folly/MicroLock.h

   1 /*
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  15  */
  16
  17 #pragma once
  18
  19 #include <assert.h>
  20 #include <climits>
  21 #include <stdint.h>
  22 #include <folly/detail/Futex.h>
  23 #include <folly/Portability.h>
  24
  25 #if defined(__clang__)
  26 #define NO_SANITIZE_ADDRESS __attribute__((__no_sanitize__("address")))
  27 #else
  28 #define NO_SANITIZE_ADDRESS
  29 #endif
  30
  31 namespace folly {
  32
  33 /**
  34  * Tiny exclusive lock that packs four lock slots into a single
  35  * byte. Each slot is an independent real, sleeping lock.  The default
  36  * lock and unlock functions operate on slot zero, which modifies only
  37  * the low two bits of the host byte.
  38  *
  39  * You should zero-initialize the bits of a MicroLock that you intend
  40  * to use.
  41  *
  42  * If you're not space-constrained, prefer std::mutex, which will
  43  * likely be faster, since it has more than two bits of information to
  44  * work with.
  45  *
  46  * You are free to put a MicroLock in a union with some other object.
  47  * If, for example, you want to use the bottom two bits of a pointer
  48  * as a lock, you can put a MicroLock in a union with the pointer and
  49  * limit yourself to MicroLock slot zero, which will use the two
  50  * least-significant bits in the bottom byte.
  51  *
  52  * (Note that such a union is safe only because MicroLock is based on
  53  * a character type, and even under a strict interpretation of C++'s
  54  * aliasing rules, character types may alias anything.)
  55  *
  56  * MicroLock uses a dirty trick: it actually operates on the full
  57  * word-size, word-aligned bit of memory into which it is embedded.
  58  * It never modifies bits outside the ones it's defined to modify, but
  59  * it _accesses_ all the bits in the word for purposes of
  60  * futex management.
  61  *
  62  * The MaxSpins template parameter controls the number of times we
  63  * spin trying to acquire the lock.  MaxYields controls the number of
  64  * times we call sched_yield; once we've tried to acquire the lock
  65  * MaxSpins + MaxYields times, we sleep on the lock futex.
  66  * By adjusting these parameters, you can make MicroLock behave as
  67  * much or as little like a conventional spinlock as you'd like.
  68  *
  69  * Performance
  70  * -----------
  71  *
  72  * With the default template options, the timings for uncontended
  73  * acquire-then-release come out as follows on Intel(R) Xeon(R) CPU
  74  * E5-2660 0 @ 2.20GHz, in @mode/opt, as of the master tree at Tue, 01
  75  * Mar 2016 19:48:15.
  76  *
  77  * ========================================================================
  78  * folly/test/SmallLocksBenchmark.cpp          relative  time/iter  iters/s
  79  * ========================================================================
  80  * MicroSpinLockUncontendedBenchmark                       13.46ns   74.28M
  81  * PicoSpinLockUncontendedBenchmark                        14.99ns   66.71M
  82  * MicroLockUncontendedBenchmark                           27.06ns   36.96M
  83  * StdMutexUncontendedBenchmark                            25.18ns   39.72M
  84  * VirtualFunctionCall                                      1.72ns  579.78M
  85  * ========================================================================
  86  *
  87  * (The virtual dispatch benchmark is provided for scale.)
  88  *
  89  * The contended case for MicroLock is likely to be worse compared to
  90  * std::mutex than the contended case is.  Make sure to benchmark your
  91  * particular workload.
  92  *
  93  */
  94
  95 class MicroLockCore {
  96  protected:
  97 #if defined(__SANITIZE_ADDRESS__) && !defined(__clang__) && \
  98     (defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__))
  99   uint32_t lock_;
 100 #else
 101   uint8_t lock_;
 102 #endif
 103   inline detail::Futex<>* word() const;
 104   inline uint32_t baseShift(unsigned slot) const;
 105   inline uint32_t heldBit(unsigned slot) const;
 106   inline uint32_t waitBit(unsigned slot) const;
 107   static void lockSlowPath(uint32_t oldWord,
 108                            detail::Futex<>* wordPtr,
 109                            uint32_t slotHeldBit,
 110                            unsigned maxSpins,
 111                            unsigned maxYields);
 112
 113  public:
 114   inline void unlock(unsigned slot) NO_SANITIZE_ADDRESS;
 115   inline void unlock() { unlock(0); }
 116   // Initializes all the slots.
