Anforderungen  |   Konzepte  |   Entwurf  |   Entwicklung  |   Qualitätssicherung  |   Lebenszyklus  |   Steuerung
 
 
 
 


Quelle  lib.rs   Sprache: unbekannt

 
//! Triple buffering in Rust
//!
//! In this crate, we propose a Rust implementation of triple buffering. This is
//! a non-blocking thread synchronization mechanism that can be used when a
//! single producer thread is frequently updating a shared data block, and a
//! single consumer thread wants to be able to read the latest available version
//! of the shared data whenever it feels like it.
//!
//! # Examples
//!
//! For many use cases, you can use the ergonomic write/read interface, where
//! the producer moves values into the buffer and the consumer accesses the
//! latest buffer by shared reference:
//!
//! ```
//! // Create a triple buffer
//! use triple_buffer::TripleBuffer;
//! let buf = TripleBuffer::new(0);
//!
//! // Split it into an input and output interface, to be respectively sent to
//! // the producer thread and the consumer thread
//! let (mut buf_input, mut buf_output) = buf.split();
//!
//! // The producer can move a value into the buffer at any time
//! buf_input.write(42);
//!
//! // The consumer can access the latest value from the producer at any time
//! let latest_value_ref = buf_output.read();
//! assert_eq!(*latest_value_ref, 42);
//! ```
//!
//! In situations where moving the original value away and being unable to
//! modify it on the consumer's side is too costly, such as if creating a new
//! value involves dynamic memory allocation, you can use a lower-level API
//! which allows you to access the producer and consumer's buffers in place
//! and to precisely control when updates are propagated:
//!
//! ```
//! // Create and split a triple buffer
//! use triple_buffer::TripleBuffer;
//! let buf = TripleBuffer::new(String::with_capacity(42));
//! let (mut buf_input, mut buf_output) = buf.split();
//!
//! // Mutate the input buffer in place
//! {
//!     // Acquire a reference to the input buffer
//!     let input = buf_input.input_buffer();
//!
//!     // In general, you don't know what's inside of the buffer, so you should
//!     // always reset the value before use (this is a type-specific process).
//!     input.clear();
//!
//!     // Perform an in-place update
//!     input.push_str("Hello, ");
//! }
//!
//! // Publish the above input buffer update
//! buf_input.publish();
//!
//! // Manually fetch the buffer update from the consumer interface
//! buf_output.update();
//!
//! // Acquire a mutable reference to the output buffer
//! let output = buf_output.output_buffer();
//!
//! // Post-process the output value before use
//! output.push_str("world!");
//! ```

#![deny(missing_debug_implementations, missing_docs)]

use cache_padded::CachePadded;

use std::{
    cell::UnsafeCell,
    sync::{
        atomic::{AtomicU8, Ordering},
        Arc,
    },
};

/// A triple buffer, useful for nonblocking and thread-safe data sharing
///
/// A triple buffer is a single-producer single-consumer nonblocking
/// communication channel which behaves like a shared variable: the producer
/// submits regular updates, and the consumer accesses the latest available
/// value whenever it feels like it.
///
#[derive(Debug)]
pub struct TripleBuffer<T: Send> {
    /// Input object used by producers to send updates
    input: Input<T>,

    /// Output object used by consumers to read the current value
    output: Output<T>,
}
//
impl<T: Clone + Send> TripleBuffer<T> {
    /// Construct a triple buffer with a certain initial value
    //
    // FIXME: After spending some time thinking about this further, I reached
    //        the conclusion that clippy was right after all. But since this is
    //        a breaking change, I'm keeping that for the next major release.
    //
    #[allow(clippy::needless_pass_by_value)]
    pub fn new(initial: T) -> Self {
        Self::new_impl(|| initial.clone())
    }
}
//
impl<T: Default + Send> Default for TripleBuffer<T> {
    /// Construct a triple buffer with a default-constructed value
    fn default() -> Self {
        Self::new_impl(T::default)
    }
}
//
impl<T: Send> TripleBuffer<T> {
    /// Construct a triple buffer, using a functor to generate initial values
    fn new_impl(mut generator: impl FnMut() -> T) -> Self {
        // Start with the shared state...
        let shared_state = Arc::new(SharedState::new(|_i| generator(), 0));

        // ...then construct the input and output structs
        TripleBuffer {
            input: Input {
                shared: shared_state.clone(),
                input_idx: 1,
            },
            output: Output {
                shared: shared_state,
                output_idx: 2,
            },
        }
    }

