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このコミットは、Goランタイムのロックフリースタック（lfstack）の実装において、特にSPARC64アーキテクチャ向けにABA問題の対策を強化し、GCCコンパイラの警告を回避するための型キャストを追加するものです。具体的には、CNT_MASKという新しいマスクを導入し、ポインタの下位ビットをABAカウンタとして利用できるように変更しています。

コミット

commit e65c0a82ce6c8c8fe06622f95bf713d1a962eee0
Author: Ian Lance Taylor <iant@golang.org>
Date:   Sat Jan 26 18:16:43 2013 -0800

    runtime: use new CNT_MASK in lfstack
    
    This is for SPARC64, a 64-bit processor that uses all 64-bits
    of virtual addresses.  The idea is to use the low order 3 bits
    to at least get a small ABA counter.  That should work since
    pointers are aligned.  The idea is for SPARC64 to set CNT_MASK
    == 7, PTR_BITS == 0, PTR_MASK == 0xffffffffffffff8.
    
    Also add uintptr casts to avoid GCC warnings.  The gccgo
    runtime code is compiled with GCC, and GCC warns when casting
    between a pointer and a type of a different size.
    
    R=dvyukov
    CC=golang-dev
    https://golang.org/cl/7225043
---
 src/pkg/runtime/lfstack.c | 11 ++++++-----\n 1 file changed, 6 insertions(+), 5 deletions(-)\n

GitHub上でのコミットページへのリンク

https://github.com/golang/go/commit/e65c0a82ce6c8c8fe06622f95bf713d1a962eee0

元コミット内容

runtime: use new CNT_MASK in lfstack

This is for SPARC64, a 64-bit processor that uses all 64-bits
of virtual addresses. The idea is to use the low order 3 bits
to at least get a small ABA counter. That should work since
pointers are aligned. The idea is for SPARC64 to set CNT_MASK
== 7, PTR_BITS == 0, PTR_MASK == 0xffffffffffffff8.

Also add uintptr casts to avoid GCC warnings. The gccgo
runtime code is compiled with GCC, and GCC warns when casting
between a pointer and a type of a different size.

R=dvyukov
CC=golang-dev
https://golang.org/cl/7225043

変更の背景

このコミットには主に二つの背景があります。

SPARC64アーキテクチャにおけるABA問題への対応: Goのランタイムには、ロックフリーデータ構造であるロックフリースタック（lfstack）が使用されています。ロックフリーデータ構造は、ミューテックスなどのロック機構を使用せずに並行処理を実現しますが、ABA問題という特定の競合状態に脆弱です。ABA問題は、ある値がAからBに変化し、その後再びAに戻った場合に、その変化を検出できないために発生する問題です。一般的な64ビットアーキテクチャでは、ポインタは通常8バイト（64ビット）境界にアラインされるため、ポインタの下位数ビットは常に0になります。この未使用ビットをABAカウンタとして利用することで、ABA問題を軽減できます。しかし、SPARC64のような一部の64ビットプロセッサでは、仮想アドレスの64ビットすべてを使用する場合があります。この場合、ポインタの下位ビットが常に0であるとは限らず、既存のABAカウンタの仕組みが機能しない可能性があります。このコミットは、SPARC64でもABAカウンタを有効にするための調整を行っています。
GCCコンパイラの警告回避: gccgoはGo言語のフロントエンドとしてGCCを使用しています。C言語で書かれたGoランタイムのコードをGCCでコンパイルする際、ポインタと異なるサイズの型（例えばuint64）との間でキャストを行うと、GCCが警告を発することがあります。これは、潜在的なデータ損失や未定義の動作を防ぐためのGCCの厳格なチェックによるものです。このコミットは、uintptrへの明示的なキャストを追加することで、これらの警告を回避し、コードのクリーンさを保つことを目的としています。uintptrはポインタを保持するのに十分な大きさの符号なし整数型であり、ポインタと整数の間の安全な変換を意図しています。

