Add hardware_destructive_interference_size
[folly.git] / folly / concurrency / CacheLocality.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 #pragma once
18
19 #include <algorithm>
20 #include <array>
21 #include <atomic>
22 #include <cassert>
23 #include <functional>
24 #include <limits>
25 #include <mutex>
26 #include <string>
27 #include <type_traits>
28 #include <unordered_map>
29 #include <vector>
30
31 #include <folly/Indestructible.h>
32 #include <folly/Likely.h>
33 #include <folly/Memory.h>
34 #include <folly/Portability.h>
35 #include <folly/hash/Hash.h>
36 #include <folly/lang/Align.h>
37 #include <folly/portability/BitsFunctexcept.h>
38 #include <folly/portability/Memory.h>
39 #include <folly/system/ThreadId.h>
40
41 namespace folly {
42
43 // This file contains several classes that might be useful if you are
44 // trying to dynamically optimize cache locality: CacheLocality reads
45 // cache sharing information from sysfs to determine how CPUs should be
46 // grouped to minimize contention, Getcpu provides fast access to the
47 // current CPU via __vdso_getcpu, and AccessSpreader uses these two to
48 // optimally spread accesses among a predetermined number of stripes.
49 //
50 // AccessSpreader<>::current(n) microbenchmarks at 22 nanos, which is
51 // substantially less than the cost of a cache miss.  This means that we
52 // can effectively use it to reduce cache line ping-pong on striped data
53 // structures such as IndexedMemPool or statistics counters.
54 //
55 // Because CacheLocality looks at all of the cache levels, it can be
56 // used for different levels of optimization.  AccessSpreader(2) does
57 // per-chip spreading on a dual socket system.  AccessSpreader(numCpus)
58 // does perfect per-cpu spreading.  AccessSpreader(numCpus / 2) does
59 // perfect L1 spreading in a system with hyperthreading enabled.
60
61 struct CacheLocality {
62   /// 1 more than the maximum value that can be returned from sched_getcpu
63   /// or getcpu.  This is the number of hardware thread contexts provided
64   /// by the processors
65   size_t numCpus;
66
67   /// Holds the number of caches present at each cache level (0 is
68   /// the closest to the cpu).  This is the number of AccessSpreader
69   /// stripes needed to avoid cross-cache communication at the specified
70   /// layer.  numCachesByLevel.front() is the number of L1 caches and
71   /// numCachesByLevel.back() is the number of last-level caches.
72   std::vector<size_t> numCachesByLevel;
73
74   /// A map from cpu (from sched_getcpu or getcpu) to an index in the
75   /// range 0..numCpus-1, where neighboring locality indices are more
76   /// likely to share caches then indices far away.  All of the members
77   /// of a particular cache level be contiguous in their locality index.
78   /// For example, if numCpus is 32 and numCachesByLevel.back() is 2,
79   /// then cpus with a locality index < 16 will share one last-level
80   /// cache and cpus with a locality index >= 16 will share the other.
81   std::vector<size_t> localityIndexByCpu;
82
83   /// Returns the best CacheLocality information available for the current
84   /// system, cached for fast access.  This will be loaded from sysfs if
85   /// possible, otherwise it will be correct in the number of CPUs but
86   /// not in their sharing structure.
87   ///
88   /// If you are into yo dawgs, this is a shared cache of the local
89   /// locality of the shared caches.
90   ///
91   /// The template parameter here is used to allow injection of a
92   /// repeatable CacheLocality structure during testing.  Rather than
93   /// inject the type of the CacheLocality provider into every data type
94   /// that transitively uses it, all components select between the default
95   /// sysfs implementation and a deterministic implementation by keying
96   /// off the type of the underlying atomic.  See DeterministicScheduler.
