Extract TurnSequencer to detail/TurnSequencer
authorDelyan Kratunov <delyank@fb.com>
Fri, 29 May 2015 00:29:46 +0000 (17:29 -0700)
committerNoam Lerner <noamler@fb.com>
Wed, 3 Jun 2015 16:49:10 +0000 (09:49 -0700)
Summary:
A completely mechanical transformation that moves TurnSequencer into its own
header, to be used by other collections.

Test Plan: Existing tests.

Reviewed By: jmkaldor@fb.com

Subscribers: folly-diffs@, yfeldblum, chalfant

FB internal diff: D2065108

Signature: t1:2065108:1431474613:a3a9d063ebd2bedb31abb37be5fd33f0fb3eca6a

folly/MPMCQueue.h
folly/Makefile.am
folly/detail/TurnSequencer.h [new file with mode: 0644]

index 2ab40033a2b451f9d4fbc9a0b60697e936c75699..a2681954c3031e19d8f1b76fcca35bd54b43341f 100644 (file)
@@ -27,7 +27,7 @@
 
 #include <folly/Traits.h>
 #include <folly/detail/CacheLocality.h>
-#include <folly/detail/Futex.h>
+#include <folly/detail/TurnSequencer.h>
 
 namespace folly {
 
@@ -564,207 +564,6 @@ class MPMCQueue : boost::noncopyable {
 
 namespace detail {
 
-/// A TurnSequencer allows threads to order their execution according to
-/// a monotonically increasing (with wraparound) "turn" value.  The two
-/// operations provided are to wait for turn T, and to move to the next
-/// turn.  Every thread that is waiting for T must have arrived before
-/// that turn is marked completed (for MPMCQueue only one thread waits
-/// for any particular turn, so this is trivially true).
-///
-/// TurnSequencer's state_ holds 26 bits of the current turn (shifted
-/// left by 6), along with a 6 bit saturating value that records the
-/// maximum waiter minus the current turn.  Wraparound of the turn space
-/// is expected and handled.  This allows us to atomically adjust the
-/// number of outstanding waiters when we perform a FUTEX_WAKE operation.
-/// Compare this strategy to sem_t's separate num_waiters field, which
-/// isn't decremented until after the waiting thread gets scheduled,
-/// during which time more enqueues might have occurred and made pointless
-/// FUTEX_WAKE calls.
-///
-/// TurnSequencer uses futex() directly.  It is optimized for the
-/// case that the highest awaited turn is 32 or less higher than the
-/// current turn.  We use the FUTEX_WAIT_BITSET variant, which lets
-/// us embed 32 separate wakeup channels in a single futex.  See
-/// http://locklessinc.com/articles/futex_cheat_sheet for a description.
-///
-/// We only need to keep exact track of the delta between the current
-/// turn and the maximum waiter for the 32 turns that follow the current
-/// one, because waiters at turn t+32 will be awoken at turn t.  At that
-/// point they can then adjust the delta using the higher base.  Since we
-/// need to encode waiter deltas of 0 to 32 inclusive, we use 6 bits.
-/// We actually store waiter deltas up to 63, since that might reduce
-/// the number of CAS operations a tiny bit.
-///
-/// To avoid some futex() calls entirely, TurnSequencer uses an adaptive
-/// spin cutoff before waiting.  The overheads (and convergence rate)
-/// of separately tracking the spin cutoff for each TurnSequencer would
-/// be prohibitive, so the actual storage is passed in as a parameter and
-/// updated atomically.  This also lets the caller use different adaptive
-/// cutoffs for different operations (read versus write, for example).
-/// To avoid contention, the spin cutoff is only updated when requested
-/// by the caller.
-template <template<typename> class Atom>
-struct TurnSequencer {
-  explicit TurnSequencer(const uint32_t firstTurn = 0) noexcept
-      : state_(encode(firstTurn << kTurnShift, 0))
-  {}
-
-  /// Returns true iff a call to waitForTurn(turn, ...) won't block
-  bool isTurn(const uint32_t turn) const noexcept {
-    auto state = state_.load(std::memory_order_acquire);
-    return decodeCurrentSturn(state) == (turn << kTurnShift);
-  }
-
-  // Internally we always work with shifted turn values, which makes the
