1558f3ca44c3e79521e58429bf701afab03d321d
[sbcl.git] / doc / beyond-ansi.sgml
1 <!-- -*- mode: SGML; sgml-parent-document: ("user-manual.sgml" "BOOK") -*- -->
2 <chapter id="beyond-ansi"><title>Beyond The &ANSI; Standard</>
3
4 <para>&SBCL; is mostly an implementation of the &ANSI; standard for
5 Common Lisp. However, there's some important behavior which extends
6 or clarifies the standard, and various behavior which outright
7 violates the standard.
8 </para>
9
10 <sect1 id="non-conformance"><title>Non-Conformance With The &ANSI; Standard</>
11
12 <para>
13 Essentially every type of non-conformance is considered a bug.
14 (The exceptions involve internal inconsistencies in the standard.)
15 In &SBCL; 0.7.6, the master record of known bugs is in
16 the <filename>BUGS</> file in the distribution.
17 Some highlight information about bugs may also be found in the
18 manual page. The recommended way to report bugs is through the sbcl-help or
19 sbcl-devel mailings lists.
20 </para>
21
22 </sect1>
23
24 <sect1 id="idiosyncrasies"><title>Idiosyncrasies</>
25
26 <para>The information in this section describes some of the ways
27 that &SBCL; deals with choices that the &ANSI; standard 
28 leaves to the implementation.</para>
29
30 <para>Declarations are generally treated as assertions. This general
31 principle, and its implications, and the bugs which still keep the
32 compiler from quite satisfying this principle, are discussed in the
33 <link linkend="compiler">chapter on the compiler</link>.</para>
34
35 <para>&SBCL; is essentially a compiler-only implementation of
36 &CommonLisp;. That is, for all but a few special cases,
37 <function>eval</> creates a
38 lambda expression, calls <function>compile</> on the lambda
39 expression to create a compiled function, and then calls
40 <function>funcall</> on the resulting function object. This 
41 is explicitly allowed by the &ANSI; standard, but leads to some
42 oddities, e.g. collapsing <function>functionp</> and 
43 <function>compiled-function-p</> into the same predicate.</para>
44
45 <para>&SBCL; is quite strict about ANSI's definition of
46 <function>defconstant</>. ANSI says that doing <function>defconstant</>
47 of the same symbol more than once is undefined unless the new value
48 is <function>eql</> to the old value. Conforming to this specification
49 is a nuisance when the "constant" value is only constant under some
50 weaker test like <function>string=</> or <function>equal</>. It's
51 especially annoying because, in &SBCL;, <function>defconstant</> takes effect
52 not only at load time but also at compile time, so that just 
53 compiling and loading reasonable code like 
54 <programlisting>(defconstant +foobyte+ '(1 4))</>
55 runs into this undefined behavior. Many
56 implementations of Common Lisp try to help the programmer around
57 this annoyance by silently accepting the undefined code and 
58 trying to do what the programmer probably meant. &SBCL; instead
59 treats the undefined behavior as an error. Often
60 such code can be rewritten
61 in portable &ANSI; Common Lisp which has the desired behavior.
62 E.g., the code above can be given an exactly defined meaning by replacing
63 <function>defconstant</> either with <function>defparameter</> or 
64 with a customized macro which does the right thing, possibly along the
65 lines of the <function>defconstant-eqx</> macro used internally in the
66 implementation of &SBCL; itself.  In circumstances where this is not 
67 appropriate, the programmer can handle the condition type 
68 <errortype>sb-ext:defconstant-uneql</errortype>, and choose either the 
69 <action>continue</action> or <action>abort</action> restart as 
70 appropriate.</para>
71
72 <para>&SBCL; gives style warnings about various kinds of perfectly
73 legal code, e.g.
74 <itemizedlist>
75   <listitem><para><function>defmethod</> without
76     <function>defgeneric</></para></listitem>
77   <listitem><para>multiple <function>defun</>s of the same
78     symbol</para></listitem>
79   <listitem><para>special variables not named in the conventional
80     <varname>*foo*</> style, and lexical variables unconventionally named
81     in the <varname>*foo*</> style</para></listitem>
82 </itemizedlist>
83 This causes friction with people
84 who point out that other ways of organizing code (especially
85 avoiding the use of <function>defgeneric</>)
86 are just as aesthetically stylish.
