Add DRD suppression patterns for races triggered by std::ostream
[valgrind.git] / helgrind / docs / hg-manual.xml
blob8a1d9166aa4769de67d0b063e4a468b2604877ad
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="hg-manual" xreflabel="Helgrind: thread error detector">
8   <title>Helgrind: a thread error detector</title>
10 <para>To use this tool, you must specify
11 <option>--tool=helgrind</option> on the Valgrind
12 command line.</para>
15 <sect1 id="hg-manual.overview" xreflabel="Overview">
16 <title>Overview</title>
18 <para>Helgrind is a Valgrind tool for detecting synchronisation errors
19 in C, C++ and Fortran programs that use the POSIX pthreads
20 threading primitives.</para>
22 <para>The main abstractions in POSIX pthreads are: a set of threads
23 sharing a common address space, thread creation, thread joining,
24 thread exit, mutexes (locks), condition variables (inter-thread event
25 notifications), reader-writer locks, spinlocks, semaphores and
26 barriers.</para>
28 <para>Helgrind can detect three classes of errors, which are discussed
29 in detail in the next three sections:</para>
31 <orderedlist>
32  <listitem>
33   <para><link linkend="hg-manual.api-checks">
34         Misuses of the POSIX pthreads API.</link></para>
35  </listitem>
36  <listitem>
37   <para><link linkend="hg-manual.lock-orders">
38         Potential deadlocks arising from lock
39         ordering problems.</link></para>
40  </listitem>
41  <listitem>
42   <para><link linkend="hg-manual.data-races">
43         Data races -- accessing memory without adequate locking
44                       or synchronisation</link>.
45   </para>
46  </listitem>
47 </orderedlist>
49 <para>Problems like these often result in unreproducible,
50 timing-dependent crashes, deadlocks and other misbehaviour, and
51 can be difficult to find by other means.</para>
53 <para>Helgrind is aware of all the pthread abstractions and tracks
54 their effects as accurately as it can.  On x86 and amd64 platforms, it
55 understands and partially handles implicit locking arising from the
56 use of the LOCK instruction prefix.  On PowerPC/POWER and ARM
57 platforms, it partially handles implicit locking arising from 
58 load-linked and store-conditional instruction pairs.
59 </para>
61 <para>Helgrind works best when your application uses only the POSIX
62 pthreads API.  However, if you want to use custom threading 
63 primitives, you can describe their behaviour to Helgrind using the
64 <varname>ANNOTATE_*</varname> macros defined
65 in <varname>helgrind.h</varname>.</para>
67 <para>Helgrind also provides <xref linkend="manual-core.xtree"/> memory
68   profiling using the command line
69   option <computeroutput>--xtree-memory</computeroutput> and the monitor command
70    <computeroutput>xtmemory</computeroutput>.</para>
74 <para>Following those is a section containing 
75 <link linkend="hg-manual.effective-use">
76 hints and tips on how to get the best out of Helgrind.</link>
77 </para>
79 <para>Then there is a
80 <link linkend="hg-manual.options">summary of command-line
81 options.</link>
82 </para>
84 <para>Finally, there is 
85 <link linkend="hg-manual.todolist">a brief summary of areas in which Helgrind
86 could be improved.</link>
87 </para>
89 </sect1>
94 <sect1 id="hg-manual.api-checks" xreflabel="API Checks">
95 <title>Detected errors: Misuses of the POSIX pthreads API</title>
97 <para>Helgrind intercepts calls to many POSIX pthreads functions, and
98 is therefore able to report on various common problems.  Although
99 these are unglamourous errors, their presence can lead to undefined
100 program behaviour and hard-to-find bugs later on.  The detected errors
101 are:</para>
103 <itemizedlist>
104  <listitem><para>unlocking an invalid mutex</para></listitem>
105  <listitem><para>unlocking a not-locked mutex</para></listitem>
106  <listitem><para>unlocking a mutex held by a different
107                  thread</para></listitem>
108  <listitem><para>destroying an invalid or a locked mutex</para></listitem>
109  <listitem><para>recursively locking a non-recursive mutex</para></listitem>
110  <listitem><para>deallocation of memory that contains a
111                  locked mutex</para></listitem>
112  <listitem><para>passing mutex arguments to functions expecting
113                  reader-writer lock arguments, and vice
114                  versa</para></listitem>
115  <listitem><para>when a POSIX pthread function fails with an
116                  error code that must be handled</para></listitem>
117  <listitem><para>when a thread exits whilst still holding locked
118                  locks</para></listitem>
119  <listitem><para>calling <function>pthread_cond_wait</function>
120                  with a not-locked mutex, an invalid mutex,
121                  or one locked by a different
122                  thread</para></listitem>
123  <listitem><para>inconsistent bindings between condition
124                  variables and their associated mutexes</para></listitem>
125  <listitem><para>invalid or duplicate initialisation of a pthread
126                  barrier</para></listitem>
127  <listitem><para>initialisation of a pthread barrier on which threads
128                  are still waiting</para></listitem>
129  <listitem><para>destruction of a pthread barrier object which was
130                  never initialised, or on which threads are still
131                  waiting</para></listitem>
132  <listitem><para>waiting on an uninitialised pthread
133                  barrier</para></listitem>
134  <listitem><para>for all of the pthreads functions that Helgrind
135                  intercepts, an error is reported, along with a stack
136                  trace, if the system threading library routine returns
137                  an error code, even if Helgrind itself detected no
138                  error</para></listitem>
139 </itemizedlist>
141 <para>Checks pertaining to the validity of mutexes are generally also
142 performed for reader-writer locks.</para>
144 <para>Various kinds of this-can't-possibly-happen events are also
145 reported.  These usually indicate bugs in the system threading
146 library.</para>
148 <para>Reported errors always contain a primary stack trace indicating
149 where the error was detected.  They may also contain auxiliary stack
150 traces giving additional information.  In particular, most errors
151 relating to mutexes will also tell you where that mutex first came to
152 Helgrind's attention (the "<computeroutput>was first observed
153 at</computeroutput>" part), so you have a chance of figuring out which
154 mutex it is referring to.  For example:</para>
156 <programlisting><![CDATA[
157 Thread #1 unlocked a not-locked lock at 0x7FEFFFA90
158    at 0x4C2408D: pthread_mutex_unlock (hg_intercepts.c:492)
159    by 0x40073A: nearly_main (tc09_bad_unlock.c:27)
160    by 0x40079B: main (tc09_bad_unlock.c:50)
161   Lock at 0x7FEFFFA90 was first observed
162    at 0x4C25D01: pthread_mutex_init (hg_intercepts.c:326)
163    by 0x40071F: nearly_main (tc09_bad_unlock.c:23)
164    by 0x40079B: main (tc09_bad_unlock.c:50)
165 ]]></programlisting>
167 <para>Helgrind has a way of summarising thread identities, as
168 you see here with the text "<computeroutput>Thread
169 #1</computeroutput>".  This is so that it can speak about threads and
170 sets of threads without overwhelming you with details.  See 
171 <link linkend="hg-manual.data-races.errmsgs">below</link>
172 for more information on interpreting error messages.</para>
174 </sect1>
179 <sect1 id="hg-manual.lock-orders" xreflabel="Lock Orders">
180 <title>Detected errors: Inconsistent Lock Orderings</title>
182 <para>In this section, and in general, to "acquire" a lock simply
183 means to lock that lock, and to "release" a lock means to unlock
184 it.</para>
186 <para>Helgrind monitors the order in which threads acquire locks.
187 This allows it to detect potential deadlocks which could arise from
188 the formation of cycles of locks.  Detecting such inconsistencies is
189 useful because, whilst actual deadlocks are fairly obvious, potential
190 deadlocks may never be discovered during testing and could later lead
191 to hard-to-diagnose in-service failures.</para>
193 <para>The simplest example of such a problem is as
194 follows.</para>
196 <itemizedlist>
197  <listitem><para>Imagine some shared resource R, which, for whatever
198   reason, is guarded by two locks, L1 and L2, which must both be held
199   when R is accessed.</para>
200  </listitem>
201  <listitem><para>Suppose a thread acquires L1, then L2, and proceeds
202   to access R.  The implication of this is that all threads in the
203   program must acquire the two locks in the order first L1 then L2.