    /// Extract input and output of the triple buffer
    //
    // NOTE: Although it would be nicer to directly return `Input` and `Output`
    //       from `new()`, the `split()` design gives some API evolution
    //       headroom towards future allocation-free modes of operation where
    //       the SharedState is a static variable, or a stack-allocated variable
    //       used through scoped threads or other unsafe thread synchronization.
    //
    //       See https://github.com/HadrienG2/triple-buffer/issues/8 .
    //
    pub fn split(self) -> (Input<T>, Output<T>) {
        (self.input, self.output)
    }
}
//
// The Clone and PartialEq traits are used internally for testing and I don't
// want to commit to supporting them publicly for now.
//
#[doc(hidden)]
impl<T: Clone + Send> Clone for TripleBuffer<T> {
    fn clone(&self) -> Self {
        // Clone the shared state. This is safe because at this layer of the
        // interface, one needs an Input/Output &mut to mutate the shared state.
        let shared_state = Arc::new(unsafe { (*self.input.shared).clone() });

        // ...then the input and output structs
        TripleBuffer {
            input: Input {
                shared: shared_state.clone(),
                input_idx: self.input.input_idx,
            },
            output: Output {
                shared: shared_state,
                output_idx: self.output.output_idx,
            },
        }
    }
}
//
#[doc(hidden)]
impl<T: PartialEq + Send> PartialEq for TripleBuffer<T> {
    fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
        // Compare the shared states. This is safe because at this layer of the
        // interface, one needs an Input/Output &mut to mutate the shared state.
        let shared_states_equal = unsafe { (*self.input.shared).eq(&*other.input.shared) };

        // Compare the rest of the triple buffer states
        shared_states_equal
            && (self.input.input_idx == other.input.input_idx)
            && (self.output.output_idx == other.output.output_idx)
    }
}

/// Producer interface to the triple buffer
///
/// The producer of data can use this struct to submit updates to the triple
/// buffer whenever he likes. These updates are nonblocking: a collision between
/// the producer and the consumer will result in cache contention, but deadlocks
/// and scheduling-induced slowdowns cannot happen.
///
#[derive(Debug)]
pub struct Input<T: Send> {
    /// Reference-counted shared state
    shared: Arc<SharedState<T>>,

    /// Index of the input buffer (which is private to the producer)
    input_idx: BufferIndex,
}
//
// Public interface
impl<T: Send> Input<T> {
    /// Write a new value into the triple buffer
    pub fn write(&mut self, value: T) {
        // Update the input buffer
        *self.input_buffer() = value;

        // Publish our update to the consumer
        self.publish();
    }

    /// Check if the consumer has fetched our last submission yet
    ///
    /// This method is only intended for diagnostics purposes. Please do not let
    /// it inform your decision of sending or not sending a value, as that would
    /// effectively be building a very poor spinlock-based double buffer
    /// implementation. If what you truly need is a double buffer, build
    /// yourself a proper blocking one instead of wasting CPU time.
    ///
    pub fn consumed(&self) -> bool {
        let back_info = self.shared.back_info.load(Ordering::Relaxed);
        back_info & BACK_DIRTY_BIT == 0
    }

    /// Access the input buffer directly
    ///
    /// This advanced interface allows you to update the input buffer in place,
    /// so that you can avoid creating values of type T repeatedy just to push
    /// them into the triple buffer when doing so is expensive.
    ///
    /// However, by using it, you force yourself to take into account some
    /// implementation subtleties that you could normally ignore.
    ///
    /// First, the buffer does not contain the last value that you published
    /// (which is now available to the consumer thread). In fact, what you get
    /// may not match _any_ value that you sent in the past, but rather be a new
    /// value that was written in there by the consumer thread. All you can
    /// safely assume is that the buffer contains a valid value of type T, which
    /// you may need to "clean up" before use using a type-specific process.
    ///
    /// Second, we do not send updates automatically. You need to call
    /// `publish()` in order to propagate a buffer update to the consumer.
    /// Alternative designs based on Drop were considered, but considered too
    /// magical for the target audience of this interface.
    ///
    pub fn input_buffer(&mut self) -> &mut T {
        // This is safe because the synchronization protocol ensures that we
        // have exclusive access to this buffer.
        let input_ptr = self.shared.buffers[self.input_idx as usize].get();
        unsafe { &mut *input_ptr }
    }