97   template <template <typename> class Atom = std::atomic>
98   static const CacheLocality& system();
99
100   /// Reads CacheLocality information from a tree structured like
101   /// the sysfs filesystem.  The provided function will be evaluated
102   /// for each sysfs file that needs to be queried.  The function
103   /// should return a string containing the first line of the file
104   /// (not including the newline), or an empty string if the file does
105   /// not exist.  The function will be called with paths of the form
106   /// /sys/devices/system/cpu/cpu*/cache/index*/{type,shared_cpu_list} .
107   /// Throws an exception if no caches can be parsed at all.
108   static CacheLocality readFromSysfsTree(
109       const std::function<std::string(std::string)>& mapping);
110
111   /// Reads CacheLocality information from the real sysfs filesystem.
112   /// Throws an exception if no cache information can be loaded.
113   static CacheLocality readFromSysfs();
114
115   /// Returns a usable (but probably not reflective of reality)
116   /// CacheLocality structure with the specified number of cpus and a
117   /// single cache level that associates one cpu per cache.
118   static CacheLocality uniform(size_t numCpus);
119 };
120
121 // TODO replace with alignas(hardware_destructive_interference_size)
122
123 /// An attribute that will cause a variable or field to be aligned so that
124 /// it doesn't have false sharing with anything at a smaller memory address.
125 #define FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING FOLLY_ALIGNED(128)
126
127 /// Knows how to derive a function pointer to the VDSO implementation of
128 /// getcpu(2), if available
129 struct Getcpu {
130   /// Function pointer to a function with the same signature as getcpu(2).
131   typedef int (*Func)(unsigned* cpu, unsigned* node, void* unused);
132
133   /// Returns a pointer to the VDSO implementation of getcpu(2), if
134   /// available, or nullptr otherwise.  This function may be quite
135   /// expensive, be sure to cache the result.
136   static Func resolveVdsoFunc();
137 };
138
139 #ifdef FOLLY_TLS
140 template <template <typename> class Atom>
141 struct SequentialThreadId {
142   /// Returns the thread id assigned to the current thread
143   static unsigned get() {
144     auto rv = currentId;
145     if (UNLIKELY(rv == 0)) {
146       rv = currentId = ++prevId;
147     }
148     return rv;
149   }
150
151  private:
152   static Atom<unsigned> prevId;
153
154   static FOLLY_TLS unsigned currentId;
155 };
156
157 template <template <typename> class Atom>
158 Atom<unsigned> SequentialThreadId<Atom>::prevId(0);
159
160 template <template <typename> class Atom>
161 FOLLY_TLS unsigned SequentialThreadId<Atom>::currentId(0);
162
163 // Suppress this instantiation in other translation units. It is
164 // instantiated in CacheLocality.cpp
165 extern template struct SequentialThreadId<std::atomic>;
166 #endif
167
168 struct HashingThreadId {
169   static unsigned get() {
170     return hash::twang_32from64(getCurrentThreadID());
171   }
172 };
173
174 /// A class that lazily binds a unique (for each implementation of Atom)
175 /// identifier to a thread.  This is a fallback mechanism for the access
176 /// spreader if __vdso_getcpu can't be loaded
177 template <typename ThreadId>
178 struct FallbackGetcpu {
179   /// Fills the thread id into the cpu and node out params (if they
180   /// are non-null).  This method is intended to act like getcpu when a
181   /// fast-enough form of getcpu isn't available or isn't desired
182   static int getcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void* /* unused */) {
183     auto id = ThreadId::get();
184     if (cpu) {
185       *cpu = id;
186     }
187     if (node) {
188       *node = id;
189     }
190     return 0;
191   }
192 };
193
194 #ifdef FOLLY_TLS
195 typedef FallbackGetcpu<SequentialThreadId<std::atomic>> FallbackGetcpuType;
196 #else
197 typedef FallbackGetcpu<HashingThreadId> FallbackGetcpuType;
198 #endif
199
200 /// AccessSpreader arranges access to a striped data structure in such a
201 /// way that concurrently executing threads are likely to be accessing
202 /// different stripes.  It does NOT guarantee uncontended access.
