folly/test/ThreadLocalTest.cpp

   1 /*
   2  * Copyright 2014 Facebook, Inc.
   3  *
   4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
   5  * you may not use this file except in compliance with the License.
   6  * You may obtain a copy of the License at
   7  *
   8  *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
   9  *
  10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
  12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  13  * See the License for the specific language governing permissions and
  14  * limitations under the License.
  15  */
  16
  17 #include <folly/ThreadLocal.h>
  18
  19 #include <sys/types.h>
  20 #include <sys/wait.h>
  21 #include <unistd.h>
  22
  23 #include <array>
  24 #include <atomic>
  25 #include <chrono>
  26 #include <condition_variable>
  27 #include <map>
  28 #include <mutex>
  29 #include <set>
  30 #include <thread>
  31 #include <unordered_map>
  32
  33 #include <boost/thread/tss.hpp>
  34 #include <gflags/gflags.h>
  35 #include <glog/logging.h>
  36 #include <gtest/gtest.h>
  37
  38 #include <folly/Benchmark.h>
  39
  40 using namespace folly;
  41
  42 struct Widget {
  43   static int totalVal_;
  44   int val_;
  45   ~Widget() {
  46     totalVal_ += val_;
  47   }
  48
  49   static void customDeleter(Widget* w, TLPDestructionMode mode) {
  50     totalVal_ += (mode == TLPDestructionMode::ALL_THREADS) * 1000;
  51     delete w;
  52   }
  53 };
  54 int Widget::totalVal_ = 0;
  55
  56 TEST(ThreadLocalPtr, BasicDestructor) {
  57   Widget::totalVal_ = 0;
  58   ThreadLocalPtr<Widget> w;
  59   std::thread([&w]() {
  60       w.reset(new Widget());
  61       w.get()->val_ += 10;
  62     }).join();
  63   EXPECT_EQ(10, Widget::totalVal_);
  64 }
  65
  66 TEST(ThreadLocalPtr, CustomDeleter1) {
  67   Widget::totalVal_ = 0;
  68   {
  69     ThreadLocalPtr<Widget> w;
  70     std::thread([&w]() {
  71         w.reset(new Widget(), Widget::customDeleter);
  72         w.get()->val_ += 10;
  73       }).join();
  74     EXPECT_EQ(10, Widget::totalVal_);
  75   }
  76   EXPECT_EQ(10, Widget::totalVal_);
  77 }
  78
  79 TEST(ThreadLocalPtr, resetNull) {
  80   ThreadLocalPtr<int> tl;
  81   EXPECT_FALSE(tl);
  82   tl.reset(new int(4));
  83   EXPECT_TRUE(static_cast<bool>(tl));
  84   EXPECT_EQ(*tl.get(), 4);
  85   tl.reset();
  86   EXPECT_FALSE(tl);
  87 }
  88
  89 TEST(ThreadLocalPtr, TestRelease) {
  90   Widget::totalVal_ = 0;
  91   ThreadLocalPtr<Widget> w;
  92   std::unique_ptr<Widget> wPtr;
  93   std::thread([&w, &wPtr]() {
  94       w.reset(new Widget());
  95       w.get()->val_ += 10;
  96
  97       wPtr.reset(w.release());
  98     }).join();
  99   EXPECT_EQ(0, Widget::totalVal_);
 100   wPtr.reset();
 101   EXPECT_EQ(10, Widget::totalVal_);
 102 }
 103
 104 TEST(ThreadLocalPtr, CreateOnThreadExit) {
 105   Widget::totalVal_ = 0;
 106   ThreadLocal<Widget> w;
 107   ThreadLocalPtr<int> tl;
 108
 109   std::thread([&] {
 110       tl.reset(new int(1), [&] (int* ptr, TLPDestructionMode mode) {
 111         delete ptr;
 112         // This test ensures Widgets allocated here are not leaked.
