folly/detail/TurnSequencer.h

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  15  */
  16
  17 #pragma once
  18
  19 #include <algorithm>
  20 #include <assert.h>
  21 #include <limits>
  22 #include <unistd.h>
  23
  24 #include <folly/detail/Futex.h>
  25 #include <folly/Portability.h>
  26
  27 namespace folly {
  28
  29 namespace detail {
  30
  31 /// A TurnSequencer allows threads to order their execution according to
  32 /// a monotonically increasing (with wraparound) "turn" value.  The two
  33 /// operations provided are to wait for turn T, and to move to the next
  34 /// turn.  Every thread that is waiting for T must have arrived before
  35 /// that turn is marked completed (for MPMCQueue only one thread waits
  36 /// for any particular turn, so this is trivially true).
  37 ///
  38 /// TurnSequencer's state_ holds 26 bits of the current turn (shifted
  39 /// left by 6), along with a 6 bit saturating value that records the
  40 /// maximum waiter minus the current turn.  Wraparound of the turn space
  41 /// is expected and handled.  This allows us to atomically adjust the
  42 /// number of outstanding waiters when we perform a FUTEX_WAKE operation.
  43 /// Compare this strategy to sem_t's separate num_waiters field, which
  44 /// isn't decremented until after the waiting thread gets scheduled,
  45 /// during which time more enqueues might have occurred and made pointless
  46 /// FUTEX_WAKE calls.
  47 ///
  48 /// TurnSequencer uses futex() directly.  It is optimized for the
  49 /// case that the highest awaited turn is 32 or less higher than the
  50 /// current turn.  We use the FUTEX_WAIT_BITSET variant, which lets
  51 /// us embed 32 separate wakeup channels in a single futex.  See
  52 /// http://locklessinc.com/articles/futex_cheat_sheet for a description.
  53 ///
  54 /// We only need to keep exact track of the delta between the current
  55 /// turn and the maximum waiter for the 32 turns that follow the current
  56 /// one, because waiters at turn t+32 will be awoken at turn t.  At that
  57 /// point they can then adjust the delta using the higher base.  Since we
  58 /// need to encode waiter deltas of 0 to 32 inclusive, we use 6 bits.
  59 /// We actually store waiter deltas up to 63, since that might reduce
  60 /// the number of CAS operations a tiny bit.
  61 ///
  62 /// To avoid some futex() calls entirely, TurnSequencer uses an adaptive
  63 /// spin cutoff before waiting.  The overheads (and convergence rate)
  64 /// of separately tracking the spin cutoff for each TurnSequencer would
  65 /// be prohibitive, so the actual storage is passed in as a parameter and
  66 /// updated atomically.  This also lets the caller use different adaptive
  67 /// cutoffs for different operations (read versus write, for example).
  68 /// To avoid contention, the spin cutoff is only updated when requested
  69 /// by the caller.
  70 template <template<typename> class Atom>
  71 struct TurnSequencer {
  72   explicit TurnSequencer(const uint32_t firstTurn = 0) noexcept
  73       : state_(encode(firstTurn << kTurnShift, 0))
  74   {}
  75
  76   /// Returns true iff a call to waitForTurn(turn, ...) won't block
  77   bool isTurn(const uint32_t turn) const noexcept {
  78     auto state = state_.load(std::memory_order_acquire);
  79     return decodeCurrentSturn(state) == (turn << kTurnShift);
  80   }
  81
  82   /// See tryWaitForTurn
  83   /// Requires that `turn` is not a turn in the past.
  84   void waitForTurn(const uint32_t turn,
  85                 Atom<uint32_t>& spinCutoff,
  86                 const bool updateSpinCutoff) noexcept {
  87     bool success = tryWaitForTurn(turn, spinCutoff, updateSpinCutoff);
  88     (void) success;
  89     assert(success);
  90   }
  91
  92   // Internally we always work with shifted turn values, which makes the
  93   // truncation and wraparound work correctly.  This leaves us bits at
  94   // the bottom to store the number of waiters.  We call shifted turns
  95   // "sturns" inside this class.
  96
  97   /// Blocks the current thread until turn has arrived.  If
  98   /// updateSpinCutoff is true then this will spin for up to kMaxSpins tries
  99   /// before blocking and will adjust spinCutoff based on the results,
 100   /// otherwise it will spin for at most spinCutoff spins.