前提知識の解説

ロックフリーデータ構造とABA問題

ロックフリーデータ構造: 複数のスレッドが同時にアクセスしても、ロック（ミューテックスなど）を使用せずに正しく動作するデータ構造です。これにより、ロックの競合によるパフォーマンスの低下やデッドロックを回避できます。通常、Compare-And-Swap (CAS) などのアトミック操作を用いて実装されます。
ロックフリースタック (lfstack): ロックフリーで実装されたスタックです。pushやpop操作がアトミックに行われるように設計されています。
ABA問題: ロックフリーデータ構造、特にCAS操作を使用する際に発生する競合状態の一種です。
1. スレッドAが共有変数Xの値を読み取り、その値がAであると認識します。
2. スレッドBが実行され、Xの値をAからBに変更し、さらにBからAに戻します。
3. スレッドAが再び実行され、Xの値をCAS操作で更新しようとします。スレッドAはXの値がまだAであると認識しているため、CAS操作は成功します。問題は、スレッドAがXの値が一度変更されてから元に戻ったことを検出できない点です。これにより、スレッドAが古い、無効なポインタを操作してしまうなど、論理的な誤りにつながる可能性があります。
ABA問題の対策: 一般的な対策として、ポインタと一緒に「バージョンカウンタ」や「タグ」と呼ばれる値を保持する方法があります。CAS操作では、ポインタだけでなくこのカウンタも同時に比較・更新します。これにより、ポインタの値が同じAであっても、カウンタが異なればCASは失敗し、ABA問題を検出できます。ポインタがアラインされている場合、ポインタの下位ビットが未使用になるため、そのビットをカウンタとして利用することがよく行われます。

SPARC64アーキテクチャ

SPARC64: Sun Microsystems（現Oracle）が開発したSPARC（Scalable Processor Architecture）命令セットアーキテクチャの64ビット版です。
仮想アドレス空間: 64ビットアーキテクチャでは、理論上2^64バイト（16エクサバイト）の仮想アドレス空間を扱うことができます。多くの64ビットシステムでは、セキュリティや実装の複雑さを軽減するために、この広大なアドレス空間の一部のみを使用し、ポインタの上位ビットや下位ビットを常に0にするなどの制約を設けることがあります。しかし、SPARC64のような一部のアーキテクチャでは、仮想アドレスの64ビットすべてを積極的に使用する設計になっている場合があります。この場合、ポインタの下位ビットが常に0であるという前提が崩れるため、ポインタの下位ビットをABAカウンタとして利用する既存のテクニックに影響を与えます。

`uintptr`型とGCCの警告

uintptr: Go言語において、uintptrはポインタを保持するのに十分な大きさの符号なし整数型です。これは、ポインタを整数に変換したり、整数をポインタに変換したりする際に使用されます。uintptrは、ガベージコレクタが追跡しないため、ポインタ演算を行う際に注意が必要です。C言語の文脈では、uintptr_tは同様の目的で使用される標準整数型です。
GCCの警告: GCC（GNU Compiler Collection）は、C/C++などのコードをコンパイルする際に、潜在的な問題や非推奨の構文に対して警告を発します。特に、異なるサイズの型間でキャストを行う場合、データが切り捨てられたり、意図しない値になったりする可能性があるため、警告を出すことがあります。例えば、64ビットポインタを32ビット整数にキャストしたり、その逆を行ったりする場合などです。これは、コードの移植性や堅牢性を高めるためのGCCの機能です。

