0.pre8.10
[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 <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.</para>
67
68 <para>&SBCL; gives style warnings about various kinds of perfectly
69 legal code, e.g.
70 <itemizedlist>
71   <listitem><para><function>defmethod</> without
72     <function>defgeneric</></para></listitem>
73   <listitem><para>multiple <function>defun</>s of the same
74     symbol</para></listitem>
75   <listitem><para>special variables not named in the conventional
76     <varname>*foo*</> style, and lexical variables unconventionally named
77     in the <varname>*foo*</> style</para></listitem>
78 </itemizedlist>
79 This causes friction with people
80 who point out that other ways of organizing code (especially
81 avoiding the use of <function>defgeneric</>)
82 are just as aesthetically stylish.
83 However, these warnings should be read not
84 as "warning, bad aesthetics detected, you have no style" but
85 "warning, this style keeps the compiler from understanding
86 the code as well as you might like." That is, 
87 unless the compiler warns about such conditions, there's no
88 way for the compiler to warn 
89 about some programming errors which would otherwise be
90 easy to overlook. (related bug: The warning about
91 multiple <function>defun</>s is pointlessly annoying when you compile
92 and then load a function containing <function>defun</> wrapped
93 in <function>eval-when</>, and ideally should be suppressed in 
94 that case, but still isn't as of &SBCL; 0.7.6.)</para>
95
96 </sect1>
97
98 <sect1 id="extensions"><title>Extensions</>
99
100 <para>&SBCL; is derived from &CMUCL;, which implements many extensions
101 to the &ANSI; standard. &SBCL; doesn't support as many extensions as
102 &CMUCL;, but it still has quite a few.</para>
103
104 <sect2><title>Things Which Might Be In The Next &ANSI; Standard</>
105
106 <para>&SBCL; provides extensive support for 
107 calling external C code, described 
108 <link linkend="ffi">in its own chapter</link>.</para>
109
110 <para>&SBCL; provides additional garbage collection functionality not
111 specified by &ANSI;. Weak pointers allow references to objects to be
112 maintained without keeping them from being GCed. And "finalization"
113 hooks are available to cause code to be executed when an object is
114 GCed.</para> <!-- FIXME: Actually documenting these would be good.:-| -->
115
116 <para>&SBCL; supports Gray streams, user-overloadable CLOS classes
117 whose instances can be used as Lisp streams (e.g. passed as the
118 first argument to <function>format</>).</para>
119
120 <para>&SBCL; supports a MetaObject Protocol which is intended to be
121 compatible with &AMOP;; exceptions to this (as distinct from current
122 bugs<!-- Such as the distinction between CL:FIND-CLASS and
123 SB-PCL::FIND-CLASS :-( -->) are that
124 <function>compute-effective-method</> only returns one value, not
125 two<!-- FIXME: anything else? What about extensions? (e.g. COMPUTE-SLOTS
126 behaviour) -->.</para>
127
128 </sect2>
129
130 <sect2><title>Threading (a.k.a Multiprocessing)</>
131
132 <para>&SBCL; (as of version 0.x.y, on Linux x86 only) supports a
133 fairly low-level threading interface that maps onto the host operating
134 system's concept of threads or lightweight processes.  
135
136 <sect3><title>Lisp-level view</title>
137
138 <para>A rudimentary interface to creating and managing multiple threads
139 can be found in the <literal>sb-thread</literal> package.  This is
140 intended for public consumption, so look at the exported symbols and
141 their documentation strings.  
142
143 <para>Dynamic bindings to symbols are per-thread.   Signal handlers
144 are per-thread.
145
146 <para><function>sb-ext:quit</function> exits the current thread, not
147 necessarily the whole environment.  The environment will be shut down
148 when the last thread exits.  
149
150 <para>Threads arbitrate between themselves for the user's attention.
151 A thread may be in one of three notional states: foreground,
152 background, or stopped.  When a background process attempts to print a
153 repl prompt or to enter the debugger, it will stop and print a message
154 saying that it has stopped.  The user at his leisure may switch to
155 that thread to find out what it needs.  If a background thread enters
156 the debugger, selecting any restart will put it back into the
157 background before it resumes.
