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  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): Joachim Breitner
  • Date: 2011-01-17 12:49:24 UTC
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20110117124924-do1pym1jlf5o636m
Tags: upstream-7.0.1
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Lines of Context:
 
1
%
 
2
% (c) The OBFUSCATION-THROUGH-GRATUITOUS-PREPROCESSOR-ABUSE Project,
 
3
%     Glasgow University, 1990-1994
 
4
%
 
5
 
 
6
% TODO:
 
7
%
 
8
% o I (ADR) think it would be worth making the connection with CPS explicit.
 
9
%   Now that we have explicit activation records (on the stack), we can
 
10
%   explain the whole system in terms of CPS and tail calls --- with the
 
11
%   one requirement that we carefuly distinguish stack-allocated objects
 
12
%   from heap-allocated objects.
 
13
 
 
14
% \documentstyle[preprint]{acmconf}
 
15
\documentclass[11pt]{article}
 
16
\oddsidemargin 0.1 in       %   Note that \oddsidemargin = \evensidemargin
 
17
\evensidemargin 0.1 in
 
18
\marginparwidth 0.85in    %   Narrow margins require narrower marginal notes
 
19
\marginparsep 0 in 
 
20
\sloppy
 
21
 
 
22
%\usepackage{epsfig}
 
23
\usepackage{shortvrb}
 
24
\MakeShortVerb{\@}
 
25
 
 
26
%\newcommand{\note}[1]{{\em Note: #1}}
 
27
\newcommand{\note}[1]{{{\bf Note:}\sl #1}}
 
28
\newcommand{\ToDo}[1]{{{\bf ToDo:}\sl #1}}
 
29
\newcommand{\Arg}[1]{\mbox{${\tt arg}_{#1}$}}
 
30
\newcommand{\bottom}{\perp}
 
31
 
 
32
\newcommand{\secref}[1]{Section~\ref{sec:#1}}
 
33
\newcommand{\figref}[1]{Figure~\ref{fig:#1}}
 
34
\newcommand{\Section}[2]{\section{#1}\label{sec:#2}}
 
35
\newcommand{\Subsection}[2]{\subsection{#1}\label{sec:#2}}
 
36
\newcommand{\Subsubsection}[2]{\subsubsection{#1}\label{sec:#2}}
 
37
 
 
38
% DIMENSION OF TEXT:
 
39
\textheight 8.5 in
 
40
\textwidth 6.25 in
 
41
 
 
42
\topmargin 0 in
 
43
\headheight 0 in
 
44
\headsep .25 in
 
45
 
 
46
 
 
47
\setlength{\parskip}{0.15cm}
 
48
\setlength{\parsep}{0.15cm}
 
49
\setlength{\topsep}{0cm}        % Reduces space before and after verbatim,
 
50
                                % which is implemented using trivlist 
 
51
\setlength{\parindent}{0cm}
 
52
 
 
53
\renewcommand{\textfraction}{0.2}
 
54
\renewcommand{\floatpagefraction}{0.7}
 
55
 
 
56
\begin{document}
 
57
 
 
58
\title{The STG runtime system (revised)}
 
59
\author{Simon Peyton Jones \\ Microsoft Research Ltd., Cambridge \and
 
60
Simon Marlow \\ Microsoft Research Ltd., Cambridge \and
 
61
Alastair Reid \\ Yale University} 
 
62
 
 
63
\maketitle
 
64
 
 
65
\tableofcontents
 
66
\newpage
 
67
 
 
68
\part{Introduction}
 
69
\Section{Overview}{overview}
 
70
 
 
71
This document describes the GHC/Hugs run-time system.  It serves as 
 
72
a Glasgow/Yale/Nottingham ``contract'' about what the RTS does.
 
73
 
 
74
\Subsection{New features compared to GHC 3.xx}{new-features}
 
75
 
 
76
\begin{itemize}
 
77
\item The RTS supports mixed compiled/interpreted execution, so
 
78
that a program can consist of a mixture of GHC-compiled and Hugs-interpreted
 
79
code.
 
80
 
 
81
\item The RTS supports concurrency by default.
 
82
This has some costs (eg we can't do hardware stack checks) but
 
83
reduces the number of different configurations we need to support.
 
84
 
 
85
\item CAFs are only retained if they are
 
86
reachable.  Since they are referred to by implicit references buried
 
87
in code, this means that the garbage collector must traverse the whole
 
88
accessible code tree.  This feature eliminates a whole class of painful
 
89
space leaks.
 
90
 
 
91
\item A running thread has only one stack, which contains a mixture of
 
92
pointers and non-pointers.  \secref{TSO} describes how we find out
 
93
which is which.  (GHC has used two stacks for some while.  Using one
 
94
stack instead of two reduces register pressure, reduces the size of
 
95
update frames, and eliminates ``stack-stubbing'' instructions.)
 
96
 
 
97
\item The ``return in registers'' return convention has been dropped
 
98
because it was complicated and doesn't work well on register-poor
 
99
architectures.  It has been partly replaced by unboxed tuples
 
100
(\secref{unboxed-tuples}) which allow the programmer to
 
101
explicitly state where results should be returned in registers (or on
 
102
the stack) instead of on the heap.
 
103
 
 
104
\item Exceptions are supported by the RTS.
 
105
 
 
106
\item Weak Pointers generalise the previously available Foreign Object
 
107
interface.
 
108
 
 
109
\item The garbage collector supports a number of new features,
 
110
including a dynamically resizable heap and multiple generations with
 
111
aging within a generation.
 
112
 
 
113
\end{itemize}
 
114
 
 
115
\Subsection{Wish list}{wish-list}
 
116
 
 
117
Here's a list of things we'd like to support in the future.
 
118
\begin{itemize}
 
119
\item Interrupts, speculative computation.
 
120
 
 
121
\item
 
122
The SM could tune the size of the allocation arena, the number of
 
123
generations, etc taking into account residency, GC rate and page fault
 
124
rate.
 
125
 
 
126
\item 
 
127
We could trigger a GC when all threads are blocked waiting for IO if
 
128
the allocation arena (or some of the generations) are nearly full.
 
129
 
 
130
\end{itemize}
 
131
 
 
132
\Subsection{Configuration}{configuration}
 
133
 
 
134
Some of the above features are expensive or less portable, so we
 
135
envision building a number of different configurations supporting
 
136
different subsets of the above features.
 
137
 
 
138
You can make the following choices:
 
139
\begin{itemize}
 
140
\item
 
141
Support for parallelism.  There are three mutually-exclusive choices.
 
142
 
 
143
\begin{description}
 
144
\item[@SEQUENTIAL@] Support for concurrency but not for parallelism.
 
145
\item[@GRANSIM@]    Concurrency support and simulated parallelism.
 
146
\item[@PARALLEL@]   Concurrency support and real parallelism.
 
147
\end{description}
 
148
 
 
149
\item @PROFILING@ adds cost-centre profiling.
 
150
 
 
151
\item @TICKY@ gathers internal statistics (often known as ``ticky-ticky'' code).
 
152
 
 
153
\item @DEBUG@ does internal consistency checks.
 
154
 
 
155
\item Persistence. (well, not yet).
 
156
 
 
157
\item
 
158
Which garbage collector to use.  At the moment we
 
159
only anticipate one, however.
 
160
\end{itemize}
 
161
 
 
162
\Subsection{Glossary}{glossary}
 
163
 
 
164
\ToDo{This terminology is not used consistently within the document.
 
165
If you find something which disagrees with this terminology, fix the
 
166
usage.}
 
167
 
 
168
In the type system, we have boxed and unboxed types.
 
169
 
 
170
\begin{itemize}
 
171
 
 
172
\item A \emph{pointed} type is one that contains $\bot$.  Variables with
 
173
pointed types are the only things which can be lazily evaluated.  In
 
174
the STG machine, this means that they are the only things that can be 
 
175
\emph{entered} or \emph{updated} and it requires that they be boxed.
 
176
 
 
177
\item An \emph{unpointed} type is one that does not contain $\bot$.
 
178
Variables with unpointed types are never delayed --- they are always
 
179
evaluated when they are constructed.  In the STG machine, this means
 
180
that they cannot be \emph{entered} or \emph{updated}.  Unpointed objects
 
181
may be boxed (like @Array#@) or unboxed (like @Int#@).
 
182
 
 
183
\end{itemize}
 
184
 
 
185
In the implementation, we have different kinds of objects:
 
186
 
 
187
\begin{itemize}
 
188
 
 
189
\item \emph{boxed} objects are heap objects used by the evaluators
 
190
 
 
191
\item \emph{unboxed} objects are not heap allocated
 
192
 
 
193
\item \emph{stack} objects are allocated on the stack
 
194
 
 
195
\item \emph{closures} are objects which can be \emph{entered}. 
 
196
They are always boxed and always have boxed types.
 
197
They may be in WHNF or they may be unevaluated.  
 
198
 
 
199
\item A \emph{thunk} is a (representation of) a value of a \emph{pointed}
 
200
type which is \emph{not} in WHNF.
 
201
 
 
202
\item A \emph{value} is an object in WHNF.  It can be pointed or unpointed.
 
203
 
 
204
\end{itemize}
 
205
 
 
206
 
 
207
 
 
208
At the hardware level, we have \emph{word}s and \emph{pointer}s.
 
209
 
 
210
\begin{itemize}
 
211
 
 
212
\item A \emph{word} is (at least) 32 bits and can hold either a signed
 
213
or an unsigned int.
 
214
 
 
215
\item A \emph{pointer} is (at least) 32 bits and big enough to hold a
 
216
function pointer or a data pointer.  
 
217
 
 
218
\end{itemize}
 
219
 
 
220
Occasionally, a field of a data structure must hold either a word or a
 
221
pointer.  In such circumstances, it is \emph{not safe} to assume that
 
222
words and pointers are the same size.  \ToDo{GHC currently makes words
 
223
the same size as pointers to reduce complexity in the code
 
224
generator/RTS.  It would be useful to relax this restriction, and have
 
225
eg. 32-bit Ints on a 64-bit machine.}
 
226
 
 
227
% should define terms like SRT, CAF, PAP, etc. here?  --KSW 1999-03
 
228
 
 
229
\subsection{Subtle Dependencies}
 
230
 
 
231
Some decisions have very subtle consequences which should be written
 
232
down in case we want to change our minds.  
 
233
 
 
234
\begin{itemize}
 
235
 
 
236
\item
 
237
 
 
238
If the garbage collector is allowed to shrink the stack of a thread,
 
239
we cannot omit the stack check in return continuations
 
240
(\secref{heap-and-stack-checks}).
 
241
 
 
242
\item
 
243
 
 
244
When we return to the scheduler, the top object on the stack is a closure.
 
245
The scheduler restarts the thread by entering the closure.
 
246
 
 
247
\secref{hugs-return-convention} discusses how Hugs returns an
 
248
unboxed value to GHC and how GHC returns an unboxed value to Hugs.
 
249
 
 
250
\item 
 
251
 
 
252
When we return to the scheduler, we need a few empty words on the stack
 
253
to store a closure to reenter.  \secref{heap-and-stack-checks}
 
254
discusses who does the stack check and how much space they need.
 
255
 
 
256
\item
 
257
 
 
258
Heap objects never contain slop --- this is required if we want to
 
259
support mostly-copying garbage collection.
 
260
 
 
261
This is a big problem when updating since the updatee is usually
 
262
bigger than an indirection object.  The fix is to overwrite the end of
 
263
the updatee with ``slop objects'' (described in
 
264
\secref{slop-objects}).  This is hard to arrange if we do
 
265
\emph{lazy} blackholing (\secref{lazy-black-holing}) so we
 
266
currently plan to blackhole an object when we push the update frame.
 
267
 
 
268
% Idea: have specialised update code for various common sizes of
 
269
% updatee, the update frame hence encodes the length of the object.
 
270
% Specialised indirections will also encode the length of the object.  A
 
271
% generic version of the update code will overwrite the slop with a slop
 
272
% object.  We can do the same thing for blackhole objects, or just have
 
273
% a generic version that is the same size as an indirection and
 
274
% overwrite the slop with a slop object when blackholing.  So: does this
 
275
% avoid the need to do eager black holing?
 
276
 
 
277
\item
 
278
 
 
279
Info tables for constructors contain enough information to decide which
 
280
return convention they use.  This allows Hugs to use a single piece of
 
281
entry code for all constructors and insulates Hugs from changes in the
 
282
choice of return convention.
 
283
 
 
284
\end{itemize}
 
285
 
 
286
\Section{Source Language}{source-language}
 
287
 
 
288
\Subsection{Explicit Allocation}{explicit-allocation}
 
289
 
 
290
As in the original STG machine, (almost) all heap allocation is caused
 
291
by executing a let(rec).  Since we no longer support the return in
 
292
registers convention for data constructors, constructors now cause heap
 
293
allocation and so they should be let-bound.
 
294
 
 
295
For example, we now write
 
296
\begin{verbatim}
 
297
> cons = \ x xs -> let r = (:) x xs in r
 
298
@
 
299
instead of
 
300
\begin{verbatim}
 
301
> cons = \ x xs -> (:) x xs
 
302
\end{verbatim}
 
303
 
 
304
\note{For historical reasons, GHC doesn't use this syntax --- but it should.}
 
305
 
 
306
\Subsection{Unboxed tuples}{unboxed-tuples}
 
307
 
 
308
Functions can take multiple arguments as easily as they can take one
 
309
argument: there's no cost for adding another argument.  But functions
 
310
can only return one result: the cost of adding a second ``result'' is
 
311
that the function must construct a tuple of ``results'' on the heap.
 
312
The assymetry is rather galling and can make certain programming
 
313
styles quite expensive.  For example, consider a simple state transformer
 
314
monad:
 
315
\begin{verbatim}
 
316
> type S a     = State -> (a,State)
 
317
> bindS m k s0 = case m s0 of { (a,s1) -> k a s1 }
 
318
> returnS a s  = (a,s)
 
319
> getS s       = (s,s)
 
320
> setS s _     = ((),s)
 
321
\end{verbatim}
 
322
Here, every use of @returnS@, @getS@ or @setS@ constructs a new tuple
 
323
in the heap which is instantly taken apart (and becomes garbage) by
 
324
the case analysis in @bind@.  Even a short state-transformer program
 
325
will construct a lot of these temporary tuples.
 
326
 
 
327
Unboxed tuples provide a way for the programmer to indicate that they
 
328
do not expect a tuple to be shared and that they do not expect it to
 
329
be allocated in the heap.  Syntactically, unboxed tuples are just like
 
330
single constructor datatypes except for the annotation @unboxed@.
 
331
\begin{verbatim}
 
332
> data unboxed AAndState# a = AnS a State
 
333
> type S a = State -> AAndState# a
 
334
> bindS m k s0 = case m s0 of { AnS a s1 -> k a s1 }
 
335
> returnS a s  = AnS a s
 
336
> getS s       = AnS s s
 
337
> setS s _     = AnS () s
 
338
\end{verbatim}
 
339
Semantically, unboxed tuples are just unlifted tuples and are subject
 
340
to the same restrictions as other unpointed types.
 
341
 
 
342
Operationally, unboxed tuples are never built on the heap.  When
 
343
an unboxed tuple is returned, it is returned in multiple registers
 
344
or multiple stack slots.  At first sight, this seems a little strange
 
345
but it's no different from passing double precision floats in two
 
346
registers.
 
347
 
 
348
Notes:
 
349
\begin{itemize}
 
350
\item
 
351
Unboxed tuples can only have one constructor and that
 
352
thunks never have unboxed types --- so we'll never try to update an
 
353
unboxed constructor.  The restriction to a single constructor is
 
354
largely to avoid garbage collection complications.
 
355
 
 
356
\item
 
357
The core syntax does not allow variables to be bound to
 
358
unboxed tuples (ie in default case alternatives or as function arguments)
 
359
and does not allow unboxed tuples to be fields of other constructors.
 
360
However, there's no harm in allowing it in the source syntax as a
 
361
convenient, but easily removed, syntactic sugar.
 
362
 
 
363
\item
 
364
The compiler generates a closure of the form
 
365
\begin{verbatim}
 
366
> c = \ x y z -> C x y z
 
367
\end{verbatim}
 
368
for every constructor (whether boxed or unboxed).  
 
369
 
 
370
This closure is normally used during desugaring to ensure that
 
371
constructors are saturated and to apply any strictness annotations.
 
372
They are also used when returning unboxed constructors to the machine
 
373
code evaluator from the bytecode evaluator and when a heap check fails
 
374
in a return continuation for an unboxed-tuple scrutinee.
 
375
 
 
376
\end{itemize}
 
377
 
 
378
\Subsection{STG Syntax}{stg-syntax}
 
379
 
 
380
 
 
381
\ToDo{Insert STG syntax with appropriate changes.}
 
382
 
 
383
 
 
384
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
385
\part{System Overview}
 
386
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
387
 
 
388
This part is concerned with defining the external interfaces of the
 
389
major components of the system; the next part is concerned with their
 
390
inner workings.
 
391
 
 
392
The major components of the system are:
 
393
\begin{itemize}
 
394
 
 
395
\item 
 
396
 
 
397
The evaluators (\secref{sm-overview}) are responsible for
 
398
evaluating heap objects.  The system supports two evaluators: the
 
399
machine code evaluator; and the bytecode evaluator.
 
400
 
 
401
\item 
 
402
 
 
403
The scheduler (\secref{scheduler-overview}) acts as the
 
404
coordinator for the whole system.  It is responsible for switching
 
405
between evaluators, switching between threads, garbage collection,
 
406
communication between multiple processors, etc.
 
407
 
 
408
\item 
 
409
 
 
410
The storage manager (\secref{evaluators-overview}) is
 
411
responsible for allocating blocks of contiguous memory and for garbage
 
412
collection.
 
413
 
 
414
\item 
 
415
 
 
416
The loader (\secref{loader-overview}) is responsible for
 
417
loading machine code and bytecode files from the file system and for
 
418
resolving references between separately compiled modules.
 
419
 
 
420
\item 
 
421
 
 
422
The compilers (\secref{compilers-overview}) generate machine
 
423
code and bytecode files which can be loaded by the loader.
 
424
 
 
425
\end{itemize}
 
426
 
 
427
\ToDo{Insert diagram showing all components underneath the scheduler
 
428
and communicating only with the scheduler}
 
429
 
 
430
 
 
431
\Section{The Evaluators}{evaluators-overview}
 
432
 
 
433
There are two evaluators: a machine code evaluator and a bytecode
 
434
evaluator.  The evaluators task is to evaluate code within a thread
 
435
until one of the following happens:
 
436
 
 
437
\begin{itemize}
 
438
\item heap overflow
 
439
\item stack overflow
 
440
\item it is preempted
 
441
\item it blocks in one of the concurrency primitives
 
442
\item it performs a safe ccall
 
443
\item it needs to switch to the other evaluator.
 
444
\end{itemize}
 
445
 
 
446
The evaluators expect to find a closure on top of the thread's stack
 
447
and terminate with a closure on top of the thread's stack.
 
448
 
 
449
\Subsection{Evaluation Model}{evaluation-model}
 
450
 
 
451
Whilst the evaluators differ internally, they share a common
 
452
evaluation model and many object representations.
 
453
 
 
454
\Subsubsection{Heap objects}{heap-objects-overview}
 
455
 
 
456
The choice of heap and stack objects used by the evaluators is tightly
 
457
bound to the evaluation model.  This section provides an overview of
 
458
the most important heap and stack objects; further details are given
 
459
later.
 
460
 
 
461
All heap objects look like this:
 
462
 
 
463
\begin{center}
 
464
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
465
\emph{Header} & \emph{Payload} \\ \hline
 
466
\end{tabular}
 
467
\end{center}
 
468
 
 
469
The headers vary between different kinds of object but they all start
 
470
with a pointer to a pair consisting of an \emph{info table} and some
 
471
\emph{entry code}.  The info table is used both by the evaluators and
 
472
by the storage manager and contains a @type@ field which identifies
 
473
which kind of heap object uses it and determines the interpretation of
 
474
the payload and of the other fields of the info table.  The entry code
 
475
is some machine code used by the machine code evaluator to evaluate
 
476
closures and raises an error for other kinds of objects.
 
477
 
 
478
The major kinds of heap object used are as follows.  (For simplicity,
 
479
this description omits certain optimisations and extra fields required
 
480
by the garbage collector.)
 
481
 
 
482
\begin{description}
 
483
 
 
484
\item[Constructors] are used to represent data constructors.  Their
 
485
payload consists of the fields of the constructor; the tag of the
 
486
constructor is stored in the info table.
 
487
 
 
488
\begin{center}
 
489
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
490
@CONSTR@ & \emph{Fields} \\ \hline
 
491
\end{tabular}
 
492
\end{center}
 
493
 
 
494
\item[Primitive objects] are used to represent objects with unlifted
 
495
types which are too large to fit in a register (or stack slot) or for
 
496
which sharing must be preserved.  Primitive objects include large
 
497
objects such as multiple precision integers and immutable arrays and
 
498
mutable objects such as mutable arrays, mutable variables, MVar's,
 
499
IVar's and foreign object pointers.  Since primitive objects are not
 
500
lifted, they cannot be entered.  Their payload varies according to the
 
501
kind of object.
 
502
 
 
503
\item[Function closures] are used to represent functions.  Their
 
504
payload (if any) consists of the free variables of the function.
 
505
 
 
506
\begin{center}
 
507
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
508
@FUN@ & \emph{Free Variables} \\ \hline
 
509
\end{tabular}
 
510
\end{center}
 
511
 
 
512
Function closures are only generated by the machine code compiler.
 
513
 
 
514
\item[Thunks] are used to represent unevaluated expressions which will
 
515
be updated with their result.  Their payload (if any) consists of the
 
516
free variables of the function.  The entry code for a thunk starts by
 
517
pushing an \emph{update frame} onto the stack.  When evaluation of the
 
518
thunk completes, the update frame will cause the thunk to be
 
519
overwritten again with an \emph{indirection} to the result of the
 
520
thunk, which is always a constructor or a partial application.
 
521
 
 
522
\begin{center}
 
523
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
524
@THUNK@ & \emph{Free Variables} \\ \hline
 
525
\end{tabular}
 
526
\end{center}
 
527
 
 
528
Thunks are only generated by the machine code evaluator.
 
529
 
 
530
\item[Byte-code Objects (@BCO@s)] are generated by the bytecode
 
531
compiler.  In conjunction with \emph{updatable applications} and
 
532
\emph{non-updatable applications} they are used to represent
 
533
functions, unevaluated expressions and return addresses.
 
534
 
 
535
\begin{center}
 
536
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
537
@BCO@ & \emph{Constant Pool} & \emph{Bytecodes} \\ \hline
 
538
\end{tabular}
 
539
\end{center}
 
540
 
 
541
\item[Non-updatable (Partial) Applications] are used to represent the
 
542
application of a function to an insufficient number of arguments.
 
543
Their payload consists of the function and the arguments received so far.
 
544
 
 
545
\begin{center}
 
546
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
547
@PAP@ & \emph{Function Closure} & \emph{Arguments} \\ \hline
 
548
\end{tabular}
 
549
\end{center}
 
550
 
 
551
@PAP@s are used when a function is applied to too few arguments and by
 
552
code generated by the lambda-lifting phase of the bytecode compiler.
 
553
 
 
554
\item[Updatable Applications] are used to represent the application of
 
555
a function to a sufficient number of arguments.  Their payload
 
556
consists of the function and its arguments.  
 
557
 
 
558
Updateable applications are like thunks: on entering an updateable
 
559
application, the evaluators push an \emph{update frame} onto the stack
 
560
and overwrite the application with a \emph{black hole}; when
 
561
evaluation completes, the evaluators overwrite the application with an
 
562
\emph{indirection} to the result of the application.
 
563
 
 
564
\begin{center}
 
565
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
566
@AP@ & \emph{Function Closure} & \emph{Arguments} \\ \hline
 
567
\end{tabular}
 
568
\end{center}
 
569
 
 
570
@AP@s are only generated by the bytecode compiler.
 
571
 
 
572
\item[Black holes] are used to mark updateable closures which are
 
573
currently being evaluated.  ``Black holing'' an object cures a
 
574
potential space leak and detects certain classes of infinite loops.
 
575
More imporantly, black holes act as synchronisation objects between
 
576
separate threads: if a second thread tries to enter an updateable
 
577
closure which is already being evaluated, the second thread is added
 
578
to a list of blocked threads and the thread is suspended.
 
579
 
 
580
When evaluation of the black-holed closure completes, the black hole
 
581
is overwritten with an indirection to the result of the closure and
 
582
any blocked threads are restored to the runnable queue.
 
583
 
 
584
Closures are overwritten by black-holes during a ``lazy black-holing''
 
585
phase which runs on each thread when it returns to the scheduler.
 
586
\ToDo{section describing lazy black-holing}.
 
587
 
 
588
\begin{center}
 
589
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
590
@BLACKHOLE@ & \emph{Blocked threads} \\ \hline
 
591
\end{tabular}
 
592
\end{center}
 
593
 
 
594
\ToDo{In a single threaded system, it's trivial to detect infinite
 
595
loops: reentering a BLACKHOLE is always an error.  How easy is it in a
 
596
multi-threaded system?}
 
597
 
 
598
\item[Indirections] are used to update an unevaluated closure with its
 
599
(usually fully evaluated) result in situations where it isn't possible
 
600
to perform an update in place.  (In the current system, we always
 
601
update with an indirection to avoid duplicating the result when doing
 
602
an update in place.)
 
603
 
 
604
\begin{center}
 
605
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
606
@IND@ & \emph{Closure} \\ \hline
 
607
\end{tabular}
 
608
\end{center}
 
609
 
 
610
Indirections needn't always point to a closure in WHNF.  They can
 
611
point to a chain of indirections which point to an evaluated closure.
 
