Move CacheLocality out of detail/ and into concurrency/
[folly.git] / folly / detail / CacheLocality.h
diff --git a/folly/detail/CacheLocality.h b/folly/detail/CacheLocality.h
deleted file mode 100644 (file)
index 741d30f..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,511 +0,0 @@
-/*
- * Copyright 2017 Facebook, Inc.
- *
- * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
- * you may not use this file except in compliance with the License.
- * You may obtain a copy of the License at
- *
- *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
- *
- * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
- * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
- * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
- * See the License for the specific language governing permissions and
- * limitations under the License.
- */
-
-#pragma once
-
-#include <algorithm>
-#include <array>
-#include <atomic>
-#include <cassert>
-#include <functional>
-#include <limits>
-#include <mutex>
-#include <string>
-#include <type_traits>
-#include <unordered_map>
-#include <vector>
-
-#include <folly/Hash.h>
-#include <folly/Indestructible.h>
-#include <folly/Likely.h>
-#include <folly/Memory.h>
-#include <folly/Portability.h>
-#include <folly/ThreadId.h>
-#include <folly/portability/BitsFunctexcept.h>
-#include <folly/portability/Memory.h>
-
-namespace folly {
-namespace detail {
-
-// This file contains several classes that might be useful if you are
-// trying to dynamically optimize cache locality: CacheLocality reads
-// cache sharing information from sysfs to determine how CPUs should be
-// grouped to minimize contention, Getcpu provides fast access to the
-// current CPU via __vdso_getcpu, and AccessSpreader uses these two to
-// optimally spread accesses among a predetermined number of stripes.
-//
-// AccessSpreader<>::current(n) microbenchmarks at 22 nanos, which is
-// substantially less than the cost of a cache miss.  This means that we
-// can effectively use it to reduce cache line ping-pong on striped data
-// structures such as IndexedMemPool or statistics counters.
-//
-// Because CacheLocality looks at all of the cache levels, it can be
-// used for different levels of optimization.  AccessSpreader(2) does
-// per-chip spreading on a dual socket system.  AccessSpreader(numCpus)
-// does perfect per-cpu spreading.  AccessSpreader(numCpus / 2) does
-// perfect L1 spreading in a system with hyperthreading enabled.
-
-struct CacheLocality {
-
-  /// 1 more than the maximum value that can be returned from sched_getcpu
-  /// or getcpu.  This is the number of hardware thread contexts provided
-  /// by the processors
-  size_t numCpus;
-
-  /// Holds the number of caches present at each cache level (0 is
-  /// the closest to the cpu).  This is the number of AccessSpreader
-  /// stripes needed to avoid cross-cache communication at the specified
-  /// layer.  numCachesByLevel.front() is the number of L1 caches and
-  /// numCachesByLevel.back() is the number of last-level caches.
-  std::vector<size_t> numCachesByLevel;
-
-  /// A map from cpu (from sched_getcpu or getcpu) to an index in the
-  /// range 0..numCpus-1, where neighboring locality indices are more
-  /// likely to share caches then indices far away.  All of the members
-  /// of a particular cache level be contiguous in their locality index.
-  /// For example, if numCpus is 32 and numCachesByLevel.back() is 2,
-  /// then cpus with a locality index < 16 will share one last-level
-  /// cache and cpus with a locality index >= 16 will share the other.
-  std::vector<size_t> localityIndexByCpu;
-
-  /// Returns the best CacheLocality information available for the current
-  /// system, cached for fast access.  This will be loaded from sysfs if
-  /// possible, otherwise it will be correct in the number of CPUs but
-  /// not in their sharing structure.
-  ///
-  /// If you are into yo dawgs, this is a shared cache of the local
-  /// locality of the shared caches.
-  ///
-  /// The template parameter here is used to allow injection of a
-  /// repeatable CacheLocality structure during testing.  Rather than
-  /// inject the type of the CacheLocality provider into every data type
-  /// that transitively uses it, all components select between the default
-  /// sysfs implementation and a deterministic implementation by keying
-  /// off the type of the underlying atomic.  See DeterministicScheduler.
