7751b7dc91b624a3d3137694990ebea271f88ee0
[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   enum {
121     /// Memory locations on the same cache line are subject to false
122     /// sharing, which is very bad for performance.  Microbenchmarks
123     /// indicate that pairs of cache lines also see interference under
124     /// heavy use of atomic operations (observed for atomic increment on
125     /// Sandy Bridge).  See FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING
126     kFalseSharingRange = 128
127   };
128
129   static_assert(
130       kFalseSharingRange == 128,
131       "FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING should track kFalseSharingRange");
132 };
133
134 // TODO replace __attribute__ with alignas and 128 with kFalseSharingRange
135
136 /// An attribute that will cause a variable or field to be aligned so that
137 /// it doesn't have false sharing with anything at a smaller memory address.
138 #define FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING FOLLY_ALIGNED(128)
139
140 /// Knows how to derive a function pointer to the VDSO implementation of
141 /// getcpu(2), if available
142 struct Getcpu {
143   /// Function pointer to a function with the same signature as getcpu(2).
144   typedef int (*Func)(unsigned* cpu, unsigned* node, void* unused);
145
146   /// Returns a pointer to the VDSO implementation of getcpu(2), if
147   /// available, or nullptr otherwise.  This function may be quite
148   /// expensive, be sure to cache the result.
149   static Func resolveVdsoFunc();
150 };
151
152 #ifdef FOLLY_TLS
153 template <template <typename> class Atom>
154 struct SequentialThreadId {
155   /// Returns the thread id assigned to the current thread
156   static unsigned get() {
157     auto rv = currentId;
158     if (UNLIKELY(rv == 0)) {
159       rv = currentId = ++prevId;
160     }
161     return rv;
162   }
163
164  private:
165   static Atom<unsigned> prevId;
166
167   static FOLLY_TLS unsigned currentId;
168 };
169
170 template <template <typename> class Atom>
171 Atom<unsigned> SequentialThreadId<Atom>::prevId(0);
172
173 template <template <typename> class Atom>
174 FOLLY_TLS unsigned SequentialThreadId<Atom>::currentId(0);
175
176 // Suppress this instantiation in other translation units. It is
177 // instantiated in CacheLocality.cpp
178 extern template struct SequentialThreadId<std::atomic>;
179 #endif
180
181 struct HashingThreadId {
182   static unsigned get() {
183     return hash::twang_32from64(getCurrentThreadID());
184   }
185 };
186
187 /// A class that lazily binds a unique (for each implementation of Atom)
188 /// identifier to a thread.  This is a fallback mechanism for the access
189 /// spreader if __vdso_getcpu can't be loaded
190 template <typename ThreadId>
191 struct FallbackGetcpu {
192   /// Fills the thread id into the cpu and node out params (if they
193   /// are non-null).  This method is intended to act like getcpu when a
194   /// fast-enough form of getcpu isn't available or isn't desired
195   static int getcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void* /* unused */) {
196     auto id = ThreadId::get();
197     if (cpu) {
198       *cpu = id;
199     }
200     if (node) {
201       *node = id;
202     }
203     return 0;
204   }
205 };
206
207 #ifdef FOLLY_TLS
208 typedef FallbackGetcpu<SequentialThreadId<std::atomic>> FallbackGetcpuType;
209 #else
210 typedef FallbackGetcpu<HashingThreadId> FallbackGetcpuType;
211 #endif
212
213 /// AccessSpreader arranges access to a striped data structure in such a
214 /// way that concurrently executing threads are likely to be accessing
215 /// different stripes.  It does NOT guarantee uncontended access.
216 /// Your underlying algorithm must be thread-safe without spreading, this
217 /// is merely an optimization.  AccessSpreader::current(n) is typically
218 /// much faster than a cache miss (12 nanos on my dev box, tested fast
219 /// in both 2.6 and 3.2 kernels).
220 ///
221 /// If available (and not using the deterministic testing implementation)
222 /// AccessSpreader uses the getcpu system call via VDSO and the
223 /// precise locality information retrieved from sysfs by CacheLocality.
224 /// This provides optimal anti-sharing at a fraction of the cost of a
225 /// cache miss.
226 ///
227 /// When there are not as many stripes as processors, we try to optimally
228 /// place the cache sharing boundaries.  This means that if you have 2
229 /// stripes and run on a dual-socket system, your 2 stripes will each get
230 /// all of the cores from a single socket.  If you have 16 stripes on a
231 /// 16 core system plus hyperthreading (32 cpus), each core will get its
232 /// own stripe and there will be no cache sharing at all.
233 ///
234 /// AccessSpreader has a fallback mechanism for when __vdso_getcpu can't be
235 /// loaded, or for use during deterministic testing.  Using sched_getcpu
236 /// or the getcpu syscall would negate the performance advantages of
237 /// access spreading, so we use a thread-local value and a shared atomic
238 /// counter to spread access out.  On systems lacking both a fast getcpu()
239 /// and TLS, we hash the thread id to spread accesses.
