| ==================== | 
| The robust futex ABI | 
| ==================== | 
|   | 
| :Author: Started by Paul Jackson <pj@sgi.com> | 
|   | 
|   | 
| Robust_futexes provide a mechanism that is used in addition to normal | 
| futexes, for kernel assist of cleanup of held locks on task exit. | 
|   | 
| The interesting data as to what futexes a thread is holding is kept on a | 
| linked list in user space, where it can be updated efficiently as locks | 
| are taken and dropped, without kernel intervention.  The only additional | 
| kernel intervention required for robust_futexes above and beyond what is | 
| required for futexes is: | 
|   | 
|  1) a one time call, per thread, to tell the kernel where its list of | 
|     held robust_futexes begins, and | 
|  2) internal kernel code at exit, to handle any listed locks held | 
|     by the exiting thread. | 
|   | 
| The existing normal futexes already provide a "Fast Userspace Locking" | 
| mechanism, which handles uncontested locking without needing a system | 
| call, and handles contested locking by maintaining a list of waiting | 
| threads in the kernel.  Options on the sys_futex(2) system call support | 
| waiting on a particular futex, and waking up the next waiter on a | 
| particular futex. | 
|   | 
| For robust_futexes to work, the user code (typically in a library such | 
| as glibc linked with the application) has to manage and place the | 
| necessary list elements exactly as the kernel expects them.  If it fails | 
| to do so, then improperly listed locks will not be cleaned up on exit, | 
| probably causing deadlock or other such failure of the other threads | 
| waiting on the same locks. | 
|   | 
| A thread that anticipates possibly using robust_futexes should first | 
| issue the system call:: | 
|   | 
|     asmlinkage long | 
|     sys_set_robust_list(struct robust_list_head __user *head, size_t len); | 
|   | 
| The pointer 'head' points to a structure in the threads address space | 
| consisting of three words.  Each word is 32 bits on 32 bit arch's, or 64 | 
| bits on 64 bit arch's, and local byte order.  Each thread should have | 
| its own thread private 'head'. | 
|   | 
| If a thread is running in 32 bit compatibility mode on a 64 native arch | 
| kernel, then it can actually have two such structures - one using 32 bit | 
| words for 32 bit compatibility mode, and one using 64 bit words for 64 | 
| bit native mode.  The kernel, if it is a 64 bit kernel supporting 32 bit | 
| compatibility mode, will attempt to process both lists on each task | 
| exit, if the corresponding sys_set_robust_list() call has been made to | 
| setup that list. | 
|   | 
|   The first word in the memory structure at 'head' contains a | 
|   pointer to a single linked list of 'lock entries', one per lock, | 
|   as described below.  If the list is empty, the pointer will point | 
|   to itself, 'head'.  The last 'lock entry' points back to the 'head'. | 
|   | 
|   The second word, called 'offset', specifies the offset from the | 
|   address of the associated 'lock entry', plus or minus, of what will | 
|   be called the 'lock word', from that 'lock entry'.  The 'lock word' | 
|   is always a 32 bit word, unlike the other words above.  The 'lock | 
|   word' holds 2 flag bits in the upper 2 bits, and the thread id (TID) | 
|   of the thread holding the lock in the bottom 30 bits.  See further | 
|   below for a description of the flag bits. | 
|   | 
|   The third word, called 'list_op_pending', contains transient copy of | 
|   the address of the 'lock entry', during list insertion and removal, | 
|   and is needed to correctly resolve races should a thread exit while | 
|   in the middle of a locking or unlocking operation. | 
|   | 
| Each 'lock entry' on the single linked list starting at 'head' consists | 
| of just a single word, pointing to the next 'lock entry', or back to | 
| 'head' if there are no more entries.  In addition, nearby to each 'lock | 
| entry', at an offset from the 'lock entry' specified by the 'offset' | 
| word, is one 'lock word'. | 
|   | 
| The 'lock word' is always 32 bits, and is intended to be the same 32 bit | 
| lock variable used by the futex mechanism, in conjunction with | 
| robust_futexes.  The kernel will only be able to wakeup the next thread | 
| waiting for a lock on a threads exit if that next thread used the futex | 
| mechanism to register the address of that 'lock word' with the kernel. | 
|   | 
| For each futex lock currently held by a thread, if it wants this | 
| robust_futex support for exit cleanup of that lock, it should have one | 
| 'lock entry' on this list, with its associated 'lock word' at the | 
| specified 'offset'.  Should a thread die while holding any such locks, | 
| the kernel will walk this list, mark any such locks with a bit | 
| indicating their holder died, and wakeup the next thread waiting for | 
