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[folly.git] / folly / detail / CacheLocality.h
1 /*
2  * Copyright 2015 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 <algorithm>
22 #include <atomic>
23 #include <cassert>
24 #include <functional>
25 #include <limits>
26 #include <string>
27 #include <type_traits>
28 #include <vector>
29 #include <folly/Hash.h>
30 #include <folly/Likely.h>
31 #include <folly/Portability.h>
32
33 namespace folly { namespace detail {
34
35 // This file contains several classes that might be useful if you are
36 // trying to dynamically optimize cache locality: CacheLocality reads
37 // cache sharing information from sysfs to determine how CPUs should be
38 // grouped to minimize contention, Getcpu provides fast access to the
39 // current CPU via __vdso_getcpu, and AccessSpreader uses these two to
40 // optimally spread accesses among a predetermined number of stripes.
41 //
42 // AccessSpreader<>::current(n) microbenchmarks at 22 nanos, which is
43 // substantially less than the cost of a cache miss.  This means that we
44 // can effectively use it to reduce cache line ping-pong on striped data
45 // structures such as IndexedMemPool or statistics counters.
46 //
47 // Because CacheLocality looks at all of the cache levels, it can be
48 // used for different levels of optimization.  AccessSpreader(2) does
49 // per-chip spreading on a dual socket system.  AccessSpreader(numCpus)
50 // does perfect per-cpu spreading.  AccessSpreader(numCpus / 2) does
51 // perfect L1 spreading in a system with hyperthreading enabled.
52
53 struct CacheLocality {
54
55   /// 1 more than the maximum value that can be returned from sched_getcpu
56   /// or getcpu.  This is the number of hardware thread contexts provided
57   /// by the processors
58   size_t numCpus;
59
60   /// Holds the number of caches present at each cache level (0 is
61   /// the closest to the cpu).  This is the number of AccessSpreader
62   /// stripes needed to avoid cross-cache communication at the specified
63   /// layer.  numCachesByLevel.front() is the number of L1 caches and
64   /// numCachesByLevel.back() is the number of last-level caches.
65   std::vector<size_t> numCachesByLevel;
66
67   /// A map from cpu (from sched_getcpu or getcpu) to an index in the
68   /// range 0..numCpus-1, where neighboring locality indices are more
69   /// likely to share caches then indices far away.  All of the members
70   /// of a particular cache level be contiguous in their locality index.
71   /// For example, if numCpus is 32 and numCachesByLevel.back() is 2,
72   /// then cpus with a locality index < 16 will share one last-level
73   /// cache and cpus with a locality index >= 16 will share the other.
74   std::vector<size_t> localityIndexByCpu;
75
76
77   /// Returns the best CacheLocality information available for the current
78   /// system, cached for fast access.  This will be loaded from sysfs if
79   /// possible, otherwise it will be correct in the number of CPUs but
80   /// not in their sharing structure.
81   ///
82   /// If you are into yo dawgs, this is a shared cache of the local
83   /// locality of the shared caches.
84   ///
85   /// The template parameter here is used to allow injection of a
86   /// repeatable CacheLocality structure during testing.  Rather than
87   /// inject the type of the CacheLocality provider into every data type
88   /// that transitively uses it, all components select between the default
89   /// sysfs implementation and a deterministic implementation by keying
90   /// off the type of the underlying atomic.  See DeterministicScheduler.
91   template <template<typename> class Atom = std::atomic>
92   static const CacheLocality& system();
93
94
95   /// Reads CacheLocality information from a tree structured like
96   /// the sysfs filesystem.  The provided function will be evaluated
97   /// for each sysfs file that needs to be queried.  The function
98   /// should return a string containing the first line of the file
99   /// (not including the newline), or an empty string if the file does
100   /// not exist.  The function will be called with paths of the form
101   /// /sys/devices/system/cpu/cpu*/cache/index*/{type,shared_cpu_list} .
102   /// Throws an exception if no caches can be parsed at all.
103   static CacheLocality readFromSysfsTree(
104       const std::function<std::string(std::string)>& mapping);
105
106   /// Reads CacheLocality information from the real sysfs filesystem.
107   /// Throws an exception if no cache information can be loaded.
108   static CacheLocality readFromSysfs();
109
110   /// Returns a usable (but probably not reflective of reality)
111   /// CacheLocality structure with the specified number of cpus and a
112   /// single cache level that associates one cpu per cache.
113   static CacheLocality uniform(size_t numCpus);
114
115   enum {
116     /// Memory locations on the same cache line are subject to false
117     /// sharing, which is very bad for performance.  Microbenchmarks
118     /// indicate that pairs of cache lines also see interference under
119     /// heavy use of atomic operations (observed for atomic increment on
120     /// Sandy Bridge).  See FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING
121     kFalseSharingRange = 128
122   };
123
124   static_assert(kFalseSharingRange == 128,
125       "FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING should track kFalseSharingRange");
126 };
127
128 // TODO replace __attribute__ with alignas and 128 with kFalseSharingRange
129
130 /// An attribute that will cause a variable or field to be aligned so that
131 /// it doesn't have false sharing with anything at a smaller memory address.