612
 
 
613
\item[Thread State Objects (@TSO@s)] represent Haskell threads.  Their
 
614
payload consists of some per-thread information such as the Thread ID
 
615
and the status of the thread (runnable, blocked etc.), and the
 
616
thread's stack.  See @TSO.h@ for the full story.  @TSO@s may be
 
617
resized by the scheduler if its stack is too small or too large.
 
618
 
 
619
The thread stack grows downwards from higher to lower addresses.
 
620
 
 
621
\begin{center}
 
622
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
623
@TSO@ & \emph{Thread info} & \emph{Stack} \\ \hline
 
624
\end{tabular}
 
625
\end{center}
 
626
 
 
627
\end{description}
 
628
 
 
629
\Subsubsection{Stack objects}{stack-objects-overview}
 
630
 
 
631
The stack contains a mixture of \emph{pending arguments} and 
 
632
\emph{stack objects}.
 
633
 
 
634
Pending arguments are arguments to curried functions which have not
 
635
yet been incorporated into an activation frame.  For example, when
 
636
evaluating @let { g x y = x + y; f x = g{x} } in f{3,4}@, the
 
637
evaluator pushes both arguments onto the stack and enters @f@.  @f@
 
638
only requires one argument so it leaves the second argument as a
 
639
\emph{pending argument}.  The pending argument remains on the stack
 
640
until @f@ calls @g@ which requires two arguments: the argument passed
 
641
to it by @f@ and the pending argument which was passed to @f@.
 
642
 
 
643
Unboxed pending arguments are always preceeded by a ``tag'' which says
 
644
how large the argument is.  This allows the garbage collector to
 
645
locate pointers within the stack.
 
646
 
 
647
There are three kinds of stack object: return addresses, update frames
 
648
and seq frames.  All stack objects look like this
 
649
 
 
650
\begin{center}
 
651
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
652
\emph{Header} & \emph{Payload} \\ \hline
 
653
\end{tabular}
 
654
\end{center}
 
655
 
 
656
As with heap objects, the header starts with a pointer to a pair
 
657
consisting of an \emph{info table} and some \emph{entry code}.
 
658
 
 
659
\begin{description}
 
660
 
 
661
\item[Return addresses] are used to cause selection and execution of
 
662
case alternatives when a constructor is returned.  Return addresses
 
663
generated by the machine code compiler look like this:
 
664
 
 
665
\begin{center}
 
666
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
667
@RET_XXX@ & \emph{Free Variables of the case alternatives} \\ \hline
 
668
\end{tabular}
 
669
\end{center}
 
670
 
 
671
The free variables are a mixture of pointers and non-pointers whose
 
672
layout is described by a bitmask in the info table.
 
673
 
 
674
There are several kinds of @RET_XXX@ return address - see
 
675
\secref{activation-records} for the details.
 
676
 
 
677
Return addresses generated by the bytecode compiler look like this:
 
678
\begin{center}
 
679
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
680
@BCO_RET@ & \emph{BCO} & \emph{Free Variables of the case alternatives} \\ \hline
 
681
\end{tabular}
 
682
\end{center}
 
683
 
 
684
There is just one @BCO_RET@ info pointer.  We avoid needing different
 
685
@BCO_RET@s for each stack layout by tagging unboxed free variables as
 
686
though they were pending arguments.
 
687
 
 
688
\item[Update frames] are used to trigger updates.  When an update
 
689
frame is entered, it overwrites the updatee with an indirection to the
 
690
result, restarts any threads blocked on the @BLACKHOLE@ and returns to
 
691
the stack object underneath the update frame.
 
692
 
 
693
\begin{center}
 
694
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
695
@UPDATE_FRAME@ & \emph{Next Update Frame} & \emph{Updatee} \\ \hline
 
696
\end{tabular}
 
697
\end{center}
 
698
 
 
699
\item[Seq frames] are used to implement the polymorphic @seq@
 
700
primitive.  They are a special kind of update frame, and are linked on
 
701
the update frame list.
 
702
 
 
703
\begin{center}
 
704
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
705
@SEQ_FRAME@ & \emph{Next Update Frame} \\ \hline
 
706
\end{tabular}
 
707
\end{center}
 
708
 
 
709
\item[Stop frames] are put on the bottom of each thread's stack, and
 
710
act as sentinels for the update frame list (i.e. the last update frame
 
711
points to the stop frame).  Returning to a stop frame terminates the
 
712
thread.  Stop frames have no payload:
 
713
 
 
714
\begin{center}
 
715
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
716
@SEQ_FRAME@ \\ \hline
 
717
\end{tabular}
 
718
\end{center}
 
719
 
 
720
\end{description}
 
721
 
 
722
\Subsubsection{Case expressions}{case-expr-overview}
 
723
 
 
724
In the STG language, all evaluation is triggered by evaluating a case
 
725
expression.  When evaluating a case expression @case e of alts@, the
 
726
evaluators pushes a return address onto the stack and evaluate the
 
727
expression @e@.  When @e@ eventually reduces to a constructor, the
 
728
return address on the stack is entered.  The details of how the
 
729
constructor is passed to the return address and how the appropriate
 
730
case alternative is selected vary between evaluators.
 
731
 
 
732
Case expressions for unboxed data types are essentially the same: the
 
733
case expression pushes a return address onto the stack before
 
734
evaluating the scrutinee; when a function returns an unboxed value, it
 
735
enters the return address on top of the stack.
 
736
 
 
737
 
 
738
\Subsubsection{Function applications}{fun-app-overview}
 
739
 
 
740
In the STG language, all function calls are tail calls.  The arguments
 
741
are pushed onto the stack and the function closure is entered.  If any
 
742
arguments are unboxed, they must be tagged as unboxed pending
 
743
arguments.  Entering a closure is just a special case of calling a
 
744
function with no arguments.
 
745
 
 
746
 
 
747
\Subsubsection{Let expressions}{let-expr-overview}
 
748
 
 
749
In the STG language, almost all heap allocation is caused by let
 
750
expressions.  Filling in the contents of a set of mutually recursive
 
751
heap objects is simple enough; the only difficulty is that once the
 
752
heap space has been allocated, the thread must not return to the
 
753
scheduler until after the objects are filled in.
 
754
 
 
755
 
 
756
\Subsubsection{Primitive operations}{primop-overview}
 
757
 
 
758
\ToDo{}
 
759
 
 
760
Most primops are simple, some aren't.
 
761
 
 
762
 
 
763
 
 
764
 
 
765
 
 
766
 
 
767
\Section{Scheduler}{scheduler-overview}
 
768
 
 
769
The Scheduler is the heart of the run-time system.  A running program
 
770
consists of a single running thread, and a list of runnable and
 
771
blocked threads.  A thread is represented by a \emph{Thread Status
 
772
Object} (TSO), which contains a few words status information and a
 
773
stack.  Except for the running thread, all threads have a closure on
 
774
top of their stack; the scheduler restarts a thread by entering an
 
775
evaluator which performs some reduction and returns to the scheduler.
 
776
 
 
777
\Subsection{The scheduler's main loop}{scheduler-main-loop}
 
778
 
 
779
The scheduler consists of a loop which chooses a runnable thread and
 
780
invokes one of the evaluators which performs some reduction and
 
781
returns.
 
782
 
 
783
The scheduler also takes care of system-wide issues such as heap
 
784
overflow or communication with other processors (in the parallel
 
785
system) and thread-specific problems such as stack overflow.
 
786
 
 
787
\Subsection{Creating a thread}{create-thread}
 
788
 
 
789
Threads are created:
 
790
 
 
791
\begin{itemize}
 
792
 
 
793
\item
 
794
 
 
795
When the scheduler is first invoked.
 
796
 
 
797
\item
 
798
 
 
799
When a message is received from another processor (I think). (Parallel
 
800
system only.)
 
801
 
 
802
\item
 
803
 
 
804
When a C program calls some Haskell code.
 
805
 
 
806
\item
 
807
 
 
808
By @forkIO@, @takeMVar@ and (maybe) other Concurrent Haskell primitives.
 
809
 
 
810
\end{itemize}
 
811
 
 
812
 
 
813
\Subsection{Restarting a thread}{thread-restart}
 
814
 
 
815
When the scheduler decides to run a thread, it has to decide which
 
816
evaluator to use.  It does this by looking at the type of the closure
 
817
on top of the stack.
 
818
\begin{itemize}
 
819
\item @BCO@ $\Rightarrow$ bytecode evaluator
 
820
\item @FUN@ or @THUNK@ $\Rightarrow$ machine code evaluator
 
821
\item @CONSTR@ $\Rightarrow$ machine code evaluator
 
822
\item other $\Rightarrow$ either evaluator.
 
823
\end{itemize}
 
824
 
 
825
The only surprise in the above is that the scheduler must enter the
 
826
machine code evaluator if there's a constructor on top of the stack.
 
827
This allows the bytecode evaluator to return a constructor to a
 
828
machine code return address by pushing the constructor on top of the
 
829
stack and returning to the scheduler.  If the return address under the
 
830
constructor is @HUGS_RET@, the entry code for @HUGS_RET@ will
 
831
rearrange the stack so that the return @BCO@ is on top of the stack
 
832
and return to the scheduler which will then call the bytecode
 
833
evaluator.  There is little point in trying to shorten this slightly
 
834
indirect route since it is will happen very rarely if at all.
 
835
 
 
836
\note{As an optimisation, we could store the choice of evaluator in
 
837
the TSO status whenever we leave the evaluator.  This is required for
 
838
any thread, no matter what state it is in (blocked, stack overflow,
 
839
etc).  It isn't clear whether this would accomplish anything.}
 
840
 
 
841
\Subsection{Returning from a thread}{thread-return}
 
842
 
 
843
The evaluators return to the scheduler when any of the following
 
844
conditions arise:
 
845
 
 
846
\begin{itemize}
 
847
\item A heap check fails, and a garbage collection is required.
 
848
 
 
849
\item A stack check fails, and the scheduler must either enlarge the
 
850
current thread's stack, or flag an out of memory condition.
 
851
 
 
852
\item A thread enters a closure built by the other evaluator.  That
 
853
is, when the bytecode interpreter enters a closure compiled by GHC or
 
854
when the machine code evaluator enters a BCO.
 
855
 
 
856
\item A thread returns to a return continuation built by the other
 
857
evaluator.  That is, when the machine code evaluator returns to a
 
858
continuation built by Hugs or when the bytecode evaluator returns to a
 
859
continuation built by GHC.
 
860
 
 
861
\item The evaluator needs to perform a ``safe'' C call
 
862
(\secref{c-calls}).
 
863
 
 
864
\item The thread becomes blocked.  This happens when a thread requires
 
865
the result of a computation currently being performed by another
 
866
thread, or it reads a synchronisation variable that is currently empty
 
867
(\secref{MVAR}).
 
868
 
 
869
\item The thread is preempted (the preemption mechanism is described
 
870
in \secref{thread-preemption}).
 
871
 
 
872
\item The thread terminates.
 
873
\end{itemize}
 
874
 
 
875
Except when the thread terminates, the thread always terminates with a
 
876
closure on the top of the stack.  The mechanism used to trigger the
 
877
world switch and the choice of closure left on top of the stack varies
 
878
according to which world is being left and what is being returned.
 
879
 
 
880
\Subsubsection{Leaving the bytecode evaluator}{hugs-to-ghc-switch}
 
881
 
 
882
\paragraph{Entering a machine code closure}
 
883
 
 
884
When it enters a closure, the bytecode evaluator performs a switch
 
885
based on the type of closure (@AP@, @PAP@, @Ind@, etc).  On entering a
 
886
machine code closure, it returns to the scheduler with the closure on
 
887
top of the stack.
 
888
 
 
889
\paragraph{Returning a constructor}
 
890
 
 
891
When it enters a constructor, the bytecode evaluator tests the return
 
892
continuation on top of the stack.  If it is a machine code
 
893
continuation, it returns to the scheduler with the constructor on top
 
894
of the stack.
 
895
 
 
896
\note{This is why the scheduler must enter the machine code evaluator
 
897
if it finds a constructor on top of the stack.}
 
898
 
 
899
\paragraph{Returning an unboxed value}
 
900
 
 
901
\note{Hugs doesn't support unboxed values in source programs but they
 
902
are used for a few complex primops.}
 
903
 
 
904
When it returns an unboxed value, the bytecode evaluator tests the
 
905
return continuation on top of the stack.  If it is a machine code
 
906
continuation, it returns to the scheduler with the tagged unboxed
 
907
value and a special closure on top of the stack.  When the closure is
 
908
entered (by the machine code evaluator), it returns the unboxed value
 
909
on top of the stack to the return continuation under it.
 
910
 
 
911
The runtime library for GHC provides one of these closures for each unboxed
 
912
type.  Hugs cannot generate them itself since the entry code is really
 
913
very tricky.
 
914
 
 
915
\paragraph{Heap/Stack overflow and preemption}
 
916
 
 
917
The bytecode evaluator tests for heap/stack overflow and preemption
 
918
when entering a BCO and simply returns with the BCO on top of the
 
919
stack.
 
920
 
 
921
\Subsubsection{Leaving the machine code evaluator}{ghc-to-hugs-switch}
 
922
 
 
923
\paragraph{Entering a BCO}
 
924
 
 
925
The entry code for a BCO pushes the BCO onto the stack and returns to
 
926
the scheduler.
 
927
 
 
928
\paragraph{Returning a constructor}
 
929
 
 
930
We avoid the need to test return addresses in the machine code
 
931
evaluator by pushing a special return address on top of a pointer to
 
932
the bytecode return continuation.  \figref{hugs-return-stack1}
 
933
shows the state of the stack just before evaluating the scrutinee.
 
934
 
 
935
\begin{figure}[ht]
 
936
\begin{center}
 
937
\begin{verbatim}
 
938
| stack    |
 
939
+----------+
 
940
| bco      |--> BCO
 
941
+----------+
 
942
| HUGS_RET |
 
943
+----------+
 
944
\end{verbatim}
 
945
%\input{hugs_return1.pstex_t}
 
946
\end{center}
 
947
\caption{Stack layout for evaluating a scrutinee}
 
948
\label{fig:hugs-return-stack1}
 
949
\end{figure}
 
950
 
 
951
This return address rearranges the stack so that the bco pointer is
 
952
above the constructor on the stack (as shown in
 
953
\figref{hugs-boxed-return}) and returns to the scheduler.
 
954
 
 
955
\begin{figure}[ht]
 
956
\begin{center}
 
957
\begin{verbatim}
 
958
| stack    |
 
959
+----------+
 
960
| con      |--> Constructor
 
961
+----------+
 
962
| bco      |--> BCO
 
963
+----------+
 
964
\end{verbatim}
 
965
%\input{hugs_return2.pstex_t}
 
966
\end{center}
 
967
\caption{Stack layout for entering a Hugs return address}
 
968
\label{fig:hugs-boxed-return}
 
969
\end{figure}
 
970
 
 
971
\paragraph{Returning an unboxed value}
 
972
 
 
973
We avoid the need to test return addresses in the machine code
 
974
evaluator by pushing a special return address on top of a pointer to
 
975
the bytecode return continuation.  This return address rearranges the
 
976
stack so that the bco pointer is above the tagged unboxed value (as
 
977
shown in \figref{hugs-entering-unboxed-return}) and returns to the
 
978
scheduler.
 
979
 
 
980
\begin{figure}[ht]
 
981
\begin{center}
 
982
\begin{verbatim}
 
983
| stack    |
 
984
+----------+
 
985
| 1#       |
 
986
+----------+
 
987
| I#       |
 
988
+----------+
 
989
| bco      |--> BCO
 
990
+----------+
 
991
\end{verbatim}
 
992
%\input{hugs_return2.pstex_t}
 
993
\end{center}
 
994
\caption{Stack layout for returning an unboxed value}
 
995
\label{fig:hugs-entering-unboxed-return}
 
996
\end{figure}
 
997
 
 
998
\paragraph{Heap/Stack overflow and preemption}
 
999
 
 
1000
\ToDo{}
 
1001
 
 
1002
 
 
1003
\Subsection{Preempting a thread}{thread-preemption}
 
1004
 
 
1005
Strictly speaking, threads cannot be preempted --- the scheduler
 
1006
merely sets a preemption request flag which the thread must arrange to
 
1007
test on a regular basis.  When an evaluator finds that the preemption
 
1008
request flag is set, it pushes an appropriate closure onto the stack
 
1009
and returns to the scheduler.
 
1010
 
 
1011
In the bytecode interpreter, the flag is tested whenever we enter a
 
1012
closure.  If the preemption flag is set, it leaves the closure on top
 
1013
of the stack and returns to the scheduler.
 
1014
 
 
1015
In the machine code evaluator, the flag is only tested when a heap or
 
1016
stack check fails.  This is less expensive than testing the flag on
 
1017
entering every closure but runs the risk that a thread will enter an
 
1018
infinite loop which does not allocate any space.  If the flag is set,
 
1019
the evaluator returns to the scheduler exactly as if a heap check had
 
1020
failed.
 
1021
 
 
1022
\Subsection{``Safe'' and ``unsafe'' C calls}{c-calls}
 
1023
 
 
1024
There are two ways of calling C: 
 
1025
 
 
1026
\begin{description}
 
1027
 
 
1028
\item[``Unsafe'' C calls] are used if the programer is certain that
 
1029
the C function will not do anything dangerous.  Unsafe C calls are
 
1030
faster but must be hand-checked by the programmer.
 
1031
 
 
1032
Dangerous things include:
 
1033
 
 
1034
\begin{itemize}
 
1035
 
 
1036
\item 
 
1037
 
 
1038
Call a system function such as @getchar@ which might block
 
1039
indefinitely.  This is dangerous because we don't want the entire
 
1040
runtime system to block just because one thread blocks.
 
1041
 
 
1042
\item
 
1043
 
 
1044
Call an RTS function which will block on the RTS access semaphore.
 
1045
This would lead to deadlock.
 
1046
 
 
1047
\item
 
1048
 
 
1049
Call a Haskell function.  This is just a special case of calling an
 
1050
RTS function.
 
1051
 
 
1052
\end{itemize}
 
1053
 
 
1054
Unsafe C calls are performed by pushing the arguments onto the C stack
 
1055
and jumping to the C function's entry point.  On exit, the result of
 
1056
the function is in a register which is returned to the Haskell code as
 
1057
an unboxed value.
 
1058
 
 
1059
\item[``Safe'' C calls] are used if the programmer suspects that the
 
1060
thread may do something dangerous.  Safe C calls are relatively slow
 
1061
but are less problematic.
 
1062
 
 
1063
Safe C calls are performed by pushing the arguments onto the Haskell
 
1064
stack, pushing a return continuation and returning a \emph{C function
 
1065
descriptor} to the scheduler.  The scheduler suspends the Haskell thread,
 
1066
spawns a new operating system thread which pops the arguments off the
 
1067
Haskell stack onto the C stack, calls the C function, pushes the
 
1068
function result onto the Haskell stack and informs the scheduler that
 
1069
the C function has completed and the Haskell thread is now runnable.
 
1070
 
 
1071
\end{description}
 
1072
 
 
1073
The bytecode evaluator will probably treat all C calls as being safe.
 
1074
 
 
1075
\ToDo{It might be good for the programmer to indicate how the program
 
1076
is unsafe.  For example, if we distinguish between C functions which
 
1077
might call Haskell functions and those which might block, we could
 
1078
perform an unsafe call for blocking functions in a single-threaded
 
1079
system or, perhaps, in a multi-threaded system which only happens to
 
1080
have a single thread at the moment.}
 
1081
 
 
1082
 
 
1083
 
 
1084
\Section{The Storage Manager}{sm-overview}
 
1085
 
 
1086
The storage manager is responsible for managing the heap and all
 
1087
objects stored in it.  It provides special support for lazy evaluation
 
1088
and for foreign function calls.
 
1089
 
 
1090
\Subsection{SM support for lazy evaluation}{sm-lazy-evaluation}
 
1091
 
 
1092
\begin{itemize}
 
1093
\item
 
1094
 
 
1095
Indirections are shorted out.
 
1096
 
 
1097
\item
 
1098
 
 
1099
Update frames pointing to unreachable objects are squeezed out.
 
1100
 
 
1101
\ToDo{Part IV suggests this doesn't happen.}
 
1102
 
 
1103
\item
 
1104
 
 
1105
Adjacent update frames (for different closures) are compressed to a
 
1106
single update frame pointing to a single black hole.
 
1107
 
 
1108
\end{itemize}
 
1109
 
 
1110
 
 
1111
\Subsection{SM support for foreign function calls}{sm-foreign-calls}
 
1112
 
 
1113
\begin{itemize}
 
1114
 
 
1115
\item
 
1116
 
 
1117
Stable pointers allow other languages to access Haskell objects.
 
1118
 
 
1119
\item
 
1120
 
 
1121
Weak pointers and foreign objects provide finalisation support for
 
1122
Haskell references to external objects.
 
1123
 
 
1124
\end{itemize}
 
1125
 
 
1126
\Subsection{Misc}{sm-misc}
 
1127
 
 
1128
\begin{itemize}
 
1129
 
 
1130
\item
 
1131
 
 
1132
If the stack contains a large amount of free space, the storage
 
1133
manager may shrink the stack.  If it shrinks the stack, it guarantees
 
1134
never to leave less than @MIN_SIZE_SHRUNKEN_STACK@ empty words on the
 
1135
stack when it does so.
 
1136
 
 
1137
\item
 
1138
 
 
1139
For efficiency reasons, very large objects (eg large arrays and TSOs)
 
1140
are not moved if possible.
 
1141
 
 
1142
\end{itemize}
 
1143
 
 
1144
 
 
1145
\Section{The Compilers}{compilers-overview}
 
1146
 
 
1147
Need to describe interface files, format of bytecode files, symbols
 
1148
defined by machine code files.
 
1149
 
 
1150
\Subsection{Interface Files}{interface-files}
 
1151
 
 
1152
Here's an example - but I don't know the grammar - ADR.
 
1153
\begin{verbatim}
 
1154
_interface_ Main 1
 
1155
_exports_
 
1156
Main main ;
 
1157
_declarations_
 
1158
1 main _:_ IOBase.IO PrelBase.();;
 
1159
\end{verbatim}
 
1160
 
 
1161
\Subsection{Bytecode files}{bytecode-files}
 
1162
 
 
1163
(All that matters here is what the loader sees.)
 
1164
 
 
1165
\Subsection{Machine code files}{asm-files}
 
1166
 
 
1167
(Again, all that matters is what the loader sees.)
 
1168
 
 
1169
\Section{The Loader}{loader-overview}
 
1170
 
 
1171
In a batch mode system, we can statically link all the modules
 
1172
together.  In an interactive system we need a loader which will
 
1173
explicitly load and unload individual modules (or, perhaps, blocks of
 
1174
mutually dependent modules) and resolve references between modules.
 
1175
 
 
1176
While many operating systems provide support for dynamic loading and
 
1177
will automatically resolve cross-module references for us, we generally
 
1178
cannot rely on being able to load mutually dependent modules.
 
1179
 
 
1180
A portable solution is to perform some of the linking ourselves.  Each module
 
1181
should provide three global symbols: 
 
1182
\begin{itemize}
 
1183
\item
 
1184
An initialisation routine.  (Might also be used for finalisation.)
 
1185
\item
 
1186
A table of symbols it exports.
 
1187
Entries in this table consist of the symbol name and the address of the
 
1188
name's value.
 
1189
\item
 
1190
A table of symbols it imports.
 
1191
Entries in this table consist of the symbol name and a list of references
 
1192
to that symbol.
 
1193
\end{itemize}
 
1194
 
 
1195
On loading a group of modules, the loader adds the contents of the
 
1196
export lists to a symbol table and then fills in all the references in the
 
1197
import lists.
 
1198
 
 
1199
References in import lists are of two types:
 
1200
\begin{description}
 
1201
\item[ References in machine code ]
 
1202
 
 
1203
The most efficient approach is to patch the machine code directly, but
 
1204
this will be a lot of work, very painful to port and rather fragile.
 
1205
 
 
1206
Alternatively, the loader could store the value of each symbol in the
 
1207
import table for each module and the compiled code can access all
 
1208
external objects through the import table.  This requires that the
 
1209
import table be writable but does not require that the machine code or
 
1210
info tables be writable.
 
1211
 
 
1212
\item[ References in data structures (SRTs and static data constructors) ]
 
1213
 
 
1214
Either we patch the SRTs and constructors directly or we somehow use
 
1215
indirections through the symbol table.  Patching the SRTs requires
 
1216
that we make them writable and prevents us from making effective use
 
1217
of virtual memories that use copy-on-write policies (this only makes a
 
1218
difference if we want to run several copies of the same program
 
1219
simultaneously).  Using an indirection is possible but tricky.
 
1220
 
 
1221
Note: We could avoid patching machine code if all references to
 
1222
external references went through the SRT --- then we just have one
 
1223
thing to patch.  But the SRT always contains a pointer to the closure
 
1224
rather than the fast entry point (say), so we'd take a big performance
 
1225
hit for doing this.
 
1226
 
 
1227
\end{description}
 
1228
 
 
1229
Using the above scheme, all accesses to ``external'' objects involve a
 
1230
layer of indirection.  To avoid this overhead, the machine code
 
1231
compiler might provide a way for the programmer to specify which
 
1232
modules will be statically linked and which will be dynamically linked
 
1233
--- the idea being that statically linked code and data will be
 
1234
accessed directly.
 
1235
 
 
1236
 
 
1237
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
1238
\part{Internal details}
 
1239
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
1240
 
 
1241
This part is concerned with the internal details of the components
 
1242
described in the previous part.
 
1243
 
 
1244
The major components of the system are:
 
1245
\begin{itemize}
 
1246
\item The scheduler (\secref{scheduler-internals})
 
1247
\item The storage manager (\secref{storage-manager-internals})
 
1248
\item The evaluators
 
1249
\item The loader
 
1250
\item The compilers
 
1251
\end{itemize}
 
1252
 
 
1253
\Section{The Scheduler}{scheduler-internals}
 
1254
 
 
1255
\ToDo{Detailed description of scheduler}
 
1256
 
 
1257
Many heap objects contain fields allowing them to be inserted onto lists
 
1258
during evaluation or during garbage collection. The lists required by
 
1259
the evaluator and storage manager are as follows.
 
