>
1346   </listitem>
1347 </itemizedlist>
1348 </para>
1350 </sect2>
1353 <sect2 id="drd-manual.openmp" xreflabel="OpenMP">
1354 <title>Debugging OpenMP Programs</title>
1356 <para>
1357 OpenMP stands for <emphasis>Open Multi-Processing</emphasis>. The OpenMP
1358 standard consists of a set of compiler directives for C, C++ and Fortran
1359 programs that allows a compiler to transform a sequential program into a
1360 parallel program. OpenMP is well suited for HPC applications and allows to
1361 work at a higher level compared to direct use of the POSIX threads API. While
1362 OpenMP ensures that the POSIX API is used correctly, OpenMP programs can still
1363 contain data races. So it definitely makes sense to verify OpenMP programs
1364 with a thread checking tool.
1365 </para>
1367 <para>
1368 DRD supports OpenMP shared-memory programs generated by GCC. GCC
1369 supports OpenMP since version 4.2.0.  GCC's runtime support
1370 for OpenMP programs is provided by a library called
1371 <literal>libgomp</literal>. The synchronization primitives implemented
1372 in this library use Linux' futex system call directly, unless the
1373 library has been configured with the
1374 <literal>--disable-linux-futex</literal> option. DRD only supports
1375 libgomp libraries that have been configured with this option and in
1376 which symbol information is present. For most Linux distributions this
1377 means that you will have to recompile GCC. See also the script
1378 <literal>drd/scripts/download-and-build-gcc</literal> in the
1379 Valgrind source tree for an example of how to compile GCC. You will
1380 also have to make sure that the newly compiled
1381 <literal>libgomp.so</literal> library is loaded when OpenMP programs
1382 are started. This is possible by adding a line similar to the
1383 following to your shell startup script:
1384 </para>
1385 <programlisting><![CDATA[
1386 export LD_LIBRARY_PATH=~/gcc-4.4.0/lib64:~/gcc-4.4.0/lib:
1387 ]]></programlisting>
1389 <para>
1390 As an example, the test OpenMP test program
1391 <literal>drd/tests/omp_matinv</literal> triggers a data race
1392 when the option -r has been specified on the command line. The data
1393 race is triggered by the following code:
1394 </para>
1395 <programlisting><![CDATA[
1396 #pragma omp parallel for private(j)
1397 for (j = 0; j < rows; j++)
1399   if (i != j)
1400   {
1401     const elem_t factor = a[j * cols + i];
1402     for (k = 0; k < cols; k++)
1403     {
1404       a[j * cols + k] -= a[i * cols + k] * factor;
1405     }
1406   }
1408 ]]></programlisting>
1410 <para>
1411 The above code is racy because the variable <literal>k</literal> has
1412 not been declared private. DRD will print the following error message
1413 for the above code:
1414 </para>
1415 <programlisting><![CDATA[
1416 $ valgrind --tool=drd --check-stack-var=yes --read-var-info=yes drd/tests/omp_matinv 3 -t 2 -r
1418 Conflicting store by thread 1/1 at 0x7fefffbc4 size 4
1419    at 0x4014A0: gj.omp_fn.0 (omp_matinv.c:203)
1420    by 0x401211: gj (omp_matinv.c:159)
1421    by 0x40166A: invert_matrix (omp_matinv.c:238)
1422    by 0x4019B4: main (omp_matinv.c:316)
1423 Location 0x7fefffbc4 is 0 bytes inside local var "k"
1424 declared at omp_matinv.c:160, in frame #0 of thread 1
1426 ]]></programlisting>
1427 <para>
1428 In the above output the function name <function>gj.omp_fn.0</function>
1429 has been generated by GCC from the function name
1430 <function>gj</function>. The allocation context information shows that the
1431 data race has been caused by modifying the variable <literal>k</literal>.
1432 </para>
1434 <para>
1435 Note: for GCC versions before 4.4.0, no allocation context information is
1436 shown. With these GCC versions the most usable information in the above output
1437 is the source file name and the line number where the data race has been
1438 detected (<literal>omp_matinv.c:203</literal>).
1439 </para>
1441 <para>
1442 For more information about OpenMP, see also 
1443 <ulink url="http://openmp.org/">openmp.org</ulink>.