132 #define FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING FOLLY_ALIGNED(128)
133
134 /// Holds a function pointer to the VDSO implementation of getcpu(2),
135 /// if available
136 struct Getcpu {
137   /// Function pointer to a function with the same signature as getcpu(2).
138   typedef int (*Func)(unsigned* cpu, unsigned* node, void* unused);
139
140   /// Returns a pointer to the VDSO implementation of getcpu(2), if
141   /// available, or nullptr otherwise
142   static Func vdsoFunc();
143 };
144
145 #ifdef FOLLY_TLS
146 template <template<typename> class Atom>
147 struct SequentialThreadId {
148
149   /// Returns the thread id assigned to the current thread
150   static size_t get() {
151     auto rv = currentId;
152     if (UNLIKELY(rv == 0)) {
153       rv = currentId = ++prevId;
154     }
155     return rv;
156   }
157
158  private:
159   static Atom<size_t> prevId;
160
161   static FOLLY_TLS size_t currentId;
162 };
163 #endif
164
165 struct HashingThreadId {
166   static size_t get() {
167     pthread_t pid = pthread_self();
168     uint64_t id = 0;
169     memcpy(&id, &pid, std::min(sizeof(pid), sizeof(id)));
170     return hash::twang_32from64(id);
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 template <template<typename> class Atom, size_t kMaxCpus>
201 struct AccessSpreaderArray;
202
203 /// AccessSpreader arranges access to a striped data structure in such a
204 /// way that concurrently executing threads are likely to be accessing
205 /// different stripes.  It does NOT guarantee uncontended access.
206 /// Your underlying algorithm must be thread-safe without spreading, this
207 /// is merely an optimization.  AccessSpreader::current(n) is typically
208 /// much faster than a cache miss (22 nanos on my dev box, tested fast
209 /// in both 2.6 and 3.2 kernels).
210 ///
211 /// You are free to create your own AccessSpreader-s or to cache the
212 /// results of AccessSpreader<>::shared(n), but you will probably want
213 /// to use one of the system-wide shared ones.  Calling .current() on
214 /// a particular AccessSpreader instance only saves about 1 nanosecond
215 /// over calling AccessSpreader<>::shared(n).
216 ///
217 /// If available (and not using the deterministic testing implementation)
218 /// AccessSpreader uses the getcpu system call via VDSO and the
219 /// precise locality information retrieved from sysfs by CacheLocality.
220 /// This provides optimal anti-sharing at a fraction of the cost of a
221 /// cache miss.
222 ///
223 /// When there are not as many stripes as processors, we try to optimally
224 /// place the cache sharing boundaries.  This means that if you have 2
225 /// stripes and run on a dual-socket system, your 2 stripes will each get
226 /// all of the cores from a single socket.  If you have 16 stripes on a
227 /// 16 core system plus hyperthreading (32 cpus), each core will get its
228 /// own stripe and there will be no cache sharing at all.
229 ///
230 /// AccessSpreader has a fallback mechanism for when __vdso_getcpu can't be
231 /// loaded, or for use during deterministic testing.  Using sched_getcpu or
232 /// the getcpu syscall would negate the performance advantages of access
233 /// spreading, so we use a thread-local value and a shared atomic counter
234 /// to spread access out.
235 ///
236 /// AccessSpreader is templated on the template type that is used
237 /// to implement atomics, as a way to instantiate the underlying
238 /// heuristics differently for production use and deterministic unit
239 /// testing.  See DeterministicScheduler for more.  If you aren't using
240 /// DeterministicScheduler, you can just use the default template parameter
241 /// all of the time.
242 template <template<typename> class Atom = std::atomic>
243 struct AccessSpreader {
244
245   /// Returns a never-destructed shared AccessSpreader instance.
246   /// numStripes should be > 0.
247   static const AccessSpreader& shared(size_t numStripes) {
248     // sharedInstances[0] actually has numStripes == 1
249     assert(numStripes > 0);
250
251     // the last shared element handles all large sizes
252     return AccessSpreaderArray<Atom,kMaxCpus>::sharedInstance[
253         std::min(size_t(kMaxCpus), numStripes)];
254   }
255
256   /// Returns the stripe associated with the current CPU, assuming
257   /// that there are numStripes (non-zero) stripes.  Equivalent to
258   /// AccessSpreader::shared(numStripes)->current.