 101   /// Returns true if the wait succeeded, false if the turn is in the past
 102   bool tryWaitForTurn(const uint32_t turn,
 103                    Atom<uint32_t>& spinCutoff,
 104                    const bool updateSpinCutoff) noexcept {
 105     uint32_t prevThresh = spinCutoff.load(std::memory_order_relaxed);
 106     const uint32_t effectiveSpinCutoff =
 107         updateSpinCutoff || prevThresh == 0 ? kMaxSpins : prevThresh;
 108
 109     uint32_t tries;
 110     const uint32_t sturn = turn << kTurnShift;
 111     for (tries = 0; ; ++tries) {
 112       uint32_t state = state_.load(std::memory_order_acquire);
 113       uint32_t current_sturn = decodeCurrentSturn(state);
 114       if (current_sturn == sturn) {
 115         break;
 116       }
 117
 118       // wrap-safe version of (current_sturn >= sturn)
 119       if(sturn - current_sturn >= std::numeric_limits<uint32_t>::max() / 2) {
 120         // turn is in the past
 121         return false;
 122       }
 123
 124       // the first effectSpinCutoff tries are spins, after that we will
 125       // record ourself as a waiter and block with futexWait
 126       if (tries < effectiveSpinCutoff) {
 127         asm_volatile_pause();
 128         continue;
 129       }
 130
 131       uint32_t current_max_waiter_delta = decodeMaxWaitersDelta(state);
 132       uint32_t our_waiter_delta = (sturn - current_sturn) >> kTurnShift;
 133       uint32_t new_state;
 134       if (our_waiter_delta <= current_max_waiter_delta) {
 135         // state already records us as waiters, probably because this
 136         // isn't our first time around this loop
 137         new_state = state;
 138       } else {
 139         new_state = encode(current_sturn, our_waiter_delta);
 140         if (state != new_state &&
 141             !state_.compare_exchange_strong(state, new_state)) {
 142           continue;
 143         }
 144       }
 145       state_.futexWait(new_state, futexChannel(turn));
 146     }
 147
 148     if (updateSpinCutoff || prevThresh == 0) {
 149       // if we hit kMaxSpins then spinning was pointless, so the right
 150       // spinCutoff is kMinSpins
 151       uint32_t target;
 152       if (tries >= kMaxSpins) {
 153         target = kMinSpins;
 154       } else {
 155         // to account for variations, we allow ourself to spin 2*N when
 156         // we think that N is actually required in order to succeed
 157         target = std::min<uint32_t>(kMaxSpins,
 158                                     std::max<uint32_t>(kMinSpins, tries * 2));
 159       }
 160
 161       if (prevThresh == 0) {
 162         // bootstrap
 163         spinCutoff.store(target);
 164       } else {
 165         // try once, keep moving if CAS fails.  Exponential moving average
 166         // with alpha of 7/8
 167         // Be careful that the quantity we add to prevThresh is signed.
 168         spinCutoff.compare_exchange_weak(
 169             prevThresh, prevThresh + int(target - prevThresh) / 8);
 170       }
 171     }
 172
 173     return true;
 174   }
 175
 176   /// Unblocks a thread running waitForTurn(turn + 1)
 177   void completeTurn(const uint32_t turn) noexcept {
 178     uint32_t state = state_.load(std::memory_order_acquire);
 179     while (true) {
 180       assert(state == encode(turn << kTurnShift, decodeMaxWaitersDelta(state)));
 181       uint32_t max_waiter_delta = decodeMaxWaitersDelta(state);
 182       uint32_t new_state = encode(
 183               (turn + 1) << kTurnShift,
 184               max_waiter_delta == 0 ? 0 : max_waiter_delta - 1);
 185       if (state_.compare_exchange_strong(state, new_state)) {
 186         if (max_waiter_delta != 0) {
 187           state_.futexWake(std::numeric_limits<int>::max(),
 188                            futexChannel(turn + 1));
 189         }
 190         break;
 191       }
 192       // failing compare_exchange_strong updates first arg to the value
 193       // that caused the failure, so no need to reread state_
 194     }
 195   }
 196
 197   /// Returns the least-most significant byte of the current uncompleted
 198   /// turn.  The full 32 bit turn cannot be recovered.
 199   uint8_t uncompletedTurnLSB() const noexcept {
 200     return state_.load(std::memory_order_acquire) >> kTurnShift;
 201   }
 202
 203  private:
 204   enum : uint32_t {
 205     /// kTurnShift counts the bits that are stolen to record the delta
 206     /// between the current turn and the maximum waiter. It needs to be big
 207     /// enough to record wait deltas of 0 to 32 inclusive.  Waiters more
 208     /// than 32 in the future will be woken up 32*n turns early (since
 209     /// their BITSET will hit) and will adjust the waiter count again.
 210     /// We go a bit beyond and let the waiter count go up to 63, which
 211     /// is free and might save us a few CAS
 212     kTurnShift = 6,
 213     kWaitersMask = (1 << kTurnShift) - 1,
 214
 215     /// The minimum spin count that we will adaptively select
 216     kMinSpins = 20,
 217
 218     /// The maximum spin count that we will adaptively select, and the
 219     /// spin count that will be used when probing to get a new data point
 220     /// for the adaptation
 221     kMaxSpins = 2000,
 222   };
 223
 224   /// This holds both the current turn, and the highest waiting turn,
 225   /// stored as (current_turn << 6) | min(63, max(waited_turn - current_turn))
 226   Futex<Atom> state_;
 227
 228   /// Returns the bitmask to pass futexWait or futexWake when communicating
 229   /// about the specified turn
 230   int futexChannel(uint32_t turn) const noexcept {
 231     return 1 << (turn & 31);
 232   }
 233
 234   uint32_t decodeCurrentSturn(uint32_t state) const noexcept {
 235     return state & ~kWaitersMask;
 236   }
 237
 238   uint32_t decodeMaxWaitersDelta(uint32_t state) const noexcept {
 239     return state & kWaitersMask;
 240   }
 241
 242   uint32_t encode(uint32_t currentSturn, uint32_t maxWaiterD) const noexcept {
 243     return currentSturn | std::min(uint32_t{ kWaitersMask }, maxWaiterD);
 244   }
 245 };
 246
 247 } // namespace detail
 248 } // namespace folly