 117   inline void init() { lock_ = 0; }
 118 };
 119
 120 inline detail::Futex<>* MicroLockCore::word() const {
 121   uintptr_t lockptr = (uintptr_t)&lock_;
 122   lockptr &= ~(sizeof(uint32_t) - 1);
 123   return (detail::Futex<>*)lockptr;
 124 }
 125
 126 inline unsigned MicroLockCore::baseShift(unsigned slot) const {
 127   assert(slot < CHAR_BIT / 2);
 128
 129   unsigned offset_bytes = (unsigned)((uintptr_t)&lock_ - (uintptr_t)word());
 130
 131   return kIsLittleEndian
 132              ? offset_bytes * CHAR_BIT + slot * 2
 133              : CHAR_BIT * (sizeof(uint32_t) - offset_bytes - 1) + slot * 2;
 134 }
 135
 136 inline uint32_t MicroLockCore::heldBit(unsigned slot) const {
 137   return 1U << (baseShift(slot) + 0);
 138 }
 139
 140 inline uint32_t MicroLockCore::waitBit(unsigned slot) const {
 141   return 1U << (baseShift(slot) + 1);
 142 }
 143
 144 void MicroLockCore::unlock(unsigned slot) {
 145   detail::Futex<>* wordPtr = word();
 146   uint32_t oldWord;
 147   uint32_t newWord;
 148
 149   oldWord = wordPtr->load(std::memory_order_relaxed);
 150   do {
 151     assert(oldWord & heldBit(slot));
 152     newWord = oldWord & ~(heldBit(slot) | waitBit(slot));
 153   } while (!wordPtr->compare_exchange_weak(
 154       oldWord, newWord, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
 155
 156   if (oldWord & waitBit(slot)) {
 157     // We don't track the number of waiters, so wake everyone
 158     (void)wordPtr->futexWake(std::numeric_limits<int>::max(), heldBit(slot));
 159   }
 160 }
 161
 162 template <unsigned MaxSpins = 1000, unsigned MaxYields = 0>
 163 class MicroLockBase : public MicroLockCore {
 164  public:
 165   inline void lock(unsigned slot) NO_SANITIZE_ADDRESS;
 166   inline void lock() { lock(0); }
 167   inline bool try_lock(unsigned slot) NO_SANITIZE_ADDRESS;
 168   inline bool try_lock() { return try_lock(0); }
 169 };
 170
 171 template <unsigned MaxSpins, unsigned MaxYields>
 172 bool MicroLockBase<MaxSpins, MaxYields>::try_lock(unsigned slot) {
 173
 174   // N.B. You might think that try_lock is just the fast path of lock,
 175   // but you'd be wrong.  Keep in mind that other parts of our host
 176   // word might be changing while we take the lock!  We're not allowed
 177   // to fail spuriously if the lock is in fact not held, even if other
 178   // people are concurrently modifying other parts of the word.
 179   //
 180   // We need to loop until we either see firm evidence that somebody
 181   // else has the lock (by looking at heldBit) or see our CAS succeed.
 182   // A failed CAS by itself does not indicate lock-acquire failure.
 183
 184   detail::Futex<>* wordPtr = word();
 185   uint32_t oldWord = wordPtr->load(std::memory_order_relaxed);
 186   do {
 187     if (oldWord & heldBit(slot)) {
 188       return false;
 189     }
 190   } while (!wordPtr->compare_exchange_weak(oldWord,
 191                                            oldWord | heldBit(slot),
 192                                            std::memory_order_acquire,
 193                                            std::memory_order_relaxed));
 194
 195   return true;
 196 }
 197
 198 template <unsigned MaxSpins, unsigned MaxYields>
 199 void MicroLockBase<MaxSpins, MaxYields>::lock(unsigned slot) {
 200
 201   static_assert(MaxSpins + MaxYields < (unsigned)-1, "overflow");
 202
 203   detail::Futex<>* wordPtr = word();
 204   uint32_t oldWord;
 205   oldWord = wordPtr->load(std::memory_order_relaxed);
 206   if ((oldWord & heldBit(slot)) == 0 &&
 207       wordPtr->compare_exchange_weak(oldWord,
 208                                      oldWord | heldBit(slot),
 209                                      std::memory_order_acquire,
 210                                      std::memory_order_relaxed)) {
 211     // Fast uncontended case: memory_order_acquire above is our barrier
 212   } else {
 213     // lockSlowPath doesn't have any slot-dependent computation; it
 214     // just shifts the input bit.  Make sure its shifting produces the
 215     // same result a call to waitBit for our slot would.
 216     assert(heldBit(slot) << 1 == waitBit(slot));
 217     // lockSlowPath emits its own memory barrier
 218     lockSlowPath(oldWord, wordPtr, heldBit(slot), MaxSpins, MaxYields);
 219   }
 220 }
 221
 222 typedef MicroLockBase<> MicroLock;
 223 }