1444 </para>
1446 </sect2>
1449 <sect2 id="drd-manual.cust-mem-alloc" xreflabel="Custom Memory Allocators">
1450 <title>DRD and Custom Memory Allocators</title>
1452 <para>
1453 DRD tracks all memory allocation events that happen via the
1454 standard memory allocation and deallocation functions
1455 (<function>malloc</function>, <function>free</function>,
1456 <function>new</function> and <function>delete</function>), via entry
1457 and exit of stack frames or that have been annotated with Valgrind's
1458 memory pool client requests. DRD uses memory allocation and deallocation
1459 information for two purposes:
1460 <itemizedlist>
1461   <listitem>
1462     <para>
1463       To know where the scope ends of POSIX objects that have not been
1464       destroyed explicitly. It is e.g. not required by the POSIX
1465       threads standard to call
1466       <function>pthread_mutex_destroy</function> before freeing the
1467       memory in which a mutex object resides.
1468     </para>
1469   </listitem>
1470   <listitem>
1471     <para>
1472       To know where the scope of variables ends. If e.g. heap memory
1473       has been used by one thread, that thread frees that memory, and
1474       another thread allocates and starts using that memory, no data
1475       races must be reported for that memory.
1476     </para>
1477   </listitem>
1478 </itemizedlist>
1479 </para>
1481 <para>
1482 It is essential for correct operation of DRD that the tool knows about
1483 memory allocation and deallocation events. When analyzing a client program
1484 with DRD that uses a custom memory allocator, either instrument the custom
1485 memory allocator with the <literal>VALGRIND_MALLOCLIKE_BLOCK</literal>
1486 and <literal>VALGRIND_FREELIKE_BLOCK</literal> macros or disable the
1487 custom memory allocator.
1488 </para>
1490 <para>
1491 As an example, the GNU libstdc++ library can be configured
1492 to use standard memory allocation functions instead of memory pools by
1493 setting the environment variable
1494 <literal>GLIBCXX_FORCE_NEW</literal>. For more information, see also
1495 the <ulink
1496 url="http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/manual/bk01pt04ch11.html">libstdc++
1497 manual</ulink>.
1498 </para>
1500 </sect2>
1503 <sect2 id="drd-manual.drd-versus-memcheck" xreflabel="DRD Versus Memcheck">
1504 <title>DRD Versus Memcheck</title>
1506 <para>
1507 It is essential for correct operation of DRD that there are no memory
1508 errors such as dangling pointers in the client program. Which means that
1509 it is a good idea to make sure that your program is Memcheck-clean
1510 before you analyze it with DRD. It is possible however that some of
1511 the Memcheck reports are caused by data races. In this case it makes
1512 sense to run DRD before Memcheck.
1513 </para>
1515 <para>
1516 So which tool should be run first? In case both DRD and Memcheck
1517 complain about a program, a possible approach is to run both tools
1518 alternatingly and to fix as many errors as possible after each run of
1519 each tool until none of the two tools prints any more error messages.
1520 </para>
1522 </sect2>
1525 <sect2 id="drd-manual.resource-requirements" xreflabel="Resource Requirements">
1526 <title>Resource Requirements</title>
1528 <para>
1529 The requirements of DRD with regard to heap and stack memory and the
1530 effect on the execution time of client programs are as follows:
1531 <itemizedlist>
1532   <listitem>
1533     <para>
1534       When running a program under DRD with default DRD options,
1535       between 1.1 and 3.6 times more memory will be needed compared to
1536       a native run of the client program. More memory will be needed
1537       if loading debug information has been enabled
1538       (<literal>--read-var-info=yes</literal>).
1539     </para>
1540   </listitem>
1541   <listitem>
1542     <para>
1543       DRD allocates some of its temporary data structures on the stack
1544       of the client program threads. This amount of data is limited to
1545       1 - 2 KB. Make sure that thread stacks are sufficiently large.
1546     </para>
1547   </listitem>
1548   <listitem>
1549     <para>
1550       Most applications will run between 20 and 50 times slower under
1551       DRD than a native single-threaded run. The slowdown will be most
1552       noticeable for applications which perform frequent mutex lock /
1553       unlock operations.
1554     </para>
1555   </listitem>
1556 </itemizedlist>
1557 </para>
1559 </sect2>
1562 <sect2 id="drd-manual.effective-use" xreflabel="Effective Use">
1563 <title>Hints and Tips for Effective Use of DRD</title>
1565 <para>
1566 The following information may be helpful when using DRD:
1567 <itemizedlist>
1568   <listitem>
1569     <para>
1570       Make sure that debug information is present in the executable
1571       being analyzed, such that DRD can print function name and line
1572       number information in stack traces. Most compilers can be told
1573       to include debug information via compiler option
1574       <option>-g</option>.
