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[folly.git] / folly / detail / CacheLocality.h
1 /*
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6  * You may obtain a copy of the License at
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8  *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
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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 <pthread.h>
30 #include <folly/Hash.h>
31 #include <folly/Likely.h>
32 #include <folly/Portability.h>
33
34 namespace folly {
35 namespace detail {
36
37 // This file contains several classes that might be useful if you are
38 // trying to dynamically optimize cache locality: CacheLocality reads
39 // cache sharing information from sysfs to determine how CPUs should be
40 // grouped to minimize contention, Getcpu provides fast access to the
41 // current CPU via __vdso_getcpu, and AccessSpreader uses these two to
42 // optimally spread accesses among a predetermined number of stripes.
43 //
44 // AccessSpreader<>::current(n) microbenchmarks at 22 nanos, which is
45 // substantially less than the cost of a cache miss.  This means that we
46 // can effectively use it to reduce cache line ping-pong on striped data
47 // structures such as IndexedMemPool or statistics counters.
48 //
49 // Because CacheLocality looks at all of the cache levels, it can be
50 // used for different levels of optimization.  AccessSpreader(2) does
51 // per-chip spreading on a dual socket system.  AccessSpreader(numCpus)
52 // does perfect per-cpu spreading.  AccessSpreader(numCpus / 2) does
53 // perfect L1 spreading in a system with hyperthreading enabled.
54
55 struct CacheLocality {
56
57   /// 1 more than the maximum value that can be returned from sched_getcpu
58   /// or getcpu.  This is the number of hardware thread contexts provided
59   /// by the processors
60   size_t numCpus;
61
62   /// Holds the number of caches present at each cache level (0 is
63   /// the closest to the cpu).  This is the number of AccessSpreader
64   /// stripes needed to avoid cross-cache communication at the specified
65   /// layer.  numCachesByLevel.front() is the number of L1 caches and
66   /// numCachesByLevel.back() is the number of last-level caches.
67   std::vector<size_t> numCachesByLevel;
68
69   /// A map from cpu (from sched_getcpu or getcpu) to an index in the
70   /// range 0..numCpus-1, where neighboring locality indices are more
71   /// likely to share caches then indices far away.  All of the members
72   /// of a particular cache level be contiguous in their locality index.
73   /// For example, if numCpus is 32 and numCachesByLevel.back() is 2,
74   /// then cpus with a locality index < 16 will share one last-level
75   /// cache and cpus with a locality index >= 16 will share the other.
76   std::vector<size_t> localityIndexByCpu;
77
78   /// Returns the best CacheLocality information available for the current
79   /// system, cached for fast access.  This will be loaded from sysfs if
80   /// possible, otherwise it will be correct in the number of CPUs but
81   /// not in their sharing structure.
82   ///
83   /// If you are into yo dawgs, this is a shared cache of the local
84   /// locality of the shared caches.
85   ///
86   /// The template parameter here is used to allow injection of a
87   /// repeatable CacheLocality structure during testing.  Rather than
88   /// inject the type of the CacheLocality provider into every data type
89   /// that transitively uses it, all components select between the default
90   /// sysfs implementation and a deterministic implementation by keying
91   /// off the type of the underlying atomic.  See DeterministicScheduler.
92   template <template <typename> class Atom = std::atomic>
93   static const CacheLocality& system();
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(
125       kFalseSharingRange == 128,
126       "FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING should track kFalseSharingRange");
127 };
128
129 // TODO replace __attribute__ with alignas and 128 with kFalseSharingRange
130
131 /// An attribute that will cause a variable or field to be aligned so that
132 /// it doesn't have false sharing with anything at a smaller memory address.
133 #define FOLLY_ALIGN_TO_AVOID_FALSE_SHARING FOLLY_ALIGNED(128)
134
135 /// Knows how to derive a function pointer to the VDSO implementation of
136 /// getcpu(2), if available
137 struct Getcpu {
138   /// Function pointer to a function with the same signature as getcpu(2).
139   typedef int (*Func)(unsigned* cpu, unsigned* node, void* unused);
140
141   /// Returns a pointer to the VDSO implementation of getcpu(2), if
142   /// available, or nullptr otherwise.  This function may be quite
143   /// expensive, be sure to cache the result.
