folly/PicoSpinLock.h

   1 /*
   2  * Copyright 2017 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 /*
  18  * N.B. You most likely do _not_ want to use PicoSpinLock or any other
  19  * kind of spinlock.  Consider MicroLock instead.
  20  *
  21  * In short, spinlocks in preemptive multi-tasking operating systems
  22  * have serious problems and fast mutexes like std::mutex are almost
  23  * certainly the better choice, because letting the OS scheduler put a
  24  * thread to sleep is better for system responsiveness and throughput
  25  * than wasting a timeslice repeatedly querying a lock held by a
  26  * thread that's blocked, and you can't prevent userspace
  27  * programs blocking.
  28  *
  29  * Spinlocks in an operating system kernel make much more sense than
  30  * they do in userspace.
  31  */
  32
  33 #pragma once
  34 #define FOLLY_PICO_SPIN_LOCK_H_
  35
  36 /*
  37  * @author Keith Adams <kma@fb.com>
  38  * @author Jordan DeLong <delong.j@fb.com>
  39  */
  40
  41 #include <array>
  42 #include <atomic>
  43 #include <cinttypes>
  44 #include <cstdlib>
  45 #include <folly/Portability.h>
  46 #include <mutex>
  47 #include <type_traits>
  48
  49 #include <folly/detail/Sleeper.h>
  50 #include <glog/logging.h>
  51
  52 #if !FOLLY_X64 && !FOLLY_A64 && !FOLLY_PPC64
  53 # error "PicoSpinLock.h is currently x64, aarch64 and ppc64 only."
  54 #endif
  55
  56 namespace folly {
  57
  58 /*
  59  * Spin lock on a single bit in an integral type.  You can use this
  60  * with 16, 32, or 64-bit integral types.
  61  *
  62  * This is useful if you want a small lock and already have an int
  63  * with a bit in it that you aren't using.  But note that it can't be
  64  * as small as MicroSpinLock (1 byte), if you don't already have a
  65  * convenient int with an unused bit lying around to put it on.
  66  *
  67  * To construct these, either use init() or zero initialize.  We don't
  68  * have a real constructor because we want this to be a POD type so we
  69  * can put it into packed structs.
  70  */
  71 template<class IntType, int Bit = sizeof(IntType) * 8 - 1>
  72 struct PicoSpinLock {
  73   // Internally we deal with the unsigned version of the type.
  74   typedef typename std::make_unsigned<IntType>::type UIntType;
  75
  76   static_assert(std::is_integral<IntType>::value,
  77                 "PicoSpinLock needs an integral type");
  78   static_assert(sizeof(IntType) == 2 || sizeof(IntType) == 4 ||
  79                   sizeof(IntType) == 8,
  80                 "PicoSpinLock can't work on integers smaller than 2 bytes");
  81
  82  public:
  83   static const UIntType kLockBitMask_ = UIntType(1) << Bit;
  84   mutable UIntType lock_;
  85
  86   /*
  87    * You must call this function before using this class, if you
  88    * default constructed it.  If you zero-initialized it you can
  89    * assume the PicoSpinLock is in a valid unlocked state with
  90    * getData() == 0.
  91    *
  92    * (This doesn't use a constructor because we want to be a POD.)
  93    */
  94   void init(IntType initialValue = 0) {
  95     CHECK(!(initialValue & kLockBitMask_));
  96     reinterpret_cast<std::atomic<UIntType>*>(&lock_)->store(
  97         UIntType(initialValue), std::memory_order_release);
  98   }
  99
 100   /*
 101    * Returns the value of the integer we using for our lock, except
 102    * with the bit we are using as a lock cleared, regardless of
 103    * whether the lock is held.
 104    *
 105    * It is 'safe' to call this without holding the lock.  (As in: you
 106    * get the same guarantees for simultaneous accesses to an integer
 107    * as you normally get.)
 108    */
 109   IntType getData() const {
 110     auto res = reinterpret_cast<std::atomic<UIntType>*>(&lock_)->load(
 111                    std::memory_order_relaxed) &
 112         ~kLockBitMask_;
 113     return res;
 114   }
 115
 116   /*
 117    * Set the value of the other bits in our integer.
 118    *
 119    * Don't use this when you aren't holding the lock, unless it can be
 120    * guaranteed that no other threads may be trying to use this.
 121    */
 122   void setData(IntType w) {
 123     CHECK(!(w & kLockBitMask_));
 124     auto l = reinterpret_cast<std::atomic<UIntType>*>(&lock_);
 125     l->store(
 126         (l->load(std::memory_order_relaxed) & kLockBitMask_) | w,
 127         std::memory_order_relaxed);
 128   }
 129
 130   /*
 131    * Try to get the lock without blocking: returns whether or not we
 132    * got it.