1260
 
 
1261
\begin{itemize}
 
1262
 
 
1263
\item 4 lists of threads: runnable threads, sleeping threads, threads
 
1264
waiting for timeout and threads waiting for I/O.
 
1265
 
 
1266
\item The \emph{mutables list} is a list of all objects in the old
 
1267
generation which might contain pointers into the new generation.  Most
 
1268
of the objects on this list are indirections (\secref{IND})
 
1269
or ``mutable.''  (\secref{mutables}.)
 
1270
 
 
1271
\item The \emph{Foreign Object list} is a list of all foreign objects
 
1272
 which have not yet been deallocated. (\secref{FOREIGN}.)
 
1273
 
 
1274
\item The \emph{Spark pool} is a doubly(?) linked list of Spark objects
 
1275
maintained by the parallel system.  (\secref{SPARK}.)
 
1276
 
 
1277
\item The \emph{Blocked Fetch list} (or
 
1278
lists?). (\secref{BLOCKED_FETCH}.)
 
1279
 
 
1280
\item For each thread, there is a list of all update frames on the
 
1281
stack.  (\secref{data-updates}.)
 
1282
 
 
1283
\item The Stable Pointer Table is a table of pointers to objects which
 
1284
are known to the outside world and must be retained by the garbage
 
1285
collector even if they are not accessible from within the heap.
 
1286
 
 
1287
\end{itemize}
 
1288
 
 
1289
\ToDo{The links for these fields are usually inserted immediately
 
1290
after the fixed header except ...}
 
1291
 
 
1292
 
 
1293
 
 
1294
\Section{The Storage Manager}{storage-manager-internals}
 
1295
 
 
1296
\subsection{Misc Text looking for a home}
 
1297
 
 
1298
A \emph{value} may be:
 
1299
\begin{itemize}
 
1300
\item \emph{Boxed}, i.e.~represented indirectly by a pointer to a heap object (e.g.~foreign objects, arrays); or
 
1301
\item \emph{Unboxed}, i.e.~represented directly by a bit-pattern in one or more registers (e.g.~@Int#@ and @Float#@).
 
1302
\end{itemize}
 
1303
All \emph{pointed} values are \emph{boxed}.  
 
1304
 
 
1305
 
 
1306
\Subsection{Heap Objects}{heap-objects}
 
1307
\label{sec:fixed-header}
 
1308
 
 
1309
\begin{figure}
 
1310
\begin{center}
 
1311
\input{closure}
 
1312
\end{center}
 
1313
\ToDo{Fix this picture}
 
1314
\caption{A closure}
 
1315
\label{fig:closure}
 
1316
\end{figure}
 
1317
 
 
1318
Every \emph{heap object} is a contiguous block of memory, consisting
 
1319
of a fixed-format \emph{header} followed by zero or more \emph{data
 
1320
words}.
 
1321
 
 
1322
The header consists of the following fields:
 
1323
\begin{itemize}
 
1324
\item A one-word \emph{info pointer}, which points to
 
1325
the object's static \emph{info table}.
 
1326
\item Zero or more \emph{admin words} that support
 
1327
\begin{itemize}
 
1328
\item Profiling (notably a \emph{cost centre} word).
 
1329
  \note{We could possibly omit the cost centre word from some 
 
1330
  administrative objects.}
 
1331
\item Parallelism (e.g. GranSim keeps the object's global address here,
 
1332
though GUM keeps a separate hash table).
 
1333
\item Statistics (e.g. a word to track how many times a thunk is entered.).
 
1334
 
 
1335
We add a Ticky word to the fixed-header part of closures.  This is
 
1336
used to indicate if a closure has been updated but not yet entered. It
 
1337
is set when the closure is updated and cleared when subsequently
 
1338
entered.  \footnote{% NB: It is \emph{not} an ``entry count'', it is
 
1339
an ``entries-after-update count.''  The commoning up of @CONST@,
 
1340
@CHARLIKE@ and @INTLIKE@ closures is turned off(?) if this is
 
1341
required. This has only been done for 2s collection.  }
 
1342
 
 
1343
\end{itemize}
 
1344
\end{itemize}
 
1345
 
 
1346
Most of the RTS is completely insensitive to the number of admin
 
1347
words.  The total size of the fixed header is given by
 
1348
@sizeof(StgHeader)@.
 
1349
 
 
1350
\Subsection{Info Tables}{info-tables}
 
1351
 
 
1352
An \emph{info table} is a contiguous block of memory, laid out as follows:
 
1353
 
 
1354
\begin{center}
 
1355
\begin{tabular}{|r|l|}
 
1356
   \hline Parallelism Info      & variable
 
1357
\\ \hline Profile Info          & variable
 
1358
\\ \hline Debug Info            & variable
 
1359
\\ \hline Static reference table  & pointer word (optional)
 
1360
\\ \hline Storage manager layout info & pointer word
 
1361
\\ \hline Closure flags         & 8 bits
 
1362
\\ \hline Closure type          & 8 bits
 
1363
\\ \hline Constructor Tag / SRT length          & 16 bits
 
1364
\\ \hline entry code
 
1365
\\       \vdots
 
1366
\end{tabular}
 
1367
\end{center}
 
1368
 
 
1369
On a 64-bit machine the tag, type and flags fields will all be doubled
 
1370
in size, so the info table is a multiple of 64 bits.
 
1371
 
 
1372
An info table has the following contents (working backwards in memory
 
1373
addresses):
 
1374
 
 
1375
\begin{itemize}
 
1376
 
 
1377
\item The \emph{entry code} for the closure.  This code appears
 
1378
literally as the (large) last entry in the info table, immediately
 
1379
preceded by the rest of the info table.  An \emph{info pointer} always
 
1380
points to the first byte of the entry code.
 
1381
 
 
1382
\item A 16-bit constructor tag / SRT length.  For a constructor info
 
1383
table this field contains the tag of the constructor, in the range
 
1384
$0..n-1$ where $n$ is the number of constructors in the datatype.
 
1385
Otherwise, it contains the number of entries in this closure's Static
 
1386
Reference Table (\secref{srt}).
 
1387
 
 
1388
\item An 8-bit {\em closure type field}, which identifies what kind of
 
1389
closure the object is.  The various types of closure are described in
 
1390
\secref{closures}.
 
1391
 
 
1392
\item an 8-bit flags field, which holds various flags pertaining to
 
1393
the closure type.
 
1394
 
 
1395
\item A single pointer or word --- the {\em storage manager info
 
1396
field}, contains auxiliary information describing the closure's
 
1397
precise layout, for the benefit of the garbage collector and the code
 
1398
that stuffs graph into packets for transmission over the network.
 
1399
There are three kinds of layout information:
 
1400
 
 
1401
\begin{itemize}
 
1402
\item Standard layout information is for closures which place pointers
 
1403
before non-pointers in instances of the closure (this applies to most
 
1404
heap-based and static closures, but not activation records).  The
 
1405
layout information for standard closures is
 
1406
 
 
1407
        \begin{itemize}
 
1408
        \item Number of pointer fields (16 bits).
 
1409
        \item Number of non-pointer fields (16 bits).
 
1410
        \end{itemize}
 
1411
 
 
1412
\item Activation records don't have pointers before non-pointers,
 
1413
since stack-stubbing requires that the record has holes in it.  The
 
1414
layout is therefore represented by a bitmap in which each '1' bit
 
1415
represents a non-pointer word.  This kind of layout info is used for
 
1416
@RET_SMALL@ and @RET_VEC_SMALL@ closures.
 
1417
 
 
1418
\item If an activation record is longer than 32 words, then the layout
 
1419
field contains a pointer to a bitmap record, consisting of a length
 
1420
field followed by two or more bitmap words.  This layout information
 
1421
is used for @RET_BIG@ and @RET_VEC_BIG@ closures.
 
1422
 
 
1423
\item Selector Thunks (\secref{THUNK_SELECTOR}) use the closure
 
1424
layout field to hold the selector index, since the layout is always
 
1425
known (the closure contains a single pointer field).
 
1426
\end{itemize}
 
1427
 
 
1428
\item A one-word {\em Static Reference Table} field.  This field
 
1429
points to the static reference table for the closure (\secref{srt}),
 
1430
and is only present for the following closure types:
 
1431
 
 
1432
        \begin{itemize}
 
1433
        \item @FUN_*@
 
1434
        \item @THUNK_*@
 
1435
        \item @RET_*@
 
1436
        \end{itemize}
 
1437
 
 
1438
\ToDo{Expand the following explanation.}
 
1439
 
 
1440
An SRT is basically a vector of pointers to static closures.  A
 
1441
top-level function or thunk will have an SRT (which might be empty),
 
1442
which points to all the static closures referenced by that function or
 
1443
thunk.  Every non-top-level thunk or function also has an SRT, but
 
1444
it'll be a sub-sequence of the top-level SRT, so we just store a
 
1445
pointer and a length in the info table - the pointer points into the
 
1446
middle of the larger SRT.
 
1447
 
 
1448
At GC time, the garbage collector traverses the transitive closure of
 
1449
all the SRTs reachable from the roots, and thereby discovers which
 
1450
CAFs are live.
 
1451
  
 
1452
\item \emph{Profiling info\/}
 
1453
 
 
1454
\ToDo{The profiling info is completely bogus.  I've not deleted it
 
1455
from the document but I've commented it all out.}
 
1456
 
 
1457
% change to \iftrue to uncomment this section
 
1458
\iffalse
 
1459
 
 
1460
Closure category records are attached to the info table of the
 
1461
closure. They are declared with the info table. We put pointers to
 
1462
these ClCat things in info tables.  We need these ClCat things because
 
1463
they are mutable, whereas info tables are immutable.  Hashing will map
 
1464
similar categories to the same hash value allowing statistics to be
 
1465
grouped by closure category.
 
1466
 
 
1467
Cost Centres and Closure Categories are hashed to provide indexes
 
1468
against which arbitrary information can be stored. These indexes are
 
1469
memoised in the appropriate cost centre or category record and
 
1470
subsequent hashes avoided by the index routine (it simply returns the
 
1471
memoised index).
 
1472
 
 
1473
There are different features which can be hashed allowing information
 
1474
to be stored for different groupings. Cost centres have the cost
 
1475
centre recorded (using the pointer), module and group. Closure
 
1476
categories have the closure description and the type
 
1477
description. Records with the same feature will be hashed to the same
 
1478
index value.
 
1479
 
 
1480
The initialisation routines, @init_index_<feature>@, allocate a hash
 
1481
table in which the cost centre / category records are stored. The
 
1482
lower bound for the table size is taken from @max_<feature>_no@. They
 
1483
return the actual table size used (the next power of 2). Unused
 
1484
locations in the hash table are indicated by a 0 entry. Successive
 
1485
@init_index_<feature>@ calls just return the actual table size.
 
1486
 
 
1487
Calls to @index_<feature>@ will insert the cost centre / category
 
1488
record in the @<feature>@ hash table, if not already inserted. The hash
 
1489
index is memoised in the record and returned. 
 
1490
 
 
1491
CURRENTLY ONLY ONE MEMOISATION SLOT IS AVILABLE IN EACH RECORD SO
 
1492
HASHING CAN ONLY BE DONE ON ONE FEATURE FOR EACH RECORD. This can be
 
1493
easily relaxed at the expense of extra memoisation space or continued
 
1494
rehashing.
 
1495
 
 
1496
The initialisation routines must be called before initialisation of
 
1497
the stacks and heap as they require to allocate storage. It is also
 
1498
expected that the caller may want to allocate additional storage in
 
1499
which to store profiling information based on the return table size
 
1500
value(s).
 
1501
 
 
1502
\begin{center}
 
1503
\begin{tabular}{|l|}
 
1504
   \hline Hash Index
 
1505
\\ \hline Selected
 
1506
\\ \hline Kind
 
1507
\\ \hline Description String
 
1508
\\ \hline Type String
 
1509
\\ \hline
 
1510
\end{tabular}
 
1511
\end{center}
 
1512
 
 
1513
\begin{description}
 
1514
\item[Hash Index] Memoised copy
 
1515
\item[Selected] 
 
1516
  Is this category selected (-1 == not memoised, selected? 0 or 1)
 
1517
\item[Kind]
 
1518
One of the following values (defined in CostCentre.lh):
 
1519
 
 
1520
\begin{description}
 
1521
\item[@CON_K@]
 
1522
A constructor.
 
1523
\item[@FN_K@]
 
1524
A literal function.
 
1525
\item[@PAP_K@]
 
1526
A partial application.
 
1527
\item[@THK_K@]
 
1528
A thunk, or suspension.
 
1529
\item[@BH_K@]
 
1530
A black hole.
 
1531
\item[@ARR_K@]
 
1532
An array.
 
1533
\item[@ForeignObj_K@]
 
1534
A Foreign object (non-Haskell heap resident).
 
1535
\item[@SPT_K@]
 
1536
The Stable Pointer table.  (There should only be one of these but it
 
1537
represents a form of weak space leak since it can't shrink to meet
 
1538
non-demand so it may be worth watching separately? ADR)
 
1539
\item[@INTERNAL_KIND@]
 
1540
Something internal to the runtime system.
 
1541
\end{description}
 
1542
 
 
1543
 
 
1544
\item[Description] Source derived string detailing closure description.
 
1545
\item[Type] Source derived string detailing closure type.
 
1546
\end{description}
 
1547
 
 
1548
\fi % end of commented out stuff
 
1549
 
 
1550
\item \emph{Parallelism info\/}
 
1551
\ToDo{}
 
1552
 
 
1553
\item \emph{Debugging info\/}
 
1554
\ToDo{}
 
1555
 
 
1556
\end{itemize}
 
1557
 
 
1558
 
 
1559
%-----------------------------------------------------------------------------
 
1560
\Subsection{Kinds of Heap Object}{closures}
 
1561
 
 
1562
Heap objects can be classified in several ways, but one useful one is
 
1563
this:
 
1564
\begin{itemize}
 
1565
\item 
 
1566
\emph{Static closures} occupy fixed, statically-allocated memory
 
1567
locations, with globally known addresses.
 
1568
 
 
1569
\item 
 
1570
\emph{Dynamic closures} are individually allocated in the heap.
 
1571
 
 
1572
\item 
 
1573
\emph{Stack closures} are closures allocated within a thread's stack
 
1574
(which is itself a heap object).  Unlike other closures, there are
 
1575
never any pointers to stack closures.  Stack closures are discussed in
 
1576
\secref{TSO}.
 
1577
 
 
1578
\end{itemize}
 
1579
A second useful classification is this:
 
1580
\begin{itemize}
 
1581
 
 
1582
\item \emph{Executive objects}, such as thunks and data constructors,
 
1583
participate directly in a program's execution.  They can be subdivided
 
1584
into three kinds of objects according to their type: \begin{itemize}
 
1585
 
 
1586
\item \emph{Pointed objects}, represent values of a \emph{pointed}
 
1587
type (<.pointed types launchbury.>) --i.e.~a type that includes
 
1588
$\bottom$ such as @Int@ or @Int# -> Int#@.
 
1589
 
 
1590
\item \emph{Unpointed objects}, represent values of a \emph{unpointed}
 
1591
type --i.e.~a type that does not include $\bottom$ such as @Int#@ or
 
1592
@Array#@.
 
1593
 
 
1594
\item \emph{Activation frames}, represent ``continuations''.  They are
 
1595
always stored on the stack and are never pointed to by heap objects or
 
1596
passed as arguments.  \note{It's not clear if this will still be true
 
1597
once we support speculative evaluation.}
 
1598
 
 
1599
\end{itemize}
 
1600
 
 
1601
\item \emph{Administrative objects}, such as stack objects and thread
 
1602
state objects, do not represent values in the original program.
 
1603
\end{itemize}
 
1604
 
 
1605
Only pointed objects can be entered.  If an unpointed object is
 
1606
entered the program will usually terminate with a fatal error.
 
1607
 
 
1608
This section enumerates all the kinds of heap objects in the system.
 
1609
Each is identified by a distinct closure type field in its info table.
 
1610
 
 
1611
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
 
1612
\hline
 
1613
 
 
1614
closure type          & Section \\
 
1615
                      
 
1616
\hline                          
 
1617
\emph{Pointed} \\      
 
1618
\hline                
 
1619
                      
 
1620
@CONSTR@              & \ref{sec:CONSTR}    \\
 
1621
@CONSTR_p_n@          & \ref{sec:CONSTR}    \\
 
1622
@CONSTR_STATIC@       & \ref{sec:CONSTR}    \\
 
1623
@CONSTR_NOCAF_STATIC@ & \ref{sec:CONSTR}    \\
 
1624
                      
 
1625
@FUN@                 & \ref{sec:FUN}       \\
 
1626
@FUN_p_n@             & \ref{sec:FUN}       \\
 
1627
@FUN_STATIC@          & \ref{sec:FUN}       \\
 
1628
                      
 
1629
@THUNK@               & \ref{sec:THUNK}     \\
 
1630
@THUNK_p_n@           & \ref{sec:THUNK}     \\
 
1631
@THUNK_STATIC@        & \ref{sec:THUNK}     \\
 
1632
@THUNK_SELECTOR@      & \ref{sec:THUNK_SELECTOR} \\
 
1633
                      
 
1634
@BCO@                 & \ref{sec:BCO}       \\
 
1635
                      
 
1636
@AP_UPD@              & \ref{sec:AP_UPD}    \\
 
1637
@PAP@                 & \ref{sec:PAP}       \\
 
1638
                      
 
1639
@IND@                 & \ref{sec:IND}       \\
 
1640
@IND_OLDGEN@          & \ref{sec:IND}       \\
 
1641
@IND_PERM@            & \ref{sec:IND}       \\
 
1642
@IND_OLDGEN_PERM@     & \ref{sec:IND}       \\
 
1643
@IND_STATIC@          & \ref{sec:IND}       \\
 
1644
                      
 
1645
@CAF_UNENTERED@       & \ref{sec:CAF}       \\
 
1646
@CAF_ENTERED@         & \ref{sec:CAF}       \\
 
1647
@CAF_BLACKHOLE@       & \ref{sec:CAF}       \\
 
1648
 
 
1649
\hline                
 
1650
\emph{Unpointed} \\    
 
1651
\hline                
 
1652
                                      
 
1653
@BLACKHOLE@           & \ref{sec:BLACKHOLE} \\
 
1654
@BLACKHOLE_BQ@        & \ref{sec:BLACKHOLE_BQ} \\
 
1655
 
 
1656
@MVAR@                & \ref{sec:MVAR}      \\
 
1657
 
 
1658
@ARR_WORDS@           & \ref{sec:ARR_WORDS} \\
 
1659
 
 
1660
@MUTARR_PTRS@         & \ref{sec:MUT_ARR_PTRS} \\
 
1661
@MUTARR_PTRS_FROZEN@  & \ref{sec:MUT_ARR_PTRS_FROZEN} \\
 
1662
 
 
1663
@MUT_VAR@              & \ref{sec:MUT_VAR}    \\
 
1664
 
 
1665
@WEAK@                & \ref{sec:WEAK}   \\
 
1666
@FOREIGN@             & \ref{sec:FOREIGN}   \\
 
1667
@STABLE_NAME@         & \ref{sec:STABLE_NAME}   \\
 
1668
\hline
 
1669
\end{tabular}
 
1670
 
 
1671
Activation frames do not live (directly) on the heap --- but they have
 
1672
a similar organisation.
 
1673
 
 
1674
\begin{tabular}{|l|l|}\hline
 
1675
closure type            & Section                       \\ \hline
 
1676
@RET_SMALL@             & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1677
@RET_VEC_SMALL@         & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1678
@RET_BIG@               & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1679
@RET_VEC_BIG@           & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1680
@UPDATE_FRAME@          & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1681
@CATCH_FRAME@           & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1682
@SEQ_FRAME@             & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1683
@STOP_FRAME@            & \ref{sec:activation-records}  \\
 
1684
\hline
 
1685
\end{tabular}
 
1686
 
 
1687
There are also a number of administrative objects.  It is an error to
 
1688
enter one of these objects.
 
1689
 
 
1690
\begin{tabular}{|l|l|}\hline
 
1691
closure type            & Section                       \\ \hline
 
1692
@TSO@                   & \ref{sec:TSO}                 \\
 
1693
@SPARK_OBJECT@          & \ref{sec:SPARK}               \\
 
1694
@BLOCKED_FETCH@         & \ref{sec:BLOCKED_FETCH}       \\
 
1695
@FETCHME@               & \ref{sec:FETCHME}   \\
 
1696
\hline
 
1697
\end{tabular}
 
1698
 
 
1699
\Subsection{Predicates}{closure-predicates}
 
1700
 
 
1701
The runtime system sometimes needs to be able to distinguish objects
 
1702
according to their properties: is the object updateable? is it in weak
 
1703
head normal form? etc.  These questions can be answered by examining
 
1704
the closure type field of the object's info table.  
 
1705
 
 
1706
We define the following predicates to detect families of related
 
1707
info types.  They are mutually exclusive and exhaustive.
 
1708
 
 
1709
\begin{itemize}
 
1710
\item @isCONSTR@ is true for @CONSTR@s.
 
1711
\item @isFUN@ is true for @FUN@s.
 
1712
\item @isTHUNK@ is true for @THUNK@s.
 
1713
\item @isBCO@ is true for @BCO@s.
 
1714
\item @isAP@ is true for @AP@s.
 
1715
\item @isPAP@ is true for @PAP@s.
 
1716
\item @isINDIRECTION@ is true for indirection objects. 
 
1717
\item @isBH@ is true for black holes.
 
1718
\item @isFOREIGN_OBJECT@ is true for foreign objects.
 
1719
\item @isARRAY@ is true for array objects.
 
1720
\item @isMVAR@ is true for @MVAR@s.
 
1721
\item @isIVAR@ is true for @IVAR@s.
 
1722
\item @isFETCHME@ is true for @FETCHME@s.
 
1723
\item @isSLOP@ is true for slop objects.
 
1724
\item @isRET_ADDR@ is true for return addresses.
 
1725
\item @isUPD_ADDR@ is true for update frames.
 
1726
\item @isTSO@ is true for @TSO@s.
 
1727
\item @isSTABLE_PTR_TABLE@ is true for the stable pointer table.
 
1728
\item @isSPARK_OBJECT@ is true for spark objects.
 
1729
\item @isBLOCKED_FETCH@ is true for blocked fetch objects.
 
1730
\item @isINVALID_INFOTYPE@ is true for all other info types.
 
1731
 
 
1732
\end{itemize}
 
1733
 
 
1734
The following predicates detect other interesting properties:
 
1735
 
 
1736
\begin{itemize}
 
1737
 
 
1738
\item @isPOINTED@ is true if an object has a pointed type.
 
1739
 
 
1740
If an object is pointed, the following predicates may be true
 
1741
(otherwise they are false).  @isWHNF@ and @isUPDATEABLE@ are
 
1742
mutually exclusive.
 
1743
 
 
1744
\begin{itemize} 
 
1745
\item @isWHNF@ is true if the object is in Weak Head Normal Form.  
 
1746
Note that unpointed objects are (arbitrarily) not considered to be in WHNF.
 
1747
 
 
1748
@isWHNF@ is true for @PAP@s, @CONSTR@s, @FUN@s and all @BCO@s.
 
1749
 
 
1750
\ToDo{Need to distinguish between whnf BCOs and non-whnf BCOs in their
 
1751
closure type}
 
1752
 
 
1753
\item @isUPDATEABLE@ is true if the object may be overwritten with an
 
1754
 indirection object.
 
1755
 
 
1756
@isUPDATEABLE@ is true for @THUNK@s, @AP@s and @BH@s.
 
1757
 
 
1758
\end{itemize}
 
1759
 
 
1760
It is possible for a pointed object to be neither updatable nor in
 
1761
WHNF.  For example, indirections.
 
1762
 
 
1763
\item @isUNPOINTED@ is true if an object has an unpointed type.
 
1764
All such objects are boxed since only boxed objects have info pointers.
 
1765
 
 
1766
It is true for @ARR_WORDS@, @ARR_PTRS@, @MUTVAR@, @MUTARR_PTRS@,
 
1767
@MUTARR_PTRS_FROZEN@, @FOREIGN@ objects, @MVAR@s and @IVAR@s.
 
1768
 
 
1769
\item @isACTIVATION_FRAME@ is true for activation frames of all sorts.
 
1770
 
 
1771
It is true for return addresses and update frames.
 
1772
\begin{itemize}
 
1773
\item @isVECTORED_RETADDR@ is true for vectored return addresses.
 
1774
\item @isDIRECT_RETADDR@ is true for direct return addresses.
 
1775
\end{itemize}
 
1776
 
 
1777
\item @isADMINISTRATIVE@ is true for administrative objects:
 
1778
@TSO@s, the stable pointer table, spark objects and blocked fetches.
 
1779
 
 
1780
\item @hasSRT@ is true if the info table for the object contains an
 
1781
SRT pointer.  
 
1782
 
 
1783
@hasSRT@ is true for @THUNK@s, @FUN@s, and @RET@s.
 
1784
 
 
1785
\end{itemize}
 
1786
 
 
1787
\begin{itemize}
 
1788
 
 
1789
\item @isSTATIC@ is true for any statically allocated closure.
 
1790
 
 
1791
\item @isMUTABLE@ is true for objects with mutable pointer fields:
 
1792
  @MUT_ARR@s, @MUTVAR@s, @MVAR@s and @IVAR@s.
 
1793
 
 
1794
\item @isSparkable@ is true if the object can (and should) be sparked.
 
1795
It is true of updateable objects which are not in WHNF with the
 
1796
exception of @THUNK_SELECTOR@s and black holes.
 
