61c351c8dbbcfbe677033ad797b24164e12706d3
[sbcl.git] / src / code / gc.lisp
1 ;;;; garbage collection and allocation-related code
2
3 ;;;; This software is part of the SBCL system. See the README file for
4 ;;;; more information.
5 ;;;;
6 ;;;; This software is derived from the CMU CL system, which was
7 ;;;; written at Carnegie Mellon University and released into the
8 ;;;; public domain. The software is in the public domain and is
9 ;;;; provided with absolutely no warranty. See the COPYING and CREDITS
10 ;;;; files for more information.
11
12 (in-package "SB!KERNEL")
13 \f
14 ;;;; DYNAMIC-USAGE and friends
15
16 #!-sb-fluid
17 (declaim (inline current-dynamic-space-start))
18 #!+gencgc
19 (defun current-dynamic-space-start () sb!vm:dynamic-space-start)
20 #!-gencgc
21 (defun current-dynamic-space-start ()
22   (sb!alien:extern-alien "current_dynamic_space" sb!alien:unsigned-long))
23
24 #!-sb-fluid
25 (declaim (inline dynamic-usage))
26 #!+gencgc
27 (defun dynamic-usage ()
28   (sb!alien:extern-alien "bytes_allocated" os-vm-size-t))
29 #!-gencgc
30 (defun dynamic-usage ()
31   (the (unsigned-byte 32)
32        (- (sb!sys:sap-int (sb!c::dynamic-space-free-pointer))
33           (current-dynamic-space-start))))
34
35 (defun static-space-usage ()
36   (- (ash sb!vm:*static-space-free-pointer* sb!vm:n-fixnum-tag-bits)
37      sb!vm:static-space-start))
38
39 (defun read-only-space-usage ()
40   (- (ash sb!vm::*read-only-space-free-pointer* sb!vm:n-fixnum-tag-bits)
41      sb!vm:read-only-space-start))
42
43 (defun control-stack-usage ()
44   #!-stack-grows-downward-not-upward
45   (- (sb!sys:sap-int (sb!c::control-stack-pointer-sap))
46      (sb!sys:sap-int (sb!di::descriptor-sap sb!vm:*control-stack-start*)))
47   #!+stack-grows-downward-not-upward
48   (- (sb!sys:sap-int (sb!di::descriptor-sap sb!vm:*control-stack-end*))
49      (sb!sys:sap-int (sb!c::control-stack-pointer-sap))))
50
51 (defun binding-stack-usage ()
52   (- (sb!sys:sap-int (sb!c::binding-stack-pointer-sap))
53      (sb!sys:sap-int (sb!di::descriptor-sap sb!vm:*binding-stack-start*))))
54 \f
55 ;;;; ROOM
56
57 (defun room-minimal-info ()
58   (format t "Dynamic space usage is:   ~10:D bytes.~%" (dynamic-usage))
59   (format t "Read-only space usage is: ~10:D bytes.~%" (read-only-space-usage))
60   (format t "Static space usage is:    ~10:D bytes.~%" (static-space-usage))
61   (format t "Control stack usage is:   ~10:D bytes.~%" (control-stack-usage))
62   (format t "Binding stack usage is:   ~10:D bytes.~%" (binding-stack-usage))
63   #!+sb-thread
64   (format t
65           "Control and binding stack usage is for the current thread only.~%")
66   (format t "Garbage collection is currently ~:[enabled~;DISABLED~].~%"
67           *gc-inhibit*))
68
69 (defun room-intermediate-info ()
70   (room-minimal-info)
71   (sb!vm:memory-usage :count-spaces '(:dynamic)
72                       :print-spaces t
73                       :cutoff 0.05f0
74                       :print-summary nil))
75
76 (defun room-maximal-info ()
77   ;; FIXME: SB!VM:INSTANCE-USAGE calls suppressed until bug 344 is fixed
78   (room-intermediate-info)
79   ;; old way, could be restored when bug 344 fixed:
80   ;;x (room-minimal-info)
81   ;;x (sb!vm:memory-usage :count-spaces '(:static :dynamic))
82   ;;x (sb!vm:instance-usage :dynamic :top-n 10)
83   ;;x (sb!vm:instance-usage :static :top-n 10)
84   )
85
86 (defun room (&optional (verbosity :default))
87   #!+sb-doc
88   "Print to *STANDARD-OUTPUT* information about the state of internal
89   storage and its management. The optional argument controls the
90   verbosity of output. If it is T, ROOM prints out a maximal amount of
91   information. If it is NIL, ROOM prints out a minimal amount of
92   information. If it is :DEFAULT or it is not supplied, ROOM prints out
93   an intermediate amount of information."