技術的詳細

このコミットの技術的詳細は、主にlfstack.c内のポインタ操作とABAカウンタの管理に焦点を当てています。

CNT_MASKの導入とSPARC64への対応:
- 以前のlfstackの実装では、ポインタの下位ビットが常に0であるという前提に基づいてABAカウンタを格納していました。これはPTR_BITSというマクロで定義されたビット数（通常は32ビットシステムで2、64ビットシステムで3）をポインタの下位ビットとして利用していました。
- しかし、SPARC64では仮想アドレスの64ビットすべてを使用するため、ポインタの下位ビットが常に0であるとは限りません。このため、既存のPTR_BITSとPTR_MASKの定義だけではABAカウンタを安全に埋め込むことができませんでした。
- このコミットでは、CNT_MASKという新しいマクロを導入しています。コミットメッセージによると、SPARC64ではCNT_MASK == 7（バイナリで111）を設定し、PTR_BITS == 0、PTR_MASK == 0xffffffffffffff8（下位3ビットが0）とすることを想定しています。これは、ポインタ自体が8バイトアラインされていることを利用し、ポインタの下位3ビットをABAカウンタとして使用するというアイデアです。
- 具体的には、new = (uint64)node|(((uint64)node->pushcnt)<<PTR_BITS); の行が new = (uint64)(uintptr)node|(((uint64)node->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS); に変更されています。ここでnode->pushcnt（ABAカウンタ）にCNT_MASKを適用することで、カウンタの値を特定のビット幅（SPARC64の場合は3ビット）に制限し、ポインタの下位ビットに埋め込むことを意図しています。PTR_BITSが0の場合、カウンタはポインタの最下位ビットに直接埋め込まれます。
- old&PTR_MASKは、headからポインタ部分を抽出するための操作です。SPARC64の場合、PTR_MASKが0xffffffffffffff8であるため、これは下位3ビットをクリアしてポインタ本体を取得することを意味します。
uintptrキャストによるGCC警告の回避:
- lfstack.cはC言語で書かれており、gccgoによってGCCでコンパイルされます。
- 元のコードでは、LFNode*型のポインタを直接uint64にキャストしたり、uint64をLFNode*にキャストしたりしていました。
- if((uint64)node != ((uint64)node&PTR_MASK)) の行が if((uintptr)node != ((uintptr)node&PTR_MASK)) に変更されています。
- node->next = (LFNode*)(old&PTR_MASK); の行が node->next = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK); に変更されています。
- node = (LFNode*)(old&PTR_MASK); の行が node = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK); に変更されています。
- new = (uint64)node2|(((uint64)node2->pushcnt)<<PTR_BITS); の行が new = (uint64)(uintptr)node2|(((uint64)node2->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS); に変更されています。
- これらの変更は、ポインタを直接uint64にキャストするのではなく、一度uintptrにキャストしてからuint64にキャストするようにしています。これにより、GCCがポインタと異なるサイズの整数型との間の直接的なキャストに対して発する警告を回避しています。uintptrはポインタのサイズに合わせた整数型であるため、この中間キャストはGCCにとってより安全な操作と見なされます。

コアとなるコードの変更箇所

--- a/src/pkg/runtime/lfstack.c
+++ b/src/pkg/runtime/lfstack.c
@@ -15,22 +15,23 @@
 # define PTR_BITS 32
 #endif
 #define PTR_MASK ((1ull<<PTR_BITS)-1)
+#define CNT_MASK (0ull-1)
 
 void
 runtime·lfstackpush(uint64 *head, LFNode *node)
 {
 	uint64 old, new;
 
-	if((uint64)node != ((uint64)node&PTR_MASK)) {
+	if((uintptr)node != ((uintptr)node&PTR_MASK)) {
 		runtime·printf("p=%p\n", node);
 		runtime·throw("runtime·lfstackpush: invalid pointer");
 	}
 
 	node->pushcnt++;
-	new = (uint64)node|(((uint64)node->pushcnt)<<PTR_BITS);
+	new = (uint64)(uintptr)node|(((uint64)node->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);
 	old = runtime·atomicload64(head);
 	for(;;) {
-\t\tnode->next = (LFNode*)(old&PTR_MASK);\
+\t\tnode->next = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);\
 		if(runtime·cas64(head, &old, new))
 			break;
 	}
@@ -46,11 +47,11 @@ runtime·lfstackpop(uint64 *head)\
 	for(;;) {\
 		if(old == 0)\
 			return nil;\
-\t\tnode = (LFNode*)(old&PTR_MASK);\
+\t\tnode = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);\
 \t\tnode2 = runtime·atomicloadp(&node->next);\
 \t\tnew = 0;\
 \t\tif(node2 != nil)\
-\t\t\tnew = (uint64)node2|(((uint64)node2->pushcnt)<<PTR_BITS);\
+\t\t\tnew = (uint64)(uintptr)node2|(((uint64)node2->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);\
 \t\tif(runtime·cas64(head, &old, new))\
 \t\t\treturn node;\
 \t}\