 113         ++w.get()->val_;
 114         ThreadLocal<Widget> wl;
 115         ++wl.get()->val_;
 116       });
 117     }).join();
 118   EXPECT_EQ(2, Widget::totalVal_);
 119 }
 120
 121 // Test deleting the ThreadLocalPtr object
 122 TEST(ThreadLocalPtr, CustomDeleter2) {
 123   Widget::totalVal_ = 0;
 124   std::thread t;
 125   std::mutex mutex;
 126   std::condition_variable cv;
 127   enum class State {
 128     START,
 129     DONE,
 130     EXIT
 131   };
 132   State state = State::START;
 133   {
 134     ThreadLocalPtr<Widget> w;
 135     t = std::thread([&]() {
 136         w.reset(new Widget(), Widget::customDeleter);
 137         w.get()->val_ += 10;
 138
 139         // Notify main thread that we're done
 140         {
 141           std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 142           state = State::DONE;
 143           cv.notify_all();
 144         }
 145
 146         // Wait for main thread to allow us to exit
 147         {
 148           std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 149           while (state != State::EXIT) {
 150             cv.wait(lock);
 151           }
 152         }
 153     });
 154
 155     // Wait for main thread to start (and set w.get()->val_)
 156     {
 157       std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 158       while (state != State::DONE) {
 159         cv.wait(lock);
 160       }
 161     }
 162
 163     // Thread started but hasn't exited yet
 164     EXPECT_EQ(0, Widget::totalVal_);
 165
 166     // Destroy ThreadLocalPtr<Widget> (by letting it go out of scope)
 167   }
 168
 169   EXPECT_EQ(1010, Widget::totalVal_);
 170
 171   // Allow thread to exit
 172   {
 173     std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 174     state = State::EXIT;
 175     cv.notify_all();
 176   }
 177   t.join();
 178
 179   EXPECT_EQ(1010, Widget::totalVal_);
 180 }
 181
 182 TEST(ThreadLocal, BasicDestructor) {
 183   Widget::totalVal_ = 0;
 184   ThreadLocal<Widget> w;
 185   std::thread([&w]() { w->val_ += 10; }).join();
 186   EXPECT_EQ(10, Widget::totalVal_);
 187 }
 188
 189 TEST(ThreadLocal, SimpleRepeatDestructor) {
 190   Widget::totalVal_ = 0;
 191   {
 192     ThreadLocal<Widget> w;
 193     w->val_ += 10;
 194   }
 195   {
 196     ThreadLocal<Widget> w;
 197     w->val_ += 10;
 198   }
 199   EXPECT_EQ(20, Widget::totalVal_);
 200 }
 201
 202 TEST(ThreadLocal, InterleavedDestructors) {
 203   Widget::totalVal_ = 0;
 204   std::unique_ptr<ThreadLocal<Widget>> w;
 205   int wVersion = 0;
 206   const int wVersionMax = 2;
 207   int thIter = 0;
 208   std::mutex lock;
 209   auto th = std::thread([&]() {
 210     int wVersionPrev = 0;
 211     while (true) {
 212       while (true) {
 213         std::lock_guard<std::mutex> g(lock);
 214         if (wVersion > wVersionMax) {
 215           return;
 216         }
 217         if (wVersion > wVersionPrev) {
 218           // We have a new version of w, so it should be initialized to zero
 219           EXPECT_EQ((*w)->val_, 0);
 220           break;
 221         }
