8cfe0e7fccf40e1fa6098b148d8846b2153822b5
[folly.git] / folly / IndexedMemPool.h
1 /*
2  * Copyright 2016 Facebook, Inc.
3  *
4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
5  * you may not use this file except in compliance with the License.
6  * You may obtain a copy of the License at
7  *
8  *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
9  *
10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
13  * See the License for the specific language governing permissions and
14  * limitations under the License.
15  */
16
17 #ifndef FOLLY_INDEXEDMEMPOOL_H
18 #define FOLLY_INDEXEDMEMPOOL_H
19
20 #include <type_traits>
21 #include <stdint.h>
22 #include <assert.h>
23 #include <unistd.h>
24 #include <sys/mman.h>
25 #include <boost/noncopyable.hpp>
26 #include <folly/AtomicStruct.h>
27 #include <folly/detail/CacheLocality.h>
28
29 // Ignore shadowing warnings within this file, so includers can use -Wshadow.
30 #pragma GCC diagnostic push
31 #pragma GCC diagnostic ignored "-Wshadow"
32
33 namespace folly {
34
35 namespace detail {
36 template <typename Pool>
37 struct IndexedMemPoolRecycler;
38 }
39
40 /// Instances of IndexedMemPool dynamically allocate and then pool their
41 /// element type (T), returning 4-byte integer indices that can be passed
42 /// to the pool's operator[] method to access or obtain pointers to the
43 /// actual elements.  The memory backing items returned from the pool
44 /// will always be readable, even if items have been returned to the pool.
45 /// These two features are useful for lock-free algorithms.  The indexing
46 /// behavior makes it easy to build tagged pointer-like-things, since
47 /// a large number of elements can be managed using fewer bits than a
48 /// full pointer.  The access-after-free behavior makes it safe to read
49 /// from T-s even after they have been recycled, since it is guaranteed
50 /// that the memory won't have been returned to the OS and unmapped
51 /// (the algorithm must still use a mechanism to validate that the read
52 /// was correct, but it doesn't have to worry about page faults), and if
53 /// the elements use internal sequence numbers it can be guaranteed that
54 /// there won't be an ABA match due to the element being overwritten with
55 /// a different type that has the same bit pattern.
56 ///
57 /// IndexedMemPool has two object lifecycle strategies.  The first
58 /// is to construct objects when they are allocated from the pool and
59 /// destroy them when they are recycled.  In this mode allocIndex and
60 /// allocElem have emplace-like semantics.  In the second mode, objects
61 /// are default-constructed the first time they are removed from the pool,
62 /// and deleted when the pool itself is deleted.  By default the first
63 /// mode is used for non-trivial T, and the second is used for trivial T.
64 ///
65 /// IMPORTANT: Space for extra elements is allocated to account for those
66 /// that are inaccessible because they are in other local lists, so the
67 /// actual number of items that can be allocated ranges from capacity to
68 /// capacity + (NumLocalLists_-1)*LocalListLimit_.  This is important if
69 /// you are trying to maximize the capacity of the pool while constraining
70 /// the bit size of the resulting pointers, because the pointers will
71 /// actually range up to the boosted capacity.  See maxIndexForCapacity
72 /// and capacityForMaxIndex.
73 ///
74 /// To avoid contention, NumLocalLists_ free lists of limited (less than
75 /// or equal to LocalListLimit_) size are maintained, and each thread
76 /// retrieves and returns entries from its associated local list.  If the
77 /// local list becomes too large then elements are placed in bulk in a
78 /// global free list.  This allows items to be efficiently recirculated
79 /// from consumers to producers.  AccessSpreader is used to access the
80 /// local lists, so there is no performance advantage to having more
81 /// local lists than L1 caches.
82 ///
83 /// The pool mmap-s the entire necessary address space when the pool is
84 /// constructed, but delays element construction.  This means that only
85 /// elements that are actually returned to the caller get paged into the
86 /// process's resident set (RSS).
