コグノスケ

glibcのスレッドとスタック

目次: C言語とlibc

誰も興味ないglibcの話シリーズ、スレッドのスタックはどうやって確保するのか？を追います。

ソースコードはglibc-2.35を見ています。pthread_create() の実体はいくつかありますが、2.34以降ならば __pthread_create_2_1() という関数が実体です。

// glibc/nptl/pthread_create.c

versioned_symbol (libc, __pthread_create_2_1, pthread_create, GLIBC_2_34);
libc_hidden_ver (__pthread_create_2_1, __pthread_create)
#ifndef SHARED
strong_alias (__pthread_create_2_1, __pthread_create)
#endif

主要な関数としては、スタックを確保するallocate_stack() とclone() を呼ぶcreate_thread() です。スレッド属性も見てますが、今回は特に使わないので無視します。

__pthread_create_2_1
  allocate_stack
    get_cached_stack
  create_thread

スレッドのスタックは2通りの確保方法があります。1つはキャッシュ、もう1つはmmap() です。

// glibc/nptl/pthread_create.c

static int
allocate_stack (const struct pthread_attr *attr, struct pthread **pdp,
		void **stack, size_t *stacksize)
{

  //...

      /* Try to get a stack from the cache.  */
      reqsize = size;
      pd = get_cached_stack (&size, &mem);
      if (pd == NULL)    //★★キャッシュがなければこのif文が成立してmmapでメモリ確保★★
	{
	  /* If a guard page is required, avoid committing memory by first
	     allocate with PROT_NONE and then reserve with required permission
	     excluding the guard page.  */
	  mem = __mmap (NULL, size, (guardsize == 0) ? prot : PROT_NONE,
			MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_STACK, -1, 0);

  //...

    retval = create_thread (pd, iattr, &stopped_start, stackaddr,
			    stacksize, &thread_ran);

  //...

このget_cached_stack() がNULLを返す＝失敗＝キャッシュからスタックを確保できなかった、という意味です。確保できない場合はmmap() を呼んでカーネルから匿名ページを確保し、スタック領域として使います。

キャッシュに追加する人は誰？

キャッシュからスタックを確保できる場合は何か？というと、既に終了したスレッドのスタック領域がキャッシュにある場合です。スレッドの回収pthread_join() が終わった後のスレッドのスタックにアクセスしてはいけません。つまり誰もアクセスしない領域です。

スタック領域をカーネルに返しても良いですが、カーネルからメモリを確保したり解放するのは一般的に遅い処理のため、別のスレッドのスタックとして再利用してカーネルからのメモリ確保＆解放の回数を減らし、効率を上げる仕組みと思われます。

まずは読み出す側であるget_cached_stack() 関数のコードから見ます。ちなみにコード内に頻出するtcbという単語はThread Controll Blockの略だそうです。

// glibc/nptl/allocatestack.c

static struct pthread *
get_cached_stack (size_t *sizep, void **memp)
{
  size_t size = *sizep;
  struct pthread *result = NULL;
  list_t *entry;

  lll_lock (GL (dl_stack_cache_lock), LLL_PRIVATE);

  /* Search the cache for a matching entry.  We search for the
     smallest stack which has at least the required size.  Note that
     in normal situations the size of all allocated stacks is the
     same.  As the very least there are only a few different sizes.
     Therefore this loop will exit early most of the time with an
     exact match.  */
  list_for_each (entry, &GL (dl_stack_cache))    //★★キャッシュのリストを全部調べる★★
    {
      struct pthread *curr;

      curr = list_entry (entry, struct pthread, list);
      if (__nptl_stack_in_use (curr) && curr->stackblock_size >= size)
	{
	  if (curr->stackblock_size == size)    //★★一致するサイズのスタックがあれば使う★★
	    {
	      result = curr;
	      break;
	    }

	  if (result == NULL
	      || result->stackblock_size > curr->stackblock_size)
	    result = curr;
	}
    }

  //...

カギを握るのはdl_stack_cacheというスタック領域をキャッシュするリストのようです。先程も言いましたが、このリストに要素が追加されるタイミングの1つはpthread_join() です。pthread_join() からコードを追います。

// glibc/nptl/pthread_join.c

int
___pthread_join (pthread_t threadid, void **thread_return)    //★★pthread_join() の実体★★
{
  return __pthread_clockjoin_ex (threadid, thread_return, 0 /* Ignored */,
				 NULL, true);
}
versioned_symbol (libc, ___pthread_join, pthread_join, GLIBC_2_34);


// glibc/nptl/pthread_join_common.c

int
__pthread_clockjoin_ex (pthread_t threadid, void **thread_return,
                        clockid_t clockid,
                        const struct __timespec64 *abstime, bool block)
{
  struct pthread *pd = (struct pthread *) threadid;

  //...

  void *pd_result = pd->result;
  if (__glibc_likely (result == 0))
    {
      /* We mark the thread as terminated and as joined.  */
      pd->tid = -1;

      /* Store the return value if the caller is interested.  */
      if (thread_return != NULL)
	*thread_return = pd_result;

      /* Free the TCB.  */
      __nptl_free_tcb (pd);    //★★これ★★
    }
  else
    pd->joinid = NULL;

  //...