1797
 
 
1798
\end{itemize}
 
1799
 
 
1800
As a minor optimisation, we might use the top bits of the @INFO_TYPE@
 
1801
field to ``cache'' the answers to some of these predicates.
 
1802
 
 
1803
An indirection either points to HNF (post update); or is result of
 
1804
overwriting a FetchMe, in which case the thing fetched is either under
 
1805
evaluation (BLACKHOLE), or by now an HNF.  Thus, indirections get
 
1806
NoSpark flag.
 
1807
 
 
1808
\subsection{Closures (aka Pointed Objects)}
 
1809
 
 
1810
An object can be entered iff it is a closure.
 
1811
 
 
1812
\Subsubsection{Function closures}{FUN}
 
1813
 
 
1814
Function closures represent lambda abstractions.  For example,
 
1815
consider the top-level declaration:
 
1816
\begin{verbatim}
 
1817
  f = \x -> let g = \y -> x+y
 
1818
            in g x
 
1819
\end{verbatim}
 
1820
Both @f@ and @g@ are represented by function closures.  The closure
 
1821
for @f@ is \emph{static} while that for @g@ is \emph{dynamic}.
 
1822
 
 
1823
The layout of a function closure is as follows:
 
1824
\begin{center}
 
1825
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
1826
\emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} \\ \hline
 
1827
\end{tabular}
 
1828
\end{center}
 
1829
 
 
1830
The data words (pointers and non-pointers) are the free variables of
 
1831
the function closure.  The number of pointers and number of
 
1832
non-pointers are stored in @info->layout.ptrs@ and
 
1833
@info->layout.nptrs@ respecively.
 
1834
 
 
1835
There are several different sorts of function closure, distinguished
 
1836
by their closure type field:
 
1837
 
 
1838
\begin{itemize}
 
1839
 
 
1840
\item @FUN@: a vanilla, dynamically allocated on the heap.
 
1841
 
 
1842
\item $@FUN_@p@_@np$: to speed up garbage collection a number of
 
1843
specialised forms of @FUN@ are provided, for particular $(p,np)$
 
1844
pairs, where $p$ is the number of pointers and $np$ the number of
 
1845
non-pointers.
 
1846
 
 
1847
\item @FUN_STATIC@.  Top-level, static, function closures (such as @f@
 
1848
above) have a different layout than dynamic ones:
 
1849
 
 
1850
\begin{center}
 
1851
\begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
 
1852
\emph{Fixed header}  & \emph{Static object link} \\ \hline
 
1853
\end{tabular}
 
1854
\end{center}
 
1855
 
 
1856
Static function closures have no free variables.  (However they may
 
1857
refer to other static closures; these references are recorded in the
 
1858
function closure's SRT.)  They have one field that is not present in
 
1859
dynamic closures, the \emph{static object link} field.  This is used
 
1860
by the garbage collector in the same way that to-space is, to gather
 
1861
closures that have been determined to be live but that have not yet
 
1862
been scavenged.
 
1863
 
 
1864
\note{Static function closures that have no static references, and
 
1865
hence a null SRT pointer, don't need the static object link field.  We
 
1866
don't take advantage of this at the moment, but we could.  See
 
1867
@CONSTR\_NOCAF\_STATIC@.}  
 
1868
\end{itemize}
 
1869
 
 
1870
Each lambda abstraction, $f$, in the STG program has its own private
 
1871
info table.  The following labels are relevant:
 
1872
 
 
1873
\begin{itemize}
 
1874
 
 
1875
\item $f$@_info@  is $f$'s info table.
 
1876
 
 
1877
\item $f$@_entry@ is $f$'s slow entry point (i.e. the entry code of
 
1878
its info table; so it will label the same byte as $f$@_info@).
 
1879
 
 
1880
\item $f@_fast_@k$ is $f$'s fast entry point.  $k$ is the number of
 
1881
arguments $f$ takes; encoding this number in the fast-entry label
 
1882
occasionally catches some nasty code-generation errors.
 
1883
 
 
1884
\end{itemize}
 
1885
 
 
1886
\Subsubsection{Data constructors}{CONSTR}
 
1887
 
 
1888
Data-constructor closures represent values constructed with algebraic
 
1889
data type constructors.  The general layout of data constructors is
 
1890
the same as that for function closures.  That is
 
1891
 
 
1892
\begin{center}
 
1893
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
1894
\emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} \\ \hline
 
1895
\end{tabular}
 
1896
\end{center}
 
1897
 
 
1898
There are several different sorts of constructor:
 
1899
 
 
1900
\begin{itemize}
 
1901
 
 
1902
\item @CONSTR@: a vanilla, dynamically allocated constructor.
 
1903
 
 
1904
\item @CONSTR_@$p$@_@$np$: just like $@FUN_@p@_@np$.
 
1905
 
 
1906
\item @CONSTR_INTLIKE@.  A dynamically-allocated heap object that
 
1907
looks just like an @Int@.  The garbage collector checks to see if it
 
1908
can common it up with one of a fixed set of static int-like closures,
 
1909
thus getting it out of the dynamic heap altogether.
 
1910
 
 
1911
\item @CONSTR_CHARLIKE@:  same deal, but for @Char@.
 
1912
 
 
1913
\item @CONSTR_STATIC@ is similar to @FUN_STATIC@, with the
 
1914
complication that the layout of the constructor must mimic that of a
 
1915
dynamic constructor, because a static constructor might be returned to
 
1916
some code that unpacks it.  So its layout is like this:
 
1917
 
 
1918
\begin{center}
 
1919
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
 
1920
\emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} & \emph{Static object link}\\ \hline
 
1921
\end{tabular}
 
1922
\end{center}
 
1923
 
 
1924
The static object link, at the end of the closure, serves the same purpose
 
1925
as that for @FUN_STATIC@.  The pointers in the static constructor can point
 
1926
only to other static closures.
 
1927
 
 
1928
The static object link occurs last in the closure so that static
 
1929
constructors can store their data fields in exactly the same place as
 
1930
dynamic constructors.
 
1931
 
 
1932
\item @CONSTR_NOCAF_STATIC@.  A statically allocated data constructor
 
1933
that guarantees not to point (directly or indirectly) to any CAF
 
1934
(\secref{CAF}).  This means it does not need a static object
 
1935
link field.  Since we expect that there might be quite a lot of static
 
1936
constructors this optimisation makes sense.  Furthermore, the @NOCAF@
 
1937
tag allows the compiler to indicate that no CAFs can be reached
 
1938
anywhere \emph{even indirectly}.
 
1939
 
 
1940
\end{itemize}
 
1941
 
 
1942
For each data constructor $Con$, two info tables are generated:
 
1943
 
 
1944
\begin{itemize}
 
1945
\item $Con$@_con_info@ labels $Con$'s dynamic info table, 
 
1946
shared by all dynamic instances of the constructor.
 
1947
\item $Con$@_static@ labels $Con$'s static info table, 
 
1948
shared by all static instances of the constructor.
 
1949
\end{itemize}
 
1950
 
 
1951
Each constructor also has a \emph{constructor function}, which is a
 
1952
curried function which builds an instance of the constructor.  The
 
1953
constructor function has an info table labelled as @$Con$_info@, and
 
1954
entry code pointed to by @$Con$_entry@.
 
1955
 
 
1956
Nullary constructors are represented by a single static info table,
 
1957
which everyone points to.  Thus for a nullary constructor we can omit
 
1958
the dynamic info table and the constructor function.
 
1959
 
 
1960
\subsubsection{Thunks}
 
1961
\label{sec:THUNK}
 
1962
\label{sec:THUNK_SELECTOR}
 
1963
 
 
1964
A thunk represents an expression that is not obviously in head normal 
 
1965
form.  For example, consider the following top-level definitions:
 
1966
\begin{verbatim}
 
1967
  range = between 1 10
 
1968
  f = \x -> let ys = take x range
 
1969
            in sum ys
 
1970
\end{verbatim}
 
1971
Here the right-hand sides of @range@ and @ys@ are both thunks; the former
 
1972
is static while the latter is dynamic.
 
1973
 
 
1974
The layout of a thunk is the same as that for a function closure.
 
1975
However, thunks must have a payload of at least @MIN_UPD_SIZE@
 
1976
words to allow it to be overwritten with a black hole and an
 
1977
indirection.  The compiler may have to add extra non-pointer fields to
 
1978
satisfy this constraint.
 
1979
 
 
1980
\begin{center}
 
1981
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}\hline
 
1982
\emph{Fixed header}  & \emph{Pointers} & \emph{Non-pointers} \\ \hline
 
1983
\end{tabular}
 
1984
\end{center}
 
1985
 
 
1986
The layout word in the info table contains the same information as for
 
1987
function closures; that is, number of pointers and number of
 
1988
non-pointers.
 
1989
 
 
1990
A thunk differs from a function closure in that it can be updated.
 
1991
 
 
1992
There are several forms of thunk:
 
1993
 
 
1994
\begin{itemize}
 
1995
 
 
1996
\item @THUNK@ and $@THUNK_@p@_@np$: vanilla, dynamically allocated
 
1997
thunks.  Dynamic thunks are overwritten with normal indirections
 
1998
(@IND@), or old generation indirections (@IND_OLDGEN@): see
 
1999
\secref{IND}.
 
2000
 
 
2001
\item @THUNK_STATIC@.  A static thunk is also known as a
 
2002
\emph{constant applicative form}, or \emph{CAF}.  Static thunks are
 
2003
overwritten with static indirections.
 
2004
 
 
2005
\begin{center}
 
2006
\begin{tabular}{|l|l|}\hline
 
2007
\emph{Fixed header}  & \emph{Static object link}\\ \hline
 
2008
\end{tabular}
 
2009
\end{center}
 
2010
 
 
2011
\item @THUNK_SELECTOR@ is a (dynamically allocated) thunk whose entry
 
2012
code performs a simple selection operation from a data constructor
 
2013
drawn from a single-constructor type.  For example, the thunk
 
2014
\begin{verbatim}
 
2015
        x = case y of (a,b) -> a
 
2016
\end{verbatim}
 
2017
is a selector thunk.  A selector thunk is laid out like this:
 
2018
 
 
2019
\begin{center}
 
2020
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
2021
\emph{Fixed header}  & \emph{Selectee pointer} \\ \hline
 
2022
\end{tabular}
 
2023
\end{center}
 
2024
 
 
2025
The layout word contains the byte offset of the desired word in the
 
2026
selectee.  Note that this is different from all other thunks.
 
2027
 
 
2028
The garbage collector ``peeks'' at the selectee's tag (in its info
 
2029
table).  If it is evaluated, then it goes ahead and does the
 
2030
selection, and then behaves just as if the selector thunk was an
 
2031
indirection to the selected field.  If it is not evaluated, it treats
 
2032
the selector thunk like any other thunk of that shape.
 
2033
[Implementation notes.  Copying: only the evacuate routine needs to be
 
2034
special.  Compacting: only the PRStart (marking) routine needs to be
 
2035
special.]
 
2036
 
 
2037
There is a fixed set of pre-compiled selector thunks built into the
 
2038
RTS, representing offsets from 0 to @MAX_SPEC_SELECTOR_THUNK@.  The
 
2039
info tables are labelled @__sel_$n$_upd_info@ where $n$ is the offset.
 
2040
Non-updating versions are also built in, with info tables labelled
 
2041
@__sel_$n$_noupd_info@.
 
2042
 
 
2043
\end{itemize}
 
2044
 
 
2045
The only label associated with a thunk is its info table:
 
2046
 
 
2047
\begin{description}
 
2048
\item[$f$@\_info@] is $f$'s info table.
 
2049
\end{description}
 
2050
 
 
2051
 
 
2052
\Subsubsection{Byte-code objects}{BCO}
 
2053
 
 
2054
A Byte-Code Object (BCO) is a container for a a chunk of byte-code,
 
2055
which can be executed by Hugs.  The byte-code represents a
 
2056
supercombinator in the program: when Hugs compiles a module, it
 
2057
performs lambda lifting and each resulting supercombinator becomes a
 
2058
byte-code object in the heap.
 
2059
 
 
2060
BCOs are not updateable; the bytecode compiler represents updatable
 
2061
thunks using a combination of @AP@s and @BCO@s.
 
2062
 
 
2063
The semantics of BCOs are described in \secref{hugs-heap-objects}.  A
 
2064
BCO has the following structure:
 
2065
 
 
2066
\begin{center}
 
2067
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}
 
2068
\hline 
 
2069
\emph{Fixed Header} & \emph{Layout} & \emph{Offset} & \emph{Size} &
 
2070
\emph{Literals} & \emph{Byte code} \\
 
2071
\hline
 
2072
\end{tabular}
 
2073
\end{center}
 
2074
 
 
2075
\noindent where:
 
2076
\begin{itemize}
 
2077
\item The entry code is a static code fragment/info table that returns
 
2078
to the scheduler to invoke Hugs (\secref{ghc-to-hugs-switch}).
 
2079
\item \emph{Layout} contains the number of pointer literals in the
 
2080
\emph{Literals} field.
 
2081
\item \emph{Offset} is the offset to the byte code from the start of
 
2082
the object.
 
2083
\item \emph{Size} is the number of words of byte code in the object.
 
2084
\item \emph{Literals} contains any pointer and non-pointer literals used in
 
2085
the byte-codes (including jump addresses), pointers first.
 
2086
\item \emph{Byte code} contains \emph{Size} words of non-pointer byte
 
2087
code.
 
2088
\end{itemize}
 
2089
 
 
2090
 
 
2091
\Subsubsection{Partial applications}{PAP}
 
2092
 
 
2093
A partial application (PAP) represents a function applied to too few
 
2094
arguments.  It is only built as a result of updating after an
 
2095
argument-satisfaction check failure.  A PAP has the following shape:
 
2096
 
 
2097
\begin{center}
 
2098
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
2099
\emph{Fixed header}  & \emph{No of words of stack} & \emph{Function closure} & \emph{Stack chunk ...} \\ \hline
 
2100
\end{tabular}
 
2101
\end{center}
 
2102
 
 
2103
The ``Stack chunk'' is a copy of the chunk of stack above the update
 
2104
frame; ``No of words of stack'' tells how many words it consists of.
 
2105
The function closure is (a pointer to) the closure for the function
 
2106
whose argument-satisfaction check failed.
 
2107
 
 
2108
In the normal case where a PAP is built as a result of an argument
 
2109
satisfaction check failure, the stack chunk will just contain
 
2110
``pending arguments'', ie. pointers and tagged non-pointers.  It may
 
2111
in fact also contain activation records, but not update frames, seq
 
2112
frames, or catch frames.  The reason is the garbage collector uses the
 
2113
same code to scavenge a stack as it does to scavenge the payload of a
 
2114
PAP, but an update frame contains a link to the next update frame in
 
2115
the chain and this link would need to be relocated during garbage
 
2116
collection.  Revertible black holes and asynchronous exceptions use
 
2117
the more general form of PAPs (see Section \ref{revertible-bh}).
 
2118
 
 
2119
There is just one standard form of PAP. There is just one info table
 
2120
too, called @PAP_info@.  Its entry code simply copies the arg stack
 
2121
chunk back on top of the stack and enters the function closure.  (It
 
2122
has to do a stack overflow test first.)
 
2123
 
 
2124
There is just one way to build a PAP: by calling @stg_update_PAP@ with
 
2125
the function closure in register @R1@ and the pending arguments on the
 
2126
stack.  The @stg_update_PAP@ function will build the PAP, perform the
 
2127
update, and return to the next activation record on the stack.  If
 
2128
there are \emph{no} pending arguments on the stack, then no PAP need
 
2129
be built: in this case @stg_update_PAP@ just overwrites the updatee
 
2130
with an indirection to the function closure.
 
2131
 
 
2132
PAPs are also used to implement Hugs functions (where the arguments
 
2133
are free variables).  PAPs generated by Hugs can be static so we need
 
2134
both @PAP@ and @PAP_STATIC@.
 
2135
 
 
2136
\Subsubsection{\texttt{AP\_UPD} objects}{AP_UPD}
 
2137
 
 
2138
@AP_UPD@ objects are used to represent thunks built by Hugs, and to
 
2139
save the currently-active computations when performing @raiseAsync()@.
 
2140
The only
 
2141
distinction between an @AP_UPD@ and a @PAP@ is that an @AP_UPD@ is
 
2142
updateable.
 
2143
 
 
2144
\begin{center}
 
2145
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}
 
2146
\hline
 
2147
\emph{Fixed Header} & \emph{No of stack words} & \emph{Function closure} & \emph{Stack chunk} \\
 
2148
\hline
 
2149
\end{tabular}
 
2150
\end{center}
 
2151
 
 
2152
The entry code pushes an update frame, copies the arg stack chunk on
 
2153
top of the stack, and enters the function closure.  (It has to do a
 
2154
stack overflow test first.)
 
2155
 
 
2156
The ``stack chunk'' is a block of stack not containing update frames,
 
2157
seq frames or catch frames (just like a PAP).  In the case of Hugs,
 
2158
the stack chunk will contain the free variables of the thunk, and the
 
2159
function closure is (a pointer to) the closure for the thunk.  The
 
2160
argument stack may be empty if the thunk has no free variables.
 
2161
 
 
2162
\note{Since @AP\_UPD@s are updateable, the @MIN\_UPD\_SIZE@ constraint applies here too.}
 
2163
 
 
2164
\Subsubsection{Indirections}{IND}
 
2165
 
 
2166
Indirection closures just point to other closures. They are introduced
 
2167
when a thunk is updated to point to its value.  The entry code for all
 
2168
indirections simply enters the closure it points to.
 
2169
 
 
2170
There are several forms of indirection:
 
2171
 
 
2172
\begin{description}
 
2173
\item[@IND@] is the vanilla, dynamically-allocated indirection.
 
2174
It is removed by the garbage collector. It has the following
 
2175
shape:
 
2176
\begin{center}
 
2177
\begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
 
2178
\emph{Fixed header} & \emph{Target closure} \\ \hline
 
2179
\end{tabular}
 
2180
\end{center}
 
2181
 
 
2182
An @IND@ only exists in the youngest generation.  In older
 
2183
generations, we have @IND_OLDGEN@s.  The update code
 
2184
(@Upd_frame_$n$_entry@) checks whether the updatee is in the youngest
 
2185
generation before deciding which kind of indirection to use.
 
2186
 
 
2187
\item[@IND\_OLDGEN@] is the vanilla, dynamically-allocated indirection.
 
2188
It is removed by the garbage collector. It has the following
 
2189
shape:
 
2190
\begin{center}
 
2191
\begin{tabular}{|l|l|l|}\hline
 
2192
\emph{Fixed header} & \emph{Target closure} & \emph{Mutable link field} \\ \hline
 
2193
\end{tabular}
 
2194
\end{center}
 
2195
It contains a \emph{mutable link field} that is used to string together
 
2196
mutable objects in each old generation.
 
2197
 
 
2198
\item[@IND\_PERM@]
 
2199
For lexical profiling, it is necessary to maintain cost centre
 
2200
information in an indirection, so ``permanent indirections'' are
 
2201
retained forever.  Otherwise they are just like vanilla indirections.
 
2202
\note{If a permanent indirection points to another permanent
 
2203
indirection or a @CONST@ closure, it is possible to elide the indirection
 
2204
since it will have no effect on the profiler.}
 
2205
 
 
2206
\note{Do we still need @IND@ in the profiling build, or do we just
 
2207
need @IND@ but its behaviour changes when profiling is on?}
 
2208
 
 
2209
\item[@IND\_OLDGEN\_PERM@]
 
2210
Just like an @IND_OLDGEN@, but sticks around like an @IND_PERM@.
 
2211
 
 
2212
\item[@IND\_STATIC@] is used for overwriting CAFs when they have been
 
2213
evaluated.  Static indirections are not removed by the garbage
 
2214
collector; and are statically allocated outside the heap (and should
 
2215
stay there).  Their static object link field is used just as for
 
2216
@FUN_STATIC@ closures.
 
2217
 
 
2218
\begin{center}
 
2219
\begin{tabular}{|l|l|l|}
 
2220
\hline
 
2221
\emph{Fixed header} & \emph{Target closure} & \emph{Static link field} \\
 
2222
\hline
 
2223
\end{tabular}
 
2224
\end{center}
 
2225
 
 
2226
\end{description}
 
2227
 
 
2228
\subsubsection{Black holes and blocking queues}
 
2229
\label{sec:BLACKHOLE}
 
2230
\label{sec:BLACKHOLE_BQ}
 
2231
 
 
2232
Black hole closures are used to overwrite closures currently being
 
2233
evaluated. They inform the garbage collector that there are no live
 
2234
roots in the closure, thus removing a potential space leak.  
 
2235
 
 
2236
Black holes also become synchronization points in the concurrent
 
2237
world.  When a thread attempts to enter a blackhole, it must wait for
 
2238
the result of the computation, which is presumably in progress in
 
2239
another thread.
 
2240
 
 
2241
\note{In a single-threaded system, entering a black hole indicates an
 
2242
infinite loop.  In a concurrent system, entering a black hole
 
2243
indicates an infinite loop only if the hole is being entered by the
 
2244
same thread that originally entered the closure.  It could also bring
 
2245
about a deadlock situation where several threads are waiting
 
2246
circularly on computations in progress.}
 
2247
 
 
2248
There are two types of black hole:
 
2249
 
 
2250
\begin{description}
 
2251
 
 
2252
\item[@BLACKHOLE@]
 
2253
A straightforward blackhole just consists of an info pointer and some
 
2254
padding to allow updating with an @IND_OLDGEN@ if necessary.  This
 
2255
type of blackhole has no waiting threads.
 
2256
 
 
2257
\begin{center}
 
2258
\begin{tabular}{|l|l|l|}
 
2259
\hline 
 
2260
\emph{Fixed header} & \emph{Padding} & \emph{Padding} \\
 
2261
\hline
 
2262
\end{tabular}
 
2263
\end{center}
 
2264
 
 
2265
If we're doing \emph{eager blackholing} then a thunk's info pointer is
 
2266
overwritten with @BLACKHOLE_info@ at the time of entry; hence the need
 
2267
for blackholes to be small, otherwise we'd be overwriting part of the
 
2268
thunk itself.
 
2269
 
 
2270
\item[@BLACKHOLE\_BQ@] 
 
2271
When a thread enters a @BLACKHOLE@, it is turned into a @BLACKHOLE_BQ@
 
2272
(blocking queue), which contains a linked list of blocked threads in
 
2273
addition to the info pointer.
 
2274
 
 
2275
\begin{center}
 
2276
\begin{tabular}{|l|l|l|}
 
2277
\hline 
 
2278
\emph{Fixed header} & \emph{Blocked thread link} & \emph{Mutable link field} \\
 
2279
\hline
 
2280
\end{tabular}
 
2281
\end{center}
 
2282
 
 
2283
The \emph{Blocked thread link} points to the TSO of the first thread
 
2284
waiting for the value of this thunk.  All subsequent TSOs in the list
 
2285
are linked together using their @tso->link@ field, ending in
 
2286
@END_TSO_QUEUE_closure@.
 
2287
 
 
2288
Because new threads can be added to the \emph{Blocked thread link}, a
 
2289
blocking queue is \emph{mutable}, so we need a mutable link field in
 
2290
order to chain it on to a mutable list for the generational garbage
 
2291
collector.
 
2292
 
 
2293
\end{description}
 
2294
 
 
2295
\Subsubsection{FetchMes}{FETCHME} 
 
2296
 
 
2297
In the parallel systems, FetchMes are used to represent pointers into
 
2298
the global heap.  When evaluated, the value they point to is read from
 
2299
the global heap.
 
2300
 
 
2301
\ToDo{Describe layout}
 
2302
 
 
2303
Because there may be offsets into these arrays, a primitive array
 
2304
cannot be handled as a FetchMe in the parallel system, but must be
 
2305
shipped in its entirety if its parent closure is shipped.
 
2306
 
 
2307
 
 
2308
 
 
2309
\Subsection{Unpointed Objects}{unpointed-objects}
 
2310
 
 
2311
A variable of unpointed type is always bound to a \emph{value}, never
 
2312
to a \emph{thunk}.  For this reason, unpointed objects cannot be
 
2313
entered.
 
2314
 
 
2315
\subsubsection{Immutable objects}
 
2316
\label{sec:ARR_WORDS}
 
2317
 
 
2318
\begin{description}
 
2319
\item[@ARR\_WORDS@] is a variable-sized object consisting solely of
 
2320
non-pointers.  It is used for arrays of all sorts of things (bytes,
 
2321
words, floats, doubles... it doesn't matter).
 
2322
 
 
2323
Strictly speaking, an @ARR_WORDS@ could be mutable, but because it
 
2324
only contains non-pointers we don't need to track this fact.
 
2325
 
 
2326
\begin{center}
 
2327
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
 
2328
\hline
 
2329
\emph{Fixed Hdr} & \emph{No of non-pointers} & \emph{Non-pointers\ldots}        \\ \hline
 
2330
\end{tabular}
 
2331
\end{center}
 
2332
\end{description}
 
2333
 
 
2334
\subsubsection{Mutable objects}
 
2335
\label{sec:mutables}
 
2336
\label{sec:MUT_VAR}
 
2337
\label{sec:MUT_ARR_PTRS}
 
2338
\label{sec:MUT_ARR_PTRS_FROZEN}
 
2339
\label{sec:MVAR}
 
2340
 
 
2341
Some of these objects are \emph{mutable}; they represent objects which
 
2342
are explicitly mutated by Haskell code through the @ST@ or @IO@
 
2343
monads.  They're not used for thunks which are updated precisely once.
 
2344
Depending on the garbage collector, mutable closures may contain extra
 
2345
header information which allows a generational collector to implement
 
2346
the ``write barrier.''
 
2347
 
 
2348
Notice that mutable objects all have the same general layout: there is
 
2349
a mutable link field as the second word after the header.  This is so
 
2350
that code to process old-generation mutable lists doesn't need to look
 
2351
at the type of the object to determine where its link field is.
 