158
159 <para>If the user has multiple views onto the same Lisp image (for
160 example, using multiple terminals, or a windowing system, or network
161 access) they are typically set up as multiple `sessions' such that each 
162 view has its own collection of foreground/background/stopped threads.
163 <function>sb-thread:make-listener-thread</function> can be used to
164 start a new thread in its own `session'.
165
166 <para>Mutexes and condition variables are available for 
167 managing access to shared data: see 
168
169 <itemizedlist>
170 <listitem>
171 <programlisting>(apropos "mutex" :sb-thread)</programlisting> 
172 <listitem>
173 <programlisting>(apropos "condition" :sb-thread)</programlisting> 
174 <listitem> <para>and the <structname>waitqueue</structname> structure
175 </para>
176 </listitem>
177 </itemizedlist>
178
179 and poke around in their documentation strings.
180
181 <sect3><title>Implementation (Linux x86)</title>
182
183 <para>On Linux x86, this is implemented using
184 <function>clone()</function> and does not involve pthreads.  This is
185 not because there is anything wrong with pthreads <emphasis>per
186 se</emphasis>, but there is plenty wrong (from our perspective) with
187 LinuxThreads.  &SBCL; threads are mapped 1:1 onto Linux tasks which
188 share a VM but nothing else - each has its own process id and can be
189 seen in e.g. <command>ps</command> output.
190
191 <para>Per-thread local bindings for special variables is achieved
192 using the %fs segment register to point to a per-thread storage area.
193 This may cause interesting results if you link to foreign code that
194 expects threading or creates new threads, and the thread library in
195 question uses %fs in an incompatible way.
196
197 <para>Threads waiting on queues (e.g. for locks or condition
198 variables) are put to sleep using <function>sigtimedwait()</function>
199 and woken with SIGCONT.
200
201 <para>&SBCL; at present will alway have at least two tasks running as
202 seen from Linux: when the first process has done startup
203 initialization (mapping files in place, installing signal handlers
204 etc) it creates a new thread to run the Lisp startup and initial listener.
205 The original thread is then used to run GC and to reap dead subthreads
206 when they exit.
207
208 <para>Garbage collection is done with the existing Conservative
209 Generational GC.  Allocation is done in small (typically 8k) regions :
210 each thread has its own region so this involves no stopping. However,
211 when a region fills, a lock must be obtained while another is
212 allocated, and when a collection is required, all processes are
213 stopped.  This is achieved using <function>ptrace()</function>, so you
214 should be very careful if you wish to examine an &SBCL; worker thread
215 using <command>strace</command>, <command>truss</command>,
216 <command>gdb</command> or similar.  It may be prudent to disable GC
217 before doing so.
218
219 <para>Large amounts of the &SBCL; library have not been inspected for
220 thread-safety.  Some of the obviously unsafe areas have large locks
221 around them, so compilation and fasl loading, for example, cannot be
222 parallelized.  Work is ongoing in this area.
223
224 <para>A new thread by default is created in the same POSIX process
225 group and session as the thread it was created by.  This has an impact
226 on keyboard interrupt handling: pressing your terminal's intr key
227 (typically Control-C) will interrupt all processes in the foreground
228 process group, including Lisp threads that &SBCL; considers to be
229 notionally `background'.  This is undesirable, so background threads
230 are set to ignore the SIGINT signal.  Arbitration for the input stream
231 is managed by locking on sb-thread::*session-lock*
232
233 <para>A thread can be created in a new Lisp 'session' (new terminal or
234 window) using <function>sb-thread:make-listener-thread</function>.
235 These sessions map directly onto POSIX sessions, so that pressing
236 Control-C in the wrong window will not interrupt them - this has been
237 found to be embarrassing.
238
239 <sect2><title>Support For Unix</>
240
241 <para>The UNIX command line can be read from the variable
242 <varname>sb-ext:*posix-argv*</>. The UNIX environment can be queried with the
243 <function>sb-ext:posix-getenv</> function.</para>
244
245 <para>The &SBCL; system can be terminated with <function>sb-ext:quit</>,
246 optionally returning a specified numeric value to the calling Unix
247 process. The normal Unix idiom of terminating on end of file on input
248 is also supported.</para>
249
250 </sect2>
251
252 <sect2><title>Customization Hooks for Users</title>
253
254 <para>The behaviour of <function>require</function> when called with only
255 one argument is implementation-defined.  In &SBCL; it calls functions
256 on the user-settable list <varname>sb-ext:*module-provider-functions*</varname>
257 - see the <function>require</function> documentation string for details.