204   Not doing so risks deadlock.</para>
205  </listitem>
206  <listitem><para>The deadlock could happen if two threads -- call them
207   T1 and T2 -- both want to access R.  Suppose T1 acquires L1 first,
208   and T2 acquires L2 first.  Then T1 tries to acquire L2, and T2 tries
209   to acquire L1, but those locks are both already held.  So T1 and T2
210   become deadlocked.</para>
211  </listitem>
212 </itemizedlist>
214 <para>Helgrind builds a directed graph indicating the order in which
215 locks have been acquired in the past.  When a thread acquires a new
216 lock, the graph is updated, and then checked to see if it now contains
217 a cycle.  The presence of a cycle indicates a potential deadlock involving
218 the locks in the cycle.</para>
220 <para>In general, Helgrind will choose two locks involved in the cycle
221 and show you how their acquisition ordering has become inconsistent.
222 It does this by showing the program points that first defined the
223 ordering, and the program points which later violated it.  Here is a
224 simple example involving just two locks:</para>
226 <programlisting><![CDATA[
227 Thread #1: lock order "0x7FF0006D0 before 0x7FF0006A0" violated
229 Observed (incorrect) order is: acquisition of lock at 0x7FF0006A0
230    at 0x4C2BC62: pthread_mutex_lock (hg_intercepts.c:494)
231    by 0x400825: main (tc13_laog1.c:23)
233  followed by a later acquisition of lock at 0x7FF0006D0
234    at 0x4C2BC62: pthread_mutex_lock (hg_intercepts.c:494)
235    by 0x400853: main (tc13_laog1.c:24)
237 Required order was established by acquisition of lock at 0x7FF0006D0
238    at 0x4C2BC62: pthread_mutex_lock (hg_intercepts.c:494)
239    by 0x40076D: main (tc13_laog1.c:17)
241  followed by a later acquisition of lock at 0x7FF0006A0
242    at 0x4C2BC62: pthread_mutex_lock (hg_intercepts.c:494)
243    by 0x40079B: main (tc13_laog1.c:18)
244 ]]></programlisting>
246 <para>When there are more than two locks in the cycle, the error is
247 equally serious.  However, at present Helgrind does not show the locks
248 involved, sometimes because that information is not available, but
249 also so as to avoid flooding you with information.  For example, a
250 naive implementation of the famous Dining Philosophers problem
251 involves a cycle of five locks
252 (see <computeroutput>helgrind/tests/tc14_laog_dinphils.c</computeroutput>).
253 In this case Helgrind has detected that all 5 philosophers could
254 simultaneously pick up their left fork and then deadlock whilst
255 waiting to pick up their right forks.</para>
257 <programlisting><![CDATA[
258 Thread #6: lock order "0x80499A0 before 0x8049A00" violated
260 Observed (incorrect) order is: acquisition of lock at 0x8049A00
261    at 0x40085BC: pthread_mutex_lock (hg_intercepts.c:495)
262    by 0x80485B4: dine (tc14_laog_dinphils.c:18)
263    by 0x400BDA4: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:219)
264    by 0x39B924: start_thread (pthread_create.c:297)
265    by 0x2F107D: clone (clone.S:130)
267  followed by a later acquisition of lock at 0x80499A0
268    at 0x40085BC: pthread_mutex_lock (hg_intercepts.c:495)
269    by 0x80485CD: dine (tc14_laog_dinphils.c:19)
270    by 0x400BDA4: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:219)
271    by 0x39B924: start_thread (pthread_create.c:297)
272    by 0x2F107D: clone (clone.S:130)
273 ]]></programlisting>
275 </sect1>
280 <sect1 id="hg-manual.data-races" xreflabel="Data Races">
281 <title>Detected errors: Data Races</title>
283 <para>A data race happens, or could happen, when two threads access a
284 shared memory location without using suitable locks or other
285 synchronisation to ensure single-threaded access.  Such missing
286 locking can cause obscure timing dependent bugs.  Ensuring programs
287 are race-free is one of the central difficulties of threaded
288 programming.</para>
290 <para>Reliably detecting races is a difficult problem, and most
291 of Helgrind's internals are devoted to dealing with it.  
292 We begin with a simple example.</para>
295 <sect2 id="hg-manual.data-races.example" xreflabel="Simple Race">
296 <title>A Simple Data Race</title>
298 <para>About the simplest possible example of a race is as follows.  In
299 this program, it is impossible to know what the value
300 of <computeroutput>var</computeroutput> is at the end of the program.
301 Is it 2 ?  Or 1 ?</para>
303 <programlisting><![CDATA[
304 #include <pthread.h>
306 int var = 0;
308 void* child_fn ( void* arg ) {
309    var++; /* Unprotected relative to parent */ /* this is line 6 */
310    return NULL;
313 int main ( void ) {
314    pthread_t child;
315    pthread_create(&child, NULL, child_fn, NULL);
316    var++; /* Unprotected relative to child */ /* this is line 13 */
317    pthread_join(child, NULL);
318    return 0;
320 ]]></programlisting>
322 <para>The problem is there is nothing to
323 stop <varname>var</varname> being updated simultaneously
324 by both threads.  A correct program would 
325 protect <varname>var</varname> with a lock of type
326 <function>pthread_mutex_t</function>, which is acquired
327 before each access and released afterwards.  Helgrind's output for
328 this program is:</para>
330 <programlisting><![CDATA[
331 Thread #1 is the program's root thread
333 Thread #2 was created
334    at 0x511C08E: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
335    by 0x4E333A4: do_clone (in /lib64/libpthread-2.8.so)
336    by 0x4E33A30: pthread_create@@GLIBC_2.2.5 (in /lib64/libpthread-2.8.so)
337    by 0x4C299D4: pthread_create@* (hg_intercepts.c:214)
338    by 0x400605: main (simple_race.c:12)
340 Possible data race during read of size 4 at 0x601038 by thread #1
341 Locks held: none
342    at 0x400606: main (simple_race.c:13)
344 This conflicts with a previous write of size 4 by thread #2
345 Locks held: none
346    at 0x4005DC: child_fn (simple_race.c:6)
347    by 0x4C29AFF: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:194)
348    by 0x4E3403F: start_thread (in /lib64/libpthread-2.8.so)
349    by 0x511C0CC: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
351 Location 0x601038 is 0 bytes inside global var "var"
352 declared at simple_race.c:3
353 ]]></programlisting>
355 <para>This is quite a lot of detail for an apparently simple error.
356 The last clause is the main error message.  It says there is a race as
357 a result of a read of size 4 (bytes), at 0x601038, which is the
358 address of <computeroutput>var</computeroutput>, happening in
359 function <computeroutput>main</computeroutput> at line 13 in the
360 program.</para>
362 <para>Two important parts of the message are:</para>
364 <itemizedlist>
365  <listitem>
366   <para>Helgrind shows two stack traces for the error, not one.  By
367    definition, a race involves two different threads accessing the
368    same location in such a way that the result depends on the relative
369    speeds of the two threads.</para>
370   <para>
371    The first stack trace follows the text "<computeroutput>Possible
372    data race during read of size 4 ...</computeroutput>" and the
373    second trace follows the text "<computeroutput>This conflicts with
374    a previous write of size 4 ...</computeroutput>".  Helgrind is
375    usually able to show both accesses involved in a race.  At least
376    one of these will be a write (since two concurrent, unsynchronised
377    reads are harmless), and they will of course be from different
378    threads.</para>
379   <para>By examining your program at the two locations, you should be
380    able to get at least some idea of what the root cause of the
381    problem is.  For each location, Helgrind shows the set of locks
382    held at the time of the access.  This often makes it clear which
383    thread, if any, failed to take a required lock.  In this example
384    neither thread holds a lock during the access.</para>
385  </listitem>
386  <listitem>
387   <para>For races which occur on global or stack variables, Helgrind
388    tries to identify the name and defining point of the variable.
389    Hence the text "<computeroutput>Location 0x601038 is 0 bytes inside
390    global var "var" declared at simple_race.c:3</computeroutput>".</para>
391   <para>Showing names of stack and global variables carries no
392    run-time overhead once Helgrind has your program up and running.