コアとなるコードの解説

`CNT_MASK`の追加

#define CNT_MASK (0ull-1)

CNT_MASKが新しく定義されました。(0ull-1)は、符号なし64ビット整数で表現できる最大値、つまりすべてのビットが1である値（0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL）を意味します。これは、node->pushcntのすべてのビットを考慮に入れるための初期設定であり、特定のアーキテクチャ（SPARC64など）でPTR_BITSが0に設定される場合に、CNT_MASKがより具体的な値（例: 7）にオーバーライドされることを意図しています。これにより、pushcntの適切なビットがポインタに埋め込まれるようになります。

`runtime·lfstackpush`関数の変更

ポインタ検証の変更:
```
-	if((uint64)node != ((uint64)node&PTR_MASK)) {
+	if((uintptr)node != ((uintptr)node&PTR_MASK)) {
```
nodeポインタがPTR_MASKによってマスクされた後も元の値と一致するかどうかをチェックする部分です。これは、ポインタが適切にアラインされているか、またはポインタの下位ビットがABAカウンタとして利用可能であるかを確認するためのものです。uint64からuintptrへのキャスト変更は、GCCの警告を回避するためです。
新しい値newの計算:
```
-	new = (uint64)node|(((uint64)node->pushcnt)<<PTR_BITS);
+	new = (uint64)(uintptr)node|(((uint64)node->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);
```
スタックのheadに設定される新しい値newを計算する部分です。
- nodeポインタをuintptr経由でuint64にキャストします。
- node->pushcnt（ABAカウンタ）にCNT_MASKを適用します。これにより、カウンタの値がCNT_MASKで指定されたビット幅に制限されます。
- 制限されたカウンタ値をPTR_BITSだけ左シフトし、ポインタ値とビットOR演算で結合します。これにより、ポインタとABAカウンタが単一のuint64値にパックされます。SPARC64のようにPTR_BITSが0の場合、カウンタはポインタの最下位ビットに直接埋め込まれます。
node->nextの更新:
```
-	node->next = (LFNode*)(old&PTR_MASK);
+	node->next = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);
```
現在のノードのnextポインタを、スタックのheadの古い値oldから抽出されたポインタ部分に設定します。old&PTR_MASKは、oldからABAカウンタ部分を取り除き、純粋なポインタ値を取得するためのものです。ここでもuintptrへのキャストが追加され、GCCの警告を回避しています。

`runtime·lfstackpop`関数の変更

ノードの抽出:
```
-	node = (LFNode*)(old&PTR_MASK);
+	node = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);
```
スタックからポップするノードを、headの古い値oldから抽出する部分です。old&PTR_MASKでポインタ部分のみを取得し、LFNode*にキャストします。ここでもuintptrへのキャストが追加されています。
新しい値newの計算:
```
-	new = (uint64)node2|(((uint64)node2->pushcnt)<<PTR_BITS);
+	new = (uint64)(uintptr)node2|(((uint64)node2->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);
```
lfstackpopの成功時にheadに設定される新しい値newを計算する部分です。これはlfstackpushと同様に、次のノードのポインタとABAカウンタをパックする操作であり、uintptrキャストとCNT_MASKの適用が追加されています。

これらの変更により、SPARC64のような特殊なアーキテクチャでもABAカウンタが正しく機能し、かつGCCコンパイラでのコンパイル時に不要な警告が発生しないように、Goランタイムのlfstack実装が堅牢化されています。

関連リンク

Go言語のロックフリースタックに関する議論: [https://groups.google.com/g/golang-dev/c/2_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_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1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_ _ The Go runtime's lfstack (lock-free stack) implementation is a critical component for concurrent operations, particularly within the garbage collector. This commit addresses two distinct but related issues within this critical path: improving ABA problem mitigation for the SPARC64 architecture and eliminating GCC compiler warnings related to pointer type casting.