| that lock using the futex mechanism. | 
|   | 
| When a thread has invoked the above system call to indicate it | 
| anticipates using robust_futexes, the kernel stores the passed in 'head' | 
| pointer for that task.  The task may retrieve that value later on by | 
| using the system call:: | 
|   | 
|     asmlinkage long | 
|     sys_get_robust_list(int pid, struct robust_list_head __user **head_ptr, | 
|                         size_t __user *len_ptr); | 
|   | 
| It is anticipated that threads will use robust_futexes embedded in | 
| larger, user level locking structures, one per lock.  The kernel | 
| robust_futex mechanism doesn't care what else is in that structure, so | 
| long as the 'offset' to the 'lock word' is the same for all | 
| robust_futexes used by that thread.  The thread should link those locks | 
| it currently holds using the 'lock entry' pointers.  It may also have | 
| other links between the locks, such as the reverse side of a double | 
| linked list, but that doesn't matter to the kernel. | 
|   | 
| By keeping its locks linked this way, on a list starting with a 'head' | 
| pointer known to the kernel, the kernel can provide to a thread the | 
| essential service available for robust_futexes, which is to help clean | 
| up locks held at the time of (a perhaps unexpectedly) exit. | 
|   | 
| Actual locking and unlocking, during normal operations, is handled | 
| entirely by user level code in the contending threads, and by the | 
| existing futex mechanism to wait for, and wakeup, locks.  The kernels | 
| only essential involvement in robust_futexes is to remember where the | 
| list 'head' is, and to walk the list on thread exit, handling locks | 
| still held by the departing thread, as described below. | 
|   | 
| There may exist thousands of futex lock structures in a threads shared | 
| memory, on various data structures, at a given point in time. Only those | 
| lock structures for locks currently held by that thread should be on | 
| that thread's robust_futex linked lock list a given time. | 
|   | 
| A given futex lock structure in a user shared memory region may be held | 
| at different times by any of the threads with access to that region. The | 
| thread currently holding such a lock, if any, is marked with the threads | 
| TID in the lower 30 bits of the 'lock word'. | 
|   | 
| When adding or removing a lock from its list of held locks, in order for | 
| the kernel to correctly handle lock cleanup regardless of when the task | 
| exits (perhaps it gets an unexpected signal 9 in the middle of | 
| manipulating this list), the user code must observe the following | 
| protocol on 'lock entry' insertion and removal: | 
|   | 
| On insertion: | 
|   | 
|  1) set the 'list_op_pending' word to the address of the 'lock entry' | 
|     to be inserted, | 
|  2) acquire the futex lock, | 
|  3) add the lock entry, with its thread id (TID) in the bottom 30 bits | 
|     of the 'lock word', to the linked list starting at 'head', and | 
|  4) clear the 'list_op_pending' word. | 
|   | 
| On removal: | 
|   | 
|  1) set the 'list_op_pending' word to the address of the 'lock entry' | 
|     to be removed, | 
|  2) remove the lock entry for this lock from the 'head' list, | 
|  3) release the futex lock, and | 
|  4) clear the 'lock_op_pending' word. | 
|   | 
| On exit, the kernel will consider the address stored in | 
| 'list_op_pending' and the address of each 'lock word' found by walking | 
| the list starting at 'head'.  For each such address, if the bottom 30 | 
| bits of the 'lock word' at offset 'offset' from that address equals the | 
| exiting threads TID, then the kernel will do two things: | 
|   | 
|  1) if bit 31 (0x80000000) is set in that word, then attempt a futex | 
|     wakeup on that address, which will waken the next thread that has | 
|     used to the futex mechanism to wait on that address, and | 
|  2) atomically set  bit 30 (0x40000000) in the 'lock word'. | 
|   | 
| In the above, bit 31 was set by futex waiters on that lock to indicate | 
| they were waiting, and bit 30 is set by the kernel to indicate that the | 
| lock owner died holding the lock. | 
|   | 
| The kernel exit code will silently stop scanning the list further if at | 
| any point: | 
|   | 
|  1) the 'head' pointer or an subsequent linked list pointer | 
|     is not a valid address of a user space word | 
|  2) the calculated location of the 'lock word' (address plus | 
|     'offset') is not the valid address of a 32 bit user space | 
|     word | 
|  3) if the list contains more than 1 million (subject to | 
|     future kernel configuration changes) elements. | 
|   | 
| When the kernel sees a list entry whose 'lock word' doesn't have the | 
| current threads TID in the lower 30 bits, it does nothing with that | 
| entry, and goes on to the next entry. |