87 template <typename T,
88           int NumLocalLists_ = 32,
89           int LocalListLimit_ = 200,
90           template<typename> class Atom = std::atomic,
91           bool EagerRecycleWhenTrivial = false,
92           bool EagerRecycleWhenNotTrivial = true>
93 struct IndexedMemPool : boost::noncopyable {
94   typedef T value_type;
95
96   typedef std::unique_ptr<T, detail::IndexedMemPoolRecycler<IndexedMemPool>>
97       UniquePtr;
98
99   static_assert(LocalListLimit_ <= 255, "LocalListLimit must fit in 8 bits");
100   enum {
101     NumLocalLists = NumLocalLists_,
102     LocalListLimit = LocalListLimit_
103   };
104
105
106   static constexpr bool eagerRecycle() {
107     return std::is_trivial<T>::value
108         ? EagerRecycleWhenTrivial : EagerRecycleWhenNotTrivial;
109   }
110
111   // these are public because clients may need to reason about the number
112   // of bits required to hold indices from a pool, given its capacity
113
114   static constexpr uint32_t maxIndexForCapacity(uint32_t capacity) {
115     // index of uint32_t(-1) == UINT32_MAX is reserved for isAllocated tracking
116     return std::min(uint64_t(capacity) + (NumLocalLists - 1) * LocalListLimit,
117                     uint64_t(uint32_t(-1) - 1));
118   }
119
120   static constexpr uint32_t capacityForMaxIndex(uint32_t maxIndex) {
121     return maxIndex - (NumLocalLists - 1) * LocalListLimit;
122   }
123
124
125   /// Constructs a pool that can allocate at least _capacity_ elements,
126   /// even if all the local lists are full
127   explicit IndexedMemPool(uint32_t capacity)
128     : actualCapacity_(maxIndexForCapacity(capacity))
129     , size_(0)
130     , globalHead_(TaggedPtr{})
131   {
132     const size_t needed = sizeof(Slot) * (actualCapacity_ + 1);
133     size_t pagesize = sysconf(_SC_PAGESIZE);
134     mmapLength_ = ((needed - 1) & ~(pagesize - 1)) + pagesize;
135     assert(needed <= mmapLength_ && mmapLength_ < needed + pagesize);
136     assert((mmapLength_ % pagesize) == 0);
137
138     slots_ = static_cast<Slot*>(mmap(nullptr, mmapLength_,
139                                      PROT_READ | PROT_WRITE,
140                                      MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0));
141     if (slots_ == MAP_FAILED) {
142       assert(errno == ENOMEM);
143       throw std::bad_alloc();
144     }
145   }
146
147   /// Destroys all of the contained elements
148   ~IndexedMemPool() {
149     if (!eagerRecycle()) {
150       for (size_t i = size_; i > 0; --i) {
151         slots_[i].~Slot();
152       }
153     }
154     munmap(slots_, mmapLength_);
155   }
156
157   /// Returns a lower bound on the number of elements that may be
158   /// simultaneously allocated and not yet recycled.  Because of the
159   /// local lists it is possible that more elements than this are returned
160   /// successfully
161   size_t capacity() {
162     return capacityForMaxIndex(actualCapacity_);
163   }
164
165   /// Finds a slot with a non-zero index, emplaces a T there if we're
166   /// using the eager recycle lifecycle mode, and returns the index,
167   /// or returns 0 if no elements are available.
168   template <typename ...Args>
169   uint32_t allocIndex(Args&&... args) {
170     static_assert(sizeof...(Args) == 0 || eagerRecycle(),
171         "emplace-style allocation requires eager recycle, "
172         "which is defaulted only for non-trivial types");
173     auto idx = localPop(localHead());
174     if (idx != 0 && eagerRecycle()) {
175       T* ptr = &slot(idx).elem;
176       new (ptr) T(std::forward<Args>(args)...);
177     }
178     return idx;
179   }
180
181   /// If an element is available, returns a std::unique_ptr to it that will
182   /// recycle the element to the pool when it is reclaimed, otherwise returns
183   /// a null (falsy) std::unique_ptr
