folly/detail/TurnSequencer.h

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