94   (fresh-line)
95   (ecase verbosity
96     ((t)
97      (room-maximal-info))
98     ((nil)
99      (room-minimal-info))
100     (:default
101      (room-intermediate-info)))
102   (values))
103 \f
104 ;;;; GET-BYTES-CONSED
105
106 ;;; the total number of bytes freed so far (including any freeing
107 ;;; which goes on in PURIFY)
108 ;;;
109 ;;; (We save this so that we can calculate the total number of bytes
110 ;;; ever allocated by adding this to the number of bytes currently
111 ;;; allocated and never freed.)
112 (declaim (type unsigned-byte *n-bytes-freed-or-purified*))
113 (defvar *n-bytes-freed-or-purified* 0)
114 (defun gc-reinit ()
115   (setq *gc-inhibit* nil)
116   (gc)
117   (setf *n-bytes-freed-or-purified* 0
118         *gc-run-time* 0
119         ;; See comment in interr.lisp
120         *heap-exhausted-error-condition* (make-condition 'heap-exhausted-error)))
121
122 (declaim (ftype (sfunction () unsigned-byte) get-bytes-consed))
123 (defun get-bytes-consed ()
124   #!+sb-doc
125   "Return the number of bytes consed since the program began. Typically
126 this result will be a consed bignum, so if you have an application (e.g.
127 profiling) which can't tolerate the overhead of consing bignums, you'll
128 probably want either to hack in at a lower level (as the code in the
129 SB-PROFILE package does), or to design a more microefficient interface
130 and submit it as a patch."
131   (+ (dynamic-usage)
132      *n-bytes-freed-or-purified*))
133 \f
134 ;;;; GC hooks
135
136 (defvar *after-gc-hooks* nil
137   "Called after each garbage collection, except for garbage collections
138 triggered during thread exits. In a multithreaded environment these hooks may
139 run in any thread.")
140
141 \f
142 ;;;; internal GC
143
144 (sb!alien:define-alien-routine collect-garbage sb!alien:int
145   (#!+gencgc last-gen #!-gencgc ignore sb!alien:int))
146
147 #!+sb-thread
148 (progn
149   (sb!alien:define-alien-routine gc-stop-the-world sb!alien:void)
150   (sb!alien:define-alien-routine gc-start-the-world sb!alien:void))
151 #!-sb-thread
152 (progn
153   (defun gc-stop-the-world ())
154   (defun gc-start-the-world ()))
155
156 #!+gencgc
157 (progn
158   (sb!alien:define-alien-variable ("gc_logfile" %gc-logfile) (* char))
159   (defun (setf gc-logfile) (pathname)
160     (let ((new (when pathname
161                  (sb!alien:make-alien-string
162                   (native-namestring (translate-logical-pathname pathname)
163                                      :as-file t))))
164           (old %gc-logfile))
165       (setf %gc-logfile new)
166       (when old
167         (sb!alien:free-alien old))
168       pathname))
169   (defun gc-logfile ()
170     #!+sb-doc
171     "Return the pathname used to log garbage collections. Can be SETF.
172 Default is NIL, meaning collections are not logged. If non-null, the
173 designated file is opened before and after each collection, and generation
174 statistics are appended to it."
175     (let ((val (cast %gc-logfile c-string)))
176       (when val
177         (native-pathname val))))
178   (declaim (inline dynamic-space-size))
179   (defun dynamic-space-size ()
180     "Size of the dynamic space in bytes."
181     (sb!alien:extern-alien "dynamic_space_size" os-vm-size-t)))
182 \f
183 ;;;; SUB-GC
184
185 ;;; SUB-GC does a garbage collection.  This is called from three places:
186 ;;; (1) The C runtime will call here when it detects that we've consed
187 ;;;     enough to exceed the gc trigger threshold.  This is done in
188 ;;;     alloc() for gencgc or interrupt_maybe_gc() for cheneygc
189 ;;; (2) The user may request a collection using GC, below
190 ;;; (3) At the end of a WITHOUT-GCING section, we are called if
191 ;;;     *NEED-TO-COLLECT-GARBAGE* is true
192 ;;;
193 ;;; This is different from the behaviour in 0.7 and earlier: it no
194 ;;; longer decides whether to GC based on thresholds.  If you call
195 ;;; SUB-GC you will definitely get a GC either now or when the
196 ;;; WITHOUT-GCING is over
197
198 ;;; For GENCGC all generations < GEN will be GC'ed.