184   template <typename ...Args>
185   UniquePtr allocElem(Args&&... args) {
186     auto idx = allocIndex(std::forward<Args>(args)...);
187     T* ptr = idx == 0 ? nullptr : &slot(idx).elem;
188     return UniquePtr(ptr, typename UniquePtr::deleter_type(this));
189   }
190
191   /// Gives up ownership previously granted by alloc()
192   void recycleIndex(uint32_t idx) {
193     assert(isAllocated(idx));
194     if (eagerRecycle()) {
195       slot(idx).elem.~T();
196     }
197     localPush(localHead(), idx);
198   }
199
200   /// Provides access to the pooled element referenced by idx
201   T& operator[](uint32_t idx) {
202     return slot(idx).elem;
203   }
204
205   /// Provides access to the pooled element referenced by idx
206   const T& operator[](uint32_t idx) const {
207     return slot(idx).elem;
208   }
209
210   /// If elem == &pool[idx], then pool.locateElem(elem) == idx.  Also,
211   /// pool.locateElem(nullptr) == 0
212   uint32_t locateElem(const T* elem) const {
213     if (!elem) {
214       return 0;
215     }
216
217     static_assert(std::is_standard_layout<Slot>::value, "offsetof needs POD");
218
219     auto slot = reinterpret_cast<const Slot*>(
220         reinterpret_cast<const char*>(elem) - offsetof(Slot, elem));
221     auto rv = slot - slots_;
222
223     // this assert also tests that rv is in range
224     assert(elem == &(*this)[rv]);
225     return rv;
226   }
227
228   /// Returns true iff idx has been alloc()ed and not recycleIndex()ed
229   bool isAllocated(uint32_t idx) const {
230     return slot(idx).localNext == uint32_t(-1);
231   }
232
233
234  private:
235   ///////////// types
236
237   struct Slot {
238     T elem;
239     uint32_t localNext;
240     uint32_t globalNext;
241
242     Slot() : localNext{}, globalNext{} {}
243   };
244
245   struct TaggedPtr {
246     uint32_t idx;
247
248     // size is bottom 8 bits, tag in top 24.  g++'s code generation for
249     // bitfields seems to depend on the phase of the moon, plus we can
250     // do better because we can rely on other checks to avoid masking
251     uint32_t tagAndSize;
252
253     enum : uint32_t {
254         SizeBits = 8,
255         SizeMask = (1U << SizeBits) - 1,
256         TagIncr = 1U << SizeBits,
257     };
258
259     uint32_t size() const {
260       return tagAndSize & SizeMask;
261     }
262
263     TaggedPtr withSize(uint32_t repl) const {
264       assert(repl <= LocalListLimit);
265       return TaggedPtr{ idx, (tagAndSize & ~SizeMask) | repl };
266     }
267
268     TaggedPtr withSizeIncr() const {
269       assert(size() < LocalListLimit);
270       return TaggedPtr{ idx, tagAndSize + 1 };
271     }
272
273     TaggedPtr withSizeDecr() const {
274       assert(size() > 0);
275       return TaggedPtr{ idx, tagAndSize - 1 };
276     }
277
278     TaggedPtr withIdx(uint32_t repl) const {
279       return TaggedPtr{ repl, tagAndSize + TagIncr };
280     }
281
282     TaggedPtr withEmpty() const {
283       return withIdx(0).withSize(0);
284     }
285   };
286
287   struct FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING LocalList {
288     AtomicStruct<TaggedPtr,Atom> head;
289
290     LocalList() : head(TaggedPtr{}) {}
291   };
292
293   ////////// fields
294
295   /// the actual number of slots that we will allocate, to guarantee
296   /// that we will satisfy the capacity requested at construction time.
297   /// They will be numbered 1..actualCapacity_ (note the 1-based counting),
298   /// and occupy slots_[1..actualCapacity_].
299   size_t actualCapacity_;
300
301   /// the number of bytes allocated from mmap, which is a multiple of
302   /// the page size of the machine
303   size_t mmapLength_;
304
305   /// this records the number of slots that have actually been constructed.
306   /// To allow use of atomic ++ instead of CAS, we let this overflow.