87 However, these warnings should be read not
88 as "warning, bad aesthetics detected, you have no style" but
89 "warning, this style keeps the compiler from understanding
90 the code as well as you might like." That is, 
91 unless the compiler warns about such conditions, there's no
92 way for the compiler to warn 
93 about some programming errors which would otherwise be
94 easy to overlook. (related bug: The warning about
95 multiple <function>defun</>s is pointlessly annoying when you compile
96 and then load a function containing <function>defun</> wrapped
97 in <function>eval-when</>, and ideally should be suppressed in 
98 that case, but still isn't as of &SBCL; 0.7.6.)</para>
99
100 </sect1>
101
102 <sect1 id="extensions"><title>Extensions</>
103
104 <para>&SBCL; is derived from &CMUCL;, which implements many extensions
105 to the &ANSI; standard. &SBCL; doesn't support as many extensions as
106 &CMUCL;, but it still has quite a few.</para>
107
108 <sect2><title>Things Which Might Be In The Next &ANSI; Standard</>
109
110 <para>&SBCL; provides extensive support for 
111 calling external C code, described 
112 <link linkend="ffi">in its own chapter</link>.</para>
113
114 <para>&SBCL; provides additional garbage collection functionality not
115 specified by &ANSI;. Weak pointers allow references to objects to be
116 maintained without keeping them from being GCed. And "finalization"
117 hooks are available to cause code to be executed when an object is
118 GCed.</para> <!-- FIXME: Actually documenting these would be good.:-| -->
119
120 <para>&SBCL; supports Gray streams, user-overloadable CLOS classes
121 whose instances can be used as Lisp streams (e.g. passed as the
122 first argument to <function>format</>).</para>
123
124 <para>&SBCL; supports a MetaObject Protocol which is intended to be
125 compatible with &AMOP;; present exceptions to this (as distinct from
126 current bugs) are:
127 <itemizedlist>
128   <listitem><para>the abstract <classname>metaobject</> class is not
129     present in the class hierarchy;</para></listitem>
130   <listitem><para>the <classname>standard-object</> and
131     <classname>funcallable-standard-object</> classes are
132     disjoint;</para></listitem>
133   <listitem><para><function>compute-effective-method</> only returns
134     one value, not two;</para></listitem>
135   <listitem><para>the system-supplied <property>:around</> method for
136     <function>compute-slots</> specialized on
137     <classname>funcallable-standard-class</> does not respect the
138     requested order from a user-supplied primary method.
139 </itemizedlist>
140
141 </sect2>
142
143 <sect2><title>Threading (a.k.a Multiprocessing)</>
144
145 <para>&SBCL; (as of version 0.x.y, on Linux x86 only) supports a
146 fairly low-level threading interface that maps onto the host operating
147 system's concept of threads or lightweight processes.  
148
149 <sect3><title>Lisp-level view</title>
150
151 <para>A rudimentary interface to creating and managing multiple threads
152 can be found in the <literal>sb-thread</literal> package.  This is
153 intended for public consumption, so look at the exported symbols and
154 their documentation strings.  
155
156 <para>Dynamic bindings to symbols are per-thread.   Signal handlers
157 are per-thread.
158
159 <para><function>sb-ext:quit</function> exits the current thread, not
160 necessarily the whole environment.  The environment will be shut down
161 when the last thread exits.  
162
163 <para>Threads arbitrate between themselves for the user's attention.
164 A thread may be in one of three notional states: foreground,
165 background, or stopped.  When a background process attempts to print a
166 repl prompt or to enter the debugger, it will stop and print a message
167 saying that it has stopped.  The user at his leisure may switch to
168 that thread to find out what it needs.  If a background thread enters
169 the debugger, selecting any restart will put it back into the
170 background before it resumes.
171
172 <para>If the user has multiple views onto the same Lisp image (for
173 example, using multiple terminals, or a windowing system, or network
174 access) they are typically set up as multiple `sessions' such that each 
175 view has its own collection of foreground/background/stopped threads.