2352
 
 
2353
\begin{description}
 
2354
 
 
2355
\item[@MUT\_VAR@] is a mutable variable.
 
2356
\begin{center}
 
2357
\begin{tabular}{|c|c|c|}
 
2358
\hline
 
2359
\emph{Fixed Hdr} \emph{Pointer} & \emph{Mutable link} & \\ \hline
 
2360
\end{tabular}
 
2361
\end{center}
 
2362
 
 
2363
\item[@MUT\_ARR\_PTRS@] is a mutable array of pointers.  Such an array
 
2364
may be \emph{frozen}, becoming an @MUT_ARR_PTRS_FROZEN@, with a
 
2365
different info-table.
 
2366
 
 
2367
\begin{center}
 
2368
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
 
2369
\hline
 
2370
\emph{Fixed Hdr} & \emph{No of ptrs} & \emph{Mutable link} & \emph{Pointers\ldots} \\ \hline
 
2371
\end{tabular}
 
2372
\end{center}
 
2373
 
 
2374
\item[@MUT\_ARR\_PTRS\_FROZEN@] This is the immutable version of
 
2375
@MUT_ARR_PTRS@.  It still has a mutable link field for two reasons: we
 
2376
need to keep it on the mutable list for an old generation at least
 
2377
until the next garbage collection, and it may become mutable again via
 
2378
@thawArray@.
 
2379
 
 
2380
\begin{center}
 
2381
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
 
2382
\hline
 
2383
\emph{Fixed Hdr} & \emph{No of ptrs} & \emph{Mutable link} & \emph{Pointers\ldots} \\ \hline
 
2384
\end{tabular}
 
2385
\end{center}
 
2386
 
 
2387
\item[@MVAR@]
 
2388
 
 
2389
\begin{center}
 
2390
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}
 
2391
\hline 
 
2392
\emph{Fixed header} & \emph{Head} & \emph{Mutable link} & \emph{Tail}
 
2393
& \emph{Value}\\
 
2394
\hline
 
2395
\end{tabular}
 
2396
\end{center}
 
2397
 
 
2398
\ToDo{MVars}
 
2399
 
 
2400
\end{description}
 
2401
 
 
2402
 
 
2403
\Subsubsection{Foreign objects}{FOREIGN}
 
2404
 
 
2405
Here's what a ForeignObj looks like:
 
2406
 
 
2407
\begin{center}
 
2408
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}
 
2409
\hline 
 
2410
\emph{Fixed header} & \emph{Data} \\
 
2411
\hline
 
2412
\end{tabular}
 
2413
\end{center}
 
2414
 
 
2415
A foreign object is simple a boxed pointer to an address outside the
 
2416
Haskell heap, possible to @malloc@ed data.  The only reason foreign
 
2417
objects exist is so that we can track the lifetime of one using weak
 
2418
pointers (see \secref{WEAK}) and run a finaliser when the foreign
 
2419
object is unreachable.
 
2420
 
 
2421
\subsubsection{Weak pointers}
 
2422
\label{sec:WEAK}
 
2423
 
 
2424
\begin{center}
 
2425
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}
 
2426
\hline 
 
2427
\emph{Fixed header} & \emph{Key} & \emph{Value} & \emph{Finaliser}
 
2428
& \emph{Link}\\
 
2429
\hline
 
2430
\end{tabular}
 
2431
\end{center}
 
2432
 
 
2433
\ToDo{Weak poitners}
 
2434
 
 
2435
\subsubsection{Stable names}
 
2436
\label{sec:STABLE_NAME}
 
2437
 
 
2438
\begin{center}
 
2439
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}
 
2440
\hline 
 
2441
\emph{Fixed header} & \emph{Index} \\
 
2442
\hline
 
2443
\end{tabular}
 
2444
\end{center}
 
2445
 
 
2446
\ToDo{Stable names}
 
2447
 
 
2448
The remaining objects types are all administrative --- none of them
 
2449
may be entered.
 
2450
 
 
2451
\subsection{Other weird objects}
 
2452
\label{sec:SPARK}
 
2453
\label{sec:BLOCKED_FETCH}
 
2454
 
 
2455
\begin{description}
 
2456
\item[@BlockedFetch@ heap objects (`closures')] (parallel only)
 
2457
 
 
2458
@BlockedFetch@s are inbound fetch messages blocked on local closures.
 
2459
They arise as entries in a local blocking queue when a fetch has been
 
2460
received for a local black hole.  When awakened, we look at their
 
2461
contents to figure out where to send a resume.
 
2462
 
 
2463
A @BlockedFetch@ closure has the form:
 
2464
\begin{center}
 
2465
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
 
2466
\emph{Fixed header} & link & node & gtid & slot & weight \\ \hline
 
2467
\end{tabular}
 
2468
\end{center}
 
2469
 
 
2470
\item[Spark Closures] (parallel only)
 
2471
 
 
2472
Spark closures are used to link together all closures in the spark pool.  When
 
2473
the current processor is idle, it may choose to speculatively evaluate some of
 
2474
the closures in the pool.  It may also choose to delete sparks from the pool.
 
2475
\begin{center}
 
2476
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
 
2477
\emph{Fixed header} & \emph{Spark pool link} & \emph{Sparked closure} \\ \hline
 
2478
\end{tabular}
 
2479
\end{center}
 
2480
 
 
2481
\item[Slop Objects]\label{sec:slop-objects}
 
2482
 
 
2483
Slop objects are used to overwrite the end of an updatee if it is
 
2484
larger than an indirection.  Normal slop objects consist of an info
 
2485
pointer a size word and a number of slop words.  
 
2486
 
 
2487
\begin{center}
 
2488
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}\hline
 
2489
\emph{Info Pointer} & \emph{Size} & \emph{Slop Words} \\ \hline
 
2490
\end{tabular}
 
2491
\end{center}
 
2492
 
 
2493
This is too large for single word slop objects which consist of a
 
2494
single info table.
 
2495
 
 
2496
Note that slop objects only contain an info pointer, not a standard
 
2497
fixed header.  This doesn't cause problems because slop objects are
 
2498
always unreachable --- they can only be accessed by linearly scanning
 
2499
the heap.
 
2500
 
 
2501
\note{Currently we don't use slop objects because the storage manager
 
2502
isn't reliant on objects being adjacent, but if we move to a ``mostly
 
2503
copying'' style collector, this will become an issue.}
 
2504
 
 
2505
\end{description}
 
2506
 
 
2507
\Subsection{Thread State Objects (TSOs)}{TSO}
 
2508
 
 
2509
In the multi-threaded system, the state of a suspended thread is
 
2510
packed up into a Thread State Object (TSO) which contains all the
 
2511
information needed to restart the thread and for the garbage collector
 
2512
to find all reachable objects.  When a thread is running, it may be
 
2513
``unpacked'' into machine registers and various other memory locations
 
2514
to provide faster access.
 
2515
 
 
2516
Single-threaded systems don't really \emph{need\/} TSOs --- but they do
 
2517
need some way to tell the storage manager about live roots so it is
 
2518
convenient to use a single TSO to store the mutator state even in
 
2519
single-threaded systems.
 
2520
 
 
2521
Rather than manage TSOs' alloc/dealloc, etc., in some \emph{ad hoc}
 
2522
way, we instead alloc/dealloc/etc them in the heap; then we can use
 
2523
all the standard garbage-collection/fetching/flushing/etc machinery on
 
2524
them.  So that's why TSOs are ``heap objects,'' albeit very special
 
2525
ones.
 
2526
\begin{center}
 
2527
\begin{tabular}{|l|l|}
 
2528
   \hline \emph{Fixed header}
 
2529
\\ \hline \emph{Link field}
 
2530
\\ \hline \emph{Mutable link field}
 
2531
\\ \hline \emph{What next}
 
2532
\\ \hline \emph{State}
 
2533
\\ \hline \emph{Thread Id}
 
2534
\\ \hline \emph{Exception Handlers}
 
2535
\\ \hline \emph{Ticky Info}
 
2536
\\ \hline \emph{Profiling Info}
 
2537
\\ \hline \emph{Parallel Info}
 
2538
\\ \hline \emph{GranSim Info}
 
2539
\\ \hline \emph{Stack size}
 
2540
\\ \hline \emph{Max Stack size}
 
2541
\\ \hline \emph{Sp}
 
2542
\\ \hline \emph{Su}
 
2543
\\ \hline \emph{SpLim}
 
2544
\\ \hline 
 
2545
\\
 
2546
          \emph{Stack}
 
2547
\\
 
2548
\\ \hline 
 
2549
\end{tabular}
 
2550
\end{center}
 
2551
The contents of a TSO are:
 
2552
\begin{description}
 
2553
 
 
2554
\item[\emph{Link field}] This is a pointer used to maintain a list of
 
2555
threads with a similar state (e.g.~all runnable, all sleeping, all
 
2556
blocked on the same black hole, all blocked on the same MVar,
 
2557
etc.)
 
2558
 
 
2559
\item[\emph{Mutable link field}] Because the stack is mutable by
 
2560
definition, the generational collector needs to track TSOs in older
 
2561
generations that may point into younger ones (which is just about any
 
2562
TSO for a thread that has run recently).  Hence the need for a mutable
 
2563
link field (see \secref{mutables}).
 
2564
 
 
2565
\item[\emph{What next}]
 
2566
This field has five values:  
 
2567
\begin{description}
 
2568
\item[@ThreadEnterGHC@]  The thread can be started by entering the
 
2569
closure pointed to by the word on the top of the stack.
 
2570
\item[@ThreadRunGHC@]  The thread can be started by jumping to the
 
2571
address on the top of the stack.
 
2572
\item[@ThreadEnterHugs@]  The stack has a pointer to a Hugs-built
 
2573
closure on top of the stack: enter the closure to run the thread.
 
2574
\item[@ThreadKilled@] The thread has been killed (by @killThread#@).
 
2575
It is probably still around because it is on some queue somewhere and
 
2576
hasn't been garbage collected yet.
 
2577
\item[@ThreadComplete@] The thread has finished.  Its @TSO@ hasn't
 
2578
been garbage collected yet.
 
2579
\end{description}
 
2580
 
 
2581
\item[\emph{Thread Id}]
 
2582
This field contains a (not necessarily unique) integer that identifies
 
2583
the thread.  It can be used eg. for hashing.
 
2584
 
 
2585
\item[\emph{Ticky Info}] Optional information for ``Ticky Ticky''
 
2586
statistics: @TSO_STK_HWM@ is the maximum number of words allocated to
 
2587
this thread.
 
2588
 
 
2589
\item[\emph{Profiling Info}] Optional information for profiling:
 
2590
@TSO_CCC@ is the current cost centre.
 
2591
 
 
2592
\item[\emph{Parallel Info}]
 
2593
Optional information for parallel execution.
 
2594
 
 
2595
% \begin{itemize}
 
2596
 
2597
% \item The types of threads (@TSO_TYPE@):
 
2598
% \begin{description}
 
2599
% \item[@T_MAIN@]     Must be executed locally.
 
2600
% \item[@T_REQUIRED@] A required thread  -- may be exported.
 
2601
% \item[@T_ADVISORY@] An advisory thread -- may be exported.
 
2602
% \item[@T_FAIL@]     A failure thread   -- may be exported.
 
2603
% \end{description}
 
2604
 
2605
% \item I've no idea what else
 
2606
 
2607
% \end{itemize}
 
2608
 
 
2609
\item[\emph{GranSim Info}]
 
2610
Optional information for gransim execution.
 
2611
 
 
2612
% \item Optional information for GranSim execution:
 
2613
% \begin{itemize}
 
2614
% \item locked         
 
2615
% \item sparkname        
 
2616
% \item started at       
 
2617
% \item exported         
 
2618
% \item basic blocks     
 
2619
% \item allocs   
 
2620
% \item exectime         
 
2621
% \item fetchtime        
 
2622
% \item fetchcount       
 
2623
% \item blocktime        
 
2624
% \item blockcount       
 
2625
% \item global sparks    
 
2626
% \item local sparks     
 
2627
% \item queue            
 
2628
% \item priority         
 
2629
% \item clock          (gransim light only)
 
2630
% \end{itemize}
 
2631
 
2632
 
2633
% Here are the various queues for GrAnSim-type events.
 
2634
 
2635
% Q_RUNNING   
 
2636
% Q_RUNNABLE  
 
2637
% Q_BLOCKED   
 
2638
% Q_FETCHING  
 
2639
% Q_MIGRATING 
 
2640
 
2641
 
 
2642
\item[\emph{Stack Info}] Various fields contain information on the
 
2643
stack: its current size, its maximum size (to avoid infinite loops
 
2644
overflowing the memory), the current stack pointer (\emph{Sp}), the
 
2645
current stack update frame pointer (\emph{Su}), and the stack limit
 
2646
(\emph{SpLim}).  The latter three fields are loaded into the relevant
 
2647
registers when the thread is run.
 
2648
 
 
2649
\item[\emph{Stack}] This is the actual stack for the thread,
 
2650
\emph{Stack size} words long.  It grows downwards from higher
 
2651
addresses to lower addresses.  When the stack overflows, it will
 
2652
generally be relocated into larger premises unless \emph{Max stack
 
2653
size} is reached.
 
2654
 
 
2655
\end{description}
 
2656
 
 
2657
The garbage collector needs to be able to find all the
 
2658
pointers in a stack.  How does it do this?
 
2659
 
 
2660
\begin{itemize}
 
2661
 
 
2662
\item Within the stack there are return addresses, pushed
 
2663
by @case@ expressions.  Below a return address (i.e. at higher
 
2664
memory addresses, since the stack grows downwards) is a chunk
 
2665
of stack that the return address ``knows about'', namely the
 
2666
activation record of the currently running function.
 
2667
 
 
2668
\item Below each such activation record is a \emph{pending-argument
 
2669
section}, a chunk of
 
2670
zero or more words that are the arguments to which the result
 
2671
of the function should be applied.  The return address does not
 
2672
statically
 
2673
``know'' how many pending arguments there are, or their types.
 
2674
(For example, the function might return a result of type $\alpha$.)
 
2675
 
 
2676
\item Below each pending-argument section is another return address,
 
2677
and so on.  Actually, there might be an update frame instead, but we
 
2678
can consider update frames as a special case of a return address with
 
2679
a well-defined activation record.
 
2680
 
 
2681
\end{itemize}
 
2682
 
 
2683
The game plan is this.  The garbage collector walks the stack from the
 
2684
top, traversing pending-argument sections and activation records
 
2685
alternately.  Next we discuss how it finds the pointers in each of
 
2686
these two stack regions.
 
2687
 
 
2688
 
 
2689
\Subsubsection{Activation records}{activation-records}
 
2690
 
 
2691
An \emph{activation record} is a contiguous chunk of stack,
 
2692
with a return address as its first word, followed by as many
 
2693
data words as the return address ``knows about''.  The return
 
2694
address is actually a fully-fledged info pointer.  It points
 
2695
to an info table, replete with:
 
2696
 
 
2697
\begin{itemize}
 
2698
\item entry code (i.e. the code to return to).
 
2699
 
 
2700
\item closure type is either @RET_SMALL/RET_VEC_SMALL@ or
 
2701
@RET_BIG/RET_VEC_BIG@, depending on whether the activation record has
 
2702
more than 32 data words (\note{64 for 8-byte-word architectures}) and
 
2703
on whether to use a direct or a vectored return.
 
2704
 
 
2705
\item the layout info for @RET_SMALL@ is a bitmap telling the layout
 
2706
of the activation record, one bit per word.  The least-significant bit
 
2707
describes the first data word of the record (adjacent to the fixed
 
2708
header) and so on.  A ``@1@'' indicates a non-pointer, a ``@0@''
 
2709
indicates a pointer.  We don't need to indicate exactly how many words
 
2710
there are, because when we get to all zeros we can treat the rest of
 
2711
the activation record as part of the next pending-argument region.
 
2712
 
 
2713
For @RET_BIG@ the layout field points to a block of bitmap words,
 
2714
starting with a word that tells how many words are in the block.
 
2715
 
 
2716
\item the info table contains a Static Reference Table pointer for the
 
2717
return address (\secref{srt}).
 
2718
\end{itemize}
 
2719
 
 
2720
The activation record is a fully fledged closure too.  As well as an
 
2721
info pointer, it has all the other attributes of a fixed header
 
2722
(\secref{fixed-header}) including a saved cost centre which
 
2723
is reloaded when the return address is entered.
 
2724
 
 
2725
In other words, all the attributes of closures are needed for
 
2726
activation records, so it's very convenient to make them look alike.
 
2727
 
 
2728
 
 
2729
\Subsubsection{Pending arguments}{pending-args}
 
2730
 
 
2731
So that the garbage collector can correctly identify pointers in
 
2732
pending-argument sections we explicitly tag all non-pointers.  Every
 
2733
non-pointer in a pending-argument section is preceded (at the next
 
2734
lower memory word) by a one-word byte count that says how many bytes
 
2735
to skip over (excluding the tag word).
 
2736
 
 
2737
The garbage collector traverses a pending argument section from the
 
2738
top (i.e. lowest memory address).  It looks at each word in turn:
 
2739
 
 
2740
\begin{itemize}
 
2741
\item If it is less than or equal to a small constant @ARGTAG_MAX@
 
2742
then it treats it as a tag heralding zero or more words of
 
2743
non-pointers, so it just skips over them.
 
2744
 
 
2745
\item If it points to the code segment, it must be a return
 
2746
address, so we have come to the end of the pending-argument section.
 
2747
 
 
2748
\item Otherwise it must be a bona fide heap pointer.
 
2749
\end{itemize}
 
2750
 
 
2751
 
 
2752
\Subsection{The Stable Pointer Table}{STABLEPTR_TABLE}
 
2753
 
 
2754
A stable pointer is a name for a Haskell object which can be passed to
 
2755
the external world.  It is ``stable'' in the sense that the name does
 
2756
not change when the Haskell garbage collector runs---in contrast to
 
2757
the address of the object which may well change.
 
2758
 
 
2759
A stable pointer is represented by an index into the
 
2760
@StablePointerTable@.  The Haskell garbage collector treats the
 
2761
@StablePointerTable@ as a source of roots for GC.
 
2762
 
 
2763
In order to provide efficient access to stable pointers and to be able
 
2764
to cope with any number of stable pointers (eg $0 \ldots 100000$), the
 
2765
table of stable pointers is an array stored on the heap and can grow
 
2766
when it overflows.  (Since we cannot compact the table by moving
 
2767
stable pointers about, it seems unlikely that a half-empty table can
 
2768
be reduced in size---this could be fixed if necessary by using a
 
2769
hash table of some sort.)
 
2770
 
 
2771
In general a stable pointer table closure looks like this:
 
2772
 
 
2773
\begin{center}
 
2774
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|l|}
 
2775
\hline
 
2776
\emph{Fixed header} & \emph{No of pointers} & \emph{Free} & $SP_0$ & \ldots & $SP_{n-1}$ 
 
2777
\\\hline
 
2778
\end{tabular}
 
2779
\end{center}
 
2780
 
 
2781
The fields are:
 
2782
\begin{description}
 
2783
 
 
2784
\item[@NPtrs@:] number of (stable) pointers.
 
2785
 
 
2786
\item[@Free@:] the byte offset (from the first byte of the object) of the first free stable pointer.
 
2787
 
 
2788
\item[$SP_i$:] A stable pointer slot.  If this entry is in use, it is
 
2789
an ``unstable'' pointer to a closure.  If this entry is not in use, it
 
2790
is a byte offset of the next free stable pointer slot.
 
2791
 
 
2792
\end{description}
 
2793
 
 
2794
When a stable pointer table is evacuated
 
2795
\begin{enumerate}
 
2796
\item the free list entries are all set to @NULL@ so that the evacuation
 
2797
  code knows they're not pointers;
 
2798
 
 
2799
\item The stable pointer slots are scanned linearly: non-@NULL@ slots
 
2800
are evacuated and @NULL@-values are chained together to form a new free list.
 
2801
\end{enumerate}
 
2802
 
 
2803
There's no need to link the stable pointer table onto the mutable
 
2804
list because we always treat it as a root.
 
2805
 
 
2806
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
2807
\Subsection{Garbage Collecting CAFs}{CAF}
 
2808
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
2809
 
 
2810
% begin{direct quote from current paper}
 
2811
A CAF (constant applicative form) is a top-level expression with no
 
2812
arguments.  The expression may need a large, even unbounded, amount of
 
2813
storage when it is fully evaluated.
 
2814
 
 
2815
CAFs are represented by closures in static memory that are updated
 
2816
with indirections to objects in the heap space once the expression is
 
2817
evaluated.  Previous version of GHC maintained a list of all evaluated
 
2818
CAFs and traversed them during GC, the result being that the storage
 
2819
allocated by a CAF would reside in the heap until the program ended.
 
2820
% end{direct quote from current paper}
 
2821
 
 
2822
% begin{elaboration on why CAFs are very very bad}
 
2823
Treating CAFs this way has two problems:
 
2824
\begin{itemize}
 
2825
\item
 
2826
It can cause a very large space leak.  For example, this program
 
2827
should run in constant space but, instead, will run out of memory.
 
2828
\begin{verbatim}
 
2829
> main :: IO ()
 
2830
> main = print nats
 
2831
>
 
2832
> nats :: [Int]
 
2833
> nats = [0..maxInt]
 
2834
\end{verbatim}
 
2835
 
 
2836
\item
 
2837
Expressions with no arguments have very different space behaviour
 
2838
depending on whether or not they occur at the top level.  For example, 
 
2839
if we make \verb+nats+ a local definition, the space leak goes away 
 
2840
and the resulting program runs in constant space, as expected.
 
2841
\begin{verbatim}
 
2842
> main :: IO ()
 
2843
> main = print nats
 
2844
>  where
 
2845
>   nats :: [Int]
 
2846
>   nats = [0..maxInt]
 
2847
\end{verbatim}
 
2848
 
 
2849
This huge change in the operational behaviour of the program 
 
2850
is a problem for optimising compilers and for programmers.
 
2851
For example, GHC will normally flatten a set of let bindings using
 
2852
this transformation:
 
2853
\begin{verbatim}
 
2854
let x1 = let x2 = e2 in e1   ==>   let x2 = e2 in let x1 = e1
 
2855
\end{verbatim}
 
2856
but it does not do so if this would raise \verb+x2+ to the top level
 
2857
since that may create a CAF.  Many Haskell programmers avoid creating
 
2858
large CAFs by adding a dummy argument to a CAF or by moving a CAF away
 
2859
from the top level.
 
2860
 
 
2861
\end{itemize}
 
2862
% end{elaboration on why CAFs are very very bad}
 
2863
 
 
2864
Solving the CAF problem requires different treatment in interactive
 
2865
systems such as Hugs than in batch-mode systems such as GHC 
 
2866
\begin{itemize}
 
2867
\item
 
2868
In a batch-mode the program the runtime system is terminated
 
2869
after every execution of the runtime system.  In such systems,
 
2870
the garbage collector can completely ``destroy'' a CAF when it 
 
2871
is no longer live --- in much the same way as it ``destroys''
 
2872
normal closures when they are no longer live.
 
2873
 
 
2874
\item
 
2875
In an interactive system, many expressions are evaluated without
 
2876
restarting the runtime system between each evaluation.  In such
 
2877
systems, the garbage collector cannot completely ``destroy'' a CAF
 
2878
when it is no longer live because, whilst it might not be required in
 
2879
the evaluation of the current expression, it might be required in the
 
2880
next evaluation.
 
2881
 
 
2882
There are two possible behaviours we might want:
 
2883
\begin{enumerate}
 
2884
\item
 
2885
When a CAF is no longer required for the current evaluation, the CAF
 
2886
should be reverted to its original form.  This behaviour ensures that
 
2887
the operational behaviour of the interactive system is a reasonable
 
2888
predictor of the operational behaviour of the batch-mode system.  This
 
2889
allows us to use Hugs for performance debugging (in particular, trying
 
2890
to understand and reduce the heap usage of a program) --- an area of
 
2891
increasing importance as Haskell is used more and more to solve ``real
 
2892
problems'' in ``real problem domains''.
 
2893
 
 
2894
\item
 
2895
Even if a CAF is no longer required for the current evaluation, we might
 
2896
choose to hang onto it by collecting it in the normal way.  This keeps
 
2897
the space leak but might be useful in a teaching environment when
 
2898
trying to teach the difference between call by name evaluation (which
 
2899
doesn't share work) and lazy evaluation (which does share work).
 
2900
 
 
2901
\end{enumerate}
 
2902
 
 
2903
It turns out that it is easy to support both styles of use, so the
 
2904
runtime system provides a switch which lets us turn this on and off
 
2905
during execution.  \ToDo{What is this switch called?}  It would also
 
2906
be easy to provide a function \verb+RevertCAF+ to let the interpreter
 
2907
revert any CAF it wanted between (but not during) executions, if we so
 
2908
desired.  Running \verb+RevertCAF+ during execution would lose some sharing
 
2909
but is otherwise harmless.
 
2910
 
 
2911
\end{itemize}
 
2912
 
 
2913
% % begin{even more pointless observation?}
 
2914
% The simplest fix would be to remove the special treatment of 
 
2915
% top level variables.  This works but is very inefficient.
 
2916
% ToDo: say why.
 
2917
% (Note: delete this paragraph from final version.)
 
2918
% % end{even more pointless observation?}
 
2919
 
 
2920
% begin{pointless observation?}
 
2921
An easy but inefficient fix to the CAF problem would be to make a
 
2922
complete copy of the heap before every evaluation and discard the copy
 
2923
after evaluation.  This works but is inefficient.
 