    /// Publish the current input buffer, checking for overwrites
    ///
    /// After updating the input buffer using `input_buffer()`, you can use this
    /// method to publish your updates to the consumer.
    ///
    /// This will replace the current input buffer with another one, as you
    /// cannot continue using the old one while the consumer is accessing it.
    ///
    /// It will also tell you whether you overwrote a value which was not read
    /// by the consumer thread.
    ///
    pub fn publish(&mut self) -> bool {
        // Swap the input buffer and the back buffer, setting the dirty bit
        //
        // The ordering must be AcqRel, because...
        //
        // - Our accesses to the old buffer must not be reordered after this
        //   operation (which mandates Release ordering), otherwise they could
        //   race with the consumer accessing the freshly published buffer.
        // - Our accesses from the buffer must not be reordered before this
        //   operation (which mandates Consume ordering, that is best
        //   approximated by Acquire in Rust), otherwise they would race with
        //   the consumer accessing the buffer as well before switching to
        //   another buffer.
        //   * This reordering may seem paradoxical, but could happen if the
        //     compiler or CPU correctly speculated the new buffer's index
        //     before that index is actually read, as well as on weird hardware
        //     with incoherent caches like GPUs or old DEC Alpha where keeping
        //     data in sync across cores requires manual action.
        //
        let former_back_info = self
            .shared
            .back_info
            .swap(self.input_idx | BACK_DIRTY_BIT, Ordering::AcqRel);

        // The old back buffer becomes our new input buffer
        self.input_idx = former_back_info & BACK_INDEX_MASK;

        // Tell whether we have overwritten unread data
        former_back_info & BACK_DIRTY_BIT != 0
    }

    /// Deprecated alias to `input_buffer()`, please use that method instead
    #[cfg(any(feature = "raw", test))]
    #[deprecated(
        since = "5.0.5",
        note = "The \"raw\" feature is deprecated as the performance \
                optimization that motivated it turned out to be incorrect. \
                All functionality is now available without using feature flags."
    )]
    pub fn raw_input_buffer(&mut self) -> &mut T {
        self.input_buffer()
    }

    /// Deprecated alias to `publish()`, please use that method instead
    #[cfg(any(feature = "raw", test))]
    #[deprecated(
        since = "5.0.5",
        note = "The \"raw\" feature is deprecated as the performance \
                optimization that motivated it turned out to be incorrect. \
                All functionality is now available without using feature flags."
    )]
    pub fn raw_publish(&mut self) -> bool {
        self.publish()
    }
}

/// Consumer interface to the triple buffer
///
/// The consumer of data can use this struct to access the latest published
/// update from the producer whenever he likes. Readout is nonblocking: a
/// collision between the producer and consumer will result in cache contention,
/// but deadlocks and scheduling-induced slowdowns cannot happen.
///
#[derive(Debug)]
pub struct Output<T: Send> {
    /// Reference-counted shared state
    shared: Arc<SharedState<T>>,

    /// Index of the output buffer (which is private to the consumer)
    output_idx: BufferIndex,
}
//
// Public interface
impl<T: Send> Output<T> {
    /// Access the latest value from the triple buffer
    pub fn read(&mut self) -> &T {
        // Fetch updates from the producer
        self.update();

        // Give access to the output buffer
        self.output_buffer()
    }

    /// Tell whether a buffer update is incoming from the producer
    ///
    /// This method is only intended for diagnostics purposes. Please do not let
    /// it inform your decision of reading a value or not, as that would
    /// effectively be building a very poor spinlock-based double buffer
    /// implementation. If what you truly need is a double buffer, build
    /// yourself a proper blocking one instead of wasting CPU time.
    ///
    pub fn updated(&self) -> bool {
        let back_info = self.shared.back_info.load(Ordering::Relaxed);
        back_info & BACK_DIRTY_BIT != 0
    }

    /// Access the output buffer directly
    ///
    /// This advanced interface allows you to modify the contents of the output
    /// buffer, so that you can avoid copying the output value when this is an
    /// expensive process. One possible application, for example, is to
    /// post-process values from the producer before use.
    ///
    /// However, by using it, you force yourself to take into account some
    /// implementation subtleties that you could normally ignore.
    ///
    /// First, keep in mind that you can lose access to the current output
    /// buffer any time `read()` or `update()` is called, as it may be replaced
    /// by an updated buffer from the producer automatically.
    ///
    /// Second, to reduce the potential for the aforementioned usage error, this
    /// method does not update the output buffer automatically. You need to call
    /// `update()` in order to fetch buffer updates from the producer.
    ///
    pub fn output_buffer(&mut self) -> &mut T {
        // This is safe because the synchronization protocol ensures that we
        // have exclusive access to this buffer.
        let output_ptr = self.shared.buffers[self.output_idx as usize].get();
        unsafe { &mut *output_ptr }
    }