176 <function>sb-thread:make-listener-thread</function> can be used to
177 start a new thread in its own `session'.
178
179 <para>Mutexes and condition variables are available for 
180 managing access to shared data: see 
181
182 <itemizedlist>
183 <listitem>
184 <programlisting>(apropos "mutex" :sb-thread)</programlisting> 
185 <listitem>
186 <programlisting>(apropos "condition" :sb-thread)</programlisting> 
187 <listitem> <para>and the <structname>waitqueue</structname> structure
188 </para>
189 </listitem>
190 </itemizedlist>
191
192 and poke around in their documentation strings.
193
194 <sect3><title>Implementation (Linux x86)</title>
195
196 <para>On Linux x86, this is implemented using
197 <function>clone()</function> and does not involve pthreads.  This is
198 not because there is anything wrong with pthreads <emphasis>per
199 se</emphasis>, but there is plenty wrong (from our perspective) with
200 LinuxThreads.  &SBCL; threads are mapped 1:1 onto Linux tasks which
201 share a VM but nothing else - each has its own process id and can be
202 seen in e.g. <command>ps</command> output.
203
204 <para>Per-thread local bindings for special variables is achieved
205 using the %fs segment register to point to a per-thread storage area.
206 This may cause interesting results if you link to foreign code that
207 expects threading or creates new threads, and the thread library in
208 question uses %fs in an incompatible way.
209
210 <para>Threads waiting on queues (e.g. for locks or condition
211 variables) are put to sleep using <function>sigtimedwait()</function>
212 and woken with SIGCONT.
213
214 <para>&SBCL; at present will alway have at least two tasks running as
215 seen from Linux: when the first process has done startup
216 initialization (mapping files in place, installing signal handlers
217 etc) it creates a new thread to run the Lisp startup and initial listener.
218 The original thread is then used to run GC and to reap dead subthreads
219 when they exit.
220
221 <para>Garbage collection is done with the existing Conservative
222 Generational GC.  Allocation is done in small (typically 8k) regions :
223 each thread has its own region so this involves no stopping. However,
224 when a region fills, a lock must be obtained while another is
225 allocated, and when a collection is required, all processes are
226 stopped.  This is achieved using <function>ptrace()</function>, so you
227 should be very careful if you wish to examine an &SBCL; worker thread
228 using <command>strace</command>, <command>truss</command>,
229 <command>gdb</command> or similar.  It may be prudent to disable GC
230 before doing so.
231
232 <para>Large amounts of the &SBCL; library have not been inspected for
233 thread-safety.  Some of the obviously unsafe areas have large locks
234 around them, so compilation and fasl loading, for example, cannot be
235 parallelized.  Work is ongoing in this area.
236
237 <para>A new thread by default is created in the same POSIX process
238 group and session as the thread it was created by.  This has an impact
239 on keyboard interrupt handling: pressing your terminal's intr key
240 (typically Control-C) will interrupt all processes in the foreground
241 process group, including Lisp threads that &SBCL; considers to be
242 notionally `background'.  This is undesirable, so background threads
243 are set to ignore the SIGINT signal.  Arbitration for the input stream
244 is managed by locking on sb-thread::*session-lock*
245
246 <para>A thread can be created in a new Lisp 'session' (new terminal or
247 window) using <function>sb-thread:make-listener-thread</function>.
248 These sessions map directly onto POSIX sessions, so that pressing
249 Control-C in the wrong window will not interrupt them - this has been
250 found to be embarrassing.
251
252 <sect2><title>Support For Unix</>
253
254 <para>The UNIX command line can be read from the variable
255 <varname>sb-ext:*posix-argv*</>. The UNIX environment can be queried with the
256 <function>sb-ext:posix-getenv</> function.</para>
257
258 <para>The &SBCL; system can be terminated with <function>sb-ext:quit</>,
259 optionally returning a specified numeric value to the calling Unix
260 process. The normal Unix idiom of terminating on end of file on input
261 is also supported.</para>
262
263 </sect2>
264
265 <sect2><title>Customization Hooks for Users</title>
266
267 <para>The behaviour of <function>require</function> when called with only
268 one argument is implementation-defined.  In &SBCL; it calls functions
269 on the user-settable list <varname>sb-ext:*module-provider-functions*</varname>
270 - see the <function>require</function> documentation string for details.
