First THREADED backport attempt, focusing on adding locks and making sure the API...
[platform/upstream/gstreamer.git] / docs / design / part-MT-refcounting.txt
1 Conventions for thread a safe API
2 ---------------------------------
3
4 The GStreamer API is designed to be thread safe. This means that API functions
5 can be called from multiple threads at the same time. GStreamer internally uses
6 threads to perform the data passing and various asynchronous services such as
7 the clock can also use threads.
8
9 This design decision has implication for the usage of the API and the objects
10 which this document explains.
11
12 MT safety techniques
13 --------------------
14
15 Several design patterns are used to guarantee object consistency in GStreamer.
16 This is an overview of the methods used in various GStreamer subsystems.
17
18 Refcounting:
19
20   All shared objects have a refcount associated with them. Each reference
21   obtained to the object should increase the refcount and each reference lost
22   should decrease the refcount.
23
24   The refcounting is used to make sure that when another thread destroys the
25   object, the ones which still hold a reference to the object do not read from
26   invalid memory when accessing the object.
27
28   Refcounting is also used to ensure that mutable data structures are only
29   modified when they are owned by the calling code.
30
31   It is a requirement that when two threads have a handle on an object, the
32   refcount must be more than one. This means that when one thread passes an
33   object to another thread it must increase the refcount. This requirement makes
34   sure that one thread cannot suddenly dispose the object making the other
35   thread crash when it tries to access the pointer to invalid memory.
36
37 Shared data structures and writability:
38
39   All objects have a refcount associated with them. Each reference obtained to
40   the object should increase the refcount and each reference lost should
41   decrease the refcount.
42
43   Each thread having a refcount to the object can safely read from the object.
44   but modifications made to the object should be preceeded with a
45   _get_writable() function call. This function will check the refcount of the
46   object and if the object is referenced by more than one instance, a copy is
47   made of the object that is then by definition only referenced from the calling
48   thread. This new copy is then modifyable without being visible to other
49   refcount holders.
50
51   This technique is used for information objects that, once created, never
52   change their values. The lifetime of these objects is generally short, the
53   objects are usually simple and cheap to copy/create.
54
55   The advantage of this method is that no reader/writers locks are needed. all
56   threads can concurrently read but writes happen locally on a new copy. In most
57   cases _get_writable() can avoid a real copy because the calling method is the
58   only one holding a reference, wich makes read/writes very cheap.
59
60   The drawback is that sometimes 1 needless copy can be done. This would happen
61   when N threads call _get_writable() at the same time, all seeing that N
62   references are held on the object. In this case 1 copy too many will be done.
63   This is not a problem in any practical situation because the copy operation is
64   fast.
65  
66 Mutable substructures:
67
68   Special techniques are necessary to ensure the consistency of compound shared
69   objects. As mentioned above, shared objects need to have a reference count of
70   1 if they are to be modified. Implicit in this assumption is that all parts of
71   the shared object belong only to the object. For example, a GstStructure in
72   one GstCaps object should not belong to any other GstCaps object. This
73   condition suggests a parent-child relationship: structures can only be added
74   to parent object if they do not already have a parent object.
75
76   In addition, these substructures must not be modified while more than one code
77   segment has a reference on the parent object. For example, if the user creates
78   a GstStructure, adds it to a GstCaps, and the GstCaps is then referenced by
79   other code segments, the GstStructure should then become immutable, so that
80   changes to that data structure do not affect other parts of the code. This
81   means that the child is only mutable when the parent's reference count is 1,
82   as well as when the child structure has no parent.
83
84   The general solution to this problem is to include a field in child structures
85   pointing to the parent's atomic reference count. When set to NULL, this
86   indicates that the child has no parent. Otherwise, procedures that modify the
87   child structure must check if the parent's refcount is 1, and otherwise must
88   cause an error to be signaled.
89
90   Note that this is an internal implementation detail; application or plugin
91   code that calls _get_writable() on an object is guaranteed to receive an
92   object of refcount 1, which must then be writable. The only trick is that a
93   pointer to a child structure of an object is only valid while the calling code
94   has a reference on the parent object, because the parent is the owner of the
95   child.
96
97 Object locking:
98
99   For objects that contain state information and generally have a longer
100   lifetime, object locking is used to update the information contained in the
101   object.
102
103   All readers and writers acquire the lock before accessing the object. Only one
104   thread is allowed access the protected structures at a time.