258
259 <para>The toplevel repl prompt may be customized, and the function
260 that reads user input may be replaced completely.  <!-- FIXME but I 
261 don't currently remember how -->
262
263 <sect2><title>Tools To Help Developers</title>
264
265 <para>&SBCL; provides a profiler and other extensions to the &ANSI;
266 <function>trace</> facility. See the online function documentation for
267 <function>trace</> for more information.</para>
268
269 <para>The debugger supports a number of options. Its documentation is
270 accessed by typing <userinput>help</> at the debugger prompt.</para>
271 <!-- FIXME:
272      A true debugger section in the manual would be good. Start
273      with CMU CL's debugger section, but remember:
274        * no QUIT command (TOPLEVEL restart instead)
275        * no GO command (CONTINUE restart instead)
276        * Limitations of the x86 port of the debugger should be 
277          documented or fixed where possible.
278        * Discuss TRACE and its unification with PROFILE. -->
279
280 <para>Documentation for <function>inspect</> is accessed by typing
281 <userinput>help</> at the <function>inspect</> prompt.</para>
282
283 </sect2>
284
285 <sect2><title>Interface To Low-Level &SBCL; Implementation</title>
286
287 <para>&SBCL; has the ability to save its state as a file for later
288 execution. This functionality is important for its bootstrapping
289 process, and is also provided as an extension to the user See the
290 documentation for <function>sb-ext:save-lisp-and-die</> for more
291 information.</para>
292
293 <note><para>&SBCL; has inherited from &CMUCL; various hooks to allow
294 the user to tweak and monitor the garbage collection process. These
295 are somewhat stale code, and their interface might need to be cleaned
296 up. If you have urgent need of them, look at the code in
297 <filename>src/code/gc.lisp</filename> and bring it up on the
298 developers' mailing list.</para></note>
299
300 <note><para>&SBCL; has various hooks inherited from &CMUCL;, like
301 <function>sb-ext:float-denormalized-p</>, to allow a program to take
302 advantage of &IEEE; floating point arithmetic properties which aren't
303 conveniently or efficiently expressible using the &ANSI; standard. These
304 look good, and their interface looks good, but &IEEE; support is
305 slightly broken due to a stupid decision to remove some support for
306 infinities (because it wasn't in the &ANSI; spec and it didn't occur to
307 me that it was in the &IEEE; spec). If you need this stuff, take a look
308 at the code and bring it up on the developers' mailing
309 list.</para></note>
310
311 </sect2>
312
313 <sect2><title>Efficiency Hacks</title>
314
315 <para>The <function>sb-ext:purify</function> function causes &SBCL;
316 first to collect all garbage, then to mark all uncollected objects as
317 permanent, never again attempting to collect them as garbage. This can
318 cause a large increase in efficiency when using a primitive garbage
319 collector, or a more moderate increase in efficiency when using a more
320 sophisticated garbage collector which is well suited to the program's
321 memory usage pattern. It also allows permanent code to be frozen at
322 fixed addresses, a precondition for using copy-on-write to share code
323 between multiple Lisp processes. is less important with modern
324 generational garbage collectors. </para>
325
326 <para>The <function>sb-ext:truly-the</> operator does what the
327 <function>cl:the</> operator does in a more conventional
328 implementation of &CommonLisp;, declaring the type of its argument
329 without any runtime checks. (Ordinarily in &SBCL;, any type
330 declaration is treated as an assertion and checked at runtime.)</para>
331
332 <para>The <function>sb-ext:freeze-type</> declaration declares that a
333 type will never change, which can make type testing
334 (<function>typep</>, etc.) more efficient for structure types.</para>
335
336 <para>The <function>sb-ext:constant-function</> declaration specifies
337 that a function will always return the same value for the same
338 arguments, which may allow the compiler to optimize calls
339 to it. This is appropriate for functions like <function>sqrt</>, but
340 is <emphasis>not</> appropriate for functions like <function>aref</>,
341 which can change their return values when the underlying data are
342 changed.</para>
343
344 </sect2>
345
346 </sect1>
347
348 </chapter>