libstdc++: Rewrite std::call_once to use futexes [PR 66146]
authorJonathan Wakely <jwakely@redhat.com>
Tue, 3 Nov 2020 18:44:32 +0000 (18:44 +0000)
committerJonathan Wakely <jwakely@redhat.com>
Tue, 3 Nov 2020 18:44:49 +0000 (18:44 +0000)
The current implementation of std::call_once uses pthread_once, which
only meets the C++ requirements when compiled with support for
exceptions. For most glibc targets and all non-glibc targets,
pthread_once does not work correctly if the init_routine exits via an
exception. The pthread_once_t object is left in the "active" state, and
any later attempts to run another init_routine will block forever.

This change makes std::call_once work correctly for Linux targets, by
replacing the use of pthread_once with a futex, based on the code from
__cxa_guard_acquire. For both glibc and musl, the Linux implementation
of pthread_once is already based on futexes, and pthread_once_t is just
a typedef for int, so this change does not alter the layout of
std::once_flag. By choosing the values for the int appropriately, the
new code is even ABI compatible. Code that calls the old implementation
of std::call_once will use pthread_once to manipulate the int, while new
code will use the new std::once_flag members to manipulate it, but they
should interoperate correctly. In both cases, the int is initially zero,
has the lowest bit set when there is an active execution, and equals 2
after a successful returning execution. The difference with the new code
is that exceptional exceptions are correctly detected and the int is
reset to zero.

The __cxa_guard_acquire code (and musl's pthread_once) use an additional
state to say there are other threads waiting. This allows the futex wake
syscall to be skipped if there is no contention. Glibc doesn't use a
waiter bit, so we have to unconditionally issue the wake in order to be
compatible with code calling the old std::call_once that uses Glibc's
pthread_once. If we know that we're using musl (and musl's pthread_once
doesn't change) it would be possible to set a waiting state and check
for it in std::once_flag::_M_finish(bool), but this patch doesn't do
that.

This doesn't fix the bug for non-linux targets. A similar approach could
be used for targets where we know the definition of pthread_once_t is a
mutex and an integer. We could make once_flag._M_activate() use
pthread_mutex_lock on the mutex member within the pthread_once_t, and
then only set the integer if the execution finishes, and then unlock the
mutex. That would require careful study of each target's pthread_once
implementation and that work is left for a later date.

This also fixes PR 55394 because pthread_once is no longer needed, and
PR 84323 because the fast path is now just an atomic load.

As a consequence of the new implementation that doesn't use
pthread_once, we can also make std::call_once work for targets with no
gthreads support. The code for the single-threaded implementation
follows the same methods as on Linux, but with no need for atomics or
futexes.

libstdc++-v3/ChangeLog:

PR libstdc++/55394
PR libstdc++/66146
PR libstdc++/84323
* config/abi/pre/gnu.ver (GLIBCXX_3.4.29): Add new symbols.
* include/std/mutex [!_GLIBCXX_HAS_GTHREADS] (once_flag): Define
even when gthreads is not supported.
(once_flag::_M_once) [_GLIBCXX_HAVE_LINUX_FUTEX]: Change type
from __gthread_once_t to int.
(once_flag::_M_passive(), once_flag::_M_activate())
(once_flag::_M_finish(bool), once_flag::_Active_execution):
Define new members for futex and non-threaded implementation.
[_GLIBCXX_HAS_GTHREADS] (once_flag::_Prepare_execution): New
RAII helper type.
(call_once): Use new members of once_flag.
* src/c++11/mutex.cc (std::once_flag::_M_activate): Define.
(std::once_flag::_M_finish): Define.
* testsuite/30_threads/call_once/39909.cc: Do not require
gthreads.
* testsuite/30_threads/call_once/49668.cc: Likewise.
* testsuite/30_threads/call_once/60497.cc: Likewise.
* testsuite/30_threads/call_once/call_once1.cc: Likewise.
* testsuite/30_threads/call_once/dr2442.cc: Likewise.
* testsuite/30_threads/call_once/once_flag.cc: Add test for
constexpr constructor.
* testsuite/30_threads/call_once/66146.cc: New test.
* testsuite/30_threads/call_once/constexpr.cc: Removed.
* testsuite/30_threads/once_flag/cons/constexpr.cc: Removed.