    /// Update the output buffer
    ///
    /// Check if the producer submitted a new data version, and if one is
    /// available, update our output buffer to use it. Return a flag that tells
    /// you whether such an update was carried out.
    ///
    /// Bear in mind that when this happens, you will lose any change that you
    /// performed to the output buffer via the `output_buffer()` interface.
    ///
    pub fn update(&mut self) -> bool {
        // Access the shared state
        let shared_state = &(*self.shared);

        // Check if an update is present in the back-buffer
        let updated = self.updated();
        if updated {
            // If so, exchange our output buffer with the back-buffer, thusly
            // acquiring exclusive access to the old back buffer while giving
            // the producer a new back-buffer to write to.
            //
            // The ordering must be AcqRel, because...
            //
            // - Our accesses to the previous buffer must not be reordered after
            //   this operation (which mandates Release ordering), otherwise
            //   they could race with the producer accessing the freshly
            //   liberated buffer.
            // - Our accesses from the buffer must not be reordered before this
            //   operation (which mandates Consume ordering, that is best
            //   approximated by Acquire in Rust), otherwise they would race
            //   with the producer writing into the buffer before publishing it.
            //   * This reordering may seem paradoxical, but could happen if the
            //     compiler or CPU correctly speculated the new buffer's index
            //     before that index is actually read, as well as on weird hardware
            //     like GPUs where CPU caches require manual synchronization.
            //
            let former_back_info = shared_state
                .back_info
                .swap(self.output_idx, Ordering::AcqRel);

            // Make the old back-buffer our new output buffer
            self.output_idx = former_back_info & BACK_INDEX_MASK;
        }

        // Tell whether an update was carried out
        updated
    }

    /// Deprecated alias to `output_buffer()`, please use that method instead
    #[cfg(any(feature = "raw", test))]
    #[deprecated(
        since = "5.0.5",
        note = "The \"raw\" feature is deprecated as the performance \
                optimization that motivated it turned out to be incorrect. \
                All functionality is now available without using feature flags."
    )]
    pub fn raw_output_buffer(&mut self) -> &mut T {
        self.output_buffer()
    }
    /// Deprecated alias to `update()`, please use that method instead
    #[cfg(any(feature = "raw", test))]
    #[deprecated(
        since = "5.0.5",
        note = "The \"raw\" feature is deprecated as the performance \
                optimization that motivated it turned out to be incorrect. \
                All functionality is now available without using feature flags."
    )]
    #[cfg(any(feature = "raw", test))]
    pub fn raw_update(&mut self) -> bool {
        self.update()
    }
}

/// Triple buffer shared state
///
/// In a triple buffering communication protocol, the producer and consumer
/// share the following storage:
///
/// - Three memory buffers suitable for storing the data at hand
/// - Information about the back-buffer: which buffer is the current back-buffer
///   and whether an update was published since the last readout.
///
#[derive(Debug)]
struct SharedState<T: Send> {
    /// Data storage buffers
    buffers: [CachePadded<UnsafeCell<T>>; 3],

    /// Information about the current back-buffer state
    back_info: CachePadded<AtomicBackBufferInfo>,
}
//
#[doc(hidden)]
impl<T: Send> SharedState<T> {
    /// Given (a way to generate) buffer contents and the back info, build the shared state
    fn new(mut gen_buf_data: impl FnMut(usize) -> T, back_info: BackBufferInfo) -> Self {
        let mut make_buf = |i| -> CachePadded<UnsafeCell<T>> {
            CachePadded::new(UnsafeCell::new(gen_buf_data(i)))
        };
        Self {
            buffers: [make_buf(0), make_buf(1), make_buf(2)],
            back_info: CachePadded::new(AtomicBackBufferInfo::new(back_info)),
        }
    }
}
//
#[doc(hidden)]
impl<T: Clone + Send> SharedState<T> {
    /// Cloning the shared state is unsafe because you must ensure that no one
    /// is concurrently accessing it, since &self is enough for writing.
    unsafe fn clone(&self) -> Self {
        Self::new(
            |i| (*self.buffers[i].get()).clone(),
            self.back_info.load(Ordering::Relaxed),
        )
    }
}
//
#[doc(hidden)]
impl<T: PartialEq + Send> SharedState<T> {
    /// Equality is unsafe for the same reason as cloning: you must ensure that
    /// no one is concurrently accessing the triple buffer to avoid data races.
    unsafe fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
        // Check whether the contents of all buffers are equal...
        let buffers_equal = self
            .buffers
            .iter()
            .zip(other.buffers.iter())
            .all(|tuple| -> bool {
                let (cell1, cell2) = tuple;
                *cell1.get() == *cell2.get()
            });