Understanding Lock-Free Data Structures and the ABA Problem

Lock-free data structures are designed to allow multiple threads to access and modify shared data without using traditional locking mechanisms (like mutexes). Instead, they rely on atomic operations, such as Compare-And-Swap (CAS), which ensure that operations on shared memory are performed as a single, indivisible unit. This approach can improve performance by reducing contention and avoiding deadlocks, but it introduces new challenges, notably the ABA problem.

The ABA problem occurs when a shared memory location's value changes from A to B and then back to A. A thread that reads the value A, performs some operations, and then attempts a CAS operation (expecting the value to still be A) will succeed, even though the value has changed in the interim. This can lead to logical errors if the thread's decision was based on the assumption that the value had not changed at all.

A common technique to mitigate the ABA problem is to associate a "version counter" or "tag" with the pointer. The CAS operation then compares and updates both the pointer and its associated counter. If the pointer's value is the same but the counter has changed, the CAS operation fails, indicating that the value has been modified and then restored.

SPARC64 Architecture and Pointer Alignment

On many 64-bit architectures, pointers are typically 8-byte (64-bit) aligned. This means that the lowest 3 bits of a pointer's memory address are always zero. These unused bits can be conveniently repurposed to store a small ABA counter without affecting the pointer's validity.

However, the SPARC64 architecture is a 64-bit processor that can utilize all 64 bits of its virtual addresses. This means that the assumption of the lowest bits of a pointer always being zero might not hold true, potentially breaking the standard ABA counter mechanism that relies on these bits.

GCC Warnings and `uintptr`

The gccgo project compiles the Go runtime, which is largely written in C, using the GCC compiler. GCC is known for its strict type checking and can issue warnings when it detects potentially unsafe type conversions, such as casting between a pointer type and an integer type of a different size. These warnings are intended to help developers catch potential bugs related to data truncation or undefined behavior.

In C, uintptr_t (or uintptr in Go's context) is an unsigned integer type that is guaranteed to be large enough to hold any pointer value. It's specifically designed for safe conversions between pointers and integers, often used in low-level memory manipulation or when interacting with hardware.

Technical Details

This commit introduces changes to src/pkg/runtime/lfstack.c to address the aforementioned issues.

1. `CNT_MASK` for SPARC64 ABA Counter

The core of the ABA problem mitigation for SPARC64 lies in the introduction of CNT_MASK and its interaction with PTR_BITS and PTR_MASK.

#define CNT_MASK (0ull-1): This line defines CNT_MASK as the maximum unsigned 64-bit integer value (0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL). This serves as a default, indicating that initially, all bits of the pushcnt (the ABA counter) are considered.
SPARC64 Specifics: The commit message clarifies that for SPARC64, the intention is to set CNT_MASK == 7 (binary 111), PTR_BITS == 0, and PTR_MASK == 0xffffffffffffff8.
- When PTR_BITS == 0, it means the ABA counter is embedded directly into the lowest bits of the pointer, rather than being shifted.
- CNT_MASK == 7 (binary 111) implies that only the lowest 3 bits of the pushcnt are used as the ABA counter.
- PTR_MASK == 0xffffffffffffff8 (which is ~7ULL) is used to clear the lowest 3 bits of a 64-bit value, effectively extracting the pointer part while discarding the ABA counter. This works because SPARC64 pointers are 8-byte aligned, meaning their lowest 3 bits are always zero, allowing these bits to be safely used for the counter.
Packing Pointer and Counter: The line new = (uint64)node|(((uint64)node->pushcnt)<<PTR_BITS); is changed to new = (uint64)(uintptr)node|(((uint64)node->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);.
- node->pushcnt&CNT_MASK: This operation ensures that only the relevant bits of the pushcnt (e.g., the lowest 3 bits for SPARC64) are used as the counter.
- <<PTR_BITS: This shifts the masked counter value. If PTR_BITS is 0 (as for SPARC64), no shift occurs, and the counter is directly placed in the lowest bits.
- |: The bitwise OR operation combines the pointer value with the shifted counter, packing them into a single uint64 value that represents the head of the lock-free stack.