12 files changed:
libstdc++-v3/config/abi/pre/gnu.ver
libstdc++-v3/include/std/mutex
libstdc++-v3/src/c++11/mutex.cc
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/39909.cc
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/49668.cc
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/60497.cc
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/66146.cc [new file with mode: 0644]
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/call_once1.cc
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/constexpr.cc [deleted file]
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/dr2442.cc
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/once_flag.cc
libstdc++-v3/testsuite/30_threads/once_flag/cons/constexpr.cc [deleted file]

index 4dddfd3d2631a0b01d5ca35a258843973de140b2..707539a17c3a3b151fd8858e28f87b5aaca5aee1 100644 (file)
@@ -2371,6 +2371,11 @@ GLIBCXX_3.4.29 {
     # basic_stringstream::view()
     _ZNKSt7__cxx1118basic_stringstreamI[cw]St11char_traitsI[cw]ESaI[cw]EE4viewEv;
 
+    # std::once_flag::_M_activate()
+    _ZNSt9once_flag11_M_activateEv;
+    # std::once_flag::_M_finish(bool)
+    _ZNSt9once_flag9_M_finishEb;
+
 } GLIBCXX_3.4.28;
 
 # Symbols in the support library (libsupc++) have their own tag.
index 12b7e548d179c3a2cb0ed65b6e113031f11293f6..92ad7b7b6622218dd9854ea47b1ff01e1bb248eb 100644 (file)
 # include <condition_variable>
 # include <thread>
 #endif
-#ifndef _GLIBCXX_HAVE_TLS
-# include <bits/std_function.h>
+#include <ext/atomicity.h>     // __gnu_cxx::__is_single_threaded
+
+#if defined _GLIBCXX_HAS_GTHREADS && ! defined _GLIBCXX_HAVE_TLS
+# include <bits/std_function.h>  // std::function
 #endif
 
 namespace std _GLIBCXX_VISIBILITY(default)
@@ -667,16 +669,9 @@ _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
     };
 #endif // C++17
 
-#ifdef _GLIBCXX_HAS_GTHREADS
   /// Flag type used by std::call_once
   struct once_flag
   {
-  private:
-    typedef __gthread_once_t __native_type;
-    __native_type  _M_once = __GTHREAD_ONCE_INIT;
-
-  public:
-    /// Constructor
     constexpr once_flag() noexcept = default;
 
     /// Deleted copy constructor
@@ -684,16 +679,105 @@ _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
     /// Deleted assignment operator
     once_flag& operator=(const once_flag&) = delete;
 
+  private:
+    // There are two different std::once_flag interfaces, abstracting four
+    // different implementations.
+    // The preferred interface uses the _M_activate() and _M_finish(bool)
+    // member functions (introduced in GCC 11), which start and finish an
+    // active execution respectively. See [thread.once.callonce] in C++11
+    // for the definition of active/passive/returning/exceptional executions.
+    // This interface is supported for Linux (using atomics and futexes) and
+    // for single-threaded targets with no gthreads support.
+    // For other targets a pthread_once_t is used with pthread_once, but that
+    // doesn't work correctly for exceptional executions. That interface
+    // uses an object of type _Prepare_execution and a lambda expression.
+#if defined _GLIBCXX_HAVE_LINUX_FUTEX || ! defined _GLIBCXX_HAS_GTHREADS
+    enum _Bits : int { _Init = 0, _Active = 1, _Done = 2 };
+
+    int _M_once = _Bits::_Init;
+
+    // Non-blocking check to see if all executions will be passive now.
+    bool
+    _M_passive() const noexcept;
+
+    // Attempts to begin an active execution. Blocks until it either:
+    // - returns true if an active execution has started on this thread, or
+    // - returns false if a returning execution happens on another thread.
+    bool _M_activate();
+
+    // Must be called to complete an active execution.
+    void _M_finish(bool __returning) noexcept;
+
+    // RAII helper to call _M_finish.
+    struct _Active_execution
+    {
+      explicit _Active_execution(once_flag& __flag) : _M_flag(__flag) { }
+
+      ~_Active_execution() { _M_flag._M_finish(_M_returning); }
+
+      _Active_execution(const _Active_execution&) = delete;
+      _Active_execution& operator=(const _Active_execution&) = delete;
+
+      once_flag& _M_flag;
+      bool _M_returning = false;
+    };
+#else
+    __gthread_once_t _M_once = __GTHREAD_ONCE_INIT;
+
+    struct _Prepare_execution;
+#endif // ! GTHREADS
+
     template<typename _Callable, typename... _Args>
       friend void
       call_once(once_flag& __once, _Callable&& __f, _Args&&... __args);
   };
 