393    However, it does require Helgrind to spend considerable extra time
394    and memory at program startup to read the relevant debug info.
395    Hence this facility is disabled by default.  To enable it, you need
396    to give the <varname>--read-var-info=yes</varname> option to
397    Helgrind.</para>
398  </listitem>
399 </itemizedlist>
401 <para>The following section explains Helgrind's race detection
402 algorithm in more detail.</para>
404 </sect2>
408 <sect2 id="hg-manual.data-races.algorithm" xreflabel="DR Algorithm">
409 <title>Helgrind's Race Detection Algorithm</title>
411 <para>Most programmers think about threaded programming in terms of
412 the basic functionality provided by the threading library (POSIX
413 Pthreads): thread creation, thread joining, locks, condition
414 variables, semaphores and barriers.</para>
416 <para>The effect of using these functions is to impose 
417 constraints upon the order in which memory accesses can
418 happen.  This implied ordering is generally known as the
419 "happens-before relation".  Once you understand the happens-before
420 relation, it is easy to see how Helgrind finds races in your code.
421 Fortunately, the happens-before relation is itself easy to understand,
422 and is by itself a useful tool for reasoning about the behaviour of
423 parallel programs.  We now introduce it using a simple example.</para>
425 <para>Consider first the following buggy program:</para>
427 <programlisting><![CDATA[
428 Parent thread:                         Child thread:
430 int var;
432 // create child thread
433 pthread_create(...)                          
434 var = 20;                              var = 10;
435                                        exit
437 // wait for child
438 pthread_join(...)
439 printf("%d\n", var);
440 ]]></programlisting>
442 <para>The parent thread creates a child.  Both then write different
443 values to some variable <computeroutput>var</computeroutput>, and the
444 parent then waits for the child to exit.</para>
446 <para>What is the value of <computeroutput>var</computeroutput> at the
447 end of the program, 10 or 20?  We don't know.  The program is
448 considered buggy (it has a race) because the final value
449 of <computeroutput>var</computeroutput> depends on the relative rates
450 of progress of the parent and child threads.  If the parent is fast
451 and the child is slow, then the child's assignment may happen later,
452 so the final value will be 10; and vice versa if the child is faster
453 than the parent.</para>
455 <para>The relative rates of progress of parent vs child is not something
456 the programmer can control, and will often change from run to run.
457 It depends on factors such as the load on the machine, what else is
458 running, the kernel's scheduling strategy, and many other factors.</para>
460 <para>The obvious fix is to use a lock to
461 protect <computeroutput>var</computeroutput>.  It is however
462 instructive to consider a somewhat more abstract solution, which is to
463 send a message from one thread to the other:</para>
465 <programlisting><![CDATA[
466 Parent thread:                         Child thread:
468 int var;
470 // create child thread
471 pthread_create(...)                          
472 var = 20;
473 // send message to child
474                                        // wait for message to arrive
475                                        var = 10;
476                                        exit
478 // wait for child
479 pthread_join(...)
480 printf("%d\n", var);
481 ]]></programlisting>
483 <para>Now the program reliably prints "10", regardless of the speed of
484 the threads.  Why?  Because the child's assignment cannot happen until
485 after it receives the message.  And the message is not sent until
486 after the parent's assignment is done.</para>
488 <para>The message transmission creates a "happens-before" dependency
489 between the two assignments: <computeroutput>var = 20;</computeroutput>
490 must now happen-before <computeroutput>var = 10;</computeroutput>.
491 And so there is no longer a race
492 on <computeroutput>var</computeroutput>.
493 </para>
495 <para>Note that it's not significant that the parent sends a message
496 to the child.  Sending a message from the child (after its assignment)
497 to the parent (before its assignment) would also fix the problem, causing
498 the program to reliably print "20".</para>
500 <para>Helgrind's algorithm is (conceptually) very simple.  It monitors all
501 accesses to memory locations.  If a location -- in this example, 
502 <computeroutput>var</computeroutput>,
503 is accessed by two different threads, Helgrind checks to see if the
504 two accesses are ordered by the happens-before relation.  If so,
505 that's fine; if not, it reports a race.</para>
507 <para>It is important to understand that the happens-before relation
508 creates only a partial ordering, not a total ordering.  An example of
509 a total ordering is comparison of numbers: for any two numbers 
510 <computeroutput>x</computeroutput> and
511 <computeroutput>y</computeroutput>, either 
512 <computeroutput>x</computeroutput> is less than, equal to, or greater
513 than
514 <computeroutput>y</computeroutput>.  A partial ordering is like a
515 total ordering, but it can also express the concept that two elements
516 are neither equal, less or greater, but merely unordered with respect
517 to each other.</para>
519 <para>In the fixed example above, we say that 
520 <computeroutput>var = 20;</computeroutput> "happens-before"
521 <computeroutput>var = 10;</computeroutput>.  But in the original
522 version, they are unordered: we cannot say that either happens-before
523 the other.</para>
525 <para>What does it mean to say that two accesses from different
526 threads are ordered by the happens-before relation?  It means that
527 there is some chain of inter-thread synchronisation operations which
528 cause those accesses to happen in a particular order, irrespective of
529 the actual rates of progress of the individual threads.  This is a
530 required property for a reliable threaded program, which is why
531 Helgrind checks for it.</para>
533 <para>The happens-before relations created by standard threading
534 primitives are as follows:</para>
536 <itemizedlist>
537  <listitem><para>When a mutex is unlocked by thread T1 and later (or
538   immediately) locked by thread T2, then the memory accesses in T1
539   prior to the unlock must happen-before those in T2 after it acquires
540   the lock.</para>
541  </listitem>
542  <listitem><para>The same idea applies to reader-writer locks,
543   although with some complication so as to allow correct handling of
544   reads vs writes.</para>
545  </listitem>
546  <listitem><para>When a condition variable (CV) is signalled on by
547   thread T1 and some other thread T2 is thereby released from a wait
548   on the same CV, then the memory accesses in T1 prior to the
549   signalling must happen-before those in T2 after it returns from the
550   wait.  If no thread was waiting on the CV then there is no
551   effect.</para>
552  </listitem>
553  <listitem><para>If instead T1 broadcasts on a CV, then all of the
554   waiting threads, rather than just one of them, acquire a
555   happens-before dependency on the broadcasting thread at the point it
556   did the broadcast.</para>
557  </listitem>
558  <listitem><para>A thread T2 that continues after completing sem_wait
559   on a semaphore that thread T1 posts on, acquires a happens-before
560   dependence on the posting thread, a bit like dependencies caused
561   mutex unlock-lock pairs.  However, since a semaphore can be posted
562   on many times, it is unspecified from which of the post calls the
563   wait call gets its happens-before dependency.</para>
564  </listitem>
565  <listitem><para>For a group of threads T1 .. Tn which arrive at a
566   barrier and then move on, each thread after the call has a
567   happens-after dependency from all threads before the
568   barrier.</para>
569  </listitem>
570  <listitem><para>A newly-created child thread acquires an initial
571   happens-after dependency on the point where its parent created it.