-  template <template <typename> class Atom = std::atomic>
-  static const CacheLocality& system();
-
-  /// Reads CacheLocality information from a tree structured like
-  /// the sysfs filesystem.  The provided function will be evaluated
-  /// for each sysfs file that needs to be queried.  The function
-  /// should return a string containing the first line of the file
-  /// (not including the newline), or an empty string if the file does
-  /// not exist.  The function will be called with paths of the form
-  /// /sys/devices/system/cpu/cpu*/cache/index*/{type,shared_cpu_list} .
-  /// Throws an exception if no caches can be parsed at all.
-  static CacheLocality readFromSysfsTree(
-      const std::function<std::string(std::string)>& mapping);
-
-  /// Reads CacheLocality information from the real sysfs filesystem.
-  /// Throws an exception if no cache information can be loaded.
-  static CacheLocality readFromSysfs();
-
-  /// Returns a usable (but probably not reflective of reality)
-  /// CacheLocality structure with the specified number of cpus and a
-  /// single cache level that associates one cpu per cache.
-  static CacheLocality uniform(size_t numCpus);
-
-  enum {
-    /// Memory locations on the same cache line are subject to false
-    /// sharing, which is very bad for performance.  Microbenchmarks
-    /// indicate that pairs of cache lines also see interference under
-    /// heavy use of atomic operations (observed for atomic increment on
-    /// Sandy Bridge).  See FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING
-    kFalseSharingRange = 128
-  };
-
-  static_assert(
-      kFalseSharingRange == 128,
-      "FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING should track kFalseSharingRange");
-};
-
-// TODO replace __attribute__ with alignas and 128 with kFalseSharingRange
-
-/// An attribute that will cause a variable or field to be aligned so that
-/// it doesn't have false sharing with anything at a smaller memory address.
-#define FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING FOLLY_ALIGNED(128)
-
-/// Knows how to derive a function pointer to the VDSO implementation of
-/// getcpu(2), if available
-struct Getcpu {
-  /// Function pointer to a function with the same signature as getcpu(2).
-  typedef int (*Func)(unsigned* cpu, unsigned* node, void* unused);
-
-  /// Returns a pointer to the VDSO implementation of getcpu(2), if
-  /// available, or nullptr otherwise.  This function may be quite
-  /// expensive, be sure to cache the result.
-  static Func resolveVdsoFunc();
-};
-
-#ifdef FOLLY_TLS
-template <template <typename> class Atom>
-struct SequentialThreadId {
-
-  /// Returns the thread id assigned to the current thread
-  static unsigned get() {
-    auto rv = currentId;
-    if (UNLIKELY(rv == 0)) {
-      rv = currentId = ++prevId;
-    }
-    return rv;
-  }
-
- private:
-  static Atom<unsigned> prevId;
-
-  static FOLLY_TLS unsigned currentId;
-};
-
-template <template <typename> class Atom>
-Atom<unsigned> SequentialThreadId<Atom>::prevId(0);
-
-template <template <typename> class Atom>
-FOLLY_TLS unsigned SequentialThreadId<Atom>::currentId(0);
-
-// Suppress this instantiation in other translation units. It is
-// instantiated in CacheLocality.cpp
-extern template struct SequentialThreadId<std::atomic>;
-#endif
-
-struct HashingThreadId {
-  static unsigned get() {
-    return hash::twang_32from64(getCurrentThreadID());
-  }
-};
-
-/// A class that lazily binds a unique (for each implementation of Atom)
-/// identifier to a thread.  This is a fallback mechanism for the access
-/// spreader if __vdso_getcpu can't be loaded
-template <typename ThreadId>
-struct FallbackGetcpu {
-  /// Fills the thread id into the cpu and node out params (if they
-  /// are non-null).  This method is intended to act like getcpu when a
-  /// fast-enough form of getcpu isn't available or isn't desired
-  static int getcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void* /* unused */) {
-    auto id = ThreadId::get();
-    if (cpu) {
-      *cpu = id;
-    }
-    if (node) {
-      *node = id;
-    }
-    return 0;
-  }
-};
-
-#ifdef FOLLY_TLS
-typedef FallbackGetcpu<SequentialThreadId<std::atomic>> FallbackGetcpuType;
-#else
-typedef FallbackGetcpu<HashingThreadId> FallbackGetcpuType;
-#endif
-
-/// AccessSpreader arranges access to a striped data structure in such a
-/// way that concurrently executing threads are likely to be accessing
-/// different stripes.  It does NOT guarantee uncontended access.