199
200 (defvar *already-in-gc* (sb!thread:make-mutex :name "GC lock"))
201
202 ;;; A unique GC id. This is supplied for code that needs to detect
203 ;;; whether a GC has happened since some earlier point in time. For
204 ;;; example:
205 ;;;
206 ;;;   (let ((epoch *gc-epoch*))
207 ;;;      ...
208 ;;;      (unless (eql epoch *gc-epoch)
209 ;;;        ....))
210 ;;;
211 ;;; This isn't just a fixnum counter since then we'd have theoretical
212 ;;; problems when exactly 2^29 GCs happen between epoch
213 ;;; comparisons. Unlikely, but the cost of using a cons instead is too
214 ;;; small to measure. -- JES, 2007-09-30
215 (declaim (type cons *gc-epoch*))
216 (defvar *gc-epoch* (cons nil nil))
217
218 (defun sub-gc (&key (gen 0))
219   (cond (*gc-inhibit*
220          (setf *gc-pending* t)
221          nil)
222         (t
223          (without-interrupts
224            (setf *gc-pending* :in-progress)
225            ;; Tricks to to prevent triggerring a recursive gc. This is
226            ;; like a WITHOUT-GCING inside the lock except that we
227            ;; cannot call MAYBE-HANDLE-PENDING-GC at the end, because
228            ;; that would lead to a recursive attempt on the lock. In
229            ;; case you are wondering, wrapping the lock in a
230            ;; WITHOUT-GCING would also deadlock. The
231            ;; *IN-WITHOUT-GCING* part is used to tell the runtime that
232            ;; it's ok to have a pending gc even though *GC-INHIBIT* is
233            ;; NIL.
234            ;;
235            ;; Now, if GET-MUTEX did not cons, that would be enough.
236            ;; Because it does, we need the :IN-PROGRESS bit above to
237            ;; tell the runtime not to trigger gcs.
238            (sb!thread::without-thread-waiting-for (:already-without-interrupts t)
239              (let* ((sb!impl::*in-without-gcing* t)
240                     (sb!impl::*deadline* nil)
241                     (sb!impl::*deadline-seconds* nil))
242                (sb!thread:with-mutex (*already-in-gc*)
243                  (let ((*gc-inhibit* t))
244                    (let ((old-usage (dynamic-usage))
245                          (new-usage 0))
246                      (unsafe-clear-roots gen)
247                      (gc-stop-the-world)
248                      (let ((start-time (get-internal-run-time)))
249                        (collect-garbage gen)
250                        (setf *gc-epoch* (cons nil nil))
251                        (let ((run-time (- (get-internal-run-time) start-time)))
252                          ;; KLUDGE: Sometimes we see the second getrusage() call
253                          ;; return a smaller value than the first, which can
254                          ;; lead to *GC-RUN-TIME* to going negative, which in
255                          ;; turn is a type-error.
256                          (when (plusp run-time)
257                            (incf *gc-run-time* run-time))))
258                      #!+sb-safepoint
259                      (setf *stop-for-gc-pending* nil)
260                      (setf *gc-pending* nil
261                            new-usage (dynamic-usage))
262                      #!+sb-thread
263                      (assert (not *stop-for-gc-pending*))
264                      (gc-start-the-world)
265                      ;; In a multithreaded environment the other threads
266                      ;; will see *n-b-f-o-p* change a little late, but
267                      ;; that's OK.
268                      (let ((freed (- old-usage new-usage)))
269                        ;; GENCGC occasionally reports negative here, but
270                        ;; the current belief is that it is part of the
271                        ;; normal order of things and not a bug.
272                        (when (plusp freed)
273                          (incf *n-bytes-freed-or-purified* freed))))))))
274            ;; While holding the mutex we were protected from
275            ;; SIG_STOP_FOR_GC and recursive GCs. Now, in order to
276            ;; preserve the invariant (*GC-PENDING* ->
277            ;; pseudo-atomic-interrupted or *GC-INHIBIT*), let's check
278            ;; explicitly for a pending gc before interrupts are
279            ;; enabled again.