572   That is, all memory accesses performed by the parent prior to
573   creating the child are regarded as happening-before all the accesses
574   of the child.</para>
575  </listitem>
576  <listitem><para>Similarly, when an exiting thread is reaped via a
577   call to <function>pthread_join</function>, once the call returns, the
578   reaping thread acquires a happens-after dependency relative to all memory
579   accesses made by the exiting thread.</para>
580  </listitem>
581 </itemizedlist>
583 <para>In summary: Helgrind intercepts the above listed events, and builds a
584 directed acyclic graph represented the collective happens-before
585 dependencies.  It also monitors all memory accesses.</para>
587 <para>If a location is accessed by two different threads, but Helgrind
588 cannot find any path through the happens-before graph from one access
589 to the other, then it reports a race.</para>
591 <para>There are a couple of caveats:</para>
593 <itemizedlist>
594  <listitem><para>Helgrind doesn't check for a race in the case where
595   both accesses are reads.  That would be silly, since concurrent
596   reads are harmless.</para>
597  </listitem>
598  <listitem><para>Two accesses are considered to be ordered by the
599   happens-before dependency even through arbitrarily long chains of
600   synchronisation events.  For example, if T1 accesses some location
601   L, and then <function>pthread_cond_signals</function> T2, which later
602   <function>pthread_cond_signals</function> T3, which then accesses L, then
603   a suitable happens-before dependency exists between the first and second
604   accesses, even though it involves two different inter-thread
605   synchronisation events.</para>
606  </listitem>
607 </itemizedlist>
609 </sect2>
613 <sect2 id="hg-manual.data-races.errmsgs" xreflabel="Race Error Messages">
614 <title>Interpreting Race Error Messages</title>
616 <para>Helgrind's race detection algorithm collects a lot of
617 information, and tries to present it in a helpful way when a race is
618 detected.  Here's an example:</para>
620 <programlisting><![CDATA[
621 Thread #2 was created
622    at 0x511C08E: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
623    by 0x4E333A4: do_clone (in /lib64/libpthread-2.8.so)
624    by 0x4E33A30: pthread_create@@GLIBC_2.2.5 (in /lib64/libpthread-2.8.so)
625    by 0x4C299D4: pthread_create@* (hg_intercepts.c:214)
626    by 0x4008F2: main (tc21_pthonce.c:86)
628 Thread #3 was created
629    at 0x511C08E: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
630    by 0x4E333A4: do_clone (in /lib64/libpthread-2.8.so)
631    by 0x4E33A30: pthread_create@@GLIBC_2.2.5 (in /lib64/libpthread-2.8.so)
632    by 0x4C299D4: pthread_create@* (hg_intercepts.c:214)
633    by 0x4008F2: main (tc21_pthonce.c:86)
635 Possible data race during read of size 4 at 0x601070 by thread #3
636 Locks held: none
637    at 0x40087A: child (tc21_pthonce.c:74)
638    by 0x4C29AFF: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:194)
639    by 0x4E3403F: start_thread (in /lib64/libpthread-2.8.so)
640    by 0x511C0CC: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
642 This conflicts with a previous write of size 4 by thread #2
643 Locks held: none
644    at 0x400883: child (tc21_pthonce.c:74)
645    by 0x4C29AFF: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:194)
646    by 0x4E3403F: start_thread (in /lib64/libpthread-2.8.so)
647    by 0x511C0CC: clone (in /lib64/libc-2.8.so)
649 Location 0x601070 is 0 bytes inside local var "unprotected2"
650 declared at tc21_pthonce.c:51, in frame #0 of thread 3
651 ]]></programlisting>
653 <para>Helgrind first announces the creation points of any threads
654 referenced in the error message.  This is so it can speak concisely
655 about threads without repeatedly printing their creation point call
656 stacks.  Each thread is only ever announced once, the first time it
657 appears in any Helgrind error message.</para>
659 <para>The main error message begins at the text
660 "<computeroutput>Possible data race during read</computeroutput>".  At
661 the start is information you would expect to see -- address and size
662 of the racing access, whether a read or a write, and the call stack at
663 the point it was detected.</para>
665 <para>A second call stack is presented starting at the text
666 "<computeroutput>This conflicts with a previous
667 write</computeroutput>".  This shows a previous access which also
668 accessed the stated address, and which is believed to be racing
669 against the access in the first call stack. Note that this second
670 call stack is limited to a maximum of 8 entries to limit the
671 memory usage.</para>
673 <para>Finally, Helgrind may attempt to give a description of the
674 raced-on address in source level terms.  In this example, it
675 identifies it as a local variable, shows its name, declaration point,
676 and in which frame (of the first call stack) it lives.  Note that this
677 information is only shown when <varname>--read-var-info=yes</varname>
678 is specified on the command line.  That's because reading the DWARF3
679 debug information in enough detail to capture variable type and
680 location information makes Helgrind much slower at startup, and also
681 requires considerable amounts of memory, for large programs.
682 </para>
684 <para>Once you have your two call stacks, how do you find the root
685 cause of the race?</para>
687 <para>The first thing to do is examine the source locations referred
688 to by each call stack.  They should both show an access to the same
689 location, or variable.</para>
691 <para>Now figure out how how that location should have been made
692 thread-safe:</para>
694 <itemizedlist>
695  <listitem><para>Perhaps the location was intended to be protected by
696   a mutex?  If so, you need to lock and unlock the mutex at both
697   access points, even if one of the accesses is reported to be a read.
698   Did you perhaps forget the locking at one or other of the accesses?
699   To help you do this, Helgrind shows the set of locks held by each
700   threads at the time they accessed the raced-on location.</para>
701  </listitem>
702  <listitem><para>Alternatively, perhaps you intended to use a some
703   other scheme to make it safe, such as signalling on a condition
704   variable.  In all such cases, try to find a synchronisation event
705   (or a chain thereof) which separates the earlier-observed access (as
706   shown in the second call stack) from the later-observed access (as
707   shown in the first call stack).  In other words, try to find
708   evidence that the earlier access "happens-before" the later access.
709   See the previous subsection for an explanation of the happens-before
710   relation.</para>
711   <para>
712   The fact that Helgrind is reporting a race means it did not observe
713   any happens-before relation between the two accesses.  If
714   Helgrind is working correctly, it should also be the case that you
715   also cannot find any such relation, even on detailed inspection
716   of the source code.  Hopefully, though, your inspection of the code
717   will show where the missing synchronisation operation(s) should have
718   been.</para>
719  </listitem>
720 </itemizedlist>
722 </sect2>
725 </sect1>
727 <sect1 id="hg-manual.effective-use" xreflabel="Helgrind Effective Use">
728 <title>Hints and Tips for Effective Use of Helgrind</title>
730 <para>Helgrind can be very helpful in finding and resolving
731 threading-related problems.  Like all sophisticated tools, it is most
732 effective when you understand how to play to its strengths.</para>
734 <para>Helgrind will be less effective when you merely throw an
735 existing threaded program at it and try to make sense of any reported
736 errors.  It will be more effective if you design threaded programs
737 from the start in a way that helps Helgrind verify correctness.  The
738 same is true for finding memory errors with Memcheck, but applies more
739 here, because thread checking is a harder problem.  Consequently it is
740 much easier to write a correct program for which Helgrind falsely
741 reports (threading) errors than it is to write a correct program for
742 which Memcheck falsely reports (memory) errors.</para>
744 <para>With that in mind, here are some tips, listed most important first,
745 for getting reliable results and avoiding false errors.  The first two
746 are critical.  Any violations of them will swamp you with huge numbers
747 of false data-race errors.</para>
750 <orderedlist>
752   <listitem>
753     <para>Make sure your application, and all the libraries it uses,
754     use the POSIX threading primitives.  Helgrind needs to be able to
755     see all events pertaining to thread creation, exit, locking and
756     other synchronisation events.  To do so it intercepts many POSIX
757     pthreads functions.</para>
759     <para>Do not roll your own threading primitives (mutexes, etc)
760     from combinations of the Linux futex syscall, atomic counters, etc.
761     These throw Helgrind's internal what's-going-on models
762     way off course and will give bogus results.</para>
764     <para>Also, do not reimplement existing POSIX abstractions using
765     other POSIX abstractions.  For example, don't build your own
766     semaphore routines or reader-writer locks from POSIX mutexes and
767     condition variables.  Instead use POSIX reader-writer locks and
768     semaphores directly, since Helgrind supports them directly.</para>
770     <para>Helgrind directly supports the following POSIX threading
771     abstractions: mutexes, reader-writer locks, condition variables
772     (but see below), semaphores and barriers.  Currently spinlocks
773     are not supported, although they could be in future.</para>
775     <para>At the time of writing, the following popular Linux packages
776     are known to implement their own threading primitives:</para>
778     <itemizedlist>
779      <listitem><para>Qt version 4.X.  Qt 3.X is harmless in that it
780       only uses POSIX pthreads primitives.  Unfortunately Qt 4.X 
781       has its own implementation of mutexes (QMutex) and thread reaping.