144   static Func resolveVdsoFunc();
145 };
146
147 #ifdef FOLLY_TLS
148 template <template <typename> class Atom>
149 struct SequentialThreadId {
150
151   /// Returns the thread id assigned to the current thread
152   static size_t get() {
153     auto rv = currentId;
154     if (UNLIKELY(rv == 0)) {
155       rv = currentId = ++prevId;
156     }
157     return rv;
158   }
159
160  private:
161   static Atom<size_t> prevId;
162
163   static FOLLY_TLS size_t currentId;
164 };
165 #endif
166
167 struct HashingThreadId {
168   static size_t get() {
169     pthread_t pid = pthread_self();
170     uint64_t id = 0;
171     memcpy(&id, &pid, std::min(sizeof(pid), sizeof(id)));
172     return hash::twang_32from64(id);
173   }
174 };
175
176 /// A class that lazily binds a unique (for each implementation of Atom)
177 /// identifier to a thread.  This is a fallback mechanism for the access
178 /// spreader if __vdso_getcpu can't be loaded
179 template <typename ThreadId>
180 struct FallbackGetcpu {
181   /// Fills the thread id into the cpu and node out params (if they
182   /// are non-null).  This method is intended to act like getcpu when a
183   /// fast-enough form of getcpu isn't available or isn't desired
184   static int getcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void* /* unused */) {
185     auto id = ThreadId::get();
186     if (cpu) {
187       *cpu = id;
188     }
189     if (node) {
190       *node = id;
191     }
192     return 0;
193   }
194 };
195
196 #ifdef FOLLY_TLS
197 typedef FallbackGetcpu<SequentialThreadId<std::atomic>> FallbackGetcpuType;
198 #else
199 typedef FallbackGetcpu<HashingThreadId> FallbackGetcpuType;
200 #endif
201
202 /// AccessSpreader arranges access to a striped data structure in such a
203 /// way that concurrently executing threads are likely to be accessing
204 /// different stripes.  It does NOT guarantee uncontended access.
205 /// Your underlying algorithm must be thread-safe without spreading, this
206 /// is merely an optimization.  AccessSpreader::current(n) is typically
207 /// much faster than a cache miss (12 nanos on my dev box, tested fast
208 /// in both 2.6 and 3.2 kernels).
209 ///
210 /// If available (and not using the deterministic testing implementation)
211 /// AccessSpreader uses the getcpu system call via VDSO and the
212 /// precise locality information retrieved from sysfs by CacheLocality.
213 /// This provides optimal anti-sharing at a fraction of the cost of a
214 /// cache miss.
215 ///
216 /// When there are not as many stripes as processors, we try to optimally
217 /// place the cache sharing boundaries.  This means that if you have 2
218 /// stripes and run on a dual-socket system, your 2 stripes will each get
219 /// all of the cores from a single socket.  If you have 16 stripes on a
220 /// 16 core system plus hyperthreading (32 cpus), each core will get its
221 /// own stripe and there will be no cache sharing at all.
222 ///
223 /// AccessSpreader has a fallback mechanism for when __vdso_getcpu can't be
224 /// loaded, or for use during deterministic testing.  Using sched_getcpu
225 /// or the getcpu syscall would negate the performance advantages of
226 /// access spreading, so we use a thread-local value and a shared atomic
227 /// counter to spread access out.  On systems lacking both a fast getcpu()
228 /// and TLS, we hash the thread id to spread accesses.
229 ///
230 /// AccessSpreader is templated on the template type that is used
231 /// to implement atomics, as a way to instantiate the underlying
232 /// heuristics differently for production use and deterministic unit
233 /// testing.  See DeterministicScheduler for more.  If you aren't using
234 /// DeterministicScheduler, you can just use the default template parameter
235 /// all of the time.
236 template <template <typename> class Atom = std::atomic>
237 struct AccessSpreader {
238
239   /// Returns the stripe associated with the current CPU.  The returned
240   /// value will be < numStripes.