-  // truncation and wraparound work correctly.  This leaves us bits at
-  // the bottom to store the number of waiters.  We call shifted turns
-  // "sturns" inside this class.
-
-  /// Blocks the current thread until turn has arrived.  If
-  /// updateSpinCutoff is true then this will spin for up to kMaxSpins tries
-  /// before blocking and will adjust spinCutoff based on the results,
-  /// otherwise it will spin for at most spinCutoff spins.
-  void waitForTurn(const uint32_t turn,
-                   Atom<uint32_t>& spinCutoff,
-                   const bool updateSpinCutoff) noexcept {
-    uint32_t prevThresh = spinCutoff.load(std::memory_order_relaxed);
-    const uint32_t effectiveSpinCutoff =
-        updateSpinCutoff || prevThresh == 0 ? kMaxSpins : prevThresh;
-
-    uint32_t tries;
-    const uint32_t sturn = turn << kTurnShift;
-    for (tries = 0; ; ++tries) {
-      uint32_t state = state_.load(std::memory_order_acquire);
-      uint32_t current_sturn = decodeCurrentSturn(state);
-      if (current_sturn == sturn) {
-        break;
-      }
-
-      // wrap-safe version of assert(current_sturn < sturn)
-      assert(sturn - current_sturn < std::numeric_limits<uint32_t>::max() / 2);
-
-      // the first effectSpinCutoff tries are spins, after that we will
-      // record ourself as a waiter and block with futexWait
-      if (tries < effectiveSpinCutoff) {
-        asm volatile ("pause");
-        continue;
-      }
-
-      uint32_t current_max_waiter_delta = decodeMaxWaitersDelta(state);
-      uint32_t our_waiter_delta = (sturn - current_sturn) >> kTurnShift;
-      uint32_t new_state;
-      if (our_waiter_delta <= current_max_waiter_delta) {
-        // state already records us as waiters, probably because this
-        // isn't our first time around this loop
-        new_state = state;
-      } else {
-        new_state = encode(current_sturn, our_waiter_delta);
-        if (state != new_state &&
-            !state_.compare_exchange_strong(state, new_state)) {
-          continue;
-        }
-      }
-      state_.futexWait(new_state, futexChannel(turn));
-    }
-
-    if (updateSpinCutoff || prevThresh == 0) {
-      // if we hit kMaxSpins then spinning was pointless, so the right
-      // spinCutoff is kMinSpins
-      uint32_t target;
-      if (tries >= kMaxSpins) {
-        target = kMinSpins;
-      } else {
-        // to account for variations, we allow ourself to spin 2*N when
-        // we think that N is actually required in order to succeed
-        target = std::min<uint32_t>(kMaxSpins,
-                                    std::max<uint32_t>(kMinSpins, tries * 2));
-      }
-
-      if (prevThresh == 0) {
-        // bootstrap
-        spinCutoff.store(target);
-      } else {
-        // try once, keep moving if CAS fails.  Exponential moving average
-        // with alpha of 7/8
-        // Be careful that the quantity we add to prevThresh is signed.
-        spinCutoff.compare_exchange_weak(
-            prevThresh, prevThresh + int(target - prevThresh) / 8);
-      }
-    }
-  }
-
-  /// Unblocks a thread running waitForTurn(turn + 1)
-  void completeTurn(const uint32_t turn) noexcept {
-    uint32_t state = state_.load(std::memory_order_acquire);
-    while (true) {
-      assert(state == encode(turn << kTurnShift, decodeMaxWaitersDelta(state)));
-      uint32_t max_waiter_delta = decodeMaxWaitersDelta(state);
-      uint32_t new_state = encode(
-              (turn + 1) << kTurnShift,
-              max_waiter_delta == 0 ? 0 : max_waiter_delta - 1);
-      if (state_.compare_exchange_strong(state, new_state)) {
-        if (max_waiter_delta != 0) {
-          state_.futexWake(std::numeric_limits<int>::max(),
-                           futexChannel(turn + 1));
-        }
-        break;
-      }
-      // failing compare_exchange_strong updates first arg to the value
-      // that caused the failure, so no need to reread state_
-    }