259   static size_t current(size_t numStripes) {
260     return shared(numStripes).current();
261   }
262
263   /// stripeByCore uses 1 stripe per L1 cache, according to
264   /// CacheLocality::system<>().  Use stripeByCore.numStripes() to see
265   /// its width, or stripeByCore.current() to get the current stripe
266   static const AccessSpreader stripeByCore;
267
268   /// stripeByChip uses 1 stripe per last-level cache, which is the fewest
269   /// number of stripes for which off-chip communication can be avoided
270   /// (assuming all caches are on-chip).  Use stripeByChip.numStripes()
271   /// to see its width, or stripeByChip.current() to get the current stripe
272   static const AccessSpreader stripeByChip;
273
274
275   /// Constructs an AccessSpreader that will return values from
276   /// 0 to numStripes-1 (inclusive), precomputing the mapping
277   /// from CPU to stripe.  There is no use in having more than
278   /// CacheLocality::system<Atom>().localityIndexByCpu.size() stripes or
279   /// kMaxCpus stripes
280   explicit AccessSpreader(size_t spreaderNumStripes,
281                           const CacheLocality& cacheLocality =
282                               CacheLocality::system<Atom>(),
283                           Getcpu::Func getcpuFunc = nullptr)
284     : getcpuFunc_(getcpuFunc ? getcpuFunc : pickGetcpuFunc(spreaderNumStripes))
285     , numStripes_(spreaderNumStripes)
286   {
287     auto n = cacheLocality.numCpus;
288     for (size_t cpu = 0; cpu < kMaxCpus && cpu < n; ++cpu) {
289       auto index = cacheLocality.localityIndexByCpu[cpu];
290       assert(index < n);
291       // as index goes from 0..n, post-transform value goes from
292       // 0..numStripes
293       stripeByCpu[cpu] = (index * numStripes_) / n;
294       assert(stripeByCpu[cpu] < numStripes_);
295     }
296     for (size_t cpu = n; cpu < kMaxCpus; ++cpu) {
297       stripeByCpu[cpu] = stripeByCpu[cpu - n];
298     }
299   }
300
301   /// Returns 1 more than the maximum value that can be returned from
302   /// current()
303   size_t numStripes() const {
304     return numStripes_;
305   }
306
307   /// Returns the stripe associated with the current CPU
308   size_t current() const {
309     unsigned cpu;
310     getcpuFunc_(&cpu, nullptr, nullptr);
311     return stripeByCpu[cpu % kMaxCpus];
312   }
313
314  private:
315
316   /// If there are more cpus than this nothing will crash, but there
317   /// might be unnecessary sharing
318   enum { kMaxCpus = 128 };
319
320   typedef uint8_t CompactStripe;
321
322   static_assert((kMaxCpus & (kMaxCpus - 1)) == 0,
323       "kMaxCpus should be a power of two so modulo is fast");
324   static_assert(kMaxCpus - 1 <= std::numeric_limits<CompactStripe>::max(),
325       "stripeByCpu element type isn't wide enough");
326
327
328   /// Points to the getcpu-like function we are using to obtain the
329   /// current cpu.  It should not be assumed that the returned cpu value
330   /// is in range.  We use a member for this instead of a static so that
331   /// this fetch preloads a prefix the stripeByCpu array
332   Getcpu::Func getcpuFunc_;
333
334   /// A precomputed map from cpu to stripe.  Rather than add a layer of
335   /// indirection requiring a dynamic bounds check and another cache miss,
336   /// we always precompute the whole array
337   CompactStripe stripeByCpu[kMaxCpus];
338
339   size_t numStripes_;
340
341   /// Returns the best getcpu implementation for this type and width
342   /// of AccessSpreader
343   static Getcpu::Func pickGetcpuFunc(size_t numStripes);
344 };
345
346 template<>
347 Getcpu::Func AccessSpreader<std::atomic>::pickGetcpuFunc(size_t);
348
349
350 /// An array of kMaxCpus+1 AccessSpreader<Atom> instances constructed
351 /// with default params, with the zero-th element having 1 stripe
352 template <template<typename> class Atom, size_t kMaxStripe>
353 struct AccessSpreaderArray {
354
355   AccessSpreaderArray() {
356     for (size_t i = 0; i <= kMaxStripe; ++i) {
357       new (raw + i) AccessSpreader<Atom>(std::max(size_t(1), i));
358     }
359   }
360
361   ~AccessSpreaderArray() {
362     for (size_t i = 0; i <= kMaxStripe; ++i) {
363       auto p = static_cast<AccessSpreader<Atom>*>(static_cast<void*>(raw + i));
364       p->~AccessSpreader();
365     }
366   }
367
368   AccessSpreader<Atom> const& operator[] (size_t index) const {
369     return *static_cast<AccessSpreader<Atom> const*>(
370         static_cast<void const*>(raw + index));
371   }
372
373  private:
374
375   // AccessSpreader uses sharedInstance
376   friend AccessSpreader<Atom>;
377
378   static AccessSpreaderArray<Atom,kMaxStripe> sharedInstance;
379
380
381   /// aligned_storage is uninitialized, we use placement new since there
382   /// is no AccessSpreader default constructor
383   typename std::aligned_storage<sizeof(AccessSpreader<Atom>),
384                                 CacheLocality::kFalseSharingRange>::type
385       raw[kMaxStripe + 1];
386 };
387
388 } }
389
390 #endif /* FOLLY_DETAIL_CacheLocality_H_ */