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[folly.git] / folly / detail / CacheLocality.h
1 /*
2  * Copyright 2014 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,
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13  * See the License for the specific language governing permissions and
14  * limitations under the License.
15  */
16
17 #ifndef FOLLY_DETAIL_CACHELOCALITY_H_
18 #define FOLLY_DETAIL_CACHELOCALITY_H_
19
20 #include <sched.h>
21 #include <atomic>
22 #include <cassert>
23 #include <functional>
24 #include <limits>
25 #include <string>
26 #include <type_traits>
27 #include <vector>
28 #include <folly/Likely.h>
29 #include <folly/Portability.h>
30
31 namespace folly { namespace detail {
32
33 // This file contains several classes that might be useful if you are
34 // trying to dynamically optimize cache locality: CacheLocality reads
35 // cache sharing information from sysfs to determine how CPUs should be
36 // grouped to minimize contention, Getcpu provides fast access to the
37 // current CPU via __vdso_getcpu, and AccessSpreader uses these two to
38 // optimally spread accesses among a predetermined number of stripes.
39 //
40 // AccessSpreader<>::current(n) microbenchmarks at 22 nanos, which is
41 // substantially less than the cost of a cache miss.  This means that we
42 // can effectively use it to reduce cache line ping-pong on striped data
43 // structures such as IndexedMemPool or statistics counters.
44 //
45 // Because CacheLocality looks at all of the cache levels, it can be
46 // used for different levels of optimization.  AccessSpreader(2) does
47 // per-chip spreading on a dual socket system.  AccessSpreader(numCpus)
48 // does perfect per-cpu spreading.  AccessSpreader(numCpus / 2) does
49 // perfect L1 spreading in a system with hyperthreading enabled.
50
51 struct CacheLocality {
52
53   /// 1 more than the maximum value that can be returned from sched_getcpu
54   /// or getcpu.  This is the number of hardware thread contexts provided
55   /// by the processors
56   size_t numCpus;
57
58   /// Holds the number of caches present at each cache level (0 is
59   /// the closest to the cpu).  This is the number of AccessSpreader
60   /// stripes needed to avoid cross-cache communication at the specified
61   /// layer.  numCachesByLevel.front() is the number of L1 caches and
62   /// numCachesByLevel.back() is the number of last-level caches.
63   std::vector<size_t> numCachesByLevel;
64
65   /// A map from cpu (from sched_getcpu or getcpu) to an index in the
66   /// range 0..numCpus-1, where neighboring locality indices are more
67   /// likely to share caches then indices far away.  All of the members
68   /// of a particular cache level be contiguous in their locality index.
69   /// For example, if numCpus is 32 and numCachesByLevel.back() is 2,
70   /// then cpus with a locality index < 16 will share one last-level
71   /// cache and cpus with a locality index >= 16 will share the other.
72   std::vector<size_t> localityIndexByCpu;
73
74
75   /// Returns the best CacheLocality information available for the current
76   /// system, cached for fast access.  This will be loaded from sysfs if
77   /// possible, otherwise it will be correct in the number of CPUs but
78   /// not in their sharing structure.
79   ///
80   /// If you are into yo dawgs, this is a shared cache of the local
81   /// locality of the shared caches.
82   ///
83   /// The template parameter here is used to allow injection of a
84   /// repeatable CacheLocality structure during testing.  Rather than
85   /// inject the type of the CacheLocality provider into every data type
86   /// that transitively uses it, all components select between the default
87   /// sysfs implementation and a deterministic implementation by keying
88   /// off the type of the underlying atomic.  See DeterministicScheduler.
89   template <template<typename> class Atom = std::atomic>
90   static const CacheLocality& system();
91
92
93   /// Reads CacheLocality information from a tree structured like
94   /// the sysfs filesystem.  The provided function will be evaluated
95   /// for each sysfs file that needs to be queried.  The function
96   /// should return a string containing the first line of the file
97   /// (not including the newline), or an empty string if the file does
98   /// not exist.  The function will be called with paths of the form
99   /// /sys/devices/system/cpu/cpu*/cache/index*/{type,shared_cpu_list} .
100   /// Throws an exception if no caches can be parsed at all.
101   static CacheLocality readFromSysfsTree(
102       const std::function<std::string(std::string)>& mapping);
103
104   /// Reads CacheLocality information from the real sysfs filesystem.
105   /// Throws an exception if no cache information can be loaded.
106   static CacheLocality readFromSysfs();
107
108   /// Returns a usable (but probably not reflective of reality)
109   /// CacheLocality structure with the specified number of cpus and a
110   /// single cache level that associates one cpu per cache.
111   static CacheLocality uniform(size_t numCpus);
112
113   enum {
114     /// Memory locations on the same cache line are subject to false
115     /// sharing, which is very bad for performance.  Microbenchmarks
116     /// indicate that pairs of cache lines also see interference under
117     /// heavy use of atomic operations (observed for atomic increment on
118     /// Sandy Bridge).  See FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING
119     kFalseSharingRange = 128
120   };
121
122   static_assert(kFalseSharingRange == 128,
123       "FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING should track kFalseSharingRange");
124 };
125
126 // TODO replace __attribute__ with alignas and 128 with kFalseSharingRange
127
128 /// An attribute that will cause a variable or field to be aligned so that
129 /// it doesn't have false sharing with anything at a smaller memory address.