2. `uintptr` Casts for GCC Warnings

The commit adds explicit uintptr casts in several places to satisfy GCC's type checking and prevent warnings.

Pointer Validation: if((uint64)node != ((uint64)node&PTR_MASK)) becomes if((uintptr)node != ((uintptr)node&PTR_MASK)). This check verifies if the pointer node remains unchanged after being masked by PTR_MASK. The uintptr cast ensures that the comparison is performed between integer types that are guaranteed to be the same size as a pointer, thus avoiding GCC warnings about casting a pointer directly to a potentially different-sized uint64.
Pointer Extraction and Assignment: Lines like node->next = (LFNode*)(old&PTR_MASK); and node = (LFNode*)(old&PTR_MASK); are modified to include (uintptr): node->next = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK); node = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK); When extracting the pointer part from the packed uint64 value (old&PTR_MASK), the result is an integer. Casting this integer directly back to an LFNode* could trigger GCC warnings. By casting it first to uintptr and then to LFNode*, the conversion path is made explicit and safer in the eyes of the compiler.

These changes collectively ensure that the lfstack implementation is robust across different architectures like SPARC64, correctly handling the ABA problem, and that the Go runtime can be compiled cleanly with GCC.

Coreとなるコードの変更箇所

--- a/src/pkg/runtime/lfstack.c
+++ b/src/pkg/runtime/lfstack.c
@@ -15,22 +15,23 @@
 # define PTR_BITS 32
 #endif
 #define PTR_MASK ((1ull<<PTR_BITS)-1)
+#define CNT_MASK (0ull-1)
 
 void
 runtime·lfstackpush(uint64 *head, LFNode *node)
 {
 	uint64 old, new;
 
-	if((uint64)node != ((uint64)node&PTR_MASK)) {
+	if((uintptr)node != ((uintptr)node&PTR_MASK)) {
 		runtime·printf("p=%p\n", node);
 		runtime·throw("runtime·lfstackpush: invalid pointer");
 	}
 
 	node->pushcnt++;
-	new = (uint64)node|(((uint64)node->pushcnt)<<PTR_BITS);
+	new = (uint64)(uintptr)node|(((uint64)node->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);
 	old = runtime·atomicload64(head);
 	for(;;) {
-\t\tnode->next = (LFNode*)(old&PTR_MASK);\
+\t\tnode->next = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);\
 		if(runtime·cas64(head, &old, new))
 			break;
 	}
@@ -46,11 +47,11 @@ runtime·lfstackpop(uint64 *head)\
 	for(;;) {\
 		if(old == 0)\
 			return nil;\
-\t\tnode = (LFNode*)(old&PTR_MASK);\
+\t\tnode = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);\
 \t\tnode2 = runtime·atomicloadp(&node->next);\
 \t\tnew = 0;\
 \t\tif(node2 != nil)\
-\t\t\tnew = (uint64)node2|(((uint64)node2->pushcnt)<<PTR_BITS);\
+\t\t\tnew = (uint64)(uintptr)node2|(((uint64)node2->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);\
 \t\tif(runtime·cas64(head, &old, new))\
 \t\t\treturn node;\
 \t}\

コアとなるコードの解説

`CNT_MASK`の定義追加

#define CNT_MASK (0ull-1)

この行は、CNT_MASKという新しいマクロを定義しています。0ull-1は、符号なし64ビット整数（unsigned long long）で表現できる最大値、すなわちすべてのビットが1である値（0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL）を生成します。これは、node->pushcntのすべてのビットを初期状態で考慮に入れることを意味します。特定のアーキテクチャ（例: SPARC64）では、この値がより具体的なマスク値（例: 7）でオーバーライドされ、ABAカウンタとして使用するビット数を制限します。