782       Helgrind 3.4.x contains direct support
783       for Qt 4.X threading, which is experimental but is believed to
784       work fairly well.  A side effect of supporting Qt 4 directly is
785       that Helgrind can be used to debug KDE4 applications.  As this
786       is an experimental feature, we would particularly appreciate
787       feedback from folks who have used Helgrind to successfully debug
788       Qt 4 and/or KDE4 applications.</para>
789      </listitem>
790      <listitem><para>Runtime support library for GNU OpenMP (part of
791       GCC), at least for GCC versions 4.2 and 4.3.  The GNU OpenMP runtime
792       library (<filename>libgomp.so</filename>) constructs its own
793       synchronisation primitives using combinations of atomic memory
794       instructions and the futex syscall, which causes total chaos since in
795       Helgrind since it cannot "see" those.</para>
796      <para>Fortunately, this can be solved using a configuration-time
797       option (for GCC).  Rebuild GCC from source, and configure using
798       <varname>--disable-linux-futex</varname>.
799       This makes libgomp.so use the standard
800       POSIX threading primitives instead.  Note that this was tested
801       using GCC 4.2.3 and has not been re-tested using more recent GCC
802       versions.  We would appreciate hearing about any successes or
803       failures with more recent versions.</para>
804      </listitem>
805     </itemizedlist>
807     <para>If you must implement your own threading primitives, there
808       are a set of client request macros
809       in <computeroutput>helgrind.h</computeroutput> to help you
810       describe your primitives to Helgrind.  You should be able to
811       mark up mutexes, condition variables, etc, without difficulty.
812     </para>
813     <para>
814       It is also possible to mark up the effects of thread-safe
815       reference counting using the
816       <computeroutput>ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE</computeroutput>,
817       <computeroutput>ANNOTATE_HAPPENS_AFTER</computeroutput> and
818       <computeroutput>ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE_FORGET_ALL</computeroutput>,
819       macros.  Thread-safe reference counting using an atomically
820       incremented/decremented refcount variable causes Helgrind
821       problems because a one-to-zero transition of the reference count
822       means the accessing thread has exclusive ownership of the
823       associated resource (normally, a C++ object) and can therefore
824       access it (normally, to run its destructor) without locking.
825       Helgrind doesn't understand this, and markup is essential to
826       avoid false positives.
827     </para>
829     <para>
830       Here are recommended guidelines for marking up thread safe
831       reference counting in C++.  You only need to mark up your
832       release methods -- the ones which decrement the reference count.
833       Given a class like this:
834     </para>
836 <programlisting><![CDATA[
837 class MyClass {
838    unsigned int mRefCount;
840    void Release ( void ) {
841       unsigned int newCount = atomic_decrement(&mRefCount);
842       if (newCount == 0) {
843          delete this;
844       }
845    }
847 ]]></programlisting>
849    <para>
850      the release method should be marked up as follows:
851    </para>
853 <programlisting><![CDATA[
854    void Release ( void ) {
855       unsigned int newCount = atomic_decrement(&mRefCount);
856       if (newCount == 0) {
857          ANNOTATE_HAPPENS_AFTER(&mRefCount);
858          ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE_FORGET_ALL(&mRefCount);
859          delete this;
860       } else {
861          ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE(&mRefCount);
862       }
863    }
864 ]]></programlisting>
866     <para>
867       There are a number of complex, mostly-theoretical objections to
868       this scheme.  From a theoretical standpoint it appears to be
869       impossible to devise a markup scheme which is completely correct
870       in the sense of guaranteeing to remove all false races.  The
871       proposed scheme however works well in practice.
872     </para>
874   </listitem>
876   <listitem>
877     <para>Avoid memory recycling.  If you can't avoid it, you must use
878     tell Helgrind what is going on via the
879     <function>VALGRIND_HG_CLEAN_MEMORY</function> client request (in
880     <computeroutput>helgrind.h</computeroutput>).</para>
882     <para>Helgrind is aware of standard heap memory allocation and
883     deallocation that occurs via
884     <function>malloc</function>/<function>free</function>/<function>new</function>/<function>delete</function>
885     and from entry and exit of stack frames.  In particular, when memory is
886     deallocated via <function>free</function>, <function>delete</function>,
887     or function exit, Helgrind considers that memory clean, so when it is
888     eventually reallocated, its history is irrelevant.</para>
890     <para>However, it is common practice to implement memory recycling
891     schemes.  In these, memory to be freed is not handed to
892     <function>free</function>/<function>delete</function>, but instead put
893     into a pool of free buffers to be handed out again as required.  The
894     problem is that Helgrind has no
895     way to know that such memory is logically no longer in use, and
896     its history is irrelevant.  Hence you must make that explicit,
897     using the <function>VALGRIND_HG_CLEAN_MEMORY</function> client request
898     to specify the relevant address ranges.  It's easiest to put these
899     requests into the pool manager code, and use them either when memory is
900     returned to the pool, or is allocated from it.</para>
901   </listitem>
903   <listitem>
904     <para>Avoid POSIX condition variables.  If you can, use POSIX
905     semaphores (<function>sem_t</function>, <function>sem_post</function>,
906     <function>sem_wait</function>) to do inter-thread event signalling.
907     Semaphores with an initial value of zero are particularly useful for
908     this.</para>
910     <para>Helgrind only partially correctly handles POSIX condition
911     variables.  This is because Helgrind can see inter-thread
912     dependencies between a <function>pthread_cond_wait</function> call and a
913     <function>pthread_cond_signal</function>/<function>pthread_cond_broadcast</function>
914     call only if the waiting thread actually gets to the rendezvous first
915     (so that it actually calls
916     <function>pthread_cond_wait</function>).  It can't see dependencies
917     between the threads if the signaller arrives first.  In the latter case,
918     POSIX guidelines imply that the associated boolean condition still
919     provides an inter-thread synchronisation event, but one which is
920     invisible to Helgrind.</para>
922     <para>The result of Helgrind missing some inter-thread
923     synchronisation events is to cause it to report false positives.
924     </para>
926     <para>The root cause of this synchronisation lossage is
927     particularly hard to understand, so an example is helpful.  It was
928     discussed at length by Arndt Muehlenfeld ("Runtime Race Detection
929     in Multi-Threaded Programs", Dissertation, TU Graz, Austria).  The
930     canonical POSIX-recommended usage scheme for condition variables
931     is as follows:</para>
933 <programlisting><![CDATA[
934 b   is a Boolean condition, which is False most of the time
935 cv  is a condition variable
936 mx  is its associated mutex
938 Signaller:                             Waiter:
940 lock(mx)                               lock(mx)
941 b = True                               while (b == False)
942 signal(cv)                                wait(cv,mx)
943 unlock(mx)                             unlock(mx)
944 ]]></programlisting>
946     <para>Assume <computeroutput>b</computeroutput> is False most of
947     the time.  If the waiter arrives at the rendezvous first, it
948     enters its while-loop, waits for the signaller to signal, and
949     eventually proceeds.  Helgrind sees the signal, notes the
950     dependency, and all is well.</para>
952     <para>If the signaller arrives
953     first, <computeroutput>b</computeroutput> is set to true, and the
954     signal disappears into nowhere.  When the waiter later arrives, it
955     does not enter its while-loop and simply carries on.  But even in
956     this case, the waiter code following the while-loop cannot execute
957     until the signaller sets <computeroutput>b</computeroutput> to
958     True.  Hence there is still the same inter-thread dependency, but
959     this time it is through an arbitrary in-memory condition, and
960     Helgrind cannot see it.</para>
962     <para>By comparison, Helgrind's detection of inter-thread
963     dependencies caused by semaphore operations is believed to be
964     exactly correct.</para>
966     <para>As far as I know, a solution to this problem that does not
967     require source-level annotation of condition-variable wait loops
968     is beyond the current state of the art.</para>
969   </listitem>
971   <listitem>
972     <para>Make sure you are using a supported Linux distribution.  At
973     present, Helgrind only properly supports glibc-2.3 or later.  This
974     in turn means we only support glibc's NPTL threading
975     implementation.  The old LinuxThreads implementation is not
976     supported.</para>
977   </listitem>
979   <listitem>
980     <para>If your application is using thread local variables,
981     helgrind might report false positive race conditions on these
982     variables, despite being very probably race free.  On Linux, you can
983     use <option>--sim-hints=deactivate-pthread-stack-cache-via-hack</option>
984     to avoid such false positive error messages
985     (see <xref linkend="opt.sim-hints"/>).