+#if ! defined _GLIBCXX_HAS_GTHREADS
+  // Inline definitions of std::once_flag members for single-threaded targets.
+
+  inline bool
+  once_flag::_M_passive() const noexcept
+  { return _M_once == _Bits::_Done; }
+
+  inline bool
+  once_flag::_M_activate()
+  {
+    if (_M_once == _Bits::_Init)
+      {
+       _M_once = _Bits::_Active;
+       return true;
+      }
+    else if (!_M_passive())
+      __throw_system_error(EDEADLK);
+  }
+
+  inline void
+  once_flag::_M_finish(bool returning) noexcept
+  { _M_once = returning ? _Bits::_Done : _Bits::_Init; }
+
+#elif defined _GLIBCXX_HAVE_LINUX_FUTEX
+
+  // Define this inline to make passive executions fast.
+  inline bool
+  once_flag::_M_passive() const noexcept
+  {
+    if (__gnu_cxx::__is_single_threaded())
+      return _M_once == _Bits::_Done;
+    else
+      return __atomic_load_n(&_M_once, __ATOMIC_ACQUIRE) == _Bits::_Done;
+  }
+
+#else // GTHREADS && ! FUTEX
+
   /// @cond undocumented
-#ifdef _GLIBCXX_HAVE_TLS
+# ifdef _GLIBCXX_HAVE_TLS
+  // If TLS is available use thread-local state for the type-erased callable
+  // that is being run by std::call_once in the current thread.
   extern __thread void* __once_callable;
   extern __thread void (*__once_call)();
-#else
+# else
+  // Without TLS use a global std::mutex and store the callable in a
+  // global std::function.
   extern function<void()> __once_functor;
 
   extern void
@@ -701,48 +785,92 @@ _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
 
   extern mutex&
   __get_once_mutex();
-#endif
+# endif
 
+  // This function is passed to pthread_once by std::call_once.
+  // It runs __once_call() or __once_functor().
   extern "C" void __once_proxy(void);
+
+  // RAII type to set up state for pthread_once call.
+  struct once_flag::_Prepare_execution
+  {
+#ifdef _GLIBCXX_HAVE_TLS
+    template<typename _Callable>
+      explicit
+      _Prepare_execution(_Callable& __c)
+      {
+       // Store address in thread-local pointer:
+       __once_callable = std::__addressof(__c);
+       // Trampoline function to invoke the closure via thread-local pointer:
+       __once_call = [] { (*static_cast<_Callable*>(__once_callable))(); };
+      }
+
+    ~_Prepare_execution()
+    {
+      // PR libstdc++/82481
+      __once_callable = nullptr;
+      __once_call = nullptr;
+    }
+#else // ! TLS
+    template<typename _Callable>
+      explicit
+      _Prepare_execution(_Callable& __c)
+      {
+       // Store the callable in the global std::function
+       __once_functor = __c;
+       __set_once_functor_lock_ptr(&_M_functor_lock);
+      }
+
+    ~_Prepare_execution()
+    {
+      if (_M_functor_lock)
+       __set_once_functor_lock_ptr(nullptr);
+    }
+
+  private:
+    unique_lock<mutex> _M_functor_lock{__get_once_mutex()};
+#endif // ! TLS
+
+    _Prepare_execution(const _Prepare_execution&) = delete;
+    _Prepare_execution& operator=(const _Prepare_execution&) = delete;
+  };
   /// @endcond
+#endif
 