// glibc/nptl/nptl_free_tcb.c

void
__nptl_free_tcb (struct pthread *pd)
{
  /* The thread is exiting now.  */
  if (atomic_bit_test_set (&pd->cancelhandling, TERMINATED_BIT) == 0)
    {
      /* Free TPP data.  */
      if (pd->tpp != NULL)    //★余談TPP = Thread Priority Protectだそうです★
        {
          struct priority_protection_data *tpp = pd->tpp;

          pd->tpp = NULL;
          free (tpp);
        }

      /* Queue the stack memory block for reuse and exit the process.  The
         kernel will signal via writing to the address returned by
         QUEUE-STACK when the stack is available.  */
      __nptl_deallocate_stack (pd);    //★★これ★★
    }
}
libc_hidden_def (__nptl_free_tcb)


// glibc/nptl/nptl-stack.c

void
__nptl_deallocate_stack (struct pthread *pd)
{
  lll_lock (GL (dl_stack_cache_lock), LLL_PRIVATE);

  /* Remove the thread from the list of threads with user defined
     stacks.  */
  __nptl_stack_list_del (&pd->list);

  /* Not much to do.  Just free the mmap()ed memory.  Note that we do
     not reset the 'used' flag in the 'tid' field.  This is done by
     the kernel.  If no thread has been created yet this field is
     still zero.  */
  if (__glibc_likely (! pd->user_stack))
    (void) queue_stack (pd);    //★★これ★★
  else
    /* Free the memory associated with the ELF TLS.  */
    _dl_deallocate_tls (TLS_TPADJ (pd), false);

  lll_unlock (GL (dl_stack_cache_lock), LLL_PRIVATE);
}
libc_hidden_def (__nptl_deallocate_stack)


/* Add a stack frame which is not used anymore to the stack.  Must be
   called with the cache lock held.  */
static inline void
__attribute ((always_inline))
queue_stack (struct pthread *stack)
{
  /* We unconditionally add the stack to the list.  The memory may
     still be in use but it will not be reused until the kernel marks
     the stack as not used anymore.  */
  __nptl_stack_list_add (&stack->list, &GL (dl_stack_cache));  //★★キャッシュのリストに追加★★

  GL (dl_stack_cache_actsize) += stack->stackblock_size;
  if (__glibc_unlikely (GL (dl_stack_cache_actsize)
			> __nptl_stack_cache_maxsize))
    __nptl_free_stacks (__nptl_stack_cache_maxsize);
}

やっとリストdl_stack_cacheにスタック領域を追加している場所まで来ました。もっとあっさりかと思いましたが、意外と呼び出しが深かったです……。

ほとんど見かけないSI接頭辞デカ（da）

何かの量を表すときは数字＋単位（例: 100m）で表します。余りにも桁が多くなり見づらい場合は適切な接頭辞を付けて数字の桁を減らして表すことが多いです（例: 100000m → 100km）。接頭辞はSI（国際単位系）で定義されており、1/1000を表すミリ（m）や1000倍を表すキロ（k）などがあります。これらは良く見かける接頭辞だと思います。

しかしSI接頭辞として定義されているものの、あまり使われない接頭辞もあります。顕著な物はデシ（d）、ヘクト（h）やデカ（da）辺りでしょう。デシとヘクトは少ないながらも見かけますが、デカは使われているところを見たことがありません。

ルールとしてはSI単位であれば、どのSI接頭辞を付けても間違いではない（ヘクトメートルhmも正しい）ですが、非SI単位はSI接頭辞を付けてはいけない場合があります。良く見かける組み合わせを表にしてみました。

各単位の簡単な解説です。

• m: メートル、長さのSI基本単位
• g: グラム、質量のSI基本単位（正確にはkgがSI基本単位）
• Pa: パスカル、圧力のSI組立単位
• Hz: ヘルツ、周波数のSI組立単位
• B: ベル、比を表す単位
• L: リットル、体積の非SI単位、1000cm^3
• a: アール、面積の非SI単位（aは廃止され、haのみが残っている）、100m^2

デカを良く使う単位があれば、是非お目に掛かりたいところです……。

alsa-lib dmixのバグを直した

目次: ALSA

先日送ったalsa-libへのパッチ（2022年4月29日の日記参照）がマージされました（該当するコミットへのリンク）。3週間くらい何も反応が無かったので、送り先を間違ったかな……？と思い始めたところでした。やー良かった良かった。

バグの発見（2014年7月9日の日記参照）から直るまでに8年も空きました。ALSAのような有名なOSSだと利用者数も半端ないので、バグを年単位で放っておくと他の人が同じバグに気づいて直すことが多いです。ところが、このバグは割と発生条件が変わっているのもあり、誰もバグに気づかなかったか、わざわざ直す価値を感じなかったのでしょう。有名OSSでは割と珍しいケースですよね。

BIGLOBE光からの勧誘

目次: プロバイダ

携帯に突然BIGLOBE光から電話が掛かってきて、ドコモ光から切り替えないか？と勧誘されました。KDDIはどこから私の電話番号と、ドコモ光を契約していることを知ったのでしょうか……？

勧誘の人は1,000円/月くらい安くなるはず、今なら工事費を無料で切り替えられる、キャッシュバックの分だけ得、とまくし立ててきます。しかし過去に電話勧誘で契約して良かったことがない（ドコモ光に変えた時とか）ので、契約しませんでした。

料金を確認すると今使っているドコモ光（タイプA）は4,400円/月、BIGLOBE光は4,378円/月で、ほとんど変わりません。しかもBIGLOBE光は3年縛りで、解約の機会がさらに限られます（違約金は11,900円も取られる）。ドコモ光の2年縛りだって最悪なのに3年縛り……悪化させてどうするんでしょう。

適当ばっかり言いやがって、これだから電話勧誘は嫌いなんだ。