-/// Your underlying algorithm must be thread-safe without spreading, this
-/// is merely an optimization.  AccessSpreader::current(n) is typically
-/// much faster than a cache miss (12 nanos on my dev box, tested fast
-/// in both 2.6 and 3.2 kernels).
-///
-/// If available (and not using the deterministic testing implementation)
-/// AccessSpreader uses the getcpu system call via VDSO and the
-/// precise locality information retrieved from sysfs by CacheLocality.
-/// This provides optimal anti-sharing at a fraction of the cost of a
-/// cache miss.
-///
-/// When there are not as many stripes as processors, we try to optimally
-/// place the cache sharing boundaries.  This means that if you have 2
-/// stripes and run on a dual-socket system, your 2 stripes will each get
-/// all of the cores from a single socket.  If you have 16 stripes on a
-/// 16 core system plus hyperthreading (32 cpus), each core will get its
-/// own stripe and there will be no cache sharing at all.
-///
-/// AccessSpreader has a fallback mechanism for when __vdso_getcpu can't be
-/// loaded, or for use during deterministic testing.  Using sched_getcpu
-/// or the getcpu syscall would negate the performance advantages of
-/// access spreading, so we use a thread-local value and a shared atomic
-/// counter to spread access out.  On systems lacking both a fast getcpu()
-/// and TLS, we hash the thread id to spread accesses.
-///
-/// AccessSpreader is templated on the template type that is used
-/// to implement atomics, as a way to instantiate the underlying
-/// heuristics differently for production use and deterministic unit
-/// testing.  See DeterministicScheduler for more.  If you aren't using
-/// DeterministicScheduler, you can just use the default template parameter
-/// all of the time.
-template <template <typename> class Atom = std::atomic>
-struct AccessSpreader {
-
-  /// Returns the stripe associated with the current CPU.  The returned
-  /// value will be < numStripes.
-  static size_t current(size_t numStripes) {
-    // widthAndCpuToStripe[0] will actually work okay (all zeros), but
-    // something's wrong with the caller
-    assert(numStripes > 0);
-
-    unsigned cpu;
-    getcpuFunc(&cpu, nullptr, nullptr);
-    return widthAndCpuToStripe[std::min(size_t(kMaxCpus),
-                                        numStripes)][cpu % kMaxCpus];
-  }
-
- private:
-  /// If there are more cpus than this nothing will crash, but there
-  /// might be unnecessary sharing
-  enum { kMaxCpus = 128 };
-
-  typedef uint8_t CompactStripe;
-
-  static_assert((kMaxCpus & (kMaxCpus - 1)) == 0,
-                "kMaxCpus should be a power of two so modulo is fast");
-  static_assert(kMaxCpus - 1 <= std::numeric_limits<CompactStripe>::max(),
-                "stripeByCpu element type isn't wide enough");
-
-  /// Points to the getcpu-like function we are using to obtain the
-  /// current cpu.  It should not be assumed that the returned cpu value
-  /// is in range.  We use a static for this so that we can prearrange a
-  /// valid value in the pre-constructed state and avoid the need for a
-  /// conditional on every subsequent invocation (not normally a big win,
-  /// but 20% on some inner loops here).
-  static Getcpu::Func getcpuFunc;
-
-  /// For each level of splitting up to kMaxCpus, maps the cpu (mod
-  /// kMaxCpus) to the stripe.  Rather than performing any inequalities
-  /// or modulo on the actual number of cpus, we just fill in the entire
-  /// array.