        // ...then check whether the rest of the shared state is equal
        buffers_equal
            && (self.back_info.load(Ordering::Relaxed) == other.back_info.load(Ordering::Relaxed))
    }
}
//
unsafe impl<T: Send> Sync for SharedState<T> {}

// Index types used for triple buffering
//
// These types are used to index into triple buffers. In addition, the
// BackBufferInfo type is actually a bitfield, whose third bit (numerical
// value: 4) is set to 1 to indicate that the producer published an update into
// the back-buffer, and reset to 0 when the consumer fetches the update.
//
type BufferIndex = u8;
type BackBufferInfo = BufferIndex;
//
type AtomicBackBufferInfo = AtomicU8;
const BACK_INDEX_MASK: u8 = 0b11; // Mask used to extract back-buffer index
const BACK_DIRTY_BIT: u8 = 0b100; // Bit set by producer to signal updates

/// Unit tests
#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::{BufferIndex, SharedState, TripleBuffer, BACK_DIRTY_BIT, BACK_INDEX_MASK};

    use std::{fmt::Debug, ops::Deref, sync::atomic::Ordering, thread, time::Duration};

    use testbench::{
        self,
        race_cell::{RaceCell, Racey},
    };

    /// Check that triple buffers are properly initialized
    #[test]
    fn initial_state() {
        // Let's create a triple buffer
        let mut buf = TripleBuffer::new(42);
        check_buf_state(&mut buf, false);
        assert_eq!(*buf.output.read(), 42);
    }

    /// Check that the shared state's unsafe equality operator works
    #[test]
    fn partial_eq_shared() {
        // Let's create some dummy shared state
        let dummy_state = SharedState::<u16>::new(|i| [111, 222, 333][i], 0b10);

        // Check that the dummy state is equal to itself
        assert!(unsafe { dummy_state.eq(&dummy_state) });

        // Check that it's not equal to a state where buffer contents differ
        assert!(unsafe { !dummy_state.eq(&SharedState::<u16>::new(|i| [114, 222, 333][i], 0b10)) });
        assert!(unsafe { !dummy_state.eq(&SharedState::<u16>::new(|i| [111, 225, 333][i], 0b10)) });
        assert!(unsafe { !dummy_state.eq(&SharedState::<u16>::new(|i| [111, 222, 336][i], 0b10)) });

        // Check that it's not equal to a state where the back info differs
        assert!(unsafe {
            !dummy_state.eq(&SharedState::<u16>::new(
                |i| [111, 222, 333][i],
                BACK_DIRTY_BIT & 0b10,
            ))
        });
        assert!(unsafe { !dummy_state.eq(&SharedState::<u16>::new(|i| [111, 222, 333][i], 0b01)) });
    }

    /// Check that TripleBuffer's PartialEq impl works
    #[test]
    fn partial_eq() {
        // Create a triple buffer
        let buf = TripleBuffer::new("test");

        // Check that it is equal to itself
        assert_eq!(buf, buf);

        // Make another buffer with different contents. As buffer creation is
        // deterministic, this should only have an impact on the shared state,
        // but the buffers should nevertheless be considered different.
        let buf2 = TripleBuffer::new("taste");
        assert_eq!(buf.input.input_idx, buf2.input.input_idx);
        assert_eq!(buf.output.output_idx, buf2.output.output_idx);
        assert!(buf != buf2);

        // Check that changing either the input or output buffer index will
        // also lead two TripleBuffers to be considered different (this test
        // technically creates an invalid TripleBuffer state, but it's the only
        // way to check that the PartialEq impl is exhaustive)
        let mut buf3 = TripleBuffer::new("test");
        assert_eq!(buf, buf3);
        let old_input_idx = buf3.input.input_idx;
        buf3.input.input_idx = buf3.output.output_idx;
        assert!(buf != buf3);
        buf3.input.input_idx = old_input_idx;
        buf3.output.output_idx = old_input_idx;
        assert!(buf != buf3);
    }

    /// Check that the shared state's unsafe clone operator works
    #[test]
    fn clone_shared() {
        // Let's create some dummy shared state
        let dummy_state = SharedState::<u8>::new(|i| [123, 231, 132][i], BACK_DIRTY_BIT & 0b01);