240 ///
241 /// AccessSpreader is templated on the template type that is used
242 /// to implement atomics, as a way to instantiate the underlying
243 /// heuristics differently for production use and deterministic unit
244 /// testing.  See DeterministicScheduler for more.  If you aren't using
245 /// DeterministicScheduler, you can just use the default template parameter
246 /// all of the time.
247 template <template <typename> class Atom = std::atomic>
248 struct AccessSpreader {
249   /// Returns the stripe associated with the current CPU.  The returned
250   /// value will be < numStripes.
251   static size_t current(size_t numStripes) {
252     // widthAndCpuToStripe[0] will actually work okay (all zeros), but
253     // something's wrong with the caller
254     assert(numStripes > 0);
255
256     unsigned cpu;
257     getcpuFunc(&cpu, nullptr, nullptr);
258     return widthAndCpuToStripe[std::min(size_t(kMaxCpus), numStripes)]
259                               [cpu % kMaxCpus];
260   }
261
262  private:
263   /// If there are more cpus than this nothing will crash, but there
264   /// might be unnecessary sharing
265   enum { kMaxCpus = 128 };
266
267   typedef uint8_t CompactStripe;
268
269   static_assert(
270       (kMaxCpus & (kMaxCpus - 1)) == 0,
271       "kMaxCpus should be a power of two so modulo is fast");
272   static_assert(
273       kMaxCpus - 1 <= std::numeric_limits<CompactStripe>::max(),
274       "stripeByCpu element type isn't wide enough");
275
276   /// Points to the getcpu-like function we are using to obtain the
277   /// current cpu.  It should not be assumed that the returned cpu value
278   /// is in range.  We use a static for this so that we can prearrange a
279   /// valid value in the pre-constructed state and avoid the need for a
280   /// conditional on every subsequent invocation (not normally a big win,
281   /// but 20% on some inner loops here).
282   static Getcpu::Func getcpuFunc;
283
284   /// For each level of splitting up to kMaxCpus, maps the cpu (mod
285   /// kMaxCpus) to the stripe.  Rather than performing any inequalities
286   /// or modulo on the actual number of cpus, we just fill in the entire
287   /// array.
288   static CompactStripe widthAndCpuToStripe[kMaxCpus + 1][kMaxCpus];
289
290   static bool initialized;
291
292   /// Returns the best getcpu implementation for Atom
293   static Getcpu::Func pickGetcpuFunc() {
294     auto best = Getcpu::resolveVdsoFunc();
295     return best ? best : &FallbackGetcpuType::getcpu;
296   }
297
298   /// Always claims to be on CPU zero, node zero
299   static int degenerateGetcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void*) {
300     if (cpu != nullptr) {
301       *cpu = 0;
302     }
303     if (node != nullptr) {
304       *node = 0;
305     }
306     return 0;
307   }
308
309   // The function to call for fast lookup of getcpu is a singleton, as
310   // is the precomputed table of locality information.  AccessSpreader
311   // is used in very tight loops, however (we're trying to race an L1
312   // cache miss!), so the normal singleton mechanisms are noticeably
313   // expensive.  Even a not-taken branch guarding access to getcpuFunc
314   // slows AccessSpreader::current from 12 nanos to 14.  As a result, we
315   // populate the static members with simple (but valid) values that can
316   // be filled in by the linker, and then follow up with a normal static
317   // initializer call that puts in the proper version.  This means that
318   // when there are initialization order issues we will just observe a
319   // zero stripe.  Once a sanitizer gets smart enough to detect this as
320   // a race or undefined behavior, we can annotate it.
321
322   static bool initialize() {
323     getcpuFunc = pickGetcpuFunc();
324
325     auto& cacheLocality = CacheLocality::system<Atom>();
326     auto n = cacheLocality.numCpus;
327     for (size_t width = 0; width <= kMaxCpus; ++width) {
328       auto numStripes = std::max(size_t{1}, width);
329       for (size_t cpu = 0; cpu < kMaxCpus && cpu < n; ++cpu) {
330         auto index = cacheLocality.localityIndexByCpu[cpu];
331         assert(index < n);
332         // as index goes from 0..n, post-transform value goes from
333         // 0..numStripes
334         widthAndCpuToStripe[width][cpu] =
335             CompactStripe((index * numStripes) / n);
336         assert(widthAndCpuToStripe[width][cpu] < numStripes);
337       }
338       for (size_t cpu = n; cpu < kMaxCpus; ++cpu) {
339         widthAndCpuToStripe[width][cpu] = widthAndCpuToStripe[width][cpu - n];
340       }
341     }
342     return true;
343   }
344 };
345
346 template <template <typename> class Atom>
347 Getcpu::Func AccessSpreader<Atom>::getcpuFunc =
348     AccessSpreader<Atom>::degenerateGetcpu;
349
350 template <template <typename> class Atom>
351 typename AccessSpreader<Atom>::CompactStripe
352     AccessSpreader<Atom>::widthAndCpuToStripe[kMaxCpus + 1][kMaxCpus] = {};
353
354 template <template <typename> class Atom>
355 bool AccessSpreader<Atom>::initialized = AccessSpreader<Atom>::initialize();
356
357 // Suppress this instantiation in other translation units. It is
358 // instantiated in CacheLocality.cpp
359 extern template struct AccessSpreader<std::atomic>;
360
361 /**
362  * A simple freelist allocator.  Allocates things of size sz, from
363  * slabs of size allocSize.  Takes a lock on each
364  * allocation/deallocation.