-  }
-
-  /// Returns the least-most significant byte of the current uncompleted
-  /// turn.  The full 32 bit turn cannot be recovered.
-  uint8_t uncompletedTurnLSB() const noexcept {
-    return state_.load(std::memory_order_acquire) >> kTurnShift;
-  }
-
- private:
-  enum : uint32_t {
-    /// kTurnShift counts the bits that are stolen to record the delta
-    /// between the current turn and the maximum waiter. It needs to be big
-    /// enough to record wait deltas of 0 to 32 inclusive.  Waiters more
-    /// than 32 in the future will be woken up 32*n turns early (since
-    /// their BITSET will hit) and will adjust the waiter count again.
-    /// We go a bit beyond and let the waiter count go up to 63, which
-    /// is free and might save us a few CAS
-    kTurnShift = 6,
-    kWaitersMask = (1 << kTurnShift) - 1,
-
-    /// The minimum spin count that we will adaptively select
-    kMinSpins = 20,
-
-    /// The maximum spin count that we will adaptively select, and the
-    /// spin count that will be used when probing to get a new data point
-    /// for the adaptation
-    kMaxSpins = 2000,
-  };
-
-  /// This holds both the current turn, and the highest waiting turn,
-  /// stored as (current_turn << 6) | min(63, max(waited_turn - current_turn))
-  Futex<Atom> state_;
-
-  /// Returns the bitmask to pass futexWait or futexWake when communicating
-  /// about the specified turn
-  int futexChannel(uint32_t turn) const noexcept {
-    return 1 << (turn & 31);
-  }
-
-  uint32_t decodeCurrentSturn(uint32_t state) const noexcept {
-    return state & ~kWaitersMask;
-  }
-
-  uint32_t decodeMaxWaitersDelta(uint32_t state) const noexcept {
-    return state & kWaitersMask;
-  }
-
-  uint32_t encode(uint32_t currentSturn, uint32_t maxWaiterD) const noexcept {
-    return currentSturn | std::min(uint32_t{ kWaitersMask }, maxWaiterD);
-  }
-};
-
-
 /// SingleElementQueue implements a blocking queue that holds at most one
 /// item, and that requires its users to assign incrementing identifiers
 /// (turns) to each enqueue and dequeue operation.  Note that the turns
index 38776bdb2e9c08c3718e1107b1fdeccd8e71fe3b..f5546b562a20834b59947ff91d19d5ed0a0b60fe 100644 (file)
@@ -59,6 +59,7 @@ nobase_follyinclude_HEADERS = \
        detail/SpinLockImpl.h \
        detail/Stats.h \
        detail/ThreadLocalDetail.h \
+       detail/TurnSequencer.h \
        detail/UncaughtExceptionCounter.h \
        Demangle.h \
        DiscriminatedPtr.h \
diff --git a/folly/detail/TurnSequencer.h b/folly/detail/TurnSequencer.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..aafeaa1
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,231 @@
+/*
+ * Copyright 2015 Facebook, Inc.
+ *
+ * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
+ * you may not use this file except in compliance with the License.
+ * You may obtain a copy of the License at
+ *
+ *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
+ *
+ * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
+ * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
+ * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
+ * See the License for the specific language governing permissions and
+ * limitations under the License.
+ */
+
+#pragma once
+
+#include <algorithm>
+#include <assert.h>
+#include <limits>
+#include <unistd.h>
+
+#include <folly/detail/Futex.h>
+
+namespace folly {
+
+namespace detail {
+
+/// A TurnSequencer allows threads to order their execution according to
+/// a monotonically increasing (with wraparound) "turn" value.  The two
+/// operations provided are to wait for turn T, and to move to the next
+/// turn.  Every thread that is waiting for T must have arrived before
+/// that turn is marked completed (for MPMCQueue only one thread waits
+/// for any particular turn, so this is trivially true).
+///
+/// TurnSequencer's state_ holds 26 bits of the current turn (shifted