307   /// The actual number of constructed elements is min(actualCapacity_,
308   /// size_)
309   Atom<uint32_t> size_;
310
311   /// raw storage, only 1..min(size_,actualCapacity_) (inclusive) are
312   /// actually constructed.  Note that slots_[0] is not constructed or used
313   FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING Slot* slots_;
314
315   /// use AccessSpreader to find your list.  We use stripes instead of
316   /// thread-local to avoid the need to grow or shrink on thread start
317   /// or join.   These are heads of lists chained with localNext
318   LocalList local_[NumLocalLists];
319
320   /// this is the head of a list of node chained by globalNext, that are
321   /// themselves each the head of a list chained by localNext
322   FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING AtomicStruct<TaggedPtr,Atom> globalHead_;
323
324   ///////////// private methods
325
326   size_t slotIndex(uint32_t idx) const {
327     assert(0 < idx &&
328            idx <= actualCapacity_ &&
329            idx <= size_.load(std::memory_order_acquire));
330     return idx;
331   }
332
333   Slot& slot(uint32_t idx) {
334     return slots_[slotIndex(idx)];
335   }
336
337   const Slot& slot(uint32_t idx) const {
338     return slots_[slotIndex(idx)];
339   }
340
341   // localHead references a full list chained by localNext.  s should
342   // reference slot(localHead), it is passed as a micro-optimization
343   void globalPush(Slot& s, uint32_t localHead) {
344     while (true) {
345       TaggedPtr gh = globalHead_.load(std::memory_order_acquire);
346       s.globalNext = gh.idx;
347       if (globalHead_.compare_exchange_strong(gh, gh.withIdx(localHead))) {
348         // success
349         return;
350       }
351     }
352   }
353
354   // idx references a single node
355   void localPush(AtomicStruct<TaggedPtr,Atom>& head, uint32_t idx) {
356     Slot& s = slot(idx);
357     TaggedPtr h = head.load(std::memory_order_acquire);
358     while (true) {
359       s.localNext = h.idx;
360
361       if (h.size() == LocalListLimit) {
362         // push will overflow local list, steal it instead
363         if (head.compare_exchange_strong(h, h.withEmpty())) {
364           // steal was successful, put everything in the global list
365           globalPush(s, idx);
366           return;
367         }
368       } else {
369         // local list has space
370         if (head.compare_exchange_strong(h, h.withIdx(idx).withSizeIncr())) {
371           // success
372           return;
373         }
374       }
375       // h was updated by failing CAS
376     }
377   }
378
379   // returns 0 if empty
380   uint32_t globalPop() {
381     while (true) {
382       TaggedPtr gh = globalHead_.load(std::memory_order_acquire);
383       if (gh.idx == 0 || globalHead_.compare_exchange_strong(
384                   gh, gh.withIdx(slot(gh.idx).globalNext))) {
385         // global list is empty, or pop was successful
386         return gh.idx;
387       }
388     }
389   }
390
391   // returns 0 if allocation failed
392   uint32_t localPop(AtomicStruct<TaggedPtr,Atom>& head) {
393     while (true) {
394       TaggedPtr h = head.load(std::memory_order_acquire);
395       if (h.idx != 0) {
396         // local list is non-empty, try to pop
397         Slot& s = slot(h.idx);
398         if (head.compare_exchange_strong(
399                     h, h.withIdx(s.localNext).withSizeDecr())) {
400           // success
401           s.localNext = uint32_t(-1);
402           return h.idx;
403         }
404         continue;
405       }
406
407       uint32_t idx = globalPop();
408       if (idx == 0) {
409         // global list is empty, allocate and construct new slot
410         if (size_.load(std::memory_order_relaxed) >= actualCapacity_ ||
411             (idx = ++size_) > actualCapacity_) {
412           // allocation failed
413           return 0;
414         }
415         // default-construct it now if we aren't going to construct and
416         // destroy on each allocation
417         if (!eagerRecycle()) {
418           T* ptr = &slot(idx).elem;
419           new (ptr) T();
420         }
421         slot(idx).localNext = uint32_t(-1);
422         return idx;
423       }
424
425       Slot& s = slot(idx);
426       if (head.compare_exchange_strong(
427                   h, h.withIdx(s.localNext).withSize(LocalListLimit))) {
428         // global list moved to local list, keep head for us
429         s.localNext = uint32_t(-1);
430         return idx;
431       }
432       // local bulk push failed, return idx to the global list and try again
433       globalPush(s, idx);
434     }
435   }
436
437   AtomicStruct<TaggedPtr,Atom>& localHead() {
438     auto stripe = detail::AccessSpreader<Atom>::current(NumLocalLists);
439     return local_[stripe].head;
440   }
441 };
442
443 namespace detail {
444
445 /// This is a stateful Deleter functor, which allows std::unique_ptr
446 /// to track elements allocated from an IndexedMemPool by tracking the
447 /// associated pool.  See IndexedMemPool::allocElem.
448 template <typename Pool>
449 struct IndexedMemPoolRecycler {
450   Pool* pool;
451
452   explicit IndexedMemPoolRecycler(Pool* pool) : pool(pool) {}
453
454   IndexedMemPoolRecycler(const IndexedMemPoolRecycler<Pool>& rhs)
455       = default;
456   IndexedMemPoolRecycler& operator= (const IndexedMemPoolRecycler<Pool>& rhs)
457       = default;
458
459   void operator()(typename Pool::value_type* elem) const {
460     pool->recycleIndex(pool->locateElem(elem));
461   }
462 };
463
464 }
465
466 } // namespace folly
467
468 # pragma GCC diagnostic pop
469 #endif