        // Now, try to clone it
        let dummy_state_copy = unsafe { dummy_state.clone() };

        // Check that the contents of the original state did not change
        assert!(unsafe {
            dummy_state.eq(&SharedState::<u8>::new(
                |i| [123, 231, 132][i],
                BACK_DIRTY_BIT & 0b01,
            ))
        });

        // Check that the contents of the original and final state are identical
        assert!(unsafe { dummy_state.eq(&dummy_state_copy) });
    }

    /// Check that TripleBuffer's Clone impl works
    #[test]
    fn clone() {
        // Create a triple buffer
        let mut buf = TripleBuffer::new(4.2);

        // Put it in a nontrivial state
        unsafe {
            *buf.input.shared.buffers[0].get() = 1.2;
            *buf.input.shared.buffers[1].get() = 3.4;
            *buf.input.shared.buffers[2].get() = 5.6;
        }
        buf.input
            .shared
            .back_info
            .store(BACK_DIRTY_BIT & 0b01, Ordering::Relaxed);
        buf.input.input_idx = 0b10;
        buf.output.output_idx = 0b00;

        // Now clone it
        let buf_clone = buf.clone();

        // Check that the clone uses its own, separate shared data storage
        assert_eq!(
            as_ptr(&buf_clone.output.shared),
            as_ptr(&buf_clone.output.shared)
        );
        assert!(as_ptr(&buf_clone.input.shared) != as_ptr(&buf.input.shared));

        // Check that it is identical from PartialEq's point of view
        assert_eq!(buf, buf_clone);

        // Check that the contents of the original buffer did not change
        unsafe {
            assert_eq!(*buf.input.shared.buffers[0].get(), 1.2);
            assert_eq!(*buf.input.shared.buffers[1].get(), 3.4);
            assert_eq!(*buf.input.shared.buffers[2].get(), 5.6);
        }
        assert_eq!(
            buf.input.shared.back_info.load(Ordering::Relaxed),
            BACK_DIRTY_BIT & 0b01
        );
        assert_eq!(buf.input.input_idx, 0b10);
        assert_eq!(buf.output.output_idx, 0b00);
    }

    /// Check that the low-level publish/update primitives work
    #[test]
    fn swaps() {
        // Create a new buffer, and a way to track any changes to it
        let mut buf = TripleBuffer::new([123, 456]);
        let old_buf = buf.clone();
        let old_input_idx = old_buf.input.input_idx;
        let old_shared = &old_buf.input.shared;
        let old_back_info = old_shared.back_info.load(Ordering::Relaxed);
        let old_back_idx = old_back_info & BACK_INDEX_MASK;
        let old_output_idx = old_buf.output.output_idx;

        // Check that updating from a clean state works
        assert!(!buf.output.update());
        assert_eq!(buf, old_buf);
        check_buf_state(&mut buf, false);

        // Check that publishing from a clean state works
        assert!(!buf.input.publish());
        let mut expected_buf = old_buf.clone();
        expected_buf.input.input_idx = old_back_idx;
        expected_buf
            .input
            .shared
            .back_info
            .store(old_input_idx | BACK_DIRTY_BIT, Ordering::Relaxed);
        assert_eq!(buf, expected_buf);
        check_buf_state(&mut buf, true);

        // Check that overwriting a dirty state works
        assert!(buf.input.publish());
        let mut expected_buf = old_buf.clone();
        expected_buf.input.input_idx = old_input_idx;
        expected_buf
            .input
            .shared
            .back_info
            .store(old_back_idx | BACK_DIRTY_BIT, Ordering::Relaxed);
        assert_eq!(buf, expected_buf);
        check_buf_state(&mut buf, true);

        // Check that updating from a dirty state works
        assert!(buf.output.update());
        expected_buf.output.output_idx = old_back_idx;
        expected_buf
            .output
            .shared
            .back_info
            .store(old_output_idx, Ordering::Relaxed);
        assert_eq!(buf, expected_buf);
        check_buf_state(&mut buf, false);
    }

    /// Check that (sequentially) writing to a triple buffer works
    #[test]
    fn sequential_write() {
        // Let's create a triple buffer
        let mut buf = TripleBuffer::new(false);

        // Back up the initial buffer state
        let old_buf = buf.clone();

        // Perform a write
        buf.input.write(true);

        // Check new implementation state
        {
            // Starting from the old buffer state...
            let mut expected_buf = old_buf.clone();