+/// left by 6), along with a 6 bit saturating value that records the
+/// maximum waiter minus the current turn.  Wraparound of the turn space
+/// is expected and handled.  This allows us to atomically adjust the
+/// number of outstanding waiters when we perform a FUTEX_WAKE operation.
+/// Compare this strategy to sem_t's separate num_waiters field, which
+/// isn't decremented until after the waiting thread gets scheduled,
+/// during which time more enqueues might have occurred and made pointless
+/// FUTEX_WAKE calls.
+///
+/// TurnSequencer uses futex() directly.  It is optimized for the
+/// case that the highest awaited turn is 32 or less higher than the
+/// current turn.  We use the FUTEX_WAIT_BITSET variant, which lets
+/// us embed 32 separate wakeup channels in a single futex.  See
+/// http://locklessinc.com/articles/futex_cheat_sheet for a description.
+///
+/// We only need to keep exact track of the delta between the current
+/// turn and the maximum waiter for the 32 turns that follow the current
+/// one, because waiters at turn t+32 will be awoken at turn t.  At that
+/// point they can then adjust the delta using the higher base.  Since we
+/// need to encode waiter deltas of 0 to 32 inclusive, we use 6 bits.
+/// We actually store waiter deltas up to 63, since that might reduce
+/// the number of CAS operations a tiny bit.
+///
+/// To avoid some futex() calls entirely, TurnSequencer uses an adaptive
+/// spin cutoff before waiting.  The overheads (and convergence rate)
+/// of separately tracking the spin cutoff for each TurnSequencer would
+/// be prohibitive, so the actual storage is passed in as a parameter and
+/// updated atomically.  This also lets the caller use different adaptive
+/// cutoffs for different operations (read versus write, for example).
+/// To avoid contention, the spin cutoff is only updated when requested
+/// by the caller.
+template <template<typename> class Atom>
+struct TurnSequencer {
+  explicit TurnSequencer(const uint32_t firstTurn = 0) noexcept
+      : state_(encode(firstTurn << kTurnShift, 0))
+  {}
+
+  /// Returns true iff a call to waitForTurn(turn, ...) won't block
+  bool isTurn(const uint32_t turn) const noexcept {
+    auto state = state_.load(std::memory_order_acquire);
+    return decodeCurrentSturn(state) == (turn << kTurnShift);
+  }
+
+  // Internally we always work with shifted turn values, which makes the
+  // truncation and wraparound work correctly.  This leaves us bits at
+  // the bottom to store the number of waiters.  We call shifted turns
+  // "sturns" inside this class.
+
+  /// Blocks the current thread until turn has arrived.  If
+  /// updateSpinCutoff is true then this will spin for up to kMaxSpins tries
+  /// before blocking and will adjust spinCutoff based on the results,
+  /// otherwise it will spin for at most spinCutoff spins.
+  void waitForTurn(const uint32_t turn,
+                   Atom<uint32_t>& spinCutoff,
+                   const bool updateSpinCutoff) noexcept {
+    uint32_t prevThresh = spinCutoff.load(std::memory_order_relaxed);
+    const uint32_t effectiveSpinCutoff =
+        updateSpinCutoff || prevThresh == 0 ? kMaxSpins : prevThresh;
+
+    uint32_t tries;
+    const uint32_t sturn = turn << kTurnShift;
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+      uint32_t state = state_.load(std::memory_order_acquire);
+      uint32_t current_sturn = decodeCurrentSturn(state);
+      if (current_sturn == sturn) {
+        break;
+      }
+
+      // wrap-safe version of assert(current_sturn < sturn)
+      assert(sturn - current_sturn < std::numeric_limits<uint32_t>::max() / 2);
+
+      // the first effectSpinCutoff tries are spins, after that we will
+      // record ourself as a waiter and block with futexWait
+      if (tries < effectiveSpinCutoff) {
+        asm volatile ("pause");
+        continue;
+      }
+
+      uint32_t current_max_waiter_delta = decodeMaxWaitersDelta(state);