   /// Invoke a callable and synchronize with other calls using the same flag
   template<typename _Callable, typename... _Args>
     void
     call_once(once_flag& __once, _Callable&& __f, _Args&&... __args)
     {
-      // _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS
-      // 2442. call_once() shouldn't DECAY_COPY()
+#if defined _GLIBCXX_HAVE_LINUX_FUTEX || ! defined _GLIBCXX_HAS_GTHREADS
+      if (__once._M_passive())
+       return;
+      else if (__once._M_activate())
+       {
+         once_flag::_Active_execution __exec(__once);
+
+         // _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS
+         // 2442. call_once() shouldn't DECAY_COPY()
+         std::__invoke(std::forward<_Callable>(__f),
+                       std::forward<_Args>(__args)...);
+
+         // __f(__args...) did not throw
+         __exec._M_returning = true;
+       }
+#else
+      // Closure type that runs the function
       auto __callable = [&] {
          std::__invoke(std::forward<_Callable>(__f),
                        std::forward<_Args>(__args)...);
       };
-#ifdef _GLIBCXX_HAVE_TLS
-      __once_callable = std::__addressof(__callable);
-      __once_call = []{ (*(decltype(__callable)*)__once_callable)(); };
-#else
-      unique_lock<mutex> __functor_lock(__get_once_mutex());
-      __once_functor = __callable;
-      __set_once_functor_lock_ptr(&__functor_lock);
-#endif
-
-      int __e = __gthread_once(&__once._M_once, &__once_proxy);
 
-#ifndef _GLIBCXX_HAVE_TLS
-      if (__functor_lock)
-        __set_once_functor_lock_ptr(0);
-#endif
+      once_flag::_Prepare_execution __exec(__callable);
 
-#ifdef __clang_analyzer__
-      // PR libstdc++/82481
-      __once_callable = nullptr;
-      __once_call = nullptr;
-#endif
-
-      if (__e)
+      // XXX pthread_once does not reset the flag if an exception is thrown.
+      if (int __e = __gthread_once(&__once._M_once, &__once_proxy))
        __throw_system_error(__e);
+#endif
     }
-#endif // _GLIBCXX_HAS_GTHREADS
 
   // @} group mutexes
 _GLIBCXX_END_NAMESPACE_VERSION
index e24502832d42f0899fea596a6cfc383158e2d955..286f77f9a4544d169d93041911b4617e7fafbfb3 100644 (file)
 #include <mutex>
 