 222       }
 223       std::lock_guard<std::mutex> g(lock);
 224       wVersionPrev = wVersion;
 225       (*w)->val_ += 10;
 226       ++thIter;
 227     }
 228   });
 229   FOR_EACH_RANGE(i, 0, wVersionMax) {
 230     int thIterPrev = 0;
 231     {
 232       std::lock_guard<std::mutex> g(lock);
 233       thIterPrev = thIter;
 234       w.reset(new ThreadLocal<Widget>());
 235       ++wVersion;
 236     }
 237     while (true) {
 238       std::lock_guard<std::mutex> g(lock);
 239       if (thIter > thIterPrev) {
 240         break;
 241       }
 242     }
 243   }
 244   {
 245     std::lock_guard<std::mutex> g(lock);
 246     wVersion = wVersionMax + 1;
 247   }
 248   th.join();
 249   EXPECT_EQ(wVersionMax * 10, Widget::totalVal_);
 250 }
 251
 252 class SimpleThreadCachedInt {
 253
 254   class NewTag;
 255   ThreadLocal<int,NewTag> val_;
 256
 257  public:
 258   void add(int val) {
 259     *val_ += val;
 260   }
 261
 262   int read() {
 263     int ret = 0;
 264     for (const auto& i : val_.accessAllThreads()) {
 265       ret += i;
 266     }
 267     return ret;
 268   }
 269 };
 270
 271 TEST(ThreadLocalPtr, AccessAllThreadsCounter) {
 272   const int kNumThreads = 10;
 273   SimpleThreadCachedInt stci;
 274   std::atomic<bool> run(true);
 275   std::atomic<int> totalAtomic(0);
 276   std::vector<std::thread> threads;
 277   for (int i = 0; i < kNumThreads; ++i) {
 278     threads.push_back(std::thread([&,i]() {
 279       stci.add(1);
 280       totalAtomic.fetch_add(1);
 281       while (run.load()) { usleep(100); }
 282     }));
 283   }
 284   while (totalAtomic.load() != kNumThreads) { usleep(100); }
 285   EXPECT_EQ(kNumThreads, stci.read());
 286   run.store(false);
 287   for (auto& t : threads) {
 288     t.join();
 289   }
 290 }
 291
 292 TEST(ThreadLocal, resetNull) {
 293   ThreadLocal<int> tl;
 294   tl.reset(new int(4));
 295   EXPECT_EQ(*tl.get(), 4);
 296   tl.reset();
 297   EXPECT_EQ(*tl.get(), 0);
 298   tl.reset(new int(5));
 299   EXPECT_EQ(*tl.get(), 5);
 300 }
 301
 302 namespace {
 303 struct Tag {};
 304
 305 struct Foo {
 306   folly::ThreadLocal<int, Tag> tl;
 307 };
 308 }  // namespace
 309
 310 TEST(ThreadLocal, Movable1) {
 311   Foo a;
 312   Foo b;
 313   EXPECT_TRUE(a.tl.get() != b.tl.get());
 314
 315   a = Foo();
 316   b = Foo();
 317   EXPECT_TRUE(a.tl.get() != b.tl.get());
 318 }
 319
 320 TEST(ThreadLocal, Movable2) {
 321   std::map<int, Foo> map;
 322
 323   map[42];
 324   map[10];
 325   map[23];
 326   map[100];
 327
 328   std::set<void*> tls;
 329   for (auto& m : map) {
 330     tls.insert(m.second.tl.get());
 331   }
 332
 333   // Make sure that we have 4 different instances of *tl
 334   EXPECT_EQ(4, tls.size());
 335 }
 336
 337 namespace {
 338
 339 constexpr size_t kFillObjectSize = 300;
 340
 341 std::atomic<uint64_t> gDestroyed;
 342
 343 /**
 344  * Fill a chunk of memory with a unique-ish pattern that includes the thread id
 345  * (so deleting one of these from another thread would cause a failure)
 346  *
 347  * Verify it explicitly and on destruction.