2924
% end{pointless observation?}
 
2925
 
 
2926
An efficient way to achieve a similar effect is to revert all
 
2927
updatable thunks to their original form as they become unnecessary for
 
2928
the current evaluation.  To do this, we modify the compiler to ensure
 
2929
that the only updatable thunks generated by the compiler are CAFs and
 
2930
we modify the garbage collector to revert entered CAFs to unentered
 
2931
CAFs as their value becomes unnecessary.
 
2932
 
 
2933
 
 
2934
\subsubsection{New Heap Objects}
 
2935
 
 
2936
We add three new kinds of heap object: unentered CAF closures, entered
 
2937
CAF objects and CAF blackholes.  We first describe how they are
 
2938
evaluated and then how they are garbage collected.
 
2939
\begin{itemize}
 
2940
\item
 
2941
Unentered CAF closures contain a pointer to closure representing the
 
2942
body of the CAF.  The ``body closure'' is not updatable.
 
2943
 
 
2944
Unentered CAF closures contain two unused fields to make them the same
 
2945
size as entered CAF closures --- which allows us to perform an inplace
 
2946
update.  \ToDo{Do we have to add another kind of inplace update operation
 
2947
to the storage manager interface or do we consider this to be internal
 
2948
to the SM?}
 
2949
\begin{center}
 
2950
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
2951
\verb+CAF_unentered+ & \emph{body closure} & \emph{unused} & \emph{unused} \\ \hline
 
2952
\end{tabular}
 
2953
\end{center}
 
2954
When an unentered CAF is entered, we do the following:
 
2955
\begin{itemize}
 
2956
\item
 
2957
allocate a CAF black hole;
 
2958
 
 
2959
\item
 
2960
push an update frame (to update the CAF black hole) onto the stack;
 
2961
 
 
2962
\item
 
2963
overwrite the CAF with an entered CAF object (see below) with the same
 
2964
body and whose value field points to the black hole;
 
2965
 
 
2966
\item
 
2967
add the CAF to a list of all entered CAFs (called ``the CAF list'');
 
2968
and
 
2969
 
 
2970
\item
 
2971
the closure representing the value of the CAF is entered.
 
2972
 
 
2973
\end{itemize}
 
2974
 
 
2975
When evaluation of the CAF body returns a value, the update frame
 
2976
causes the CAF black hole to be updated with the value in the normal
 
2977
way.
 
2978
 
 
2979
\ToDo{Add a picture}
 
2980
 
 
2981
\item
 
2982
Entered CAF closures contain two pointers: a pointer to the CAF body
 
2983
(the same as for unentered CAF closures); a pointer to the CAF value
 
2984
(this is initialised with a CAF blackhole, as previously described);
 
2985
and a link to the next CAF in the CAF list 
 
2986
 
 
2987
\ToDo{How is the end of the list marked?  Null pointer or sentinel value?}.
 
2988
 
 
2989
\begin{center}
 
2990
\begin{tabular}{|l|l|l|l|}\hline
 
2991
\verb+CAF_entered+ & \emph{body closure} & \emph{value} & \emph{link} \\ \hline
 
2992
\end{tabular}
 
2993
\end{center}
 
2994
When an entered CAF is entered, it enters its value closure.
 
2995
 
 
2996
\item
 
2997
CAF blackholes are identical to normal blackholes except that they
 
2998
have a different infotable.  The only reason for having CAF blackholes
 
2999
is to allow an optimisation of lazy blackholing where we stop scanning
 
3000
the stack when we see the first {\em normal blackhole} but not
 
3001
when we see a {\em CAF blackhole.}
 
3002
\ToDo{The optimisation we want to allow should be described elsewhere
 
3003
so that all we have to do here is describe the difference.}
 
3004
 
 
3005
Instead of allocating a blackhole to update with the value of the CAF,
 
3006
it might seem simpler to update the CAF directly.  This would require
 
3007
a new kind of update frame which would update the value field of the
 
3008
CAF with a pointer to the value and wouldn't catch blackholes caused
 
3009
by CAFs that depend on themselves so we chose not to do so.
 
3010
 
 
3011
\end{itemize}
 
3012
 
 
3013
\subsubsection{Garbage Collection}
 
3014
 
 
3015
To avoid the space leak, each run of the garbage collector must revert
 
3016
the entered CAFs which are not required to complete the current
 
3017
evaluation (that is all the closures reachable from the set of
 
3018
runnable threads and the stable pointer table).
 
3019
 
 
3020
It does this by performing garbage collection in three phases:
 
3021
\begin{enumerate}
 
3022
\item
 
3023
During the first phase, we ``mark'' all closures reachable from the
 
3024
scheduler state.  
 
3025
 
 
3026
How we ``mark'' closures depends on the garbage collector.  For
 
3027
example, in a 2-space collector, closures are ``marked'' by copying
 
3028
them into ``to-space'', overwriting them with a forwarding node and
 
3029
``marking'' all the closures reachable from the copy.  The only
 
3030
requirements are that we can test whether a closure is marked and if a
 
3031
closure is marked then so are all closures reachable from it.
 
3032
 
 
3033
\ToDo{At present we say that the scheduler state includes any state
 
3034
that Hugs may have.  This is not true anymore.}
 
3035
 
 
3036
Performing this phase first provides us with a cheap test for
 
3037
execution closures: at this stage in execution, the execution closures
 
3038
are precisely the marked closures.
 
3039
 
 
3040
\item
 
3041
During the second phase, we revert all unmarked CAFs on the CAF list
 
3042
and remove them from the CAF list.
 
3043
 
 
3044
Since the CAF list is exactly the set of all entered CAFs, this reverts
 
3045
all entered CAFs which are not execution closures.
 
3046
 
 
3047
\item
 
3048
During the third phase, we mark all top level objects (including CAFs)
 
3049
by calling \verb+MarkHugsRoots+ which will call \verb+MarkRoot+ for
 
3050
each top level object known to Hugs.
 
3051
 
 
3052
\end{enumerate}
 
3053
 
 
3054
To implement the second style of interactive behaviour (where we
 
3055
deliberately keep the CAF-related space leak), we simply omit the
 
3056
second phase.  Omitting the second phase causes the third phase to
 
3057
mark any unmarked CAF value closures.
 
3058
 
 
3059
So far, we have been describing a pure Hugs system which contains no
 
3060
machine generated code.  The main difference in a hybrid system is
 
3061
that GHC-generated code is statically allocated in memory instead of
 
3062
being dynamically allocated on the heap.  We split both
 
3063
\verb+CAF_unentered+ and \verb+CAF_entered+ into two versions: a
 
3064
static and a dynamic version.  The static and dynamic versions of each
 
3065
CAF differ only in whether they are moved during garbage collection.
 
3066
When reverting CAFs, we revert dynamic entered CAFs to dynamic
 
3067
unentered CAFs and static entered CAFs to static unentered CAFs.
 
3068
 
 
3069
 
 
3070
 
 
3071
 
 
3072
\Section{The Bytecode Evaluator}{bytecode-evaluator}
 
3073
 
 
3074
This section describes how the Hugs interpreter interprets code in the
 
3075
same environment as compiled code executes.  Both evaluation models
 
3076
use a common garbage collector, so they must agree on the form of
 
3077
objects in the heap.
 
3078
 
 
3079
Hugs interprets code by converting it to byte-code and applying a
 
3080
byte-code interpreter to it.  Wherever possible, we try to ensure that
 
3081
the byte-code is all that is required to interpret a section of code.
 
3082
This means not dynamically generating info tables, and hence we can
 
3083
only have a small number of possible heap objects each with a statically
 
3084
compiled info table.  Similarly for stack objects: in fact we only
 
3085
have one Hugs stack object, in which all information is tagged for the
 
3086
garbage collector.
 
3087
 
 
3088
There is, however, one exception to this rule.  Hugs must generate
 
3089
info tables for any constructors it is asked to compile, since the
 
3090
alternative is to force a context-switch each time compiled code
 
3091
enters a Hugs-built constructor, which would be prohibitively
 
3092
expensive.
 
3093
 
 
3094
We achieve this simplicity by forgoing some of the optimisations used
 
3095
by compiled code:
 
3096
\begin{itemize}
 
3097
\item
 
3098
 
 
3099
Whereas compiled code has five different ways of entering a closure
 
3100
(\secref{ghc-fun-call}), interpreted code has only one.
 
3101
The entry point for interpreted code behaves like slow entry points for
 
3102
compiled code.
 
3103
 
 
3104
\item
 
3105
 
 
3106
We use just one info table for \emph{all\/} direct returns.  
 
3107
This introduces two problems:
 
3108
\begin{enumerate}
 
3109
\item How does the interpreter know what code to execute?
 
3110
 
 
3111
Instead of pushing just a return address, we push a return BCO and a 
 
3112
trivial return address which just enters the return BCO.
 
3113
 
 
3114
(In a purely interpreted system, we could avoid pushing the trivial
 
3115
return address.)
 
3116
 
 
3117
\item How can the garbage collector follow pointers within the
 
3118
activation record?
 
3119
 
 
3120
We could push a third word ---a bitmask describing the location of any
 
3121
pointers within the record--- but, since we're already tagging unboxed
 
3122
function arguments on the stack, we use the same mechanism for unboxed
 
3123
values within the activation record.
 
3124
 
 
3125
\ToDo{Do we have to stub out dead variables in the activation frame?}
 
3126
 
 
3127
\end{enumerate}
 
3128
 
 
3129
\item
 
3130
 
 
3131
We trivially support vectored returns by pushing a return vector whose
 
3132
entries are all the same.
 
3133
 
 
3134
\item
 
3135
 
 
3136
We avoid the need to build SRTs by putting bytecode objects on the
 
3137
heap and restricting BCOs to a single basic block.
 
3138
 
 
3139
\end{itemize}
 
3140
 
 
3141
\Subsection{Hugs Info Tables}{hugs-info-tables}
 
3142
 
 
3143
Hugs requires the following info tables and closures:
 
3144
\begin{description}
 
3145
\item [@HUGS\_RET@].
 
3146
 
 
3147
Contains both a vectored return table and a direct entry point.  All
 
3148
entry points are the same: they rearrange the stack to match the Hugs
 
3149
return convention (\secref{hugs-return-convention}) and return to the
 
3150
scheduler.  When the scheduler restarts the thread, it will find a BCO
 
3151
on top of the stack and will enter the Hugs interpreter.
 
3152
 
 
3153
\item [@UPD\_RET@].
 
3154
 
 
3155
This is just the standard info table for an update frame.
 
3156
 
 
3157
\item [Constructors].
 
3158
 
 
3159
The entry code for a constructor jumps to a generic entry point in the
 
3160
runtime system which decides whether to do a vectored or unvectored
 
3161
return depending on the shape of the constructor/type.  This implies that
 
3162
info tables must have enough info to make that decision.
 
3163
 
 
3164
\item [@AP@ and @PAP@].
 
3165
 
 
3166
\item [Indirections].
 
3167
 
 
3168
\item [Selectors].
 
3169
 
 
3170
Hugs doesn't generate them itself but it ought to recognise them
 
3171
 
 
3172
\item [Complex primops].
 
3173
 
 
3174
Some of the primops are too complex for GHC to generate inline.
 
3175
Instead, these primops are hand-written and called as normal functions.
 
3176
Hugs only needs to know their names and types but doesn't care whether
 
3177
they are generated by GHC or by hand.  Two things to watch:
 
3178
 
 
3179
\begin{enumerate}
 
3180
\item
 
3181
Hugs must be able to enter these primops even if it is working on a
 
3182
standalone system that does not support genuine GHC generated code.
 
3183
 
 
3184
\item The complex primops often involve unboxed tuple types (which
 
3185
Hugs does not support at the source level) so we cannot specify their
 
3186
types in a Haskell source file.
 
3187
 
 
3188
\end{enumerate}
 
3189
 
 
3190
\end{description}
 
3191
 
 
3192
\Subsection{Hugs Heap Objects}{hugs-heap-objects}
 
3193
 
 
3194
\subsubsection{Byte-code objects}
 
3195
 
 
3196
Compiled byte code lives on the global heap, in objects called
 
3197
Byte-Code Objects (or BCOs).  The layout of BCOs is described in
 
3198
detail in \secref{BCO}, in this section we will describe
 
3199
their semantics.
 
3200
 
 
3201
Since byte-code lives on the heap, it can be garbage collected just
 
3202
like any other heap-resident data.  Hugs arranges that any BCO's
 
3203
referred to by the Hugs symbol tables are treated as live objects by
 
3204
the garbage collector.  When a module is unloaded, the pointers to its
 
3205
BCOs are removed from the symbol table, and the code will be garbage
 
3206
collected some time later.
 
3207
 
 
3208
A BCO represents a basic block of code --- the (only) entry points is
 
3209
at the beginning of a BCO, and it is impossible to jump into the
 
3210
middle of one.  A BCO represents not only the code for a function, but
 
3211
also its closure; a BCO can be entered just like any other closure.
 
3212
Hugs performs lambda-lifting during compilation to byte-code, and each
 
3213
top-level combinator becomes a BCO in the heap.
 
3214
 
 
3215
 
 
3216
\subsubsection{Thunks and partial applications}
 
3217
 
 
3218
A thunk consists of a code pointer, and values for the free variables
 
3219
of that code.  Since Hugs byte-code is lambda-lifted, free variables
 
3220
become arguments and are expected to be on the stack by the called
 
3221
function.
 
3222
 
 
3223
Hugs represents updateable thunks with @AP_UPD@ objects applying a closure
 
3224
to a list of arguments.  (As for @PAP@s, unboxed arguments should be
 
3225
preceded by a tag.)  When it is entered, it pushes an update frame
 
3226
followed by its payload on the stack, and enters the first word (which
 
3227
will be a pointer to a BCO).  The layout of @AP_UPD@ objects is described
 
3228
in more detail in \secref{AP_UPD}.
 
3229
 
 
3230
Partial applications are represented by @PAP@ objects, which are
 
3231
non-updatable.
 
3232
 
 
3233
\ToDo{Hugs Constructors}.
 
3234
 
 
3235
\Subsection{Calling conventions}{hugs-calling-conventions}
 
3236
 
 
3237
The calling convention for any byte-code function is straightforward:
 
3238
\begin{itemize}
 
3239
\item Push any arguments on the stack.
 
3240
\item Push a pointer to the BCO.
 
3241
\item Begin interpreting the byte code.
 
3242
\end{itemize}
 
3243
 
 
3244
In a system containing both GHC and Hugs, the bytecode interpreter
 
3245
only has to be able to enter BCOs: everything else can be handled by
 
3246
returning to the compiled world (as described in
 
3247
\secref{hugs-to-ghc-switch}) and entering the closure
 
3248
there.
 
3249
 
 
3250
This would work but it would obviously be very inefficient if we
 
3251
entered a @AP@ by switching worlds, entering the @AP@, pushing the
 
3252
arguments and function onto the stack, and entering the function
 
3253
which, likely as not, will be a byte-code object which we will enter
 
3254
by \emph{returning} to the byte-code interpreter.  To avoid such
 
3255
gratuitious world switching, we choose to recognise certain closure
 
3256
types as being ``standard'' --- and duplicate the entry code for the
 
3257
``standard closures'' in the bytecode interpreter.
 
3258
 
 
3259
A closure is said to be ``standard'' if its entry code is entirely
 
3260
determined by its info table.  \emph{Standard Closures} have the
 
3261
desirable property that the byte-code interpreter can enter the
 
3262
closure by simply ``interpreting'' the info table instead of switching
 
3263
to the compiled world.  The standard closures include:
 
3264
 
 
3265
\begin{description}
 
3266
\item[Constructor] To enter a constructor, we simply return (see
 
3267
\secref{hugs-return-convention}).
 
3268
 
 
3269
\item[Indirection]
 
3270
To enter an indirection, we simply enter the object it points to
 
3271
after possibly adjusting the current cost centre.
 
3272
 
 
3273
\item[@AP@] 
 
3274
 
 
3275
To enter an @AP@, we push an update frame, push the
 
3276
arguments, push the function and enter the function.
 
3277
(Not forgetting a stack check at the start.)
 
3278
 
 
3279
\item[@PAP@]
 
3280
 
 
3281
To enter a @PAP@, we push the arguments, push the function and enter
 
3282
the function.  (Not forgetting a stack check at the start.)
 
3283
 
 
3284
\item[Selector]
 
3285
 
 
3286
To enter a selector (\secref{THUNK_SELECTOR}), we test whether the
 
3287
selectee is a value.  If so, we simply select the appropriate
 
3288
component; if not, it's simplest to treat it as a GHC-built closure
 
3289
--- though we could interpret it if we wanted.
 
3290
 
 
3291
\end{description}
 
3292
 
 
3293
The most obvious omissions from the above list are @BCO@s (which we
 
3294
dealt with above) and GHC-built closures (which are covered in
 
3295
\secref{hugs-to-ghc-switch}).
 
3296
 
 
3297
 
 
3298
\Subsection{Return convention}{hugs-return-convention}
 
3299
 
 
3300
When Hugs pushes a return address, it pushes both a pointer to the BCO
 
3301
to return to, and a pointer to a static code fragment @HUGS_RET@ (this
 
3302
is described in \secref{ghc-to-hugs-switch}).  The
 
3303
stack layout is shown in \figref{hugs-return-stack}.
 
3304
 
 
3305
\begin{figure}[ht]
 
3306
\begin{center}
 
3307
\begin{verbatim}
 
3308
| stack    |
 
3309
+----------+
 
3310
| bco      |--> BCO
 
3311
+----------+
 
3312
| HUGS_RET |
 
3313
+----------+
 
3314
\end{verbatim}
 
3315
%\input{hugs_ret.pstex_t}
 
3316
\end{center}
 
3317
\caption{Stack layout for a Hugs return address}
 
3318
\label{fig:hugs-return-stack}
 
3319
% this figure apparently duplicates {fig:hugs-return-stack1} earlier.
 
3320
\end{figure}
 
3321
 
 
3322
\begin{figure}[ht]
 
3323
\begin{center}
 
3324
\begin{verbatim}
 
3325
| stack    |
 
3326
+----------+
 
3327
| con      |--> CON
 
3328
+----------+
 
3329
\end{verbatim}
 
3330
%\input{hugs_ret2.pstex_t}
 
3331
\end{center}
 
3332
\caption{Stack layout on enterings a Hugs return address}
 
3333
\label{fig:hugs-return2}
 
3334
\end{figure}
 
3335
 
 
3336
\begin{figure}[ht]
 
3337
\begin{center}
 
3338
\begin{verbatim}
 
3339
| stack    |
 
3340
+----------+
 
3341
| 3#       |
 
3342
+----------+
 
3343
| I#       |
 
3344
+----------+
 
3345
\end{verbatim}
 
3346
%\input{hugs_ret2.pstex_t}
 
3347
\end{center}
 
3348
\caption{Stack layout on entering a Hugs return address with an unboxed value}
 
3349
\label{fig:hugs-return-int1}
 
3350
\end{figure}
 
3351
 
 
3352
\begin{figure}[ht]
 
3353
\begin{center}
 
3354
\begin{verbatim}
 
3355
| stack    |
 
3356
+----------+
 
3357
| ghc_ret  |
 
3358
+----------+
 
3359
| con      |--> CON
 
3360
+----------+
 
3361
\end{verbatim}
 
3362
%\input{hugs_ret3.pstex_t}
 
3363
\end{center}
 
3364
\caption{Stack layout on enterings a GHC return address}
 
3365
\label{fig:hugs-return3}
 
3366
\end{figure}
 
3367
 
 
3368
\begin{figure}[ht]
 
3369
\begin{center}
 
3370
\begin{verbatim}
 
3371
| stack    |
 
3372
+----------+
 
3373
| ghc_ret  |
 
3374
+----------+
 
3375
| 3#       |
 
3376
+----------+
 
3377
| I#       |
 
3378
+----------+
 
3379
| restart  |--> id_Int#_closure
 
3380
+----------+
 
3381
\end{verbatim}
 
3382
%\input{hugs_ret2.pstex_t}
 
3383
\end{center}
 
3384
\caption{Stack layout on enterings a GHC return address with an unboxed value}
 
3385
\label{fig:hugs-return-int}
 
3386
\end{figure}
 
3387
 
 
3388
When a Hugs byte-code sequence enters a closure, it examines the 
 
3389
return address on top of the stack.
 
3390
 
 
3391
\begin{itemize}
 
3392
 
 
3393
\item If the return address is @HUGS_RET@, pop the @HUGS_RET@ and the
 
3394
bco for the continuation off the stack, push a pointer to the constructor onto
 
3395
the stack and enter the BCO with the current object pointer set to the BCO
 
3396
(\figref{hugs-return2}).
 
3397
 
 
3398
\item If the top of the stack is not @HUGS_RET@, we need to do a world
 
3399
switch as described in \secref{hugs-to-ghc-switch}.
 
3400
 
 
3401
\end{itemize}
 
3402
 
 
3403
\ToDo{This duplicates what we say about switching worlds
 
3404
(\secref{switching-worlds}) - kill one or t'other.}
 
3405
 
 
3406
 
 
3407
\ToDo{This was in the evaluation model part but it really belongs in
 
3408
this part which is about the internal details of each of the major
 
3409
sections.}
 
3410
 
 
3411
\Subsection{Addressing Modes}{hugs-addressing-modes}
 
3412
 
 
3413
To avoid potential alignment problems and simplify garbage collection,
 
3414
all literal constants are stored in two tables (one boxed, the other
 
3415
unboxed) within each BCO and are referred to by offsets into the tables.
 
3416
Slots in the constant tables are word aligned.
 
3417
 
 
3418
\ToDo{How big can the offsets be?  Is the offset specified in the
 
3419
address field or in the instruction?}
 
3420
 
 
3421
Literals can have the following types: char, int, nat, float, double,
 
3422
and pointer to boxed object.  There is no real difference between
 
3423
char, int, nat and float since they all occupy 32 bits --- but it
 
3424
costs almost nothing to distinguish them and may improve portability
 
3425
and simplify debugging.
 
3426
 
 
3427
\Subsection{Compilation}{hugs-compilation}
 
3428
 
 
3429
 
 
3430
\def\is{\mbox{\it is}}
 
3431
\def\ts{\mbox{\it ts}}
 
3432
\def\as{\mbox{\it as}}
 
3433
\def\bs{\mbox{\it bs}}
 
3434
\def\cs{\mbox{\it cs}}
 
3435
\def\rs{\mbox{\it rs}}
 
3436
\def\us{\mbox{\it us}}
 
3437
\def\vs{\mbox{\it vs}}
 
3438
\def\ws{\mbox{\it ws}}
 
3439
\def\xs{\mbox{\it xs}}
 
3440
 
 
3441
\def\e{\mbox{\it e}}
 
3442
\def\alts{\mbox{\it alts}}
 
3443
\def\fail{\mbox{\it fail}}
 
3444
\def\panic{\mbox{\it panic}}
 
3445
\def\ua{\mbox{\it ua}}
 
3446
\def\obj{\mbox{\it obj}}
 
3447
\def\bco{\mbox{\it bco}}
 
3448
\def\tag{\mbox{\it tag}}
 
3449
\def\entry{\mbox{\it entry}}
 
3450
\def\su{\mbox{\it su}}
 
3451
 
 
3452
\def\Ind#1{{\mbox{\it Ind}\ {#1}}}
 
3453
\def\update#1{{\mbox{\it update}\ {#1}}}
 
3454
 
 
3455
\def\next{$\Longrightarrow$}
 
3456
\def\append{\mathrel{+\mkern-6mu+}}
 
3457
\def\reverse{\mbox{\it reverse}}
 
3458
\def\size#1{{\vert {#1} \vert}}
 
3459
\def\arity#1{{\mbox{\it arity}{#1}}}
 
3460
 
 
3461
\def\AP{\mbox{\it AP}}
 
3462
\def\PAP{\mbox{\it PAP}}
 
3463
\def\GHCRET{\mbox{\it GHCRET}}
 
3464
\def\GHCOBJ{\mbox{\it GHCOBJ}}
 
3465
 
 
3466
To make sense of the instructions, we need a sense of how they will be
 
3467
used.  Here is a small compiler for the STG language.
 
3468
 
 
3469
\begin{verbatim}
 
3470
> cg (f{a1, ... am}) = do
 
3471
>   pushAtom am; ... pushAtom a1
 
3472
>   pushVar f
 
3473
>   SLIDE (m+1) |env|
 
3474
>   ENTER
 
3475
> cg (let {x1=rhs1; ... xm=rhsm} in e) = do
 
3476
>   ALLOC x1 |rhs1|, ... ALLOC xm |rhsm|
 
3477
>   build x1 rhs1,   ... build xm rhsm
 
3478
>   cg e
 
3479
> cg (case e of alts) = do
 
3480
>   PUSHALTS (cgAlts alts)
 
3481
>   cg e
 
3482
 
 
3483
> cgAlts { alt1; ... altm }  = cgAlt alt1 $ ... $ cgAlt altm pmFail
 
3484
>
 
3485
> cgAlt (x@C{xs} -> e) fail = do
 
3486
>   TEST C fail
 
3487
>   HEAPCHECK (heapUse e)
 
3488
>   UNPACK xs
 
3489
>   cg e
 
3490
 
 
3491
> build x (C{a1, ... am}) = do 
 
3492
>   pushUntaggedAtom am; ... pushUntaggedAtom a1
 
3493
>   PACK x C
 
3494
> -- A useful optimisation
 
3495
> build x ({v1, ... vm} \ {}. f{a1, ... am}) = do 
 
3496
>   pushVar am; ... pushVar a1
 
3497
>   pushVar f
 
3498
>   MKAP x m
 
3499
> build x ({v1, ... vm} \ {}. e) = do 
 
3500
>   pushVar vm; ... pushVar v1
 
3501
>   PUSHBCO (cgRhs ({v1, ... vm} \ {}. e))
 
3502
>   MKAP x m
 
3503
> build x ({v1, ... vm} \ {x1, ... xm}. e) = do 
 
3504
>   pushVar vm; ... pushVar v1
 
3505
>   PUSHBCO (cgRhs ({v1, ... vm} \ {x1, ... xm}. e))
 
3506
>   MKPAP x m
 
3507
 
 
3508
> cgRhs (vs \ xs. e) = do
 
3509
>   ARGCHECK   (xs ++ vs)  -- can be omitted if xs == {}
 
3510
>   STACKCHECK min(stackUse e,heapOverflowSlop)
 
3511
>   HEAPCHECK  (heapUse e)
 
3512
>   cg e
 
3513
 
 
3514
> pushAtom x  = pushVar x
 
3515
> pushAtom i# = PUSHINT i#
 
3516
 
 
3517
> pushVar x = if isGlobalVar x then PUSHGLOBAL x else PUSHLOCAL x 
 
3518
 
 
3519
> pushUntaggedAtom x  = pushVar x
 
3520
> pushUntaggedAtom i# = PUSHUNTAGGEDINT i#
 
3521
 
 
3522
> pushVar x = if isGlobalVar x then PUSHGLOBAL x else PUSHLOCAL x 
 
3523
\end{verbatim}
 
3524
 
 
3525
\ToDo{Is there an easy way to add semi-tagging?  Would it be that different?}
 
3526
 
 
3527
\ToDo{Optimise thunks of the form @f{x1,...xm}@ so that we build an AP directly}
 
3528
 
 
3529
\Subsection{Instructions}{hugs-instructions}
 
3530
 
 
3531
We specify the semantics of instructions using transition rules of
 
3532
the form:
 
3533
 
 
3534
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3535
\hline
 
3536
        & $\is$         & $s$   & $\su$         & $h$  & $hp$  & $\sigma$ \\
 
3537
\next   & $\is'$        & $s'$  & $\su'$        & $h'$ & $hp'$ & $\sigma$ \\
 
3538
\hline
 
3539
\end{tabular}
 
3540
 
 
3541
where $\is$ is an instruction stream, $s$ is the stack, $\su$ is the 
 
3542
update frame pointer and $h$ is the heap.
 