130 #define FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING __attribute__((__aligned__(128)))
131
132 /// Holds a function pointer to the VDSO implementation of getcpu(2),
133 /// if available
134 struct Getcpu {
135   /// Function pointer to a function with the same signature as getcpu(2).
136   typedef int (*Func)(unsigned* cpu, unsigned* node, void* unused);
137
138   /// Returns a pointer to the VDSO implementation of getcpu(2), if
139   /// available, or nullptr otherwise
140   static Func vdsoFunc();
141 };
142
143 /// A class that lazily binds a unique (for each implementation of Atom)
144 /// identifier to a thread.  This is a fallback mechanism for the access
145 /// spreader if we are in testing (using DeterministicAtomic) or if
146 /// __vdso_getcpu can't be dynamically loaded
147 template <template<typename> class Atom>
148 struct SequentialThreadId {
149
150   /// Returns the thread id assigned to the current thread
151   static size_t get() {
152     auto rv = currentId;
153     if (UNLIKELY(rv == 0)) {
154       rv = currentId = ++prevId;
155     }
156     return rv;
157   }
158
159   /// Fills the thread id into the cpu and node out params (if they
160   /// are non-null).  This method is intended to act like getcpu when a
161   /// fast-enough form of getcpu isn't available or isn't desired
162   static int getcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void* unused) {
163     auto id = get();
164     if (cpu) {
165       *cpu = id;
166     }
167     if (node) {
168       *node = id;
169     }
170     return 0;
171   }
172
173  private:
174   static Atom<size_t> prevId;
175
176   static FOLLY_TLS size_t currentId;
177 };
178
179 template <template<typename> class Atom, size_t kMaxCpus>
180 struct AccessSpreaderArray;
181
182 /// AccessSpreader arranges access to a striped data structure in such a
183 /// way that concurrently executing threads are likely to be accessing
184 /// different stripes.  It does NOT guarantee uncontended access.
185 /// Your underlying algorithm must be thread-safe without spreading, this
186 /// is merely an optimization.  AccessSpreader::current(n) is typically
187 /// much faster than a cache miss (22 nanos on my dev box, tested fast
188 /// in both 2.6 and 3.2 kernels).
189 ///
190 /// You are free to create your own AccessSpreader-s or to cache the
191 /// results of AccessSpreader<>::shared(n), but you will probably want
192 /// to use one of the system-wide shared ones.  Calling .current() on
193 /// a particular AccessSpreader instance only saves about 1 nanosecond
194 /// over calling AccessSpreader<>::shared(n).
195 ///
196 /// If available (and not using the deterministic testing implementation)
197 /// AccessSpreader uses the getcpu system call via VDSO and the
198 /// precise locality information retrieved from sysfs by CacheLocality.
199 /// This provides optimal anti-sharing at a fraction of the cost of a
200 /// cache miss.
201 ///
202 /// When there are not as many stripes as processors, we try to optimally
203 /// place the cache sharing boundaries.  This means that if you have 2
204 /// stripes and run on a dual-socket system, your 2 stripes will each get
205 /// all of the cores from a single socket.  If you have 16 stripes on a
206 /// 16 core system plus hyperthreading (32 cpus), each core will get its
207 /// own stripe and there will be no cache sharing at all.
208 ///
209 /// AccessSpreader has a fallback mechanism for when __vdso_getcpu can't be
210 /// loaded, or for use during deterministic testing.  Using sched_getcpu or
211 /// the getcpu syscall would negate the performance advantages of access
212 /// spreading, so we use a thread-local value and a shared atomic counter
213 /// to spread access out.
214 ///
215 /// AccessSpreader is templated on the template type that is used
216 /// to implement atomics, as a way to instantiate the underlying
217 /// heuristics differently for production use and deterministic unit
218 /// testing.  See DeterministicScheduler for more.  If you aren't using
219 /// DeterministicScheduler, you can just use the default template parameter
220 /// all of the time.
221 template <template<typename> class Atom = std::atomic>
222 struct AccessSpreader {
223
224   /// Returns a never-destructed shared AccessSpreader instance.
225   /// numStripes should be > 0.
226   static const AccessSpreader& shared(size_t numStripes) {
227     // sharedInstances[0] actually has numStripes == 1
228     assert(numStripes > 0);
229
230     // the last shared element handles all large sizes
231     return AccessSpreaderArray<Atom,kMaxCpus>::sharedInstance[
232         std::min(size_t(kMaxCpus), numStripes)];
233   }
234
235   /// Returns the stripe associated with the current CPU, assuming
236   /// that there are numStripes (non-zero) stripes.  Equivalent to
237   /// AccessSpreader::shared(numStripes)->current.