203 /// Your underlying algorithm must be thread-safe without spreading, this
204 /// is merely an optimization.  AccessSpreader::current(n) is typically
205 /// much faster than a cache miss (12 nanos on my dev box, tested fast
206 /// in both 2.6 and 3.2 kernels).
207 ///
208 /// If available (and not using the deterministic testing implementation)
209 /// AccessSpreader uses the getcpu system call via VDSO and the
210 /// precise locality information retrieved from sysfs by CacheLocality.
211 /// This provides optimal anti-sharing at a fraction of the cost of a
212 /// cache miss.
213 ///
214 /// When there are not as many stripes as processors, we try to optimally
215 /// place the cache sharing boundaries.  This means that if you have 2
216 /// stripes and run on a dual-socket system, your 2 stripes will each get
217 /// all of the cores from a single socket.  If you have 16 stripes on a
218 /// 16 core system plus hyperthreading (32 cpus), each core will get its
219 /// own stripe and there will be no cache sharing at all.
220 ///
221 /// AccessSpreader has a fallback mechanism for when __vdso_getcpu can't be
222 /// loaded, or for use during deterministic testing.  Using sched_getcpu
223 /// or the getcpu syscall would negate the performance advantages of
224 /// access spreading, so we use a thread-local value and a shared atomic
225 /// counter to spread access out.  On systems lacking both a fast getcpu()
226 /// and TLS, we hash the thread id to spread accesses.
227 ///
228 /// AccessSpreader is templated on the template type that is used
229 /// to implement atomics, as a way to instantiate the underlying
230 /// heuristics differently for production use and deterministic unit
231 /// testing.  See DeterministicScheduler for more.  If you aren't using
232 /// DeterministicScheduler, you can just use the default template parameter
233 /// all of the time.
234 template <template <typename> class Atom = std::atomic>
235 struct AccessSpreader {
236   /// Returns the stripe associated with the current CPU.  The returned
237   /// value will be < numStripes.
238   static size_t current(size_t numStripes) {
239     // widthAndCpuToStripe[0] will actually work okay (all zeros), but
240     // something's wrong with the caller
241     assert(numStripes > 0);
242
243     unsigned cpu;
244     getcpuFunc(&cpu, nullptr, nullptr);
245     return widthAndCpuToStripe[std::min(size_t(kMaxCpus), numStripes)]
246                               [cpu % kMaxCpus];
247   }
248
249  private:
250   /// If there are more cpus than this nothing will crash, but there
251   /// might be unnecessary sharing
252   enum { kMaxCpus = 128 };
253
254   typedef uint8_t CompactStripe;
255
256   static_assert(
257       (kMaxCpus & (kMaxCpus - 1)) == 0,
258       "kMaxCpus should be a power of two so modulo is fast");
259   static_assert(
260       kMaxCpus - 1 <= std::numeric_limits<CompactStripe>::max(),
261       "stripeByCpu element type isn't wide enough");
262
263   /// Points to the getcpu-like function we are using to obtain the
264   /// current cpu.  It should not be assumed that the returned cpu value
265   /// is in range.  We use a static for this so that we can prearrange a
266   /// valid value in the pre-constructed state and avoid the need for a
267   /// conditional on every subsequent invocation (not normally a big win,
268   /// but 20% on some inner loops here).
269   static Getcpu::Func getcpuFunc;
270
271   /// For each level of splitting up to kMaxCpus, maps the cpu (mod
272   /// kMaxCpus) to the stripe.  Rather than performing any inequalities
273   /// or modulo on the actual number of cpus, we just fill in the entire
274   /// array.