986     </para>
987   </listitem>
989   <listitem>
990     <para>Round up all finished threads using
991     <function>pthread_join</function>.  Avoid
992     detaching threads: don't create threads in the detached state, and
993     don't call <function>pthread_detach</function> on existing threads.</para>
995     <para>Using <function>pthread_join</function> to round up finished
996     threads provides a clear synchronisation point that both Helgrind and
997     programmers can see.  If you don't call
998     <function>pthread_join</function> on a thread, Helgrind has no way to
999     know when it finishes, relative to any
1000     significant synchronisation points for other threads in the program.  So
1001     it assumes that the thread lingers indefinitely and can potentially
1002     interfere indefinitely with the memory state of the program.  It
1003     has every right to assume that -- after all, it might really be
1004     the case that, for scheduling reasons, the exiting thread did run
1005     very slowly in the last stages of its life.</para>
1006   </listitem>
1008   <listitem>
1009     <para>Perform thread debugging (with Helgrind) and memory
1010     debugging (with Memcheck) together.</para>
1012     <para>Helgrind tracks the state of memory in detail, and memory
1013     management bugs in the application are liable to cause confusion.
1014     In extreme cases, applications which do many invalid reads and
1015     writes (particularly to freed memory) have been known to crash
1016     Helgrind.  So, ideally, you should make your application
1017     Memcheck-clean before using Helgrind.</para>
1019     <para>It may be impossible to make your application Memcheck-clean
1020     unless you first remove threading bugs.  In particular, it may be
1021     difficult to remove all reads and writes to freed memory in
1022     multithreaded C++ destructor sequences at program termination.
1023     So, ideally, you should make your application Helgrind-clean
1024     before using Memcheck.</para>
1026     <para>Since this circularity is obviously unresolvable, at least
1027     bear in mind that Memcheck and Helgrind are to some extent
1028     complementary, and you may need to use them together.</para>
1029   </listitem>
1031   <listitem>
1032     <para>POSIX requires that implementations of standard I/O
1033     (<function>printf</function>, <function>fprintf</function>,
1034     <function>fwrite</function>, <function>fread</function>, etc) are thread
1035     safe.  Unfortunately GNU libc implements this by using internal locking
1036     primitives that Helgrind is unable to intercept.  Consequently Helgrind
1037     generates many false race reports when you use these functions.</para>
1039     <para>Helgrind attempts to hide these errors using the standard
1040     Valgrind error-suppression mechanism.  So, at least for simple
1041     test cases, you don't see any.  Nevertheless, some may slip
1042     through.  Just something to be aware of.</para>
1043   </listitem>
1045   <listitem>
1046     <para>Helgrind's error checks do not work properly inside the
1047     system threading library itself
1048     (<computeroutput>libpthread.so</computeroutput>), and it usually
1049     observes large numbers of (false) errors in there.  Valgrind's
1050     suppression system then filters these out, so you should not see
1051     them.</para>
1053     <para>If you see any race errors reported
1054     where <computeroutput>libpthread.so</computeroutput> or
1055     <computeroutput>ld.so</computeroutput> is the object associated
1056     with the innermost stack frame, please file a bug report at
1057     <ulink url="&vg-url;">&vg-url;</ulink>.
1058     </para>
1059   </listitem>
1061 </orderedlist>
1063 </sect1>
1068 <sect1 id="hg-manual.options" xreflabel="Helgrind Command-line Options">
1069 <title>Helgrind Command-line Options</title>
1071 <para>The following end-user options are available:</para>
1073 <!-- start of xi:include in the manpage -->
1074 <variablelist id="hg.opts.list">
1076   <varlistentry id="opt.free-is-write"
1077                 xreflabel="--free-is-write">
1078     <term>
1079       <option><![CDATA[--free-is-write=no|yes
1080       [default: no] ]]></option>
1081     </term>
1082     <listitem>
1083       <para>When enabled (not the default), Helgrind treats freeing of
1084         heap memory as if the memory was written immediately before
1085         the free.  This exposes races where memory is referenced by
1086         one thread, and freed by another, but there is no observable
1087         synchronisation event to ensure that the reference happens
1088         before the free.
1089       </para>
1090       <para>This functionality is new in Valgrind 3.7.0, and is
1091         regarded as experimental.  It is not enabled by default
1092         because its interaction with custom memory allocators is not
1093         well understood at present.  User feedback is welcomed.
1094       </para>
1095     </listitem>
1096   </varlistentry>
1098   <varlistentry id="opt.track-lockorders"
1099                 xreflabel="--track-lockorders">
1100     <term>
1101       <option><![CDATA[--track-lockorders=no|yes
1102       [default: yes] ]]></option>
1103     </term>
1104     <listitem>
1105       <para>When enabled (the default), Helgrind performs lock order
1106       consistency checking.  For some buggy programs, the large number
1107       of lock order errors reported can become annoying, particularly
1108       if you're only interested in race errors.  You may therefore find
1109       it helpful to disable lock order checking.</para>
1110     </listitem>
1111   </varlistentry>
1113   <varlistentry id="opt.history-level"
1114                 xreflabel="--history-level">
1115     <term>
1116       <option><![CDATA[--history-level=none|approx|full
1117       [default: full] ]]></option>
1118     </term>
1119     <listitem>
1120       <para><option>--history-level=full</option> (the default) causes
1121         Helgrind collects enough information about "old" accesses that
1122         it can produce two stack traces in a race report -- both the
1123         stack trace for the current access, and the trace for the
1124         older, conflicting access. To limit memory usage, "old" accesses
1125         stack traces are limited to a maximum of 8 entries, even if
1126         <option>--num-callers</option> value is bigger.</para>
1127       <para>Collecting such information is expensive in both speed and
1128         memory, particularly for programs that do many inter-thread
1129         synchronisation events (locks, unlocks, etc).  Without such
1130         information, it is more difficult to track down the root
1131         causes of races.  Nonetheless, you may not need it in
1132         situations where you just want to check for the presence or
1133         absence of races, for example, when doing regression testing
1134         of a previously race-free program.</para>
1135       <para><option>--history-level=none</option> is the opposite
1136         extreme.  It causes Helgrind not to collect any information
1137         about previous accesses.  This can be dramatically faster
1138         than <option>--history-level=full</option>.</para>
1139       <para><option>--history-level=approx</option> provides a
1140         compromise between these two extremes.  It causes Helgrind to
1141         show a full trace for the later access, and approximate
1142         information regarding the earlier access.  This approximate
1143         information consists of two stacks, and the earlier access is
1144         guaranteed to have occurred somewhere between program points
1145         denoted by the two stacks. This is not as useful as showing
1146         the exact stack for the previous access
1147         (as <option>--history-level=full</option> does), but it is
1148         better than nothing, and it is almost as fast as
1149         <option>--history-level=none</option>.</para>
1150     </listitem>
1151   </varlistentry>
1152   
1153   <varlistentry id="opt.delta-stacktrace"
1154                 xreflabel="--delta-stacktrace">
1155     <term>
1156       <option><![CDATA[--delta-stacktrace=no|yes
1157       [default: yes on linux amd64/x86] ]]></option>
1158     </term>
1159     <listitem>
1160       <para>This flag only has any effect
1161         at <option>--history-level=full</option>.</para>
1162       <para><option>--delta-stacktrace</option> configures the way Helgrind
1163         captures the stacktraces for the
1164         option <option>--history-level=full</option>. Such a stacktrace is
1165         typically needed each time a new piece of memory is read or written in a
1166         basic block of instructions. </para>
1167       <para><option>--delta-stacktrace=no</option> causes
1168         Helgrind to compute a full history stacktrace from the unwind info
1169         each time a stacktrace is needed.</para>
1170       <para><option>--delta-stacktrace=yes</option> indicates to Helgrind to
1171         derive a new stacktrace from the previous stacktrace, as long as there
1172         was no call instruction, no return instruction, or any other instruction
1173         changing the call stack since the previous stacktrace was captured. If
1174         no such instruction was executed, the new stacktrace can be derived from
1175         the previous stacktrace by just changing the top frame to the current
1176         program counter. This option can speed up Helgrind by 25% when
1177         using <option>--history-level=full</option>. </para>
1178       <para>The following aspects have to be considered when
1179         using <option>--delta-stacktrace=yes</option> :
1180         <itemizedlist>
1181           <listitem>In some cases (for example in a function prologue), the
1182             valgrind unwinder might not properly unwind the stack, due to some
1183             limitations and/or due to wrong unwind info. When using
1184             --delta-stacktrace=yes, the wrong stack trace captured in the
1185             function prologue will be kept till the next call or return.