            // ...write the new value in and swap...
            *expected_buf.input.input_buffer() = true;
            expected_buf.input.publish();

            // Nothing else should have changed
            assert_eq!(buf, expected_buf);
            check_buf_state(&mut buf, true);
        }
    }

    /// Check that (sequentially) reading from a triple buffer works
    #[test]
    fn sequential_read() {
        // Let's create a triple buffer and write into it
        let mut buf = TripleBuffer::new(1.0);
        buf.input.write(4.2);

        // Test readout from dirty (freshly written) triple buffer
        {
            // Back up the initial buffer state
            let old_buf = buf.clone();

            // Read from the buffer
            let result = *buf.output.read();

            // Output value should be correct
            assert_eq!(result, 4.2);

            // Result should be equivalent to carrying out an update
            let mut expected_buf = old_buf.clone();
            assert!(expected_buf.output.update());
            assert_eq!(buf, expected_buf);
            check_buf_state(&mut buf, false);
        }

        // Test readout from clean (unchanged) triple buffer
        {
            // Back up the initial buffer state
            let old_buf = buf.clone();

            // Read from the buffer
            let result = *buf.output.read();

            // Output value should be correct
            assert_eq!(result, 4.2);

            // Buffer state should be unchanged
            assert_eq!(buf, old_buf);
            check_buf_state(&mut buf, false);
        }
    }

    /// Check that contended concurrent reads and writes work
    #[test]
    #[ignore]
    fn contended_concurrent_read_write() {
        // We will stress the infrastructure by performing this many writes
        // as a reader continuously reads the latest value
        const TEST_WRITE_COUNT: usize = 100_000_000;

        // This is the buffer that our reader and writer will share
        let buf = TripleBuffer::new(RaceCell::new(0));
        let (mut buf_input, mut buf_output) = buf.split();

        // Concurrently run a writer which increments a shared value in a loop,
        // and a reader which makes sure that no unexpected value slips in.
        let mut last_value = 0usize;
        testbench::concurrent_test_2(
            move || {
                for value in 1..=TEST_WRITE_COUNT {
                    buf_input.write(RaceCell::new(value));
                }
            },
            move || {
                while last_value < TEST_WRITE_COUNT {
                    let new_racey_value = buf_output.read().get();
                    match new_racey_value {
                        Racey::Consistent(new_value) => {
                            assert!((new_value >= last_value) && (new_value <= TEST_WRITE_COUNT));
                            last_value = new_value;
                        }
                        Racey::Inconsistent => {
                            panic!("Inconsistent state exposed by the buffer!");
                        }
                    }
                }
            },
        );
    }

    /// Check that uncontended concurrent reads and writes work
    ///
    /// **WARNING:** This test unfortunately needs to have timing-dependent
    /// behaviour to do its job. If it fails for you, try the following:
    ///
    /// - Close running applications in the background
    /// - Re-run the tests with only one OS thread (--test-threads=1)
    /// - Increase the writer sleep period
    ///
    #[test]
    #[ignore]
    fn uncontended_concurrent_read_write() {
        // We will stress the infrastructure by performing this many writes
        // as a reader continuously reads the latest value
        const TEST_WRITE_COUNT: usize = 625;

        // This is the buffer that our reader and writer will share
        let buf = TripleBuffer::new(RaceCell::new(0));
        let (mut buf_input, mut buf_output) = buf.split();

        // Concurrently run a writer which slowly increments a shared value,
        // and a reader which checks that it can receive every update
        let mut last_value = 0usize;
        testbench::concurrent_test_2(
            move || {
                for value in 1..=TEST_WRITE_COUNT {
                    buf_input.write(RaceCell::new(value));
                    thread::yield_now();
                    thread::sleep(Duration::from_millis(32));
                }
            },
            move || {
                while last_value < TEST_WRITE_COUNT {
                    let new_racey_value = buf_output.read().get();
                    match new_racey_value {
                        Racey::Consistent(new_value) => {
                            assert!((new_value >= last_value) && (new_value - last_value <= 1));
                            last_value = new_value;
                        }
                        Racey::Inconsistent => {
                            panic!("Inconsistent state exposed by the buffer!");
                        }
                    }
                }
            },
        );
    }

    /// Through the low-level API, the consumer is allowed to modify its
    /// bufffer, which means that it will unknowingly send back data to the
    /// producer. This creates new correctness requirements for the
    /// synchronization protocol, which must be checked as well.
    #[test]
    #[ignore]
    fn concurrent_bidirectional_exchange() {
        // We will stress the infrastructure by performing this many writes
        // as a reader continuously reads the latest value
        const TEST_WRITE_COUNT: usize = 100_000_000;