238   static size_t current(size_t numStripes) {
239     return shared(numStripes).current();
240   }
241
242   /// stripeByCore uses 1 stripe per L1 cache, according to
243   /// CacheLocality::system<>().  Use stripeByCore.numStripes() to see
244   /// its width, or stripeByCore.current() to get the current stripe
245   static const AccessSpreader stripeByCore;
246
247   /// stripeByChip uses 1 stripe per last-level cache, which is the fewest
248   /// number of stripes for which off-chip communication can be avoided
249   /// (assuming all caches are on-chip).  Use stripeByChip.numStripes()
250   /// to see its width, or stripeByChip.current() to get the current stripe
251   static const AccessSpreader stripeByChip;
252
253
254   /// Constructs an AccessSpreader that will return values from
255   /// 0 to numStripes-1 (inclusive), precomputing the mapping
256   /// from CPU to stripe.  There is no use in having more than
257   /// CacheLocality::system<Atom>().localityIndexByCpu.size() stripes or
258   /// kMaxCpus stripes
259   explicit AccessSpreader(size_t spreaderNumStripes,
260                           const CacheLocality& cacheLocality =
261                               CacheLocality::system<Atom>(),
262                           Getcpu::Func getcpuFunc = nullptr)
263     : getcpuFunc_(getcpuFunc ? getcpuFunc : pickGetcpuFunc(spreaderNumStripes))
264     , numStripes_(spreaderNumStripes)
265   {
266     auto n = cacheLocality.numCpus;
267     for (size_t cpu = 0; cpu < kMaxCpus && cpu < n; ++cpu) {
268       auto index = cacheLocality.localityIndexByCpu[cpu];
269       assert(index < n);
270       // as index goes from 0..n, post-transform value goes from
271       // 0..numStripes
272       stripeByCpu[cpu] = (index * numStripes_) / n;
273       assert(stripeByCpu[cpu] < numStripes_);
274     }
275     for (size_t cpu = n; cpu < kMaxCpus; ++cpu) {
276       stripeByCpu[cpu] = stripeByCpu[cpu - n];
277     }
278   }
279
280   /// Returns 1 more than the maximum value that can be returned from
281   /// current()
282   size_t numStripes() const {
283     return numStripes_;
284   }
285
286   /// Returns the stripe associated with the current CPU
287   size_t current() const {
288     unsigned cpu;
289     getcpuFunc_(&cpu, nullptr, nullptr);
290     return stripeByCpu[cpu % kMaxCpus];
291   }
292
293  private:
294
295   /// If there are more cpus than this nothing will crash, but there
296   /// might be unnecessary sharing
297   enum { kMaxCpus = 128 };
298
299   typedef uint8_t CompactStripe;
300
301   static_assert((kMaxCpus & (kMaxCpus - 1)) == 0,
302       "kMaxCpus should be a power of two so modulo is fast");
303   static_assert(kMaxCpus - 1 <= std::numeric_limits<CompactStripe>::max(),
304       "stripeByCpu element type isn't wide enough");
305
306
307   /// Points to the getcpu-like function we are using to obtain the
308   /// current cpu.  It should not be assumed that the returned cpu value
309   /// is in range.  We use a member for this instead of a static so that
310   /// this fetch preloads a prefix the stripeByCpu array
311   Getcpu::Func getcpuFunc_;
312
313   /// A precomputed map from cpu to stripe.  Rather than add a layer of
314   /// indirection requiring a dynamic bounds check and another cache miss,
315   /// we always precompute the whole array
316   CompactStripe stripeByCpu[kMaxCpus];
317
318   size_t numStripes_;
319
320   /// Returns the best getcpu implementation for this type and width
321   /// of AccessSpreader
322   static Getcpu::Func pickGetcpuFunc(size_t numStripes);
323 };
324
325 /// An array of kMaxCpus+1 AccessSpreader<Atom> instances constructed
326 /// with default params, with the zero-th element having 1 stripe
327 template <template<typename> class Atom, size_t kMaxStripe>
328 struct AccessSpreaderArray {
329
330   AccessSpreaderArray() {
331     for (size_t i = 0; i <= kMaxStripe; ++i) {
332       new (raw + i) AccessSpreader<Atom>(std::max(size_t(1), i));
333     }
334   }
335
336   ~AccessSpreaderArray() {
337     for (size_t i = 0; i <= kMaxStripe; ++i) {
338       auto p = static_cast<AccessSpreader<Atom>*>(static_cast<void*>(raw + i));
339       p->~AccessSpreader();
340     }
341   }
342
343   AccessSpreader<Atom> const& operator[] (size_t index) const {
344     return *static_cast<AccessSpreader<Atom> const*>(
345         static_cast<void const*>(raw + index));
346   }
347
348  private:
349
350   // AccessSpreader uses sharedInstance
351   friend AccessSpreader<Atom>;
352
353   static AccessSpreaderArray<Atom,kMaxStripe> sharedInstance;
354
355
356   /// aligned_storage is uninitialized, we use placement new since there
357   /// is no AccessSpreader default constructor
358   typename std::aligned_storage<sizeof(AccessSpreader<Atom>),
359                                 CacheLocality::kFalseSharingRange>::type
360       raw[kMaxStripe + 1];
361 };
362
363 } }
364
365 #endif /* FOLLY_DETAIL_CacheLocality_H_ */
366