1575     </para>
1576   </listitem>
1577   <listitem>
1578     <para>
1579       Compile with option <option>-O1</option> instead of
1580       <option>-O0</option>. This will reduce the amount of generated
1581       code, may reduce the amount of debug info and will speed up
1582       DRD's processing of the client program. For more information,
1583       see also <xref linkend="manual-core.started"/>.
1584     </para>
1585   </listitem>
1586   <listitem>
1587     <para>
1588       If DRD reports any errors on libraries that are part of your
1589       Linux distribution like e.g. <literal>libc.so</literal> or
1590       <literal>libstdc++.so</literal>, installing the debug packages
1591       for these libraries will make the output of DRD a lot more
1592       detailed.
1593     </para>
1594   </listitem>
1595   <listitem>
1596     <para>
1597       When using C++, do not send output from more than one thread to
1598       <literal>std::cout</literal>. Doing so would not only
1599       generate multiple data race reports, it could also result in
1600       output from several threads getting mixed up.  Either use
1601       <function>printf</function> or do the following:
1602       <orderedlist>
1603         <listitem>
1604           <para>Derive a class from <literal>std::ostreambuf</literal>
1605           and let that class send output line by line to
1606           <literal>stdout</literal>. This will avoid that individual
1607           lines of text produced by different threads get mixed
1608           up.</para>
1609         </listitem>
1610         <listitem>
1611           <para>Create one instance of <literal>std::ostream</literal>
1612           for each thread. This makes stream formatting settings
1613           thread-local. Pass a per-thread instance of the class
1614           derived from <literal>std::ostreambuf</literal> to the
1615           constructor of each instance. </para>
1616         </listitem>
1617         <listitem>
1618           <para>Let each thread send its output to its own instance of
1619           <literal>std::ostream</literal> instead of
1620           <literal>std::cout</literal>.</para>
1621         </listitem>
1622       </orderedlist>
1623     </para>
1624   </listitem>
1625 </itemizedlist>
1626 </para>
1628 </sect2>
1631 </sect1>
1634 <sect1 id="drd-manual.Pthreads" xreflabel="Pthreads">
1635 <title>Using the POSIX Threads API Effectively</title>
1637 <sect2 id="drd-manual.mutex-types" xreflabel="mutex-types">
1638 <title>Mutex types</title>
1640 <para>
1641 The Single UNIX Specification version two defines the following four
1642 mutex types (see also the documentation of <ulink
1643 url="http://www.opengroup.org/onlinepubs/007908799/xsh/pthread_mutexattr_settype.html"><function>pthread_mutexattr_settype</function></ulink>):
1644 <itemizedlist>
1645   <listitem>
1646     <para>
1647       <emphasis>normal</emphasis>, which means that no error checking
1648       is performed, and that the mutex is non-recursive.
1649     </para>
1650   </listitem>
1651   <listitem>
1652     <para>
1653       <emphasis>error checking</emphasis>, which means that the mutex
1654       is non-recursive and that error checking is performed.
1655     </para>
1656   </listitem>
1657   <listitem>
1658     <para>
1659       <emphasis>recursive</emphasis>, which means that a mutex may be
1660       locked recursively.
1661     </para>
1662   </listitem>
1663   <listitem>
1664     <para>
1665       <emphasis>default</emphasis>, which means that error checking
1666       behavior is undefined, and that the behavior for recursive
1667       locking is also undefined. Or: portable code must neither
1668       trigger error conditions through the Pthreads API nor attempt to
1669       lock a mutex of default type recursively.
1670     </para>
1671   </listitem>
1672 </itemizedlist>
1673 </para>
1675 <para>
1676 In complex applications it is not always clear from beforehand which
1677 mutex will be locked recursively and which mutex will not be locked
1678 recursively. Attempts lock a non-recursive mutex recursively will
1679 result in race conditions that are very hard to find without a thread
1680 checking tool. So either use the error checking mutex type and
1681 consistently check the return value of Pthread API mutex calls, or use
1682 the recursive mutex type.