 133    */
 134   bool try_lock() const {
 135     bool ret = false;
 136
 137 #if defined(FOLLY_SANITIZE_THREAD)
 138     // TODO: Might be able to fully move to std::atomic when gcc emits lock btr:
 139     // https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=49244
 140     ret =
 141         !(reinterpret_cast<std::atomic<UIntType>*>(&lock_)->fetch_or(
 142               kLockBitMask_, std::memory_order_acquire) &
 143           kLockBitMask_);
 144 #elif _MSC_VER
 145     switch (sizeof(IntType)) {
 146       case 2:
 147         // There is no _interlockedbittestandset16 for some reason :(
 148         ret = _InterlockedOr16(
 149             (volatile short*)&lock_, (short)kLockBitMask_) & kLockBitMask_;
 150         break;
 151       case 4:
 152         ret = _interlockedbittestandset((volatile long*)&lock_, Bit);
 153         break;
 154       case 8:
 155         ret = _interlockedbittestandset64((volatile long long*)&lock_, Bit);
 156         break;
 157     }
 158 #elif FOLLY_X64
 159 #define FB_DOBTS(size)                                  \
 160   asm volatile("lock; bts" #size " %1, (%2); setnc %0"  \
 161                : "=r" (ret)                             \
 162                : "i" (Bit),                             \
 163                  "r" (&lock_)                           \
 164                : "memory", "flags")
 165
 166     switch (sizeof(IntType)) {
 167     case 2: FB_DOBTS(w); break;
 168     case 4: FB_DOBTS(l); break;
 169     case 8: FB_DOBTS(q); break;
 170     }
 171
 172 #undef FB_DOBTS
 173 #elif FOLLY_A64
 174     ret = __atomic_fetch_or(&lock_, 1 << Bit, __ATOMIC_SEQ_CST);
 175 #elif FOLLY_PPC64
 176 #define FB_DOBTS(size)                                 \
 177     asm volatile("\teieio\n"                           \
 178                  "\tl" #size "arx 14,0,%[lockPtr]\n"   \
 179                  "\tli 15,1\n"                         \
 180                  "\tsldi 15,15,%[bit]\n"               \
 181                  "\tand. 16,15,14\n"                   \
 182                  "\tbne 0f\n"                          \
 183                  "\tor 14,14,15\n"                     \
 184                  "\tst" #size "cx. 14,0,%[lockPtr]\n"  \
 185                  "\tbne 0f\n"                          \
 186                  "\tori %[output],%[output],1\n"       \
 187                  "\tisync\n"                           \
 188                  "0:\n"                                \
 189                  : [output] "+r" (ret)                 \
 190                  : [lockPtr] "r"(&lock_),              \
 191                    [bit] "i" (Bit)                     \
 192                  : "cr0", "memory", "r14", "r15", "r16")
 193
 194     switch (sizeof(IntType)) {
 195     case 2: FB_DOBTS(h); break;
 196     case 4: FB_DOBTS(w); break;
 197     case 8: FB_DOBTS(d); break;
 198     }
 199
 200 #undef FB_DOBTS
 201 #else
 202 #error "x86 aarch64 ppc64 only"
 203 #endif
 204
 205     return ret;
 206   }
 207
 208   /*
 209    * Block until we can acquire the lock.  Uses Sleeper to wait.
 210    */
 211   void lock() const {
 212     detail::Sleeper sleeper;
 213     while (!try_lock()) {
 214       sleeper.wait();
 215     }
 216   }
 217
 218   /*
 219    * Release the lock, without changing the value of the rest of the
 220    * integer.
 221    */
 222   void unlock() const {
 223 #ifdef _MSC_VER
 224     switch (sizeof(IntType)) {
 225       case 2:
 226         // There is no _interlockedbittestandreset16 for some reason :(
 227         _InterlockedAnd16((volatile short*)&lock_, (short)~kLockBitMask_);
 228         break;
 229       case 4:
 230         _interlockedbittestandreset((volatile long*)&lock_, Bit);
 231         break;
 232       case 8:
 233         _interlockedbittestandreset64((volatile long long*)&lock_, Bit);
 234         break;
 235     }
 236 #elif FOLLY_X64
 237 #define FB_DOBTR(size)                          \
 238   asm volatile("lock; btr" #size " %0, (%1)"    \
 239                :                                \
 240                : "i" (Bit),                     \
 241                  "r" (&lock_)                   \
 242                : "memory", "flags")
 243
 244
 245     // Reads and writes can not be reordered wrt locked instructions,
 246     // so we don't need a memory fence here.
 247     switch (sizeof(IntType)) {
 248     case 2: FB_DOBTR(w); break;
 249     case 4: FB_DOBTR(l); break;
 250     case 8: FB_DOBTR(q); break;
 251     }
 252
 253 #undef FB_DOBTR
 254 #elif FOLLY_A64
 255     __atomic_fetch_and(&lock_, ~(1 << Bit), __ATOMIC_SEQ_CST);
 256 #elif FOLLY_PPC64
 257 #define FB_DOBTR(size)                                 \
 258     asm volatile("\teieio\n"                           \
 259                  "0:  l" #size "arx 14,0,%[lockPtr]\n" \
 260                  "\tli 15,1\n"                         \
 261                  "\tsldi 15,15,%[bit]\n"               \
 262                  "\txor 14,14,15\n"                    \
 263                  "\tst" #size "cx. 14,0,%[lockPtr]\n"  \
 264                  "\tbne 0b\n"                          \
 265                  "\tisync\n"                           \
 266                  :                                     \
 267                  : [lockPtr] "r"(&lock_),              \
 268                    [bit] "i" (Bit)                     \
 269                  : "cr0", "memory", "r14", "r15")
 270
 271     switch (sizeof(IntType)) {
 272     case 2: FB_DOBTR(h); break;
 273     case 4: FB_DOBTR(w); break;
 274     case 8: FB_DOBTR(d); break;
 275     }
 276
 277 #undef FB_DOBTR
 278 #else
 279 # error "x64 aarch64 ppc64 only"
 280 #endif
 281   }
 282 };
 283
 284 }