1186           </listitem>
1187           <listitem>On the other hand, --delta-stacktrace=yes sometimes helps to
1188             obtain a correct stacktrace, for example when the unwind info allows
1189             a correct stacktrace to be done in the beginning of the sequence,
1190             but not later on in the instruction sequence.</listitem>
1191           <listitem>Determining which instructions are changing the callstack is
1192             partially based on platform dependent heuristics, which have to be
1193             tuned/validated specifically for the platform. Also, unwinding in a
1194             function prologue must be good enough to allow using
1195             --delta-stacktrace=yes. Currently, the option --delta-stacktrace=yes
1196             has been reasonably validated only on linux x86 32 bits and linux
1197             amd64 64 bits. For more details about how to validate
1198             --delta-stacktrace=yes, see debug option --hg-sanity-flags and the
1199             function check_cached_rcec_ok in libhb_core.c.</listitem>
1200         </itemizedlist>
1201       </para>
1202     </listitem>
1203   </varlistentry>
1205   <varlistentry id="opt.conflict-cache-size"
1206                 xreflabel="--conflict-cache-size">
1207     <term>
1208       <option><![CDATA[--conflict-cache-size=N
1209       [default: 1000000] ]]></option>
1210     </term>
1211     <listitem>
1212       <para>This flag only has any effect
1213         at <option>--history-level=full</option>.</para>
1214       <para>Information about "old" conflicting accesses is stored in
1215         a cache of limited size, with LRU-style management.  This is
1216         necessary because it isn't practical to store a stack trace
1217         for every single memory access made by the program.
1218         Historical information on not recently accessed locations is
1219         periodically discarded, to free up space in the cache.</para>
1220       <para>This option controls the size of the cache, in terms of the
1221         number of different memory addresses for which
1222         conflicting access information is stored.  If you find that
1223         Helgrind is showing race errors with only one stack instead of
1224         the expected two stacks, try increasing this value.</para>
1225       <para>The minimum value is 10,000 and the maximum is 30,000,000
1226         (thirty times the default value).  Increasing the value by 1
1227         increases Helgrind's memory requirement by very roughly 100
1228         bytes, so the maximum value will easily eat up three extra
1229         gigabytes or so of memory.</para>
1230     </listitem>
1231   </varlistentry>
1233   <varlistentry id="opt.check-stack-refs"
1234                 xreflabel="--check-stack-refs">
1235     <term>
1236       <option><![CDATA[--check-stack-refs=no|yes
1237       [default: yes] ]]></option>
1238     </term>
1239     <listitem>
1240       <para>
1241         By default Helgrind checks all data memory accesses made by your
1242         program.  This flag enables you to skip checking for accesses
1243         to thread stacks (local variables).  This can improve
1244         performance, but comes at the cost of missing races on
1245         stack-allocated data.
1246       </para>
1247     </listitem>
1248   </varlistentry>
1250   <varlistentry id="opt.ignore-thread-creation"
1251                 xreflabel="--ignore-thread-creation">
1252     <term>
1253       <option><![CDATA[--ignore-thread-creation=<yes|no>
1254       [default: no]]]></option>
1255     </term>
1256     <listitem>
1257       <para>
1258         Controls whether all activities during thread creation should be
1259         ignored. By default enabled only on Solaris.
1260         Solaris provides higher throughput, parallelism and scalability than
1261         other operating systems, at the cost of more fine-grained locking
1262         activity. This means for example that when a thread is created under
1263         glibc, just one big lock is used for all thread setup. Solaris libc
1264         uses several fine-grained locks and the creator thread resumes its
1265         activities as soon as possible, leaving for example stack and TLS setup
1266         sequence to the created thread.
1267         This situation confuses Helgrind as it assumes there is some false
1268         ordering in place between creator and created thread; and therefore many
1269         types of race conditions in the application would not be reported.
1270         To prevent such false ordering, this command line option is set to
1271         <computeroutput>yes</computeroutput> by default on Solaris.
1272         All activity (loads, stores, client requests) is therefore ignored
1273         during:</para>
1274       <itemizedlist>
1275         <listitem>
1276           <para>
1277             pthread_create() call in the creator thread
1278           </para>
1279         </listitem>
1280         <listitem>
1281           <para>
1282             thread creation phase (stack and TLS setup) in the created thread
1283           </para>
1284         </listitem>
1285       </itemizedlist>
1286       <para>
1287          Also new memory allocated during thread creation is untracked,
1288          that is race reporting is suppressed there. DRD does the same thing
1289          implicitly. This is necessary because Solaris libc caches many objects
1290          and reuses them for different threads and that confuses
1291          Helgrind.</para>
1292     </listitem>
1293   </varlistentry>
1296 </variablelist>
1297 <!-- end of xi:include in the manpage -->
1299 <!-- start of xi:include in the manpage -->
1300 <!--  commented out, because we don't document debugging options in the
1301       manual.  Nb: all the double-dashes below had a space inserted in them
1302       to avoid problems with premature closing of this comment.
1303 <para>In addition, the following debugging options are available for
1304 Helgrind:</para>
1306 <variablelist id="hg.debugopts.list">
1308   <varlistentry id="opt.trace-malloc" xreflabel="- -trace-malloc">
1309     <term>
1310       <option><![CDATA[- -trace-malloc=no|yes [no]
1311       ]]></option>
1312     </term>
1313     <listitem>
1314       <para>Show all client <function>malloc</function> (etc) and
1315       <function>free</function> (etc) requests.</para>
1316     </listitem>
1317   </varlistentry>
1319   <varlistentry id="opt.cmp-race-err-addrs" 
1320                 xreflabel="- -cmp-race-err-addrs">
1321     <term>
1322       <option><![CDATA[- -cmp-race-err-addrs=no|yes [no]
1323       ]]></option>
1324     </term>
1325     <listitem>
1326       <para>Controls whether or not race (data) addresses should be
1327         taken into account when removing duplicates of race errors.
1328         With <varname>- -cmp-race-err-addrs=no</varname>, two otherwise
1329         identical race errors will be considered to be the same if
1330         their race addresses differ.  With
1331         With <varname>- -cmp-race-err-addrs=yes</varname> they will be
1332         considered different.  This is provided to help make certain
1333         regression tests work reliably.</para>
1334     </listitem>
1335   </varlistentry>
1337   <varlistentry id="opt.hg-sanity-flags" xreflabel="- -hg-sanity-flags">
1338     <term>
1339       <option><![CDATA[- -hg-sanity-flags=<XXXXXX> (X = 0|1) [000000]
1340       ]]></option>
1341     </term>
1342     <listitem>
1343       <para>Run extensive sanity checks on Helgrind's internal
1344         data structures at events defined by the bitstring, as
1345         follows:</para>
1346       <para><computeroutput>010000 </computeroutput>after changes to
1347         the lock order acquisition graph</para>
1348       <para><computeroutput>001000 </computeroutput>after every client
1349         memory access (NB: not currently used)</para>
1350       <para><computeroutput>000100 </computeroutput>after every client
1351         memory range permission setting of 256 bytes or greater</para>
1352       <para><computeroutput>000010 </computeroutput>after every client
1353         lock or unlock event</para>
1354       <para><computeroutput>000001 </computeroutput>after every client
1355         thread creation or joinage event</para>
1356       <para>Note these will make Helgrind run very slowly, often to
1357         the point of being completely unusable.</para>
1358     </listitem>
1359   </varlistentry>
1361 </variablelist>
1363 <!-- end of xi:include in the manpage -->
1366 </sect1>
1369 <sect1 id="hg-manual.monitor-commands" xreflabel="Helgrind Monitor Commands">
1370 <title>Helgrind Monitor Commands</title>
1371 <para>The Helgrind tool provides monitor commands handled by Valgrind's
1372 built-in gdbserver (see <xref linkend="manual-core-adv.gdbserver-commandhandling"/>).