241   static size_t current(size_t numStripes) {
242     // widthAndCpuToStripe[0] will actually work okay (all zeros), but
243     // something's wrong with the caller
244     assert(numStripes > 0);
245
246     unsigned cpu;
247     getcpuFunc(&cpu, nullptr, nullptr);
248     return widthAndCpuToStripe[std::min(size_t(kMaxCpus),
249                                         numStripes)][cpu % kMaxCpus];
250   }
251
252  private:
253   /// If there are more cpus than this nothing will crash, but there
254   /// might be unnecessary sharing
255   enum { kMaxCpus = 128 };
256
257   typedef uint8_t CompactStripe;
258
259   static_assert((kMaxCpus & (kMaxCpus - 1)) == 0,
260                 "kMaxCpus should be a power of two so modulo is fast");
261   static_assert(kMaxCpus - 1 <= std::numeric_limits<CompactStripe>::max(),
262                 "stripeByCpu element type isn't wide enough");
263
264   /// Points to the getcpu-like function we are using to obtain the
265   /// current cpu.  It should not be assumed that the returned cpu value
266   /// is in range.  We use a static for this so that we can prearrange a
267   /// valid value in the pre-constructed state and avoid the need for a
268   /// conditional on every subsequent invocation (not normally a big win,
269   /// but 20% on some inner loops here).
270   static Getcpu::Func getcpuFunc;
271
272   /// For each level of splitting up to kMaxCpus, maps the cpu (mod
273   /// kMaxCpus) to the stripe.  Rather than performing any inequalities
274   /// or modulo on the actual number of cpus, we just fill in the entire
275   /// array.
276   static CompactStripe widthAndCpuToStripe[kMaxCpus + 1][kMaxCpus];
277
278   static bool initialized;
279
280   /// Returns the best getcpu implementation for Atom
281   static Getcpu::Func pickGetcpuFunc();
282
283   /// Always claims to be on CPU zero, node zero
284   static int degenerateGetcpu(unsigned* cpu, unsigned* node, void*) {
285     if (cpu != nullptr) {
286       *cpu = 0;
287     }
288     if (node != nullptr) {
289       *node = 0;
290     }
291     return 0;
292   }
293
294   // The function to call for fast lookup of getcpu is a singleton, as
295   // is the precomputed table of locality information.  AccessSpreader
296   // is used in very tight loops, however (we're trying to race an L1
297   // cache miss!), so the normal singleton mechanisms are noticeably
298   // expensive.  Even a not-taken branch guarding access to getcpuFunc
299   // slows AccessSpreader::current from 12 nanos to 14.  As a result, we
300   // populate the static members with simple (but valid) values that can
301   // be filled in by the linker, and then follow up with a normal static
302   // initializer call that puts in the proper version.  This means that
303   // when there are initialization order issues we will just observe a
304   // zero stripe.  Once a sanitizer gets smart enough to detect this as
305   // a race or undefined behavior, we can annotate it.
306
307   static bool initialize() {
308     getcpuFunc = pickGetcpuFunc();
309
310     auto& cacheLocality = CacheLocality::system<Atom>();
311     auto n = cacheLocality.numCpus;
312     for (size_t width = 0; width <= kMaxCpus; ++width) {
313       auto numStripes = std::max(size_t{1}, width);
314       for (size_t cpu = 0; cpu < kMaxCpus && cpu < n; ++cpu) {
315         auto index = cacheLocality.localityIndexByCpu[cpu];
316         assert(index < n);
317         // as index goes from 0..n, post-transform value goes from
318         // 0..numStripes
319         widthAndCpuToStripe[width][cpu] = (index * numStripes) / n;
320         assert(widthAndCpuToStripe[width][cpu] < numStripes);
321       }
322       for (size_t cpu = n; cpu < kMaxCpus; ++cpu) {
323         widthAndCpuToStripe[width][cpu] = widthAndCpuToStripe[width][cpu - n];
324       }
325     }
326     return true;
327   }
328 };
329
330 template <>
331 Getcpu::Func AccessSpreader<std::atomic>::pickGetcpuFunc();
332
333 #define DECLARE_ACCESS_SPREADER_TYPE(Atom)                                     \
334   namespace folly {                                                            \
335   namespace detail {                                                           \
336   template <>                                                                  \
337   Getcpu::Func AccessSpreader<Atom>::getcpuFunc =                              \
338       AccessSpreader<Atom>::degenerateGetcpu;                                  \
339   template <>                                                                  \
340   typename AccessSpreader<Atom>::CompactStripe                                 \
341       AccessSpreader<Atom>::widthAndCpuToStripe[129][128] = {};                \
342   template <>                                                                  \
343   bool AccessSpreader<Atom>::initialized = AccessSpreader<Atom>::initialize(); \
344   }                                                                            \
345   }
346
347 } // namespace detail
348 } // namespace folly
349
350 #endif /* FOLLY_DETAIL_CacheLocality_H_ */