280            (maybe-handle-pending-gc))
281          t)))
282
283 (defun post-gc ()
284   ;; Outside the mutex, interrupts may be enabled: these may cause
285   ;; another GC. FIXME: it can potentially exceed maximum interrupt
286   ;; nesting by triggering GCs.
287   ;;
288   ;; Can that be avoided by having the finalizers and hooks run only
289   ;; from the outermost SUB-GC? If the nested GCs happen in interrupt
290   ;; handlers that's not enough.
291   ;;
292   ;; KLUDGE: Don't run the hooks in GC's if:
293   ;;
294   ;; A) this thread is dying, so that user-code never runs with
295   ;;    (thread-alive-p *current-thread*) => nil
296   ;;
297   ;; B) interrupts are disabled somewhere up the call chain since we
298   ;;    don't want to run user code in such a case.
299   ;;
300   ;; The long-term solution will be to keep a separate thread for
301   ;; finalizers and after-gc hooks.
302   (when (sb!thread:thread-alive-p sb!thread:*current-thread*)
303     (when *allow-with-interrupts*
304       (sb!thread::without-thread-waiting-for ()
305         (with-interrupts
306           (run-pending-finalizers)
307           (call-hooks "after-GC" *after-gc-hooks* :on-error :warn))))))
308
309 ;;; This is the user-advertised garbage collection function.
310 (defun gc (&key (full nil) (gen 0) &allow-other-keys)
311   #!+(and sb-doc gencgc)
312   "Initiate a garbage collection.
313
314 The default is to initiate a nursery collection, which may in turn
315 trigger a collection of one or more older generations as well. If FULL
316 is true, all generations are collected. If GEN is provided, it can be
317 used to specify the oldest generation guaranteed to be collected.
318
319 On CheneyGC platforms arguments FULL and GEN take no effect: a full
320 collection is always preformed."
321   #!+(and sb-doc (not gencgc))
322   "Initiate a garbage collection.
323
324 The collection is always a full collection.
325
326 Arguments FULL and GEN can be used for compatibility with GENCGC
327 platforms: there the default is to initiate a nursery collection,
328 which may in turn trigger a collection of one or more older
329 generations as well. If FULL is true, all generations are collected.
330 If GEN is provided, it can be used to specify the oldest generation
331 guaranteed to be collected."
332   (when (sub-gc :gen (if full sb!vm:+pseudo-static-generation+ gen))
333     (post-gc)))
334
335 (define-alien-routine scrub-control-stack sb!alien:void)
336
337 (defun unsafe-clear-roots (gen)
338   #!-gencgc (declare (ignore gen))
339   ;; KLUDGE: Do things in an attempt to get rid of extra roots. Unsafe
340   ;; as having these cons more then we have space left leads to huge
341   ;; badness.
342   (scrub-control-stack)
343   ;; Power cache of the bignum printer: drops overly large bignums and
344   ;; removes duplicate entries.
345   (scrub-power-cache)
346   ;; Clear caches depending on the generation being collected.
347   #!+gencgc
348   (cond ((eql 0 gen))
349         ((eql 1 gen)
350          (ctype-of-cache-clear))
351         (t
352          (drop-all-hash-caches)))
353   #!-gencgc
354   (drop-all-hash-caches))
355 \f
356 ;;;; auxiliary functions
357
358 (defun bytes-consed-between-gcs ()
359   #!+sb-doc
360   "The amount of memory that will be allocated before the next garbage
361 collection is initiated. This can be set with SETF.
362
363 On GENCGC platforms this is the nursery size, and defaults to 5% of dynamic
364 space size.
365
366 Note: currently changes to this value are lost when saving core."
367   (sb!alien:extern-alien "bytes_consed_between_gcs" os-vm-size-t))
368
369 (defun (setf bytes-consed-between-gcs) (val)
370   (declare (type index val))
371   (setf (sb!alien:extern-alien "bytes_consed_between_gcs" os-vm-size-t)
372         val))
373
374 (declaim (inline maybe-handle-pending-gc))
375 (defun maybe-handle-pending-gc ()
376   (when (and (not *gc-inhibit*)
377              (or #!+sb-thread *stop-for-gc-pending*
378                  *gc-pending*))
379     (sb!unix::receive-pending-interrupt)))
380
381 ;;;; GENCGC specifics
382 ;;;;
383 ;;;; For documentation convenience, these have stubs on non-GENCGC platforms
384 ;;;; as well.