 #ifdef _GLIBCXX_HAS_GTHREADS
+
+#ifdef _GLIBCXX_HAVE_LINUX_FUTEX
+#include <syscall.h>
+#include <unistd.h>
+#include <limits.h>
+
+bool
+std::once_flag::_M_activate()
+{
+  if (__gnu_cxx::__is_single_threaded())
+    {
+      if (_M_once == _Bits::_Done)
+       return false;
+      _M_once = _Bits::_Active;
+      return true;
+    }
+
+  while (true)
+    {
+      int expected = _Bits::_Init;
+      constexpr int active = _Bits::_Active;
+      if (__atomic_compare_exchange_n(&_M_once, &expected, active, false,
+                                           __ATOMIC_ACQ_REL,
+                                           __ATOMIC_ACQUIRE))
+       {
+         // This thread is now doing an active execution.
+         return true;
+       }
+
+      if (expected == _Bits::_Done)
+       return false; // A returning execution happened, this is passive.
+
+      // Otherwise, an active execution is happening. Wait for it to finish.
+      constexpr int futex_wait = 128; // FUTEX_WAIT_PRIVATE
+      syscall (SYS_futex, &_M_once, futex_wait, expected, 0);
+    }
+}
+
+void
+std::once_flag::_M_finish(bool returning) noexcept
+{
+  const int newval = returning ? _Bits::_Done : _Bits::_Init;
+  if (__gnu_cxx::__is_single_threaded())
+    {
+      __glibcxx_assert(_M_once == _Bits::_Active);
+      _M_once = newval;
+    }
+  else
+    {
+      int prev = __atomic_exchange_n(&_M_once, newval, __ATOMIC_RELEASE);
+      __glibcxx_assert(prev & _Bits::_Active);
+      // Wake any other threads waiting for this execution to finish.
+      constexpr int futex_wake = 129; // FUTEX_WAKE_PRIVATE
+      syscall (SYS_futex, &_M_once, futex_wake, INT_MAX);
+    }
+}
+
+#endif // ! FUTEX
+
 #ifndef _GLIBCXX_HAVE_TLS
 namespace
 {
index 1f35d7f8b9a19b7fb7df1fb4f14920226979a9c4..56568ebd154adc665eb7d720f6ab3b8126a64365 100644 (file)
@@ -1,6 +1,5 @@
-// { dg-do run }
+// { dg-do run { target c++11 } }
 // { dg-additional-options "-pthread" { target pthread } }
-// { dg-require-effective-target c++11 }
 // { dg-require-gthreads "" }
 
 // Copyright (C) 2009-2020 Free Software Foundation, Inc.
index 7eb5426a822a175b2f53cae1100241ff8b7142a0..8fab7c2258617424e0c3e78492b06e8f31feffd9 100644 (file)
@@ -1,7 +1,5 @@
-// { dg-do run }
+// { dg-do run { target c++11 } }
 // { dg-additional-options "-pthread" { target pthread } }
-// { dg-require-effective-target c++11 }
-// { dg-require-gthreads "" }
 
 // Copyright (C) 2011-2020 Free Software Foundation, Inc.
 //
index 9955a9eebed34d6b991e5c5c910aaf7811d0834e..a2c7567b5059195e34ecacaac48eba9d0cf5211f 100644 (file)
@@ -1,7 +1,5 @@
-// { dg-do compile }
+// { dg-do compile { target c++11 } }
 // { dg-additional-options "-pthread" { target pthread } }
-// { dg-require-effective-target c++11 }
-// { dg-require-gthreads "" }
 
 // Copyright (C) 2014-2020 Free Software Foundation, Inc.
 //
diff --git a/libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/66146.cc b/libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/66146.cc
new file mode 100644 (file)
index 0000000..b1ca0eb
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,51 @@
+// Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.
+//
+// This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free
+// software; you can redistribute it and/or modify it under the
+// terms of the GNU General Public License as published by the
+// Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
+// any later version.
+
+// This library is distributed in the hope that it will be useful,
+// but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+// MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+// GNU General Public License for more details.
+
+// You should have received a copy of the GNU General Public License along
+// with this library; see the file COPYING3.  If not see
+// <http://www.gnu.org/licenses/>.
+
+// { dg-do run { target c++11 } }
+// { dg-skip-if "" { pthread && { ! *-*-*linux* } } }
+// { dg-additional-options "-pthread" { target pthread } }
+
+#include <mutex>
+#include <cstdlib>
+#include <testsuite_hooks.h>
+
+void
+test01()
+{
+  std::once_flag once;
+  int counter = 0;
+  for (int i = 0; i < 10; ++i)
+  {
+    try
+    {
+      std::call_once(once, [&]{ if (i < 3) throw i; ++counter; });
+      VERIFY(i >= 3);
+    }
+    catch (int ex)
+    {
+      VERIFY(i < 3);
+    }
+  }
+ VERIFY(counter == 1);
+ std::call_once(once, []{ std::abort(); });
+}
+
+int
+main()
+{
+  test01();
+}
index 26cfa576e8117321270da59bfced447d5b774a1e..d9b6729f6b6b8302c82c010a86883a53c7e276a9 100644 (file)
@@ -1,7 +1,5 @@
-// { dg-do run }
+// { dg-do run { target c++11 } }
 // { dg-additional-options "-pthread" { target pthread } }
-// { dg-require-effective-target c++11 }
-// { dg-require-gthreads "" }
 