 348  */
 349 class FillObject {
 350  public:
 351   explicit FillObject(uint64_t idx) : idx_(idx) {
 352     uint64_t v = val();
 353     for (size_t i = 0; i < kFillObjectSize; ++i) {
 354       data_[i] = v;
 355     }
 356   }
 357
 358   void check() {
 359     uint64_t v = val();
 360     for (size_t i = 0; i < kFillObjectSize; ++i) {
 361       CHECK_EQ(v, data_[i]);
 362     }
 363   }
 364
 365   ~FillObject() {
 366     ++gDestroyed;
 367   }
 368
 369  private:
 370   uint64_t val() const {
 371     return (idx_ << 40) | uint64_t(pthread_self());
 372   }
 373
 374   uint64_t idx_;
 375   uint64_t data_[kFillObjectSize];
 376 };
 377
 378 }  // namespace
 379
 380 #if FOLLY_HAVE_STD_THIS_THREAD_SLEEP_FOR
 381 TEST(ThreadLocal, Stress) {
 382   constexpr size_t numFillObjects = 250;
 383   std::array<ThreadLocalPtr<FillObject>, numFillObjects> objects;
 384
 385   constexpr size_t numThreads = 32;
 386   constexpr size_t numReps = 20;
 387
 388   std::vector<std::thread> threads;
 389   threads.reserve(numThreads);
 390
 391   for (size_t i = 0; i < numThreads; ++i) {
 392     threads.emplace_back([&objects] {
 393       for (size_t rep = 0; rep < numReps; ++rep) {
 394         for (size_t i = 0; i < objects.size(); ++i) {
 395           objects[i].reset(new FillObject(rep * objects.size() + i));
 396           std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(100));
 397         }
 398         for (size_t i = 0; i < objects.size(); ++i) {
 399           objects[i]->check();
 400         }
 401       }
 402     });
 403   }
 404
 405   for (auto& t : threads) {
 406     t.join();
 407   }
 408
 409   EXPECT_EQ(numFillObjects * numThreads * numReps, gDestroyed);
 410 }
 411 #endif
 412
 413 // Yes, threads and fork don't mix
 414 // (http://cppwisdom.quora.com/Why-threads-and-fork-dont-mix) but if you're
 415 // stupid or desperate enough to try, we shouldn't stand in your way.
 416 namespace {
 417 class HoldsOne {
 418  public:
 419   HoldsOne() : value_(1) { }
 420   // Do an actual access to catch the buggy case where this == nullptr
 421   int value() const { return value_; }
 422  private:
 423   int value_;
 424 };
 425
 426 struct HoldsOneTag {};
 427
 428 ThreadLocal<HoldsOne, HoldsOneTag> ptr;
 429
 430 int totalValue() {
 431   int value = 0;
 432   for (auto& p : ptr.accessAllThreads()) {
 433     value += p.value();
 434   }
 435   return value;
 436 }
 437
 438 }  // namespace
 439
 440 TEST(ThreadLocal, Fork) {
 441   EXPECT_EQ(1, ptr->value());  // ensure created
 442   EXPECT_EQ(1, totalValue());
 443   // Spawn a new thread
 444
 445   std::mutex mutex;
 446   bool started = false;
 447   std::condition_variable startedCond;
 448   bool stopped = false;
 449   std::condition_variable stoppedCond;
 450
 451   std::thread t([&] () {
 452     EXPECT_EQ(1, ptr->value());  // ensure created
 453     {
 454       std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 455       started = true;
 456       startedCond.notify_all();
 457     }
 458     {
 459       std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 460       while (!stopped) {
 461         stoppedCond.wait(lock);
 462       }
 463     }
 464   });
 465
 466   {
 467     std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 468     while (!started) {
 469       startedCond.wait(lock);
 470     }
 471   }
 472
 473   EXPECT_EQ(2, totalValue());
 474
 475   pid_t pid = fork();
 476   if (pid == 0) {
 477     // in child
 478     int v = totalValue();
 479
 480     // exit successfully if v == 1 (one thread)
 481     // diagnostic error code otherwise :)
 482     switch (v) {
 483     case 1: _exit(0);
 484     case 0: _exit(1);
 485     }
 486     _exit(2);
 487   } else if (pid > 0) {
 488     // in parent
 489     int status;
 490     EXPECT_EQ(pid, waitpid(pid, &status, 0));
 491     EXPECT_TRUE(WIFEXITED(status));
 492     EXPECT_EQ(0, WEXITSTATUS(status));
 493   } else {
 494     EXPECT_TRUE(false) << "fork failed";
 495   }
 496
 497   EXPECT_EQ(2, totalValue());
 498
 499   {
 500     std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 501     stopped = true;
 502     stoppedCond.notify_all();
 503   }
 504
 505   t.join();
 506
 507   EXPECT_EQ(1, totalValue());
 508 }
 509
 510 struct HoldsOneTag2 {};
 511
 512 TEST(ThreadLocal, Fork2) {
 513   // A thread-local tag that was used in the parent from a *different* thread
 514   // (but not the forking thread) would cause the child to hang in a
 515   // ThreadLocalPtr's object destructor. Yeah.