`runtime·lfstackpush`関数の変更点

ポインタ検証の型キャスト変更:
```
-	if((uint64)node != ((uint64)node&PTR_MASK)) {
+	if((uintptr)node != ((uintptr)node&PTR_MASK)) {
```
このif文は、nodeポインタがPTR_MASKでマスクされた後も元の値と一致するかどうかをチェックし、ポインタが適切にアラインされているか、またはABAカウンタを埋め込むのに十分な下位ビットが利用可能であるかを確認します。変更点として、nodeポインタを直接uint64にキャストする代わりに、uintptrを介してキャストするように修正されました。これは、GCCコンパイラがポインタと異なるサイズの整数型との間の直接的なキャストに対して警告を発するのを回避するためです。uintptrはポインタを保持するのに十分な大きさの整数型であるため、この中間キャストはコンパイラにとってより安全な変換と見なされます。
新しいスタックヘッド値newの計算ロジックの変更:
```
-	new = (uint64)node|(((uint64)node->pushcnt)<<PTR_BITS);
+	new = (uint64)(uintptr)node|(((uint64)node->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);
```
この行は、ロックフリースタックのheadに設定される新しい64ビット値newを計算します。この値は、ノードのポインタとABAカウンタ（node->pushcnt）を結合したものです。
- nodeポインタは、GCCの警告を避けるためにuintptrを介してuint64にキャストされます。
- node->pushcntには新しく定義されたCNT_MASKが適用されます（node->pushcnt&CNT_MASK）。これにより、pushcntのすべてのビットではなく、CNT_MASKで指定されたビットのみがABAカウンタとして使用されます。SPARC64のようにPTR_BITSが0の場合、CNT_MASKはポインタの下位ビットに埋め込むカウンタの実際のビット幅を決定します。
- <<PTR_BITSは、マスクされたカウンタ値をPTR_BITSだけ左シフトします。これにより、カウンタがポインタの適切な位置に配置されます。
- 最後に、ポインタ値とシフトされたカウンタ値がビットOR演算（|）で結合され、単一のuint64値としてパックされます。
node->nextポインタの更新ロジックの変更:
```
-	node->next = (LFNode*)(old&PTR_MASK);
+	node->next = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);
```
この行は、現在のノードのnextポインタを、スタックのheadの古い値oldから抽出されたポインタ部分に設定します。old&PTR_MASKは、oldからABAカウンタ部分を取り除き、純粋なポインタ値を取得するためのビット演算です。ここでも、GCCの警告を回避するために、抽出された整数値をLFNode*にキャストする前にuintptrを介してキャストするように変更されました。

`runtime·lfstackpop`関数の変更点

ノード抽出の型キャスト変更:
```
-	node = (LFNode*)(old&PTR_MASK);
+	node = (LFNode*)(uintptr)(old&PTR_MASK);
```
この行は、スタックからポップするノードを、headの古い値oldから抽出します。old&PTR_MASKでポインタ部分のみを取得し、それをLFNode*にキャストします。runtime·lfstackpushと同様に、GCCの警告を避けるためにuintptrへのキャストが追加されました。
新しいスタックヘッド値newの計算ロジックの変更:
```
-	new = (uint64)node2|(((uint64)node2->pushcnt)<<PTR_BITS);
+	new = (uint64)(uintptr)node2|(((uint64)node2->pushcnt&CNT_MASK)<<PTR_BITS);
```
この行は、lfstackpop操作が成功した場合にheadに設定される新しい値newを計算します。これは、次のノードのポインタとABAカウンタをパックする操作であり、runtime·lfstackpush関数での変更と同様に、uintptrキャストとCNT_MASKの適用が追加されています。

これらの変更は、Goランタイムのロックフリースタックが、SPARC64のような特定のアーキテクチャでABA問題をより堅牢に処理できるようにするとともに、gccgoコンパイラ使用時のGCC警告を排除し、コードの品質と移植性を向上させることを目的としています。

参考にした情報源リンク

Go言語のソースコード（src/pkg/runtime/lfstack.c）
Gitコミットメッセージ
Go言語のコードレビューシステム（Gerrit）の変更リスト: https://golang.org/cl/7225043
GCCコンパイラの警告に関する一般的な情報（例: ポインタと整数間のキャスト警告）
ロックフリーデータ構造とABA問題に関する一般的なコンピュータサイエンスの知識
SPARC64アーキテクチャに関する一般的な知識

Keyboard shortcuts

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