1373 </para>
1374 <itemizedlist>
1375   <listitem>
1376     <para><varname>info locks [lock_addr]</varname> shows the list of locks
1377     and their status. If  <varname>lock_addr</varname> is given, only shows
1378     the lock located at this address. </para>
1379     <para>
1380     In the following example, helgrind knows about one lock.  This
1381     lock is located at the guest address <varname>ga
1382     0x8049a20</varname>.  The lock kind is <varname>rdwr</varname>
1383     indicating a reader-writer lock.  Other possible lock kinds
1384     are <varname>nonRec</varname> (simple mutex, non recursive)
1385     and <varname>mbRec</varname> (simple mutex, possibly recursive).
1386     The lock kind is then followed by the list of threads helding the
1387     lock.  In the below example, <varname>R1:thread #6 tid 3</varname>
1388     indicates that the helgrind thread #6 has acquired (once, as the
1389     counter following the letter R is one) the lock in read mode. The
1390     helgrind thread nr is incremented for each started thread.  The
1391     presence of 'tid 3' indicates that the thread #6 is has not exited
1392     yet and is the valgrind tid 3. If a thread has terminated, then
1393     this is indicated with 'tid (exited)'.
1394     </para>
1395 <programlisting><![CDATA[
1396 (gdb) monitor info locks
1397 Lock ga 0x8049a20 {
1398    kind   rdwr
1399  { R1:thread #6 tid 3 }
1401 (gdb) 
1402 ]]></programlisting>
1404     <para> If you give the option <varname>--read-var-info=yes</varname>,
1405     then more information will be provided about the lock location, such as
1406     the global variable or the heap block that contains the lock:
1407     </para>
1408 <programlisting><![CDATA[
1409 Lock ga 0x8049a20 {
1410  Location 0x8049a20 is 0 bytes inside global var "s_rwlock"
1411  declared at rwlock_race.c:17
1412    kind   rdwr
1413  { R1:thread #3 tid 3 }
1415 ]]></programlisting>
1417   </listitem>
1419   <listitem>
1420     <para><varname>accesshistory  &lt;addr&gt; [&lt;len&gt;]</varname>
1421     shows the  access history recorded for &lt;len&gt; (default 1) bytes
1422     starting at &lt;addr&gt;. For each recorded access that overlaps
1423     with the given range, <varname>accesshistory</varname> shows the operation
1424     type (read or write), the address and size read or written, the helgrind
1425     thread nr/valgrind tid number that did the operation and the locks held
1426     by the thread at the time of the operation.
1427     The oldest access is shown first, the most recent access is shown last.
1428     </para>
1429     <para>
1430     In the following example, we see first a recorded write of 4 bytes by
1431     thread #7 that has modified the given 2 bytes range.
1432     The second recorded write is the most recent recorded write : thread #9
1433     modified the same 2 bytes as part of a 4 bytes write operation.
1434     The list of locks held by each thread at the time of the write operation
1435     are also shown.
1436     </para>
1437 <programlisting><![CDATA[
1438 (gdb) monitor accesshistory 0x8049D8A 2
1439 write of size 4 at 0x8049D88 by thread #7 tid 3
1440 ==6319== Locks held: 2, at address 0x8049D8C (and 1 that can't be shown)
1441 ==6319==    at 0x804865F: child_fn1 (locked_vs_unlocked2.c:29)
1442 ==6319==    by 0x400AE61: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:234)
1443 ==6319==    by 0x39B924: start_thread (pthread_create.c:297)
1444 ==6319==    by 0x2F107D: clone (clone.S:130)
1446 write of size 4 at 0x8049D88 by thread #9 tid 2
1447 ==6319== Locks held: 2, at addresses 0x8049DA4 0x8049DD4
1448 ==6319==    at 0x804877B: child_fn2 (locked_vs_unlocked2.c:45)
1449 ==6319==    by 0x400AE61: mythread_wrapper (hg_intercepts.c:234)
1450 ==6319==    by 0x39B924: start_thread (pthread_create.c:297)
1451 ==6319==    by 0x2F107D: clone (clone.S:130)
1453 ]]></programlisting>
1455   </listitem>
1456   <listitem>
1457     <para><varname>xtmemory [&lt;filename&gt; default xtmemory.kcg.%p.%n]</varname>
1458       requests Helgrind tool to produce an xtree heap memory report.
1459       See <xref linkend="manual-core.xtree"/> for
1460       a detailed explanation about execution trees. </para>
1461   </listitem>
1463 </itemizedlist>
1465 </sect1>
1467 <sect1 id="hg-manual.client-requests" xreflabel="Helgrind Client Requests">
1468 <title>Helgrind Client Requests</title>
1470 <para>The following client requests are defined in
1471 <filename>helgrind.h</filename>.  See that file for exact details of their
1472 arguments.</para>
1474 <itemizedlist>
1476   <listitem>
1477     <para><function>VALGRIND_HG_CLEAN_MEMORY</function></para>
1478     <para>This makes Helgrind forget everything it knows about a
1479     specified memory range.  This is particularly useful for memory
1480     allocators that wish to recycle memory.</para>
1481   </listitem>
1482   <listitem>
1483     <para><function>ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE</function></para>
1484   </listitem>
1485   <listitem>
1486     <para><function>ANNOTATE_HAPPENS_AFTER</function></para>
1487   </listitem>
1488   <listitem>
1489     <para><function>ANNOTATE_NEW_MEMORY</function></para>
1490   </listitem>
1491   <listitem>
1492     <para><function>ANNOTATE_RWLOCK_CREATE</function></para>
1493   </listitem>
1494   <listitem>
1495     <para><function>ANNOTATE_RWLOCK_DESTROY</function></para>
1496   </listitem>
1497   <listitem>
1498     <para><function>ANNOTATE_RWLOCK_ACQUIRED</function></para>
1499   </listitem>
1500   <listitem>
1501     <para><function>ANNOTATE_RWLOCK_RELEASED</function></para>
1502     <para>These are used to describe to Helgrind, the behaviour of
1503     custom (non-POSIX) synchronisation primitives, which it otherwise
1504     has no way to understand.  See comments
1505     in <filename>helgrind.h</filename> for further
1506     documentation.</para>
1507   </listitem>
1509 </itemizedlist>
1511 </sect1>
1515 <sect1 id="hg-manual.todolist" xreflabel="To Do List">
1516 <title>A To-Do List for Helgrind</title>
1518 <para>The following is a list of loose ends which should be tidied up
1519 some time.</para>
1521 <itemizedlist>
1522   <listitem><para>For lock order errors, print the complete lock
1523     cycle, rather than only doing for size-2 cycles as at
1524     present.</para>
1525   </listitem>
1526   <listitem><para>The conflicting access mechanism sometimes
1527     mysteriously fails to show the conflicting access' stack, even
1528     when provided with unbounded storage for conflicting access info.
1529     This should be investigated.</para>
1530   </listitem>
1531   <listitem><para>Document races caused by GCC's thread-unsafe code
1532     generation for speculative stores.  In the interim see
1533     <computeroutput>http://gcc.gnu.org/ml/gcc/2007-10/msg00266.html
1534     </computeroutput>
1535     and <computeroutput>http://lkml.org/lkml/2007/10/24/673</computeroutput>.
1536     </para>
1537   </listitem>
1538   <listitem><para>Don't update the lock-order graph, and don't check
1539     for errors, when a "try"-style lock operation happens (e.g.
1540     <function>pthread_mutex_trylock</function>).  Such calls do not add any real
1541     restrictions to the locking order, since they can always fail to
1542     acquire the lock, resulting in the caller going off and doing Plan
1543     B (presumably it will have a Plan B).  Doing such checks could
1544     generate false lock-order errors and confuse users.</para>
1545   </listitem>
1546   <listitem><para> Performance can be very poor.  Slowdowns on the
1547     order of 100:1 are not unusual.  There is limited scope for
1548     performance improvements.
1549     </para>
1550   </listitem>
1552 </itemizedlist>
1554 </sect1>
1556 </chapter>