 516   ThreadLocal<HoldsOne, HoldsOneTag2> p;
 517   {
 518     // use tag in different thread
 519     std::thread t([&p] { p.get(); });
 520     t.join();
 521   }
 522   pid_t pid = fork();
 523   if (pid == 0) {
 524     {
 525       ThreadLocal<HoldsOne, HoldsOneTag2> q;
 526       q.get();
 527     }
 528     _exit(0);
 529   } else if (pid > 0) {
 530     int status;
 531     EXPECT_EQ(pid, waitpid(pid, &status, 0));
 532     EXPECT_TRUE(WIFEXITED(status));
 533     EXPECT_EQ(0, WEXITSTATUS(status));
 534   } else {
 535     EXPECT_TRUE(false) << "fork failed";
 536   }
 537 }
 538
 539 // Simple reference implementation using pthread_get_specific
 540 template<typename T>
 541 class PThreadGetSpecific {
 542  public:
 543   PThreadGetSpecific() : key_(0) {
 544     pthread_key_create(&key_, OnThreadExit);
 545   }
 546
 547   T* get() const {
 548     return static_cast<T*>(pthread_getspecific(key_));
 549   }
 550
 551   void reset(T* t) {
 552     delete get();
 553     pthread_setspecific(key_, t);
 554   }
 555   static void OnThreadExit(void* obj) {
 556     delete static_cast<T*>(obj);
 557   }
 558  private:
 559   pthread_key_t key_;
 560 };
 561
 562 DEFINE_int32(numThreads, 8, "Number simultaneous threads for benchmarks.");
 563
 564 #define REG(var)                                                \
 565   BENCHMARK(FB_CONCATENATE(BM_mt_, var), iters) {               \
 566     const int itersPerThread = iters / FLAGS_numThreads;        \
 567     std::vector<std::thread> threads;                           \
 568     for (int i = 0; i < FLAGS_numThreads; ++i) {                \
 569       threads.push_back(std::thread([&]() {                     \
 570         var.reset(new int(0));                                  \
 571         for (int i = 0; i < itersPerThread; ++i) {              \
 572           ++(*var.get());                                       \
 573         }                                                       \
 574       }));                                                      \
 575     }                                                           \
 576     for (auto& t : threads) {                                   \
 577       t.join();                                                 \
 578     }                                                           \
 579   }
 580
 581 ThreadLocalPtr<int> tlp;
 582 REG(tlp);
 583 PThreadGetSpecific<int> pthread_get_specific;
 584 REG(pthread_get_specific);
 585 boost::thread_specific_ptr<int> boost_tsp;
 586 REG(boost_tsp);
 587 BENCHMARK_DRAW_LINE();
 588
 589 int main(int argc, char** argv) {
 590   testing::InitGoogleTest(&argc, argv);
 591   gflags::ParseCommandLineFlags(&argc, &argv, true);
 592   gflags::SetCommandLineOptionWithMode(
 593     "bm_max_iters", "100000000", gflags::SET_FLAG_IF_DEFAULT
 594   );
 595   if (FLAGS_benchmark) {
 596     folly::runBenchmarks();
 597   }
 598   return RUN_ALL_TESTS();
 599 }
 600
 601 /*
 602 Ran with 24 threads on dual 12-core Xeon(R) X5650 @ 2.67GHz with 12-MB caches
 603
 604 Benchmark                               Iters   Total t    t/iter iter/sec
 605 ------------------------------------------------------------------------------
 606 *       BM_mt_tlp                   100000000  39.88 ms  398.8 ps  2.335 G
 607  +5.91% BM_mt_pthread_get_specific  100000000  42.23 ms  422.3 ps  2.205 G
 608  + 295% BM_mt_boost_tsp             100000000  157.8 ms  1.578 ns  604.5 M
 609 ------------------------------------------------------------------------------
 610 */