-  static CompactStripe widthAndCpuToStripe[kMaxCpus + 1][kMaxCpus];
-
-  static bool initialized;
-
-  /// Returns the best getcpu implementation for Atom
-  static Getcpu::Func pickGetcpuFunc() {
-    auto best = Getcpu::resolveVdsoFunc();
-    return best ? best : &FallbackGetcpuType::getcpu;
-  }
-
-  /// Always claims to be on CPU zero, node zero
-  static int degenerateGetcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void*) {
-    if (cpu != nullptr) {
-      *cpu = 0;
-    }
-    if (node != nullptr) {
-      *node = 0;
-    }
-    return 0;
-  }
-
-  // The function to call for fast lookup of getcpu is a singleton, as
-  // is the precomputed table of locality information.  AccessSpreader
-  // is used in very tight loops, however (we're trying to race an L1
-  // cache miss!), so the normal singleton mechanisms are noticeably
-  // expensive.  Even a not-taken branch guarding access to getcpuFunc
-  // slows AccessSpreader::current from 12 nanos to 14.  As a result, we
-  // populate the static members with simple (but valid) values that can
-  // be filled in by the linker, and then follow up with a normal static
-  // initializer call that puts in the proper version.  This means that
-  // when there are initialization order issues we will just observe a
-  // zero stripe.  Once a sanitizer gets smart enough to detect this as
-  // a race or undefined behavior, we can annotate it.
-
-  static bool initialize() {
-    getcpuFunc = pickGetcpuFunc();
-
-    auto& cacheLocality = CacheLocality::system<Atom>();
-    auto n = cacheLocality.numCpus;
-    for (size_t width = 0; width <= kMaxCpus; ++width) {
-      auto numStripes = std::max(size_t{1}, width);
-      for (size_t cpu = 0; cpu < kMaxCpus && cpu < n; ++cpu) {
-        auto index = cacheLocality.localityIndexByCpu[cpu];
-        assert(index < n);
-        // as index goes from 0..n, post-transform value goes from
-        // 0..numStripes
-        widthAndCpuToStripe[width][cpu] =
-            CompactStripe((index * numStripes) / n);
-        assert(widthAndCpuToStripe[width][cpu] < numStripes);
-      }
-      for (size_t cpu = n; cpu < kMaxCpus; ++cpu) {
-        widthAndCpuToStripe[width][cpu] = widthAndCpuToStripe[width][cpu - n];
-      }
-    }
-    return true;
-  }
-};
-
-template <template <typename> class Atom>
-Getcpu::Func AccessSpreader<Atom>::getcpuFunc =
-    AccessSpreader<Atom>::degenerateGetcpu;
-
-template <template <typename> class Atom>
-typename AccessSpreader<Atom>::CompactStripe
-    AccessSpreader<Atom>::widthAndCpuToStripe[kMaxCpus + 1][kMaxCpus] = {};
-
-template <template <typename> class Atom>
-bool AccessSpreader<Atom>::initialized = AccessSpreader<Atom>::initialize();
-
-// Suppress this instantiation in other translation units. It is
-// instantiated in CacheLocality.cpp
-extern template struct AccessSpreader<std::atomic>;
-
-/**
- * A simple freelist allocator.  Allocates things of size sz, from
- * slabs of size allocSize.  Takes a lock on each
- * allocation/deallocation.
- */
-class SimpleAllocator {
-  std::mutex m_;
-  uint8_t* mem_{nullptr};
-  uint8_t* end_{nullptr};
-  void* freelist_{nullptr};
-  size_t allocSize_;
-  size_t sz_;
-  std::vector<void*> blocks_;
-
- public:
-  SimpleAllocator(size_t allocSize, size_t sz);
-  ~SimpleAllocator();
-  void* allocateHard();
-
-  // Inline fast-paths.
-  void* allocate() {
-    std::lock_guard<std::mutex> g(m_);
-    // Freelist allocation.