105
106   Object locking is used for all objects extending from GstObject such as
107   GstElement, GstPad.
108
109 Atomic operations
110
111   Atomic operations are operations that are performed as one consistent
112   operation even when executed by multiple threads. They do however not use the
113   conventional aproach of using mutexes to protect the critical section but rely
114   on CPU features and instructions.
115
116   The advantages are mostly speed related since there are no heavyweight locks
117   involved. Most of this instructions also do not cause a context switch in case
118   of concurrent access but use a retry mechanism or spinlocking.
119
120   Disadvantages are that each of these instructions usually cause a cache flush
121   on multi-CPU machines when two processors perform concurrent access.
122
123   Atomic operations are generally used for refcounting and for the allocation of
124   small fixed size objects in a memchunk. They can also be used to implement a
125   lockfree list or stack.
126  
127
128 Objects
129 -------
130
131 * Locking involved:
132
133     - atomic operations for refcounting
134     - object locking
135
136   All objects should have a lock associated with them. This lock is used to keep
137   internal consistency when multiple threads call API function on the object.
138
139   For objects that extend the GStreamer base object class this lock can be
140   obtained with the macros GST_LOCK() and GST_UNLOCK(). For other object that do
141   not extend from the base GstObject class these macros can be different.
142
143 * refcounting
144
145   All new objects created have the FLOATING flag set. This means that the object
146   is not owned or managed yet by anybody other than the one holding a reference
147   to the object. The object in this state has a reference count of 1.
148
149   Various object methods can take ownership of another object, this means that
150   after calling a method on object A with an object B as an argument, the object
151   B is made sole property of object A. This means that after the method call you
152   are not allowed to access the object anymore unless you keep an extra
153   reference to the object. An example of such a method is the _bin_add() method.
154   As soon as this function is called in a Bin, the element passed as an argument
155   is owned by the bin and you are not allowed to access it anymore without
156   taking a _ref() before adding it to the bin. The reason being that after the
157   _bin_add() call disposing the bin also destroys the element.
158
159   Taking ownership of an object happens trough the process of "sinking" the
160   object. the _sink() method on an object will decrease the refcount of the
161   object if the FLOATING flag is set. The act of taking ownership of an object
162   is then performed as a _ref() followed by a _sink() call on the object.
163
164   The float/sink process is very useful when initializing elements that will
165   then be placed under control of a parent. The floating ref keeps the object
166   alive until it is parented, and once the object is parented you can forget
167   about it.
168   
169 * parent-child relations
170
171   One can create parent-child relationships with the _object_set_parent()
172   method. This method refs and sinks the object and assigns its parent property
173   to that of the managing parent.
174
175   The child is said to have a weak link to the parent since the refcount of the
176   parent is not increased in this process. This means that if the parent is
177   disposed it has to unset itself as the parent of the object before disposing
178   itself, else the child object holds a parent pointer to invalid memory.
179   
180   The responsibilites for an object that sinks other objects are summarised as:
181
182    - taking ownership of the object
183      - call _object_set_parent() to set itself as the object parent, this call
184        will _ref() and _sink() the object.
185      - keep reference to object in a datastructure such as a list or array.
186
187    - on dispose
188      - call _object_unparent() to reset the parent property and unref the
189        object.
190      - remove the object from the list.
191
192
193 * Properties
194   
195   Most objects also expose state information with public properties in the
196   object. Two types of properties might exist: accessible with or without
197   holding the object lock. All properties should only be accessed with their
198   corresponding macros. The public object properties are marked in the .h files
199   with /*< public >*/. The public properties that require a lock to be held are
200   marked with /*< public >*/ /* with <lock_type> */, where <lock_type> can be
201   "LOCK" or "STATE_LOCK" or any other lock to mark the type(s) of lock to be 
202   held.
203
204   Example:
205
206     in GstPad there is a public property "direction". It can be found in the
207     section marked as public and requiring the LOCK to be held. There exists
208     also a macro to access the property.
209
210       struct _GstRealPad {
211         ...
212         /*< public >*/ /* with LOCK */
213         ...
214         GstPadDirection                direction;
215         ...
216       };
217
218       #define GST_RPAD_DIRECTION(pad)      (GST_REAL_PAD_CAST(pad)->direction)
219   
220     Accessing the property is therefore allowed with the following code example:
221
222       GST_LOCK (pad);
223       direction = GST_RPAD_DIRECTION (pad);
224       GST_UNLOCK (pad);
225
226 * Property lifetime
227
228   All properties requiring a lock can change after releasing the associated
229   lock. This means that as long as you hold the lock, the state of the
230   object regarding the locked properties is consistent with the information
231   obtained. As soon as the lock is released, any values required from the
232   properties might not be valid anymore and can as best be described as a
233   snapshot of the state when the lock was held.