1683 </para>
1685 </sect2>
1687 <sect2 id="drd-manual.condvar" xreflabel="condition-variables">
1688 <title>Condition variables</title>
1690 <para>
1691 A condition variable allows one thread to wake up one or more other
1692 threads. Condition variables are often used to notify one or more
1693 threads about state changes of shared data. Unfortunately it is very
1694 easy to introduce race conditions by using condition variables as the
1695 only means of state information propagation. A better approach is to
1696 let threads poll for changes of a state variable that is protected by
1697 a mutex, and to use condition variables only as a thread wakeup
1698 mechanism. See also the source file
1699 <computeroutput>drd/tests/monitor_example.cpp</computeroutput> for an
1700 example of how to implement this concept in C++. The monitor concept
1701 used in this example is a well known and very useful concept -- see
1702 also Wikipedia for more information about the <ulink
1703 url="http://en.wikipedia.org/wiki/Monitor_(synchronization)">monitor</ulink>
1704 concept.
1705 </para>
1707 </sect2>
1709 <sect2 id="drd-manual.pctw" xreflabel="pthread_cond_timedwait">
1710 <title>pthread_cond_timedwait and timeouts</title>
1712 <para>
1713 Historically the function
1714 <function>pthread_cond_timedwait</function> only allowed the
1715 specification of an absolute timeout, that is a timeout independent of
1716 the time when this function was called. However, almost every call to
1717 this function expresses a relative timeout. This typically happens by
1718 passing the sum of
1719 <computeroutput>clock_gettime(CLOCK_REALTIME)</computeroutput> and a
1720 relative timeout as the third argument. This approach is incorrect
1721 since forward or backward clock adjustments by e.g. ntpd will affect
1722 the timeout. A more reliable approach is as follows:
1723 <itemizedlist>
1724   <listitem>
1725     <para>
1726       When initializing a condition variable through
1727       <function>pthread_cond_init</function>, specify that the timeout of
1728       <function>pthread_cond_timedwait</function> will use the clock
1729       <literal>CLOCK_MONOTONIC</literal> instead of
1730       <literal>CLOCK_REALTIME</literal>. You can do this via
1731       <computeroutput>pthread_condattr_setclock(...,
1732       CLOCK_MONOTONIC)</computeroutput>.
1733     </para>
1734   </listitem>
1735   <listitem>
1736     <para>
1737       When calling <function>pthread_cond_timedwait</function>, pass
1738       the sum of
1739       <computeroutput>clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)</computeroutput>
1740       and a relative timeout as the third argument.
1741     </para>
1742   </listitem>
1743 </itemizedlist>
1744 See also
1745 <computeroutput>drd/tests/monitor_example.cpp</computeroutput> for an
1746 example.
1747 </para>
1749 </sect2>
1751 </sect1>
1754 <sect1 id="drd-manual.limitations" xreflabel="Limitations">
1755 <title>Limitations</title>
1757 <para>DRD currently has the following limitations:</para>
1759 <itemizedlist>
1760   <listitem>
1761     <para>
1762       DRD, just like Memcheck, will refuse to start on Linux
1763       distributions where all symbol information has been removed from
1764       <filename>ld.so</filename>. This is e.g. the case for the PPC editions
1765       of openSUSE and Gentoo. You will have to install the glibc debuginfo
1766       package on these platforms before you can use DRD. See also openSUSE
1767       bug <ulink url="http://bugzilla.novell.com/show_bug.cgi?id=396197">
1768       396197</ulink> and Gentoo bug <ulink
1769       url="http://bugs.gentoo.org/214065">214065</ulink>.
1770     </para>
1771   </listitem>
1772   <listitem>
1773     <para>
1774       With gcc 4.4.3 and before, DRD may report data races on the C++
1775       class <literal>std::string</literal> in a multithreaded program. This is
1776       a know <literal>libstdc++</literal> issue -- see also GCC bug
1777       <ulink url="http://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=40518">40518</ulink>
1778       for more information.
1779     </para>
1780   </listitem>
1781   <listitem>
1782     <para>
1783       If you compile the DRD source code yourself, you need GCC 3.0 or
1784       later. GCC 2.95 is not supported.
1785     </para>
1786   </listitem>
1787   <listitem>
1788     <para>
1789       Of the two POSIX threads implementations for Linux, only the
1790       NPTL (Native POSIX Thread Library) is supported. The older
1791       LinuxThreads library is not supported.
1792     </para>
1793   </listitem>
1794 </itemizedlist>
1796 </sect1>
1799 <sect1 id="drd-manual.feedback" xreflabel="Feedback">
1800 <title>Feedback</title>
1802 <para>
1803 If you have any comments, suggestions, feedback or bug reports about
1804 DRD, feel free to either post a message on the Valgrind users mailing
1805 list or to file a bug report. See also <ulink
1806 url="&vg-url;">&vg-url;</ulink> for more information.
1807 </para>
1809 </sect1>
1812 </chapter>