3543
 
 
3544
 
 
3545
\Subsection{Stack manipulation}{hugs-stack-manipulation}
 
3546
 
 
3547
\begin{description}
 
3548
 
 
3549
\item[ Push a global variable ].
 
3550
 
 
3551
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3552
\hline
 
3553
        & PUSHGLOBAL $o$ : $\is$ & $s$          & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3554
\next   & $\is$                  & $\sigma!o:s$ & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3555
\hline
 
3556
\end{tabular}
 
3557
 
 
3558
\item[ Push a local variable ].
 
3559
 
 
3560
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3561
\hline
 
3562
        & PUSHLOCAL $o$ : $\is$ & $s$           & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3563
\next   & $\is$                 & $s!o : s$     & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3564
\hline
 
3565
\end{tabular}
 
3566
 
 
3567
\item[ Push an unboxed int ].
 
3568
 
 
3569
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3570
\hline
 
3571
        & PUSHINT $o$ : $\is$   & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3572
\next   & $\is$                 & $I\# : \sigma!o : s$  & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3573
\hline
 
3574
\end{tabular}
 
3575
 
 
3576
The $I\#$ is a tag included for the benefit of the garbage collector.
 
3577
Similar rules exist for floats, doubles, chars, etc.
 
3578
 
 
3579
\item[ Push an unboxed int ].
 
3580
 
 
3581
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3582
\hline
 
3583
        & PUSHUNTAGGEDINT $o$ : $\is$   & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3584
\next   & $\is$                 & $\sigma!o : s$        & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3585
\hline
 
3586
\end{tabular}
 
3587
 
 
3588
Similar rules exist for floats, doubles, chars, etc.
 
3589
 
 
3590
\item[ Delete environment from stack --- ready for tail call ].
 
3591
 
 
3592
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3593
\hline
 
3594
        & SLIDE $m$ $n$ : $\is$ & $\as \append \bs \append \cs$         & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3595
\next   & $\is$                 & $\as \append \cs$                     & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3596
\hline
 
3597
\end{tabular}
 
3598
\\
 
3599
where $\size{\as} = m$ and $\size{\bs} = n$.
 
3600
 
 
3601
 
 
3602
\item[ Push a return address ].
 
3603
 
 
3604
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3605
\hline
 
3606
        & PUSHALTS $o$:$\is$    & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3607
\next   & $\is$                 & $@HUGS_RET@:\sigma!o:s$       & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3608
\hline
 
3609
\end{tabular}
 
3610
 
 
3611
\item[ Push a BCO ].
 
3612
 
 
3613
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3614
\hline
 
3615
        & PUSHBCO $o$ : $\is$   & $s$                   & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3616
\next   & $\is$                 & $\sigma!o : s$        & $su$ & $h$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3617
\hline
 
3618
\end{tabular}
 
3619
 
 
3620
\end{description}
 
3621
 
 
3622
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
3623
\Subsection{Heap manipulation}{hugs-heap-manipulation}
 
3624
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
3625
 
 
3626
\begin{description}
 
3627
 
 
3628
\item[ Allocate a heap object ].
 
3629
 
 
3630
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3631
\hline
 
3632
        & ALLOC $m$ : $\is$     & $s$    & $su$ & $h$ & $hp$   & $\sigma$ \\
 
3633
\next   & $\is$                 & $hp:s$ & $su$ & $h$ & $hp+m$ & $\sigma$ \\
 
3634
\hline
 
3635
\end{tabular}
 
3636
 
 
3637
\item[ Build a constructor ].
 
3638
 
 
3639
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3640
\hline
 
3641
        & PACK $o$ $o'$ : $\is$ & $\ws \append s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3642
\next   & $\is$                 & $s$                   & $su$ & $h[s!o \mapsto Pack C\{\ws\}]$ & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3643
\hline
 
3644
\end{tabular}
 
3645
\\
 
3646
where $C = \sigma!o'$ and $\size{\ws} = \arity{C}$.
 
3647
 
 
3648
\item[ Build an AP or  PAP ].
 
3649
 
 
3650
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3651
\hline
 
3652
        & MKAP $o$ $m$:$\is$    & $f : \ws \append s$   & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3653
\next   & $\is$                 & $s$                   & $su$ & $h[s!o \mapsto \AP(f,\ws)]$    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3654
\hline
 
3655
\end{tabular}
 
3656
\\
 
3657
where $\size{\ws} = m$.
 
3658
 
 
3659
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3660
\hline
 
3661
        & MKPAP $o$ $m$:$\is$   & $f : \ws \append s$   & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3662
\next   & $\is$                 & $s$                   & $su$ & $h[s!o \mapsto \PAP(f,\ws)]$   & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3663
\hline
 
3664
\end{tabular}
 
3665
\\
 
3666
where $\size{\ws} = m$.
 
3667
 
 
3668
\item[ Unpacking a constructor ].
 
3669
 
 
3670
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3671
\hline
 
3672
        & UNPACK : $is$         & $a : s$                               & $su$ & $h[a \mapsto C\ \ws]$          & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3673
\next   & $is'$                 & $(\reverse\ \ws) \append a : s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3674
\hline
 
3675
\end{tabular}
 
3676
 
 
3677
The $\reverse\ \ws$ looks expensive but, since the stack grows down
 
3678
and the heap grows up, that's actually the cheap way of copying from
 
3679
heap to stack.  Looking at the compilation rules, you'll see that we
 
3680
always push the args in reverse order.
 
3681
 
 
3682
\end{description}
 
3683
 
 
3684
 
 
3685
\Subsection{Entering a closure}{hugs-entering}
 
3686
 
 
3687
\begin{description}
 
3688
 
 
3689
\item[ Enter a BCO ].
 
3690
 
 
3691
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3692
\hline
 
3693
        & [ENTER]       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto BCO\{\is\} ]$     & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3694
\next   & $\is$         & $a : s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $a$ \\
 
3695
\hline
 
3696
\end{tabular}
 
3697
 
 
3698
\item[ Enter a PAP closure ].
 
3699
 
 
3700
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3701
\hline
 
3702
        & [ENTER]       & $a : s$               & $su$ & $h[a \mapsto \PAP(f,\ws)]$     & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3703
\next   & [ENTER]       & $f : \ws \append s$   & $su$ & $h$                            & $hp$ & $???$ \\
 
3704
\hline
 
3705
\end{tabular}
 
3706
 
 
3707
\item[ Entering an AP closure ].
 
3708
 
 
3709
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3710
\hline
 
3711
        & [ENTER]       & $a : s$                               & $su$  & $h[a \mapsto \AP(f,ws)]$      & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3712
\next   & [ENTER]       & $f : \ws \append @UPD_RET@:\su:a:s$   & $su'$ & $h$                           & $hp$ & $???$ \\
 
3713
\hline
 
3714
\end{tabular}
 
3715
 
 
3716
Optimisations:
 
3717
\begin{itemize}
 
3718
\item Instead of blindly pushing an update frame for $a$, we can first test whether there's already
 
3719
 an update frame there.  If so, overwrite the existing updatee with an indirection to $a$ and
 
3720
 overwrite the updatee field with $a$.  (Overwriting $a$ with an indirection to the updatee also
 
3721
 works.)  This results in update chains of maximum length 2. 
 
3722
\end{itemize}
 
3723
 
 
3724
 
 
3725
\item[ Returning a constructor ].
 
3726
 
 
3727
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3728
\hline
 
3729
        & [ENTER]               & $a : @HUGS_RET@ : \alts : s$  & $su$ & $h[a \mapsto C\{\ws\}]$        & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3730
\next   & $\alts.\entry$        & $a:s$                         & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3731
\hline
 
3732
\end{tabular}
 
3733
 
 
3734
 
 
3735
\item[ Entering an indirection node ].
 
3736
 
 
3737
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3738
\hline
 
3739
        & [ENTER]       & $a  : s$      & $su$ & $h[a \mapsto \Ind{a'}]$        & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3740
\next   & [ENTER]       & $a' : s$      & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3741
\hline
 
3742
\end{tabular}
 
3743
 
 
3744
\item[Entering GHC closure].
 
3745
 
 
3746
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3747
\hline
 
3748
        & [ENTER]       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto \GHCOBJ]$         & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3749
\next   & [ENTERGHC]    & $a : s$       & $su$ & $h$                            & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3750
\hline
 
3751
\end{tabular}
 
3752
 
 
3753
\item[Returning a constructor to GHC].
 
3754
 
 
3755
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3756
\hline
 
3757
        & [ENTER]       & $a : \GHCRET : s$     & $su$ & $h[a \mapsto C \ws]$   & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3758
\next   & [ENTERGHC]    & $a : \GHCRET : s$     & $su$ & $h$                    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3759
\hline
 
3760
\end{tabular}
 
3761
 
 
3762
\end{description}
 
3763
 
 
3764
 
 
3765
\Subsection{Updates}{hugs-updates}
 
3766
 
 
3767
\begin{description}
 
3768
 
 
3769
\item[ Updating with a constructor].
 
3770
 
 
3771
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3772
\hline
 
3773
        & [ENTER]       & $a : @UPD_RET@ : ua : s$      & $su$ & $h[a \mapsto C\{\ws\}]$  & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3774
\next   & [ENTER]       & $a \append s$                 & $su$ & $h[au \mapsto \Ind{a}$   & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3775
\hline
 
3776
\end{tabular}
 
3777
 
 
3778
\item[ Argument checks].
 
3779
 
 
3780
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3781
\hline
 
3782
        & ARGCHECK $m$:$\is$    & $a : \as \append s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3783
\next   & $\is$                 & $a : \as \append s$   & $su$ & $h'$   & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3784
\hline
 
3785
\end{tabular}
 
3786
\\
 
3787
where $m \ge (su - sp)$
 
3788
 
 
3789
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3790
\hline
 
3791
        & ARGCHECK $m$:$\is$    & $a : \as \append @UPD_RET@:su:ua:s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3792
\next   & $\is$                 & $a : \as \append s$                   & $su$ & $h'$   & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3793
\hline
 
3794
\end{tabular}
 
3795
\\
 
3796
where $m < (su - sp)$ and
 
3797
      $h' = h[ua \mapsto \Ind{a'}, a' \mapsto \PAP(a,\reverse\ \as) ]$
 
3798
 
 
3799
Again, we reverse the list of values as we transfer them from the
 
3800
stack to the heap --- reflecting the fact that the stack and heap grow
 
3801
in different directions.
 
3802
 
 
3803
\end{description}
 
3804
 
 
3805
\Subsection{Branches}{hugs-branches}
 
3806
 
 
3807
\begin{description}
 
3808
 
 
3809
\item[ Testing a constructor ].
 
3810
 
 
3811
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3812
\hline
 
3813
        & TEST $tag$ $is'$ : $is$       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto C\ \ws]$  & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3814
\next   & $is$                          & $a : s$       & $su$ & $h$                    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3815
\hline
 
3816
\end{tabular}
 
3817
\\
 
3818
where $C.\tag = tag$
 
3819
 
 
3820
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3821
\hline
 
3822
        & TEST $tag$ $is'$ : $is$       & $a : s$       & $su$ & $h[a \mapsto C\ \ws]$  & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3823
\next   & $is'$                         & $a : s$       & $su$ & $h$                    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3824
\hline
 
3825
\end{tabular}
 
3826
\\
 
3827
where $C.\tag \neq tag$
 
3828
 
 
3829
\end{description}
 
3830
 
 
3831
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
3832
\Subsection{Heap and stack checks}{hugs-heap-stack-checks}
 
3833
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
3834
 
 
3835
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3836
\hline
 
3837
        & STACKCHECK $stk$:$\is$        & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3838
\next   & $\is$                         & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3839
\hline
 
3840
\end{tabular}
 
3841
\\
 
3842
if $s$ has $stk$ free slots.
 
3843
 
 
3844
\begin{tabular}{|llrrrrr|}
 
3845
\hline
 
3846
        & HEAPCHECK $hp$:$\is$          & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3847
\next   & $\is$                         & $s$   & $su$ & $h$    & $hp$ & $\sigma$ \\
 
3848
\hline
 
3849
\end{tabular}
 
3850
\\
 
3851
if $h$ has $hp$ free slots.
 
3852
 
 
3853
If either check fails, we push the current bco ($\sigma$) onto the
 
3854
stack and return to the scheduler.  When the scheduler has fixed the
 
3855
problem, it pops the top object off the stack and reenters it.
 
3856
 
 
3857
 
 
3858
Optimisations:
 
3859
\begin{itemize}
 
3860
\item The bytecode CHECK1000 conservatively checks for 1000 words of heap space and 1000 words of stack space.
 
3861
      We use it to reduce code space and instruction decoding time.
 
3862
\item The bytecode HEAPCHECK1000 conservatively checks for 1000 words of heap space.
 
3863
      It is used in case alternatives.
 
3864
\end{itemize}
 
3865
 
 
3866
 
 
3867
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
3868
\Subsection{Primops}{hugs-primops}
 
3869
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
3870
 
 
3871
\ToDo{primops take m words and return n words. The expect boxed arguments on the stack.}
 
3872
 
 
3873
 
 
3874
\Section{The Machine Code Evaluator}{asm-evaluator}
 
3875
 
 
3876
This section describes the framework in which compiled code evaluates
 
3877
expressions.  Only at certain points will compiled code need to be
 
3878
able to talk to the interpreted world; these are discussed in
 
3879
\secref{switching-worlds}.
 
3880
 
 
3881
\Subsection{Calling conventions}{ghc-calling-conventions}
 
3882
 
 
3883
\Subsubsection{The call/return registers}{ghc-regs}
 
3884
 
 
3885
One of the problems in designing a virtual machine is that we want it
 
3886
abstract away from tedious machine details but still reveal enough of
 
3887
the underlying hardware that we can make sensible decisions about code
 
3888
generation.  A major problem area is the use of registers in
 
3889
call/return conventions.  On a machine with lots of registers, it's
 
3890
cheaper to pass arguments and results in registers than to pass them
 
3891
on the stack.  On a machine with very few registers, it's cheaper to
 
3892
pass arguments and results on the stack than to use ``virtual
 
3893
registers'' in memory.  We therefore use a hybrid system: the first
 
3894
$n$ arguments or results are passed in registers; and the remaining
 
3895
arguments or results are passed on the stack.  For register-poor
 
3896
architectures, it is important that we allow $n=0$.
 
3897
 
 
3898
We'll label the arguments and results \Arg{1} \ldots \Arg{m} --- with
 
3899
the understanding that \Arg{1} \ldots \Arg{n} are in registers and
 
3900
\Arg{n+1} \ldots \Arg{m} are on top of the stack.
 
3901
 
 
3902
Note that the mapping of arguments \Arg{1} \ldots \Arg{n} to machine
 
3903
registers depends on the \emph{kinds} of the arguments.  For example,
 
3904
if the first argument is a Float, we might pass it in a different
 
3905
register from if it is an Int.  In fact, we might find that a given
 
3906
architecture lets us pass varying numbers of arguments according to
 
3907
their types.  For example, if a CPU has 2 Int registers and 2 Float
 
3908
registers then we could pass between 2 and 4 arguments in machine
 
3909
registers --- depending on whether they all have the same kind or they
 
3910
have different kinds.
 
3911
 
 
3912
\Subsubsection{Entering closures}{entering-closures}
 
3913
 
 
3914
To evaluate a closure we jump to the entry code for the closure
 
3915
passing a pointer to the closure in \Arg{1} so that the entry code can
 
3916
access its environment.
 
3917
 
 
3918
\Subsubsection{Function call}{ghc-fun-call}
 
3919
 
 
3920
The function-call mechanism is obviously crucial.  There are five different
 
3921
cases to consider:
 
3922
\begin{enumerate}
 
3923
 
 
3924
\item \emph{Known combinator (function with no free variables) and
 
3925
enough arguments.}
 
3926
 
 
3927
A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
 
3928
function's \emph{fast entry point} passing arguments in \Arg{1} \ldots
 
3929
\Arg{m}.
 
3930
 
 
3931
The \emph{fast entry point} is only called with exactly the right
 
3932
number of arguments (in \Arg{1} \ldots \Arg{m}) so it can instantly
 
3933
start doing useful work without first testing whether it has enough
 
3934
registers or having to pop them off the stack first.
 
3935
 
 
3936
\item \emph{Known combinator and insufficient arguments.}
 
3937
 
 
3938
A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to
 
3939
function's \emph{slow entry point}.
 
3940
 
 
3941
Any unpointed arguments which are pushed on the stack must be tagged.
 
3942
This means pushing an extra word on the stack below the unpointed
 
3943
words, containing the number of unpointed words above it.
 
3944
 
 
3945
%Todo: forward ref about tagging?
 
3946
%Todo: picture?
 
3947
 
 
3948
The \emph{slow entry point} might be called with insufficient arguments
 
3949
and so it must test whether there are enough arguments on the stack.
 
3950
This \emph{argument satisfaction check} consists of checking that
 
3951
@Su-Sp@ is big enough to hold all the arguments (including any tags).
 
3952
 
 
3953
\begin{itemize} 
 
3954
 
 
3955
\item If the argument satisfaction check fails, it is because there is
 
3956
one or more update frames on the stack before the rest of the
 
3957
arguments that the function needs.  In this case, we construct a PAP
 
3958
(partial application, \secref{PAP}) containing the arguments
 
3959
which are on the stack.  The PAP construction code will return to the
 
3960
update frame with the address of the PAP in \Arg{1}.
 
3961
 
 
3962
\item If the argument satisfaction check succeeds, we jump to the fast
 
3963
entry point with the arguments in \Arg{1} \ldots \Arg{arity}.
 
3964
 
 
3965
If the fast entry point expects to receive some of \Arg{i} on the
 
3966
stack, we can reduce the amount of movement required by making the
 
3967
stack layout for the fast entry point look like the stack layout for
 
3968
the slow entry point.  Since the slow entry point is entered with the
 
3969
first argument on the top of the stack and with tags in front of any
 
3970
unpointed arguments, this means that if \Arg{i} is unpointed, there
 
3971
should be space below it for a tag and that the highest numbered
 
3972
argument should be passed on the top of the stack.
 
3973
 
 
3974
We usually arrange that the fast entry point is placed immediately
 
3975
after the slow entry point --- so we can just ``fall through'' to the
 
3976
fast entry point without performing a jump.
 
3977
 
 
3978
\end{itemize}
 
3979
 
 
3980
 
 
3981
\item \emph{Known function closure (function with free variables) and
 
3982
enough arguments.}
 
3983
 
 
3984
A fast call can be made: push excess arguments onto stack and jump to
 
3985
function's \emph{fast entry point} passing a pointer to closure in
 
3986
\Arg{1} and arguments in \Arg{2} \ldots \Arg{m+1}.
 
3987
 
 
3988
Like the fast entry point for a combinator, the fast entry point for a
 
3989
closure is only called with appropriate values in \Arg{1} \ldots
 
3990
\Arg{m+1} so we can start work straight away.  The pointer to the
 
3991
closure is used to access the free variables of the closure.
 
3992
 
 
3993
 
 
3994
\item \emph{Known function closure and insufficient arguments.}
 
3995
 
 
3996
A slow call can be made: push all arguments onto stack and jump to the
 
3997
closure's slow entry point passing a pointer to the closure in \Arg{1}.
 
3998
 
 
3999
Again, the slow entry point performs an argument satisfaction check
 
4000
and either builds a PAP or pops the arguments off the stack into
 
4001
\Arg{2} \ldots \Arg{m+1} and jumps to the fast entry point.
 
4002
 
 
4003
 
 
4004
\item \emph{Unknown function closure, thunk or constructor.}
 
4005
 
 
4006
Sometimes, the function being called is not statically identifiable.
 
4007
Consider, for example, the @compose@ function:
 
4008
\begin{verbatim}
 
4009
  compose f g x = f (g x)
 
4010
\end{verbatim}
 
4011
Since @f@ and @g@ are passed as arguments to @compose@, the latter has
 
4012
to make a heap call.  In a heap call the arguments are pushed onto the
 
4013
stack, and the closure bound to the function is entered.  In the
 
4014
example, a thunk for @(g x)@ will be allocated, (a pointer to it)
 
4015
pushed on the stack, and the closure bound to @f@ will be
 
4016
entered. That is, we will jump to @f@s entry point passing @f@ in
 
4017
\Arg{1}.  If \Arg{1} is passed on the stack, it is pushed on top of
 
4018
the thunk for @(g x)@.
 
4019
 
 
4020
The \emph{entry code} for an updateable thunk (which must have arity 0)
 
4021
pushes an update frame on the stack and starts executing the body of
 
4022
the closure --- using \Arg{1} to access any free variables.  This is
 
4023
described in more detail in \secref{data-updates}.
 
4024
 
 
4025
The \emph{entry code} for a non-updateable closure is just the
 
4026
closure's slow entry point.
 
4027
 
 
4028
\end{enumerate}
 
4029
 
 
4030
In addition to the above considerations, if there are \emph{too many}
 
4031
arguments then the extra arguments are simply pushed on the stack with
 
4032
appropriate tags.
 
4033
 
 
4034
To summarise, a closure's standard (slow) entry point performs the
 
4035
following:
 
4036
 
 
4037
\begin{description}
 
4038
\item[Argument satisfaction check.] (function closure only)
 
4039
\item[Stack overflow check.]
 
4040
\item[Heap overflow check.]
 
4041
\item[Copy free variables out of closure.] %Todo: why?
 
4042
\item[Eager black holing.] (updateable thunk only) %Todo: forward ref.
 
4043
\item[Push update frame.]
 
4044
\item[Evaluate body of closure.]
 
4045
\end{description}
 
4046
 
 
4047
 
 
4048
\Subsection{Case expressions and return conventions}{return-conventions}
 
4049
 
 
4050
The \emph{evaluation} of a thunk is always initiated by
 
4051
a @case@ expression.  For example:
 
4052
\begin{verbatim}
 
4053
  case x of (a,b) -> E
 
4054
\end{verbatim}
 
4055
 
 
4056
The code for a @case@ expression looks like this:
 
4057
 
 
4058
\begin{itemize}
 
4059
\item Push the free variables of the branches on the stack (fv(@E@) in
 
4060
this case).
 
4061
\item  Push a \emph{return address} on the stack.
 
4062
\item  Evaluate the scrutinee (@x@ in this case).
 
4063
\end{itemize}
 
4064
 
 
4065
Once evaluation of the scrutinee is complete, execution resumes at the
 
4066
return address, which points to the code for the expression @E@.
 
4067
 
 
4068
When execution resumes at the return point, there must be some {\em
 
4069
return convention} that defines where the components of the pair, @a@
 
4070
and @b@, can be found.  The return convention varies according to the
 
4071
type of the scrutinee @x@:
 
4072
 
 
4073
\begin{itemize}
 
4074
 
 
4075
\item 
 
4076
 
 
4077
(A space for) the return address is left on the top of the stack.
 
4078
Leaving the return address on the stack ensures that the top of the
 
4079
stack contains a valid activation record
 
4080
(\secref{activation-records}) --- should a garbage
 
4081
collection be required.
 
4082
 
 
4083
\item If @x@ has a boxed type (e.g.~a data constructor or a function),
 
4084
a pointer to @x@ is returned in \Arg{1}.
 
4085
 
 
4086
\ToDo{Warn that components of E should be extracted as soon as
 
4087
possible to avoid a space leak.}
 
4088
 
 
4089
\item If @x@ is an unboxed type (e.g.~@Int#@ or @Float#@), @x@ is
 
4090
returned in \Arg{1}
 
4091
 
 
4092
\item If @x@ is an unboxed tuple constructor, the components of @x@
 
4093
are returned in \Arg{1} \ldots \Arg{n} but no object is constructed in
 
4094
the heap.  
 
4095
 
 
4096
When passing an unboxed tuple to a function, the components are
 
4097
flattened out and passed in \Arg{1} \ldots \Arg{n} as usual.
 