271
272 <para>The toplevel repl prompt may be customized, and the function
273 that reads user input may be replaced completely.  <!-- FIXME but I 
274 don't currently remember how -->
275
276 <sect2><title>Tools To Help Developers</title>
277
278 <para>&SBCL; provides a profiler and other extensions to the &ANSI;
279 <function>trace</> facility. See the online function documentation for
280 <function>trace</> for more information.</para>
281
282 <para>The debugger supports a number of options. Its documentation is
283 accessed by typing <userinput>help</> at the debugger prompt.</para>
284 <!-- FIXME:
285      A true debugger section in the manual would be good. Start
286      with CMU CL's debugger section, but remember:
287        * no QUIT command (TOPLEVEL restart instead)
288        * no GO command (CONTINUE restart instead)
289        * Limitations of the x86 port of the debugger should be 
290          documented or fixed where possible.
291        * Discuss TRACE and its unification with PROFILE. -->
292
293 <para>Documentation for <function>inspect</> is accessed by typing
294 <userinput>help</> at the <function>inspect</> prompt.</para>
295
296 </sect2>
297
298 <sect2><title>Interface To Low-Level &SBCL; Implementation</title>
299
300 <para>&SBCL; has the ability to save its state as a file for later
301 execution. This functionality is important for its bootstrapping
302 process, and is also provided as an extension to the user See the
303 documentation for <function>sb-ext:save-lisp-and-die</> for more
304 information.</para>
305
306 <note><para>&SBCL; has inherited from &CMUCL; various hooks to allow
307 the user to tweak and monitor the garbage collection process. These
308 are somewhat stale code, and their interface might need to be cleaned
309 up. If you have urgent need of them, look at the code in
310 <filename>src/code/gc.lisp</filename> and bring it up on the
311 developers' mailing list.</para></note>
312
313 <note><para>&SBCL; has various hooks inherited from &CMUCL;, like
314 <function>sb-ext:float-denormalized-p</>, to allow a program to take
315 advantage of &IEEE; floating point arithmetic properties which aren't
316 conveniently or efficiently expressible using the &ANSI; standard. These
317 look good, and their interface looks good, but &IEEE; support is
318 slightly broken due to a stupid decision to remove some support for
319 infinities (because it wasn't in the &ANSI; spec and it didn't occur to
320 me that it was in the &IEEE; spec). If you need this stuff, take a look
321 at the code and bring it up on the developers' mailing
322 list.</para></note>
323
324 </sect2>
325
326 <sect2><title>Efficiency Hacks</title>
327
328 <para>The <function>sb-ext:purify</function> function causes &SBCL;
329 first to collect all garbage, then to mark all uncollected objects as
330 permanent, never again attempting to collect them as garbage. This can
331 cause a large increase in efficiency when using a primitive garbage
332 collector, or a more moderate increase in efficiency when using a more
333 sophisticated garbage collector which is well suited to the program's
334 memory usage pattern. It also allows permanent code to be frozen at
335 fixed addresses, a precondition for using copy-on-write to share code
336 between multiple Lisp processes. is less important with modern
337 generational garbage collectors. </para>
338
339 <para>The <function>sb-ext:truly-the</> operator does what the
340 <function>cl:the</> operator does in a more conventional
341 implementation of &CommonLisp;, declaring the type of its argument
342 without any runtime checks. (Ordinarily in &SBCL;, any type
343 declaration is treated as an assertion and checked at runtime.)</para>
344
345 <para>The <function>sb-ext:freeze-type</> declaration declares that a
346 type will never change, which can make type testing
347 (<function>typep</>, etc.) more efficient for structure types.</para>
348
349 <para>The <function>sb-ext:constant-function</> declaration specifies
350 that a function will always return the same value for the same
351 arguments, which may allow the compiler to optimize calls
352 to it. This is appropriate for functions like <function>sqrt</>, but
353 is <emphasis>not</> appropriate for functions like <function>aref</>,
354 which can change their return values when the underlying data are
355 changed.</para>
356
357 </sect2>
358
359 </sect1>
360
361 </chapter>