275   static CompactStripe widthAndCpuToStripe[kMaxCpus + 1][kMaxCpus];
276
277   static bool initialized;
278
279   /// Returns the best getcpu implementation for Atom
280   static Getcpu::Func pickGetcpuFunc() {
281     auto best = Getcpu::resolveVdsoFunc();
282     return best ? best : &FallbackGetcpuType::getcpu;
283   }
284
285   /// Always claims to be on CPU zero, node zero
286   static int degenerateGetcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void*) {
287     if (cpu != nullptr) {
288       *cpu = 0;
289     }
290     if (node != nullptr) {
291       *node = 0;
292     }
293     return 0;
294   }
295
296   // The function to call for fast lookup of getcpu is a singleton, as
297   // is the precomputed table of locality information.  AccessSpreader
298   // is used in very tight loops, however (we're trying to race an L1
299   // cache miss!), so the normal singleton mechanisms are noticeably
300   // expensive.  Even a not-taken branch guarding access to getcpuFunc
301   // slows AccessSpreader::current from 12 nanos to 14.  As a result, we
302   // populate the static members with simple (but valid) values that can
303   // be filled in by the linker, and then follow up with a normal static
304   // initializer call that puts in the proper version.  This means that
305   // when there are initialization order issues we will just observe a
306   // zero stripe.  Once a sanitizer gets smart enough to detect this as
307   // a race or undefined behavior, we can annotate it.
308
309   static bool initialize() {
310     getcpuFunc = pickGetcpuFunc();
311
312     auto& cacheLocality = CacheLocality::system<Atom>();
313     auto n = cacheLocality.numCpus;
314     for (size_t width = 0; width <= kMaxCpus; ++width) {
315       auto numStripes = std::max(size_t{1}, width);
316       for (size_t cpu = 0; cpu < kMaxCpus && cpu < n; ++cpu) {
317         auto index = cacheLocality.localityIndexByCpu[cpu];
318         assert(index < n);
319         // as index goes from 0..n, post-transform value goes from
320         // 0..numStripes
321         widthAndCpuToStripe[width][cpu] =
322             CompactStripe((index * numStripes) / n);
323         assert(widthAndCpuToStripe[width][cpu] < numStripes);
324       }
325       for (size_t cpu = n; cpu < kMaxCpus; ++cpu) {
326         widthAndCpuToStripe[width][cpu] = widthAndCpuToStripe[width][cpu - n];
327       }
328     }
329     return true;
330   }
331 };
332
333 template <template <typename> class Atom>
334 Getcpu::Func AccessSpreader<Atom>::getcpuFunc =
335     AccessSpreader<Atom>::degenerateGetcpu;
336
337 template <template <typename> class Atom>
338 typename AccessSpreader<Atom>::CompactStripe
339     AccessSpreader<Atom>::widthAndCpuToStripe[kMaxCpus + 1][kMaxCpus] = {};
340
341 template <template <typename> class Atom>
342 bool AccessSpreader<Atom>::initialized = AccessSpreader<Atom>::initialize();
343
344 // Suppress this instantiation in other translation units. It is
345 // instantiated in CacheLocality.cpp
346 extern template struct AccessSpreader<std::atomic>;
347
348 /**
349  * A simple freelist allocator.  Allocates things of size sz, from
350  * slabs of size allocSize.  Takes a lock on each
351  * allocation/deallocation.
352  */
353 class SimpleAllocator {
354   std::mutex m_;
355   uint8_t* mem_{nullptr};
356   uint8_t* end_{nullptr};
357   void* freelist_{nullptr};
358   size_t allocSize_;
359   size_t sz_;
360   std::vector<void*> blocks_;
361
362  public:
363   SimpleAllocator(size_t allocSize, size_t sz);
364   ~SimpleAllocator();
365   void* allocateHard();
366
367   // Inline fast-paths.
368   void* allocate() {
369     std::lock_guard<std::mutex> g(m_);
370     // Freelist allocation.
371     if (freelist_) {
372       auto mem = freelist_;
373       freelist_ = *static_cast<void**>(freelist_);
374       return mem;
375     }
376
377     // Bump-ptr allocation.