-    if (freelist_) {
-      auto mem = freelist_;
-      freelist_ = *static_cast<void**>(freelist_);
-      return mem;
-    }
-
-    // Bump-ptr allocation.
-    if (intptr_t(mem_) % 128 == 0) {
-      // Avoid allocating pointers that may look like malloc
-      // pointers.
-      mem_ += std::min(sz_, alignof(std::max_align_t));
-    }
-    if (mem_ && (mem_ + sz_ <= end_)) {
-      auto mem = mem_;
-      mem_ += sz_;
-
-      assert(intptr_t(mem) % 128 != 0);
-      return mem;
-    }
-
-    return allocateHard();
-  }
-  void deallocate(void* mem) {
-    std::lock_guard<std::mutex> g(m_);
-    *static_cast<void**>(mem) = freelist_;
-    freelist_ = mem;
-  }
-};
-
-/**
- * An allocator that can be used with CacheLocality to allocate
- * core-local memory.
- *
- * There is actually nothing special about the memory itself (it is
- * not bound to numa nodes or anything), but the allocator guarantees
- * that memory allocatd from the same stripe will only come from cache
- * lines also allocated to the same stripe.  This means multiple
- * things using CacheLocality can allocate memory in smaller-than
- * cacheline increments, and be assured that it won't cause more false
- * sharing than it otherwise would.
- *
- * Note that allocation and deallocation takes a per-sizeclass lock.
- */
-template <size_t Stripes>
-class CoreAllocator {
- public:
-  class Allocator {
-    static constexpr size_t AllocSize{4096};
-
-    uint8_t sizeClass(size_t size) {
-      if (size <= 8) {
-        return 0;
-      } else if (size <= 16) {
-        return 1;
-      } else if (size <= 32) {
-        return 2;
-      } else if (size <= 64) {
-        return 3;
-      } else { // punt to malloc.
-        return 4;
-      }
-    }
-
-    std::array<SimpleAllocator, 4> allocators_{
-        {{AllocSize, 8}, {AllocSize, 16}, {AllocSize, 32}, {AllocSize, 64}}};
-
-   public:
-    void* allocate(size_t size) {
-      auto cl = sizeClass(size);
-      if (cl == 4) {
-        static_assert(
-            CacheLocality::kFalseSharingRange == 128,
-            "kFalseSharingRange changed");
-        // Align to a cacheline
-        size = size + (CacheLocality::kFalseSharingRange - 1);
-        size &= ~size_t(CacheLocality::kFalseSharingRange - 1);
-        void* mem = aligned_malloc(size, CacheLocality::kFalseSharingRange);
-        if (!mem) {
-          std::__throw_bad_alloc();
-        }
-        return mem;
-      }
-      return allocators_[cl].allocate();
-    }
-    void deallocate(void* mem) {
-      if (!mem) {
-        return;
-      }
-
-      // See if it came from this allocator or malloc.
-      if (intptr_t(mem) % 128 != 0) {
-        auto addr =
-            reinterpret_cast<void*>(intptr_t(mem) & ~intptr_t(AllocSize - 1));
-        auto allocator = *static_cast<SimpleAllocator**>(addr);
-        allocator->deallocate(mem);
-      } else {
-        aligned_free(mem);
-      }
-    }
-  };
-
-  Allocator* get(size_t stripe) {
-    assert(stripe < Stripes);
-    return &allocators_[stripe];
-  }
-
- private:
-  Allocator allocators_[Stripes];
-};
-
-template <size_t Stripes>
-typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator* getCoreAllocator(size_t stripe) {
-  // We cannot make sure that the allocator will be destroyed after
-  // all the objects allocated with it, so we leak it.
-  static Indestructible<CoreAllocator<Stripes>> allocator;
-  return allocator->get(stripe);
-}
-
-template <typename T, size_t Stripes>
-StlAllocator<typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator, T> getCoreAllocatorStl(
-    size_t stripe) {
-  auto alloc = getCoreAllocator<Stripes>(stripe);
-  return StlAllocator<typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator, T>(alloc);
-}
-
-} // namespace detail
-} // namespace folly