4098
 
 
4099
\end{itemize}
 
4100
 
 
4101
\Subsection{Vectored Returns}{vectored-returns}
 
4102
 
 
4103
Many algebraic data types have more than one constructor.  For
 
4104
example, the @Maybe@ type is defined like this:
 
4105
\begin{verbatim}
 
4106
  data Maybe a = Nothing | Just a
 
4107
\end{verbatim}
 
4108
How does the return convention encode which of the two constructors is
 
4109
being returned?  A @case@ expression scrutinising a value of @Maybe@
 
4110
type would look like this: 
 
4111
\begin{verbatim}
 
4112
  case E of 
 
4113
    Nothing -> ...
 
4114
    Just a  -> ...
 
4115
\end{verbatim}
 
4116
Rather than pushing a return address before evaluating the scrutinee,
 
4117
@E@, the @case@ expression pushes (a pointer to) a \emph{return
 
4118
vector}, a static table consisting of two code pointers: one for the
 
4119
@Just@ alternative, and one for the @Nothing@ alternative.  
 
4120
 
 
4121
\begin{itemize}
 
4122
 
 
4123
\item
 
4124
 
 
4125
The constructor @Nothing@ returns by jumping to the first item in the
 
4126
return vector with a pointer to a (statically built) Nothing closure
 
4127
in \Arg{1}.  
 
4128
 
 
4129
It might seem that we could avoid loading \Arg{1} in this case since the
 
4130
first item in the return vector will know that @Nothing@ was returned
 
4131
(and can easily access the Nothing closure in the (unlikely) event
 
4132
that it needs it.  The only reason we load \Arg{1} is in case we have to
 
4133
perform an update (\secref{data-updates}).
 
4134
 
 
4135
\item 
 
4136
 
 
4137
The constructor @Just@ returns by jumping to the second element of the
 
4138
return vector with a pointer to the closure in \Arg{1}.  
 
4139
 
 
4140
\end{itemize}
 
4141
 
 
4142
In this way no test need be made to see which constructor returns;
 
4143
instead, execution resumes immediately in the appropriate branch of
 
4144
the @case@.
 
4145
 
 
4146
\Subsection{Direct Returns}{direct-returns}
 
4147
 
 
4148
When a datatype has a large number of constructors, it may be
 
4149
inappropriate to use vectored returns.  The vector tables may be
 
4150
large and sparse, and it may be better to identify the constructor
 
4151
using a test-and-branch sequence on the tag.  For this reason, we
 
4152
provide an alternative return convention, called a \emph{direct
 
4153
return}.
 
4154
 
 
4155
In a direct return, the return address pushed on the stack really is a
 
4156
code pointer.  The returning code loads a pointer to the closure being
 
4157
returned in \Arg{1} as usual, and also loads the tag into \Arg{2}.
 
4158
The code at the return address will test the tag and jump to the
 
4159
appropriate code for the case branch.  If \Arg{2} isn't mapped to a
 
4160
real machine register on this architecture, then we don't load it on a
 
4161
return, instead using the tag directly from the info table.
 
4162
 
 
4163
The choice of whether to use a vectored return or a direct return is
 
4164
made on a type-by-type basis --- up to a certain maximum number of
 
4165
constructors imposed by the update mechanism
 
4166
(\secref{data-updates}).
 
4167
 
 
4168
Single-constructor data types also use direct returns, although in
 
4169
that case there is no need to return a tag in \Arg{2}.
 
4170
 
 
4171
\ToDo{for a nullary constructor we needn't return a pointer to the
 
4172
constructor in \Arg{1}.}
 
4173
 
 
4174
\Subsection{Updates}{data-updates}
 
4175
 
 
4176
The entry code for an updatable thunk (which must be of arity 0):
 
4177
 
 
4178
\begin{itemize}
 
4179
\item copies the free variables out of the thunk into registers or
 
4180
  onto the stack.
 
4181
\item pushes an \emph{update frame} onto the stack.
 
4182
 
 
4183
An update frame is a small activation record consisting of
 
4184
\begin{center}
 
4185
\begin{tabular}{|l|l|l|}
 
4186
\hline
 
4187
\emph{Fixed header} & \emph{Update Frame link} & \emph{Updatee} \\
 
4188
\hline
 
4189
\end{tabular}
 
4190
\end{center}
 
4191
 
 
4192
\note{In the semantics part of the STG paper (section 5.6), an update
 
4193
frame consists of everything down to the last update frame on the
 
4194
stack.  This would make sense too --- and would fit in nicely with
 
4195
what we're going to do when we add support for speculative
 
4196
evaluation.}
 
4197
\ToDo{I think update frames contain cost centres sometimes}
 
4198
 
 
4199
\item If we are doing ``eager blackholing,'' we then overwrite the
 
4200
thunk with a black hole (\secref{BLACKHOLE}).  Otherwise, we leave it
 
4201
to the garbage collector to black hole the thunk.
 
4202
 
 
4203
\item 
 
4204
Start evaluating the body of the expression.
 
4205
 
 
4206
\end{itemize}
 
4207
 
 
4208
When the expression finishes evaluation, it will enter the update
 
4209
frame on the top of the stack.  Since the returner doesn't know
 
4210
whether it is entering a normal return address/vector or an update
 
4211
frame, we follow exactly the same conventions as return addresses and
 
4212
return vectors.  That is, on entering the update frame:
 
4213
 
 
4214
\begin{itemize} 
 
4215
\item The value of the thunk is in \Arg{1}.  (Recall that only thunks
 
4216
are updateable and that thunks return just one value.)
 
4217
 
 
4218
\item If the data type is a direct-return type rather than a
 
4219
vectored-return type, then the tag is in \Arg{2}.
 
4220
 
 
4221
\item The update frame is still on the stack.
 
4222
\end{itemize}
 
4223
 
 
4224
We can safely share a single statically-compiled update function
 
4225
between all types.  However, the code must be able to handle both
 
4226
vectored and direct-return datatypes.  This is done by arranging that
 
4227
the update code looks like this:
 
4228
 
 
4229
\begin{verbatim}
 
4230
                |       ^       |
 
4231
                | return vector |
 
4232
                |---------------|
 
4233
                |  fixed-size   |
 
4234
                |  info table   |
 
4235
                |---------------|  <- update code pointer
 
4236
                |  update code  |
 
4237
                |       v       |
 
4238
\end{verbatim}
 
4239
 
 
4240
Each entry in the return vector (which is large enough to cover the
 
4241
largest vectored-return type) points to the update code.
 
4242
 
 
4243
The update code:
 
4244
\begin{itemize}
 
4245
\item overwrites the \emph{updatee} with an indirection to \Arg{1};
 
4246
\item loads @Su@ from the Update Frame link;
 
4247
\item removes the update frame from the stack; and 
 
4248
\item enters \Arg{1}.
 
4249
\end{itemize}
 
4250
 
 
4251
We enter \Arg{1} again, having probably just come from there, because
 
4252
it knows whether to perform a direct or vectored return.  This could
 
4253
be optimised by compiling special update code for each slot in the
 
4254
return vector, which performs the correct return.
 
4255
 
 
4256
\Subsection{Semi-tagging}{semi-tagging}
 
4257
 
 
4258
When a @case@ expression evaluates a variable that might be bound
 
4259
to a thunk it is often the case that the scrutinee is already evaluated.
 
4260
In this case we have paid the penalty of (a) pushing the return address (or
 
4261
return vector address) on the stack, (b) jumping through the info pointer
 
4262
of the scrutinee, and (c) returning by an indirect jump through the
 
4263
return address on the stack.
 
4264
 
 
4265
If we knew that the scrutinee was already evaluated we could generate
 
4266
(better) code which simply jumps to the appropriate branch of the
 
4267
@case@ with a pointer to the scrutinee in \Arg{1}.  (For direct
 
4268
returns to multiconstructor datatypes, we might also load the tag into
 
4269
\Arg{2}).
 
4270
 
 
4271
An obvious idea, therefore, is to test dynamically whether the heap
 
4272
closure is a value (using the tag in the info table).  If not, we
 
4273
enter the closure as usual; if so, we jump straight to the appropriate
 
4274
alternative.  Here, for example, is pseudo-code for the expression
 
4275
@(case x of { (a,_,c) -> E }@:
 
4276
\begin{verbatim}
 
4277
      \Arg{1} = <pointer to x>;
 
4278
      tag = \Arg{1}->entry->tag;
 
4279
      if (isWHNF(tag)) {
 
4280
          Sp--;  \\ insert space for return address
 
4281
          goto ret;
 
4282
      }
 
4283
      push(ret);           
 
4284
      goto \Arg{1}->entry;
 
4285
      
 
4286
      <info table for return address goes here>
 
4287
ret:  a = \Arg{1}->data1; \\ suck out a and c to avoid space leak
 
4288
      c = \Arg{1}->data3;
 
4289
      <code for E2>
 
4290
\end{verbatim}
 
4291
and here is the code for the expression @(case x of { [] -> E1; x:xs -> E2 }@:
 
4292
\begin{verbatim}
 
4293
      \Arg{1} = <pointer to x>;
 
4294
      tag = \Arg{1}->entry->tag;
 
4295
      if (isWHNF(tag)) {
 
4296
          Sp--;  \\ insert space for return address
 
4297
          goto retvec[tag];
 
4298
      }
 
4299
      push(retinfo);          
 
4300
      goto \Arg{1}->entry;
 
4301
      
 
4302
      .addr ret2
 
4303
      .addr ret1
 
4304
retvec:           \\ reversed return vector
 
4305
      <return info table for case goes here>
 
4306
retinfo:
 
4307
      panic("Direct return into vectored case");
 
4308
      
 
4309
ret1: <code for E1>
 
4310
 
 
4311
ret2: x  = \Arg{1}->head;
 
4312
      xs = \Arg{1}->tail;
 
4313
      <code for E2>
 
4314
\end{verbatim}
 
4315
There is an obvious cost in compiled code size (but none in the size
 
4316
of the bytecodes).  There is also a cost in execution time if we enter
 
4317
more thunks than data constructors.
 
4318
 
 
4319
Both the direct and vectored returns are easily modified to chase chains
 
4320
of indirections too.  In the vectored case, this is most easily done by
 
4321
making sure that @IND = TAG_1 - 1@, and adding an extra field to every
 
4322
return vector.  In the above example, the indirection code would be
 
4323
\begin{verbatim}
 
4324
ind:  \Arg{1} = \Arg{1}->next;
 
4325
      goto ind_loop;
 
4326
\end{verbatim}
 
4327
where @ind_loop@ is the second line of code.
 
4328
 
 
4329
Note that we have to leave space for a return address since the return
 
4330
address expects to find one.  If the body of the expression requires a
 
4331
heap check, we will actually have to write the return address before
 
4332
entering the garbage collector.
 
4333
 
 
4334
 
 
4335
\Subsection{Heap and Stack Checks}{heap-and-stack-checks}
 
4336
 
 
4337
The storage manager detects that it needs to garbage collect the old
 
4338
generation when the evaluator requests a garbage collection without
 
4339
having moved the heap pointer since the last garbage collection.  It
 
4340
is therefore important that the GC routines \emph{not} move the heap
 
4341
pointer unless the heap check fails.  This is different from what
 
4342
happens in the current STG implementation.
 
4343
 
 
4344
Assuming that the stack can never shrink, we perform a stack check
 
4345
when we enter a closure but not when we return to a return
 
4346
continuation.  This doesn't work for heap checks because we cannot
 
4347
predict what will happen to the heap if we call a function.
 
4348
 
 
4349
If we wish to allow the stack to shrink, we need to perform a stack
 
4350
check whenever we enter a return continuation.  Most of these checks
 
4351
could be eliminated if the storage manager guaranteed that a stack
 
4352
would always have 1000 words (say) of space after it was shrunk.  Then
 
4353
we can omit stack checks for less than 1000 words in return
 
4354
continuations.
 
4355
 
 
4356
When an argument satisfaction check fails, we need to push the closure
 
4357
(in R1) onto the stack - so we need to perform a stack check.  The
 
4358
problem is that the argument satisfaction check occurs \emph{before}
 
4359
the stack check.  The solution is that the caller of a slow entry
 
4360
point or closure will guarantee that there is at least one word free
 
4361
on the stack for the callee to use.  
 
4362
 
 
4363
Similarily, if a heap or stack check fails, we need to push the arguments
 
4364
and closure onto the stack.  If we just came from the slow entry point, 
 
4365
there's certainly enough space and it is the responsibility of anyone
 
4366
using the fast entry point to guarantee that there is enough space.
 
4367
 
 
4368
\ToDo{Be more precise about how much space is required - document it
 
4369
in the calling convention section.}
 
4370
 
 
4371
\Subsection{Handling interrupts/signals}{signals}
 
4372
 
 
4373
\begin{verbatim}
 
4374
May have to keep C stack pointer in register to placate OS?
 
4375
May have to revert black holes - ouch!
 
4376
\end{verbatim}
 
4377
 
 
4378
 
 
4379
 
 
4380
\section{The Loader}
 
4381
\section{The Compilers}
 
4382
 
 
4383
\iffalse
 
4384
\part{Old stuff - needs to be mined for useful info}
 
4385
 
 
4386
\section{The Scheduler}
 
4387
 
 
4388
The Scheduler is the heart of the run-time system.  A running program
 
4389
consists of a single running thread, and a list of runnable and
 
4390
blocked threads.  The running thread returns to the scheduler when any
 
4391
of the following conditions arises:
 
4392
 
 
4393
\begin{itemize}
 
4394
\item A heap check fails, and a garbage collection is required
 
4395
\item Compiled code needs to switch to interpreted code, and vice
 
4396
versa.
 
4397
\item The thread becomes blocked.
 
4398
\item The thread is preempted.
 
4399
\end{itemize}
 
4400
 
 
4401
A running system has a global state, consisting of
 
4402
 
 
4403
\begin{itemize}
 
4404
\item @Hp@, the current heap pointer, which points to the next
 
4405
available address in the Heap.
 
4406
\item @HpLim@, the heap limit pointer, which points to the end of the
 
4407
heap.
 
4408
\item The Thread Preemption Flag, which is set whenever the currently
 
4409
running thread should be preempted at the next opportunity.
 
4410
\item A list of runnable threads. 
 
4411
\item A list of blocked threads.
 
4412
\end{itemize}
 
4413
 
 
4414
Each thread is represented by a Thread State Object (TSO), which is
 
4415
described in detail in \secref{TSO}.
 
4416
 
 
4417
The following is pseudo-code for the inner loop of the scheduler
 
4418
itself.
 
4419
 
 
4420
\begin{verbatim}
 
4421
while (threads_exist) {
 
4422
  // handle global problems: GC, parallelism, etc
 
4423
  if (need_gc) gc();  
 
4424
  if (external_message) service_message();
 
4425
  // deal with other urgent stuff
 
4426
 
 
4427
  pick a runnable thread;
 
4428
  do {
 
4429
    // enter object on top of stack
 
4430
    // if the top object is a BCO, we must enter it
 
4431
    // otherwise appply any heuristic we wish.
 
4432
    if (thread->stack[thread->sp]->info.type == BCO) {
 
4433
        status = runHugs(thread,&smInfo);
 
4434
    } else {
 
4435
        status = runGHC(thread,&smInfo);
 
4436
    }
 
4437
    switch (status) {  // handle local problems
 
4438
      case (StackOverflow): enlargeStack; break;
 
4439
      case (Error e)      : error(thread,e); break;
 
4440
      case (ExitWith e)   : exit(e); break;
 
4441
      case (Yield)        : break;
 
4442
    }
 
4443
  } while (thread_runnable);
 
4444
}
 
4445
\end{verbatim}
 
4446
 
 
4447
\Subsection{Invoking the garbage collector}{ghc-invoking-gc}
 
4448
 
 
4449
\Subsection{Putting the thread to sleep}{ghc-thread-sleeps}
 
4450
 
 
4451
\Subsection{Calling C from Haskell}{ghc-ccall}
 
4452
 
 
4453
We distinguish between "safe calls" where the programmer guarantees
 
4454
that the C function will not call a Haskell function or, in a
 
4455
multithreaded system, block for a long period of time and "unsafe
 
4456
calls" where the programmer cannot make that guarantee.  
 
4457
 
 
4458
Safe calls are performed without returning to the scheduler and are
 
4459
discussed elsewhere (\ToDo{discuss elsewhere}).
 
4460
 
 
4461
Unsafe calls are performed by returning an array (outside the Haskell
 
4462
heap) of arguments and a C function pointer to the scheduler.  The
 
4463
scheduler allocates a new thread from the operating system
 
4464
(multithreaded system only), spawns a call to the function and
 
4465
continues executing another thread.  When the ccall completes, the
 
4466
thread informs the scheduler and the scheduler adds the thread to the
 
4467
runnable threads list.  
 
4468
 
 
4469
\ToDo{Describe this in more detail.}
 
4470
 
 
4471
 
 
4472
\Subsection{Calling Haskell from C}{ghc-c-calls-haskell}
 
4473
 
 
4474
When C calls a Haskell closure, it sends a message to the scheduler
 
4475
thread.  On receiving the message, the scheduler creates a new Haskell
 
4476
thread, pushes the arguments to the C function onto the thread's stack
 
4477
(with tags for unboxed arguments) pushes the Haskell closure and adds
 
4478
the thread to the runnable list so that it can be entered in the
 
4479
normal way.
 
4480
 
 
4481
When the closure returns, the scheduler sends back a message which
 
4482
awakens the (C) thread.  
 
4483
 
 
4484
\ToDo{Do we need to worry about the garbage collector deallocating the
 
4485
thread if it gets blocked?}
 
4486
 
 
4487
\Subsection{Switching Worlds}{switching-worlds}
 
4488
 
 
4489
\ToDo{This has all changed: we always leave a closure on top of the
 
4490
stack if we mean to continue executing it.  The scheduler examines the
 
4491
top of the stack and tries to guess which world we want to be in.  If
 
4492
it finds a @BCO@, it certainly enters Hugs, if it finds a @GHC@
 
4493
closure, it certainly enters GHC and if it finds a standard closure,
 
4494
it is free to choose either one but it's probably best to enter GHC
 
4495
for everything except @BCO@s and perhaps @AP@s.}
 
4496
 
 
4497
Because this is a combined compiled/interpreted system, the
 
4498
interpreter will sometimes encounter compiled code, and vice-versa.
 
4499
 
 
4500
All world-switches go via the scheduler, ensuring that the world is in
 
4501
a known state ready to enter either compiled code or the interpreter.
 
4502
When a thread is run from the scheduler, the @whatNext@ field in the
 
4503
TSO (\secref{TSO}) is checked to find out how to execute the
 
4504
thread.
 
4505
 
 
4506
\begin{itemize}
 
4507
\item If @whatNext@ is set to @ReturnGHC@, we load up the required
 
4508
registers from the TSO and jump to the address at the top of the user
 
4509
stack.
 
4510
\item If @whatNext@ is set to @EnterGHC@, we load up the required
 
4511
registers from the TSO and enter the closure pointed to by the top
 
4512
word of the stack.
 
4513
\item If @whatNext@ is set to @EnterHugs@, we enter the top thing on
 
4514
the stack, using the interpreter.
 
4515
\end{itemize}
 
4516
 
 
4517
There are four cases we need to consider:
 
4518
 
 
4519
\begin{enumerate}
 
4520
\item A GHC thread enters a Hugs-built closure.
 
4521
\item A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address.
 
4522
\item A Hugs thread enters a GHC-built closure.
 
4523
\item A Hugs thread returns to a Hugs-compiled return address.
 
4524
\end{enumerate}
 
4525
 
 
4526
GHC-compiled modules cannot call functions in a Hugs-compiled module
 
4527
directly, because the compiler has no information about arities in the
 
4528
external module.  Therefore it must assume any top-level objects are
 
4529
CAFs, and enter their closures.
 
4530
 
 
4531
\ToDo{Hugs-built constructors?}
 
4532
 
 
4533
We now examine the various cases one by one and describe how the
 
4534
switch happens in each situation.
 
4535
 
 
4536
\subsection{A GHC thread enters a Hugs-built closure}
 
4537
\label{sec:ghc-to-hugs-switch}
 
4538
 
 
4539
There is three possibilities: GHC has entered a @PAP@, or it has
 
4540
entered a @AP@, or it has entered the BCO directly (for a top-level
 
4541
function closure).  @AP@s and @PAP@s are ``standard closures'' and
 
4542
so do not require us to enter the bytecode interpreter.
 
4543
 
 
4544
The entry code for a BCO does the following:
 
4545
 
 
4546
\begin{itemize}
 
4547
\item Push the address of the object entered on the stack.
 
4548
\item Save the current state of the thread in its TSO.
 
4549
\item Return to the scheduler, setting @whatNext@ to @EnterHugs@.
 
4550
\end{itemize}
 
4551
 
 
4552
BCO's for thunks and functions have the same entry conventions as
 
4553
slow entry points: they expect to find their arguments on the stac
 
4554
with unboxed arguments preceded by appropriate tags.
 
4555
 
 
4556
\subsection{A GHC thread returns to a Hugs-compiled return address}
 
4557
\label{sec:ghc-to-hugs-switch}
 
4558
 
 
4559
Hugs return addresses are laid out as in \figref{hugs-return-stack}.
 
4560
If GHC is returning, it will return to the address at the top of the
 
4561
stack, namely @HUGS_RET@.  The code at @HUGS_RET@ performs the
 
4562
following:
 
4563
 
 
4564
\begin{itemize}
 
4565
\item pushes \Arg{1} (the return value) on the stack.
 
4566
\item saves the thread state in the TSO
 
4567
\item returns to the scheduler with @whatNext@ set to @EnterHugs@.
 
4568
\end{itemize}
 
4569
 
 
4570
\noindent When Hugs runs, it will enter the return value, which will
 
4571
return using the correct Hugs convention
 
4572
(\secref{hugs-return-convention}) to the return address underneath it
 
4573
on the stack.
 
4574
 
 
4575
\subsection{A Hugs thread enters a GHC-compiled closure}
 
4576
\label{sec:hugs-to-ghc-switch}
 
4577
 
 
4578
Hugs can recognise a GHC-built closure as not being one of the
 
4579
following types of object:
 
4580
 
 
4581
\begin{itemize}
 
4582
\item A @BCO@,
 
4583
\item A @AP@,
 
4584
\item A @PAP@,
 
4585
\item An indirection, or
 
4586
\item A constructor.
 
4587
\end{itemize}
 
4588
 
 
4589
When Hugs is called on to enter a GHC closure, it executes the
 
4590
following sequence of instructions:
 
4591
 
 
4592
\begin{itemize}
 
4593
\item Push the address of the closure on the stack.
 
4594
\item Save the current state of the thread in the TSO.
 
4595
\item Return to the scheduler, with the @whatNext@ field set to
 
4596
@EnterGHC@.
 
4597
\end{itemize}
 
4598
 
 
4599
\subsection{A Hugs thread returns to a GHC-compiled return address}
 
4600
\label{sec:hugs-to-ghc-switch}
 
4601
 
 
4602
When Hugs encounters a return address on the stack that is not
 
4603
@HUGS_RET@, it knows that a world-switch is required.  At this point
 
4604
the stack contains a pointer to the return value, followed by the GHC
 
4605
return address.  The following sequence is then performed:
 
4606
 
 
4607
\begin{itemize}
 
4608
\item save the state of the thread in the TSO.
 
4609
\item return to the scheduler, setting @whatNext@ to @EnterGHC@.
 
4610
\end{itemize}
 
4611
 
 
4612
The first thing that GHC will do is enter the object on the top of the
 
4613
stack, which is a pointer to the return value.  This value will then
 
4614
return itself to the return address using the GHC return convention.
 
4615
 
 
4616
 
 
4617
\fi
 
4618
 
 
4619
 
 
4620
\part{History}
 
4621
 
 
4622
We're nuking the following:
 
4623
 
 
4624
\begin{itemize}
 
4625
\item
 
4626
  Two stacks
 
4627
 
 
4628
\item
 
4629
  Return in registers.
 
4630
  This lets us remove update code pointers from info tables,
 
4631
  removes the need for phantom info tables, simplifies 
 
4632
  semi-tagging, etc.
 
4633
 
 
4634
\item
 
4635
  Threaded GC.
 
4636
  Careful analysis suggests that it doesn't buy us very much
 
4637
  and it is hard to work with.
 
4638
 
 
4639
  Eliminating threaded GCs eliminates the desire to share SMReps
 
4640
  so they are (once more) part of the Info table.
 
4641
 
 
4642
\item
 
4643
  RetReg.
 
4644
  Doesn't buy us anything on a register-poor architecture and
 
4645
  isn't so important if we have semi-tagging.
 
4646
 
 
4647
\begin{verbatim}
 
4648
    - Probably bad on register poor architecture 
 
4649
    - Can avoid need to write return address to stack on reg rich arch.
 
4650
      - when a function does a small amount of work, doesn't 
 
4651
        enter any other thunks and then returns.
 
4652
        eg entering a known constructor (but semitagging will catch this)
 
4653
    - Adds complications
 
4654
\end{verbatim}
 
4655
 
 
4656
\item
 
4657
  Update in place
 
4658
 
 
4659
  This lets us drop CONST closures and CHARLIKE closures (assuming we
 
4660
  don't support Unicode).  The only point of these closures was to 
 
4661
  avoid updating with an indirection.
 
4662
 
 
4663
  We also drop @MIN_UPD_SIZE@ --- all we need is space to insert an
 
4664
  indirection or a black hole.
 
4665
 
 
4666
\item
 
4667
  STATIC SMReps are now called CONST
 
4668
 
 
4669
\item
 
4670
  @MUTVAR@ is new
 
4671
 
 
4672
\item The profiling ``kind'' field is now encoded in the @INFO_TYPE@ field.
 
4673
This identifies the general sort of the closure for profiling purposes.
 
4674
 
 
4675
\item Various papers describe deleting update frames for unreachable objects.
 
4676
  This has never been implemented and we don't plan to anytime soon.
 
4677
 
 
4678
\end{itemize}
 
4679
 
 
4680
 
 
4681
\end{document}
 
4682
 
 
4683