385 #!+gencgc
386 (deftype generation-index ()
387   '(integer 0 #.sb!vm:+pseudo-static-generation+))
388
389 ;;; FIXME: GENERATION (and PAGE, as seen in room.lisp) should probably be
390 ;;; defined in Lisp, and written to header files by genesis, instead of this
391 ;;; OAOOMiness -- this duplicates the struct definition in gencgc.c.
392 #!+gencgc
393 (define-alien-type generation
394     (struct generation
395             (alloc-start-page page-index-t)
396             (alloc-unboxed-start-page page-index-t)
397             (alloc-large-start-page page-index-t)
398             (alloc-large-unboxed-start-page page-index-t)
399             (bytes-allocated os-vm-size-t)
400             (gc-trigger os-vm-size-t)
401             (bytes-consed-between-gcs os-vm-size-t)
402             (number-of-gcs int)
403             (number-of-gcs-before-promotion int)
404             (cum-sum-bytes-allocated os-vm-size-t)
405             (minimum-age-before-gc double)))
406
407 #!+gencgc
408 (define-alien-variable generations
409     (array generation #.(1+ sb!vm:+pseudo-static-generation+)))
410
411 (macrolet ((def (slot doc &optional setfp)
412              (declare (ignorable doc))
413              `(progn
414                 (defun ,(symbolicate "GENERATION-" slot) (generation)
415                   #!+sb-doc
416                   ,doc
417                   #!+gencgc
418                   (declare (generation-index generation))
419                   #!-gencgc
420                   (declare (ignore generation))
421                   #!-gencgc
422                   (error "~S is a GENCGC only function and unavailable in this build"
423                          ',slot)
424                   #!+gencgc
425                   (slot (deref generations generation) ',slot))
426                 ,@(when setfp
427                         `((defun (setf ,(symbolicate "GENERATION-" slot)) (value generation)
428                             #!+gencgc
429                             (declare (generation-index generation))
430                             #!-gencgc
431                             (declare (ignore value generation))
432                             #!-gencgc
433                             (error "(SETF ~S) is a GENCGC only function and unavailable in this build"
434                                    ',slot)
435                             #!+gencgc
436                             (setf (slot (deref generations generation) ',slot) value)))))))
437   (def bytes-consed-between-gcs
438       "Number of bytes that can be allocated to GENERATION before that
439 generation is considered for garbage collection. This value is meaningless for
440 generation 0 (the nursery): see BYTES-CONSED-BETWEEN-GCS instead. Default is
441 5% of the dynamic space size divided by the number of non-nursery generations.
442 Can be assigned to using SETF. Available on GENCGC platforms only.
443
444 Experimental: interface subject to change."
445     t)
446   (def minimum-age-before-gc
447       "Minimum average age of objects allocated to GENERATION before that
448 generation is may be garbage collected. Default is 0.75. See also
449 GENERATION-AVERAGE-AGE. Can be assigned to using SETF. Available on GENCGC
450 platforms only.
451
452 Experimental: interface subject to change."
453     t)
454   (def number-of-gcs-before-promotion
455       "Number of times garbage collection is done on GENERATION before
456 automatic promotion to the next generation is triggered. Default is 1. Can be
457 assigned to using SETF. Available on GENCGC platforms only.
458
459 Experimental: interface subject to change."
460     t)
461   (def bytes-allocated
462       "Number of bytes allocated to GENERATION currently. Available on GENCGC
463 platforms only.
464
465 Experimental: interface subject to change.")
466   (def number-of-gcs
467       "Number of times garbage collection has been done on GENERATION without
468 promotion. Available on GENCGC platforms only.
469
470 Experimental: interface subject to change."))
471   (defun generation-average-age (generation)
472     "Average age of memory allocated to GENERATION: average number of times
473 objects allocated to the generation have seen younger objects promoted to it.
474 Available on GENCGC platforms only.
475
476 Experimental: interface subject to change."
477     #!+gencgc
478     (declare (generation-index generation))
479     #!-gencgc (declare (ignore generation))
480     #!-gencgc
481     (error "~S is a GENCGC only function and unavailable in this build."
482            'generation-average-age)
483     #!+gencgc
484     (alien-funcall (extern-alien "generation_average_age"
485                                  (function double generation-index-t))
486                    generation))