365  */
366 class SimpleAllocator {
367   std::mutex m_;
368   uint8_t* mem_{nullptr};
369   uint8_t* end_{nullptr};
370   void* freelist_{nullptr};
371   size_t allocSize_;
372   size_t sz_;
373   std::vector<void*> blocks_;
374
375  public:
376   SimpleAllocator(size_t allocSize, size_t sz);
377   ~SimpleAllocator();
378   void* allocateHard();
379
380   // Inline fast-paths.
381   void* allocate() {
382     std::lock_guard<std::mutex> g(m_);
383     // Freelist allocation.
384     if (freelist_) {
385       auto mem = freelist_;
386       freelist_ = *static_cast<void**>(freelist_);
387       return mem;
388     }
389
390     // Bump-ptr allocation.
391     if (intptr_t(mem_) % 128 == 0) {
392       // Avoid allocating pointers that may look like malloc
393       // pointers.
394       mem_ += std::min(sz_, max_align_v);
395     }
396     if (mem_ && (mem_ + sz_ <= end_)) {
397       auto mem = mem_;
398       mem_ += sz_;
399
400       assert(intptr_t(mem) % 128 != 0);
401       return mem;
402     }
403
404     return allocateHard();
405   }
406   void deallocate(void* mem) {
407     std::lock_guard<std::mutex> g(m_);
408     *static_cast<void**>(mem) = freelist_;
409     freelist_ = mem;
410   }
411 };
412
413 /**
414  * An allocator that can be used with CacheLocality to allocate
415  * core-local memory.
416  *
417  * There is actually nothing special about the memory itself (it is
418  * not bound to numa nodes or anything), but the allocator guarantees
419  * that memory allocatd from the same stripe will only come from cache
420  * lines also allocated to the same stripe.  This means multiple
421  * things using CacheLocality can allocate memory in smaller-than
422  * cacheline increments, and be assured that it won't cause more false
423  * sharing than it otherwise would.
424  *
425  * Note that allocation and deallocation takes a per-sizeclass lock.
426  */
427 template <size_t Stripes>
428 class CoreAllocator {
429  public:
430   class Allocator {
431     static constexpr size_t AllocSize{4096};
432
433     uint8_t sizeClass(size_t size) {
434       if (size <= 8) {
435         return 0;
436       } else if (size <= 16) {
437         return 1;
438       } else if (size <= 32) {
439         return 2;
440       } else if (size <= 64) {
441         return 3;
442       } else { // punt to malloc.
443         return 4;
444       }
445     }
446
447     std::array<SimpleAllocator, 4> allocators_{
448         {{AllocSize, 8}, {AllocSize, 16}, {AllocSize, 32}, {AllocSize, 64}}};
449
450    public:
451     void* allocate(size_t size) {
452       auto cl = sizeClass(size);
453       if (cl == 4) {
454         static_assert(
455             CacheLocality::kFalseSharingRange == 128,
456             "kFalseSharingRange changed");
457         // Align to a cacheline
458         size = size + (CacheLocality::kFalseSharingRange - 1);
459         size &= ~size_t(CacheLocality::kFalseSharingRange - 1);
460         void* mem =
461             detail::aligned_malloc(size, CacheLocality::kFalseSharingRange);
462         if (!mem) {
463           std::__throw_bad_alloc();
464         }
465         return mem;
466       }
467       return allocators_[cl].allocate();
468     }
469     void deallocate(void* mem) {
470       if (!mem) {
471         return;
472       }
473
474       // See if it came from this allocator or malloc.
475       if (intptr_t(mem) % 128 != 0) {
476         auto addr =
477             reinterpret_cast<void*>(intptr_t(mem) & ~intptr_t(AllocSize - 1));
478         auto allocator = *static_cast<SimpleAllocator**>(addr);
479         allocator->deallocate(mem);
480       } else {
481         detail::aligned_free(mem);
482       }
483     }
484   };
485
486   Allocator* get(size_t stripe) {
487     assert(stripe < Stripes);
488     return &allocators_[stripe];
489   }
490
491  private:
492   Allocator allocators_[Stripes];
493 };
494
495 template <size_t Stripes>
496 typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator* getCoreAllocator(size_t stripe) {
497   // We cannot make sure that the allocator will be destroyed after
498   // all the objects allocated with it, so we leak it.
499   static Indestructible<CoreAllocator<Stripes>> allocator;
500   return allocator->get(stripe);
501 }
502
503 template <typename T, size_t Stripes>
504 StlAllocator<typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator, T> getCoreAllocatorStl(
505     size_t stripe) {
506   auto alloc = getCoreAllocator<Stripes>(stripe);
507   return StlAllocator<typename CoreAllocator<Stripes>::Allocator, T>(alloc);
508 }
509
510 } // namespace folly