        // This is the buffer that our reader and writer will share
        let buf = TripleBuffer::new(RaceCell::new(0));
        let (mut buf_input, mut buf_output) = buf.split();

        // Concurrently run a writer which increments a shared value in a loop,
        // and a reader which makes sure that no unexpected value slips in.
        testbench::concurrent_test_2(
            move || {
                for new_value in 1..=TEST_WRITE_COUNT {
                    match buf_input.input_buffer().get() {
                        Racey::Consistent(curr_value) => {
                            assert!(curr_value <= new_value);
                        }
                        Racey::Inconsistent => {
                            panic!("Inconsistent state exposed by the buffer!");
                        }
                    }
                    buf_input.write(RaceCell::new(new_value));
                }
            },
            move || {
                let mut last_value = 0usize;
                while last_value < TEST_WRITE_COUNT {
                    match buf_output.output_buffer().get() {
                        Racey::Consistent(new_value) => {
                            assert!((new_value >= last_value) && (new_value <= TEST_WRITE_COUNT));
                            last_value = new_value;
                        }
                        Racey::Inconsistent => {
                            panic!("Inconsistent state exposed by the buffer!");
                        }
                    }
                    if buf_output.updated() {
                        buf_output.output_buffer().set(last_value / 2);
                        buf_output.update();
                    }
                }
            },
        );
    }

    /// Range check for triple buffer indexes
    #[allow(unused_comparisons)]
    fn index_in_range(idx: BufferIndex) -> bool {
        (idx >= 0) & (idx <= 2)
    }

    /// Get a pointer to the target of some reference (e.g. an &, an Arc...)
    fn as_ptr<P: Deref>(ref_like: &P) -> *const P::Target {
        &(**ref_like) as *const _
    }

    /// Check the state of a buffer, and the effect of queries on it
    fn check_buf_state<T>(buf: &mut TripleBuffer<T>, expected_dirty_bit: bool)
    where
        T: Clone + Debug + PartialEq + Send,
    {
        // Make a backup of the buffer's initial state
        let initial_buf = buf.clone();

        // Check that the input and output point to the same shared state
        assert_eq!(as_ptr(&buf.input.shared), as_ptr(&buf.output.shared));

        // Access the shared state and decode back-buffer information
        let back_info = buf.input.shared.back_info.load(Ordering::Relaxed);
        let back_idx = back_info & BACK_INDEX_MASK;
        let back_buffer_dirty = back_info & BACK_DIRTY_BIT != 0;

        // Input-/output-/back-buffer indexes must be in range
        assert!(index_in_range(buf.input.input_idx));
        assert!(index_in_range(buf.output.output_idx));
        assert!(index_in_range(back_idx));

        // Input-/output-/back-buffer indexes must be distinct
        assert!(buf.input.input_idx != buf.output.output_idx);
        assert!(buf.input.input_idx != back_idx);
        assert!(buf.output.output_idx != back_idx);

        // Back-buffer must have the expected dirty bit
        assert_eq!(back_buffer_dirty, expected_dirty_bit);

        // Check that the "input buffer" query behaves as expected
        assert_eq!(
            as_ptr(&buf.input.input_buffer()),
            buf.input.shared.buffers[buf.input.input_idx as usize].get()
        );
        assert_eq!(*buf, initial_buf);

        // Check that the "consumed" query behaves as expected
        assert_eq!(!buf.input.consumed(), expected_dirty_bit);
        assert_eq!(*buf, initial_buf);

        // Check that the output_buffer query works in the initial state
        assert_eq!(
            as_ptr(&buf.output.output_buffer()),
            buf.output.shared.buffers[buf.output.output_idx as usize].get()
        );
        assert_eq!(*buf, initial_buf);

        // Check that the output buffer query works in the initial state
        assert_eq!(buf.output.updated(), expected_dirty_bit);
        assert_eq!(*buf, initial_buf);
    }
}

[ Dauer der Verarbeitung: 0.30 Sekunden  (vorverarbeitet)  ]

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     


Neuigkeiten

     Aktuelles
     Motto des Tages

Software

     Produkte
     Quellcodebibliothek

Aktivitäten

     Artikel über Sicherheit
     Anleitung zur Aktivierung von SSL

Muße

     Gedichte
     Musik
     Bilder

Jenseits des Üblichen ....
    

Besucherstatistik

Besucherstatistik

Monitoring

Montastic status badge