234
235   This means that all properties that require access beyond the scope of the
236   critial section should be copied or refcounted before releasing the lock.
237
238   Most object provide a _get_<property>() method to get a copy or refcounted
239   instance of the property value. The caller should not wory about any locks
240   but should unref/free the object after usage.
241
242   Example:
243
244     the following example correctly gets the peer pad of an element. It is
245     required to increase the refcount of the peer pad because as soon as the
246     lock is released, the peer could be unreffed and disposed, making the
247     pointer obtained in the critical section point to invalid memory.
248
249       GST_LOCK (pad);
250       peer = GST_RPAD_PEER (pad);
251       if (peer)
252         gst_object_ref (GST_OBJECT (peer));
253       GST_UNLOCK (pad);
254       ... use peer ...
255
256       if (peer)
257         gst_object_unref (GST_OBJECT (peer));
258
259     Note that after releasing the lock the peer might not actually be the peer
260     anymore of the pad. If you need to be sure it is, you need to extend the
261     critical section to include the operations on the peer.
262
263   Example:
264
265     Accessing the name of an object makes a copy of the name. The caller of the
266     function should g_free() the name after usage.
267
268       GST_LOCK (object)
269       name = g_strdup (object->name);
270       GST_UNLOCK (object)
271       ... use name ...
272
273       g_free (name);
274     
275
276 * Accessor methods
277
278   For aplications it is encouraged to use the public methods of the object. Most
279   useful operations can be performed with the methods so it is seldom required
280   to access the public fields manually.
281
282   All accessor methods that return an object should increase the refcount of the
283   returned object. The caller should _unref() the object after usage. Each
284   method should state this refcounting policy in the documentation.
285
286 * Accessing lists
287
288   If the object property is a list, concurrent list iteration is needed to get
289   the contents of the list. GStreamer uses the cookie mechanism to mark the last
290   update of a list. The list and the cookie are protected by the same lock. Each
291   update to a list requires the following actions:
292
293    - acquire lock
294    - update list
295    - update cookie
296    - release lock
297
298   Updating the cookie is usually done by incrementing its value by one. Since
299   cookies use guint32 its wraparound is for all practical reasons is not a
300   problem.
301
302   Iterating a list can safely be done by surrounding the list iteration with a
303   lock/unlock of the lock.
304
305   In some cases it is not a good idea to hold the lock for a long time while
306   iterating the list. The state change code for a bin in GStreamer, for example,
307   has to iterate over each element and perform a blocking call on each of them
308   causing infinite bin locking. In this case the cookie can be used to iterate a
309   list.
310
311   Example:
312
313      The following algorithm iterates a list and reverses the updates in the
314      case a concurrent update was done to the list while iterating. The idea is
315      that whenever we reacquire the lock, we check for updates to the cookie to
316      decide if we are still iterating the right list.
317
318      GST_LOCK (lock);
319      /* grab list and cookie */
320      cookie = object->list_cookie;
321      list = object-list;
322      while (list) {
323        GstObject *item = GST_OBJECT (list->data);
324        /* need to ref the item before releasing the lock */
325        gst_object_ref (item);
326        GST_UNLOCK (lock);
327
328        ... use/change item here...
329
330        /* release item here */
331        gst_object_unref (item);
332   
333        GST_LOCK (lock);
334        if (cookie != object->list_cookie) {
335          /* handle rollback caused by concurrent modification 
336           * of the list here */
337
338          ...rollback changes to items...
339
340          /* grab new cookie and list */
341          cookie = object->list_cookie;
342          list = object->list;
343        }
344        else {
345          list = g_list_next (list);
346        }
347      }
348      GST_UNLOCK (lock);
349
350 * GstIterator
351
352   GstIterator provides an easier way of retrieving elements in a concurrent
353   list. The following code example is equivalent to the previous example.
354   
355   Example:
356     
357     it = _get_iterator(object);
358     while (!done) {
359       switch (gst_iterator_next (it, &item)) {
360         case GST_ITERATOR_OK:
361
362           ... use/change item here...
363
364           /* release item here */
365           gst_object_unref (item);
366           break;
367         case GST_ITERATOR_RESYNC:
368           /* handle rollback caused by concurrent modification 
369            * of the list here */
370
371           ...rollback changes to items...
372
373           /* resync iterator to start again */
374           gst_iterator_resync (it);
375           break;
376         case GST_ITERATOR_DONE:
377           done = TRUE;
378           break;
379       }
380     }
381     gst_iterator_free (it);