 // Copyright (C) 2008-2020 Free Software Foundation, Inc.
 //
@@ -35,7 +33,7 @@ void add_to_value(int i)
 
 int main()
 {
-  try 
+  try
     {
       std::call_once(value_flag, add_to_value, 2);
       std::call_once(value_flag, add_to_value, 2);
diff --git a/libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/constexpr.cc b/libstdc++-v3/testsuite/30_threads/call_once/constexpr.cc
deleted file mode 100644 (file)
index 2643f6c..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,29 +0,0 @@
-// { dg-do compile { target c++11 } }
-// { dg-require-gthreads "" }
-
-// Copyright (C) 2010-2020 Free Software Foundation, Inc.
-//
-// This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free
-// software; you can redistribute it and/or modify it under the
-// terms of the GNU General Public License as published by the
-// Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
-// any later version.
-
-// This library is distributed in the hope that it will be useful,
-// but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
-// MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
-// GNU General Public License for more details.
-
-// You should have received a copy of the GNU General Public License along
-// with this library; see the file COPYING3.  If not see
-// <http://www.gnu.org/licenses/>.
-
-#include <mutex>
-#include <testsuite_common_types.h>
-
-int main()
-{
-  __gnu_test::constexpr_default_constructible test;
-  test.operator()<std::mutex>();
-  return 0;
-}
index 289471015199083e46bdc5c326eadd95db0e3cee..61f5cc09ba84ce40b8824c412b542c336e5e70a4 100644 (file)
@@ -1,7 +1,5 @@
-// { dg-do run }
+// { dg-do run { target c++11 } }
 // { dg-additional-options "-pthread" { target pthread } }
-// { dg-require-effective-target c++11 }
-// { dg-require-gthreads "" }
 
 // Copyright (C) 2016-2020 Free Software Foundation, Inc.
 //
index 5be04349c03de8a7c90fac042457b6697c83f5c5..f6e1607276f4f2a4371d553b1292514d175b4998 100644 (file)
@@ -1,5 +1,4 @@
 // { dg-do compile { target c++11 } }
-// { dg-require-gthreads "" }
 
 // Copyright (C) 2008-2020 Free Software Foundation, Inc.
 //
 
 
 #include <mutex>
+#include <testsuite_common_types.h>
 
 void test01()
 {
+  static_assert( std::is_default_constructible<std::once_flag>::value, "");
+
   std::once_flag once_flag;
 }
+
+void test02()
+{
+  __gnu_test::constexpr_default_constructible test;
+  test.operator()<std::once_flag>();
+}
diff --git a/libstdc++-v3/testsuite/30_threads/once_flag/cons/constexpr.cc b/libstdc++-v3/testsuite/30_threads/once_flag/cons/constexpr.cc
deleted file mode 100644 (file)
index a356e8c..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,29 +0,0 @@
-// { dg-do compile { target c++11 } }
-// { dg-require-gthreads "" }
-
-// Copyright (C) 2010-2020 Free Software Foundation, Inc.
-//
-// This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free
-// software; you can redistribute it and/or modify it under the
-// terms of the GNU General Public License as published by the
-// Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
-// any later version.
-
-// This library is distributed in the hope that it will be useful,
-// but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
-// MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
-// GNU General Public License for more details.
-
-// You should have received a copy of the GNU General Public License along
-// with this library; see the file COPYING3.  If not see
-// <http://www.gnu.org/licenses/>.
-
-#include <mutex>
-#include <testsuite_common_types.h>
-
-int main()
-{
-  __gnu_test::constexpr_default_constructible test;
-  test.operator()<std::once_flag>();
-  return 0;
-}