378     if (intptr_t(mem_) % 128 == 0) {
379       // Avoid allocating pointers that may look like malloc
380       // pointers.
381       mem_ += std::min(sz_, max_align_v);
382     }
383     if (mem_ && (mem_ + sz_ <= end_)) {
384       auto mem = mem_;
385       mem_ += sz_;
386
387       assert(intptr_t(mem) % 128 != 0);
388       return mem;
389     }
390
391     return allocateHard();
392   }
393   void deallocate(void* mem) {
394     std::lock_guard<std::mutex> g(m_);
395     *static_cast<void**>(mem) = freelist_;
396     freelist_ = mem;
397   }
398 };
399
400 /**
401  * An allocator that can be used with CacheLocality to allocate
402  * core-local memory.
403  *
404  * There is actually nothing special about the memory itself (it is
405  * not bound to numa nodes or anything), but the allocator guarantees
406  * that memory allocatd from the same stripe will only come from cache
407  * lines also allocated to the same stripe.  This means multiple
408  * things using CacheLocality can allocate memory in smaller-than
409  * cacheline increments, and be assured that it won't cause more false
410  * sharing than it otherwise would.
411  *
412  * Note that allocation and deallocation takes a per-sizeclass lock.
413  */
414 template <size_t Stripes>
415 class CoreAllocator {
416  public:
417   class Allocator {
418     static constexpr size_t AllocSize{4096};
419
420     uint8_t sizeClass(size_t size) {
421       if (size <= 8) {
422         return 0;
423       } else if (size <= 16) {
424         return 1;
425       } else if (size <= 32) {
426         return 2;
427       } else if (size <= 64) {
428         return 3;
429       } else { // punt to malloc.
430         return 4;
431       }
432     }
433
434     std::array<SimpleAllocator, 4> allocators_{
435         {{AllocSize, 8}, {AllocSize, 16}, {AllocSize, 32}, {AllocSize, 64}}};
436
437    public:
438     void* allocate(size_t size) {
439       auto cl = sizeClass(size);
440       if (cl == 4) {
441         // Align to a cacheline
442         size = size + (hardware_destructive_interference_size - 1);
443         size &= ~size_t(hardware_destructive_interference_size - 1);
444         void* mem = detail::aligned_malloc(
445             size, hardware_destructive_interference_size);
446         if (!mem) {
447           std::__throw_bad_alloc();
448         }
449         return mem;
450       }
451       return allocators_[cl].allocate();
452     }
453     void deallocate(void* mem) {
454       if (!mem) {
455         return;
456       }
457
458       // See if it came from this allocator or malloc.
459       if (intptr_t(mem) % 128 != 0) {
460         auto addr =
461             reinterpret_cast<void*>(intptr_t(mem) & ~intptr_t(AllocSize - 1));
462         auto allocator = *static_cast<SimpleAllocator**>(addr);
463         allocator->deallocate(mem);
464       } else {
465         detail::aligned_free(mem);
466       }
467     }
468   };
469
470   Allocator* get(size_t stripe) {
471     assert(stripe < Stripes);
472     return &allocators_[stripe];
473   }
474
475  private:
476   Allocator allocators_[Stripes];
477 };
478
479 template <size_t Stripes>
480 typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator* getCoreAllocator(size_t stripe) {
481   // We cannot make sure that the allocator will be destroyed after
482   // all the objects allocated with it, so we leak it.
483   static Indestructible<CoreAllocator<Stripes>> allocator;
484   return allocator->get(stripe);
485 }
486
487 template <typename T, size_t Stripes>
488 StlAllocator<typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator, T> getCoreAllocatorStl(
489     size_t stripe) {
490   auto alloc = getCoreAllocator<Stripes>(stripe);
491   return StlAllocator<typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator, T>(alloc);
492 }
493
494 } // namespace folly