+      uint32_t our_waiter_delta = (sturn - current_sturn) >> kTurnShift;
+      uint32_t new_state;
+      if (our_waiter_delta <= current_max_waiter_delta) {
+        // state already records us as waiters, probably because this
+        // isn't our first time around this loop
+        new_state = state;
+      } else {
+        new_state = encode(current_sturn, our_waiter_delta);
+        if (state != new_state &&
+            !state_.compare_exchange_strong(state, new_state)) {
+          continue;
+        }
+      }
+      state_.futexWait(new_state, futexChannel(turn));
+    }
+
+    if (updateSpinCutoff || prevThresh == 0) {
+      // if we hit kMaxSpins then spinning was pointless, so the right
+      // spinCutoff is kMinSpins
+      uint32_t target;
+      if (tries >= kMaxSpins) {
+        target = kMinSpins;
+      } else {
+        // to account for variations, we allow ourself to spin 2*N when
+        // we think that N is actually required in order to succeed
+        target = std::min<uint32_t>(kMaxSpins,
+                                    std::max<uint32_t>(kMinSpins, tries * 2));
+      }
+
+      if (prevThresh == 0) {
+        // bootstrap
+        spinCutoff.store(target);
+      } else {
+        // try once, keep moving if CAS fails.  Exponential moving average
+        // with alpha of 7/8
+        // Be careful that the quantity we add to prevThresh is signed.
+        spinCutoff.compare_exchange_weak(
+            prevThresh, prevThresh + int(target - prevThresh) / 8);
+      }
+    }
+  }
+
+  /// Unblocks a thread running waitForTurn(turn + 1)
+  void completeTurn(const uint32_t turn) noexcept {
+    uint32_t state = state_.load(std::memory_order_acquire);
+    while (true) {
+      assert(state == encode(turn << kTurnShift, decodeMaxWaitersDelta(state)));
+      uint32_t max_waiter_delta = decodeMaxWaitersDelta(state);
+      uint32_t new_state = encode(
+              (turn + 1) << kTurnShift,
+              max_waiter_delta == 0 ? 0 : max_waiter_delta - 1);
+      if (state_.compare_exchange_strong(state, new_state)) {
+        if (max_waiter_delta != 0) {
+          state_.futexWake(std::numeric_limits<int>::max(),
+                           futexChannel(turn + 1));
+        }
+        break;
+      }
+      // failing compare_exchange_strong updates first arg to the value
+      // that caused the failure, so no need to reread state_
+    }
+  }
+
+  /// Returns the least-most significant byte of the current uncompleted
+  /// turn.  The full 32 bit turn cannot be recovered.
+  uint8_t uncompletedTurnLSB() const noexcept {
+    return state_.load(std::memory_order_acquire) >> kTurnShift;
+  }
+
+ private:
+  enum : uint32_t {
+    /// kTurnShift counts the bits that are stolen to record the delta
+    /// between the current turn and the maximum waiter. It needs to be big
+    /// enough to record wait deltas of 0 to 32 inclusive.  Waiters more
+    /// than 32 in the future will be woken up 32*n turns early (since
+    /// their BITSET will hit) and will adjust the waiter count again.
+    /// We go a bit beyond and let the waiter count go up to 63, which
+    /// is free and might save us a few CAS
+    kTurnShift = 6,
+    kWaitersMask = (1 << kTurnShift) - 1,
+
+    /// The minimum spin count that we will adaptively select
+    kMinSpins = 20,
+
+    /// The maximum spin count that we will adaptively select, and the
+    /// spin count that will be used when probing to get a new data point
+    /// for the adaptation
+    kMaxSpins = 2000,
+  };
+
+  /// This holds both the current turn, and the highest waiting turn,
+  /// stored as (current_turn << 6) | min(63, max(waited_turn - current_turn))
+  Futex<Atom> state_;
+
+  /// Returns the bitmask to pass futexWait or futexWake when communicating
+  /// about the specified turn
+  int futexChannel(uint32_t turn) const noexcept {
+    return 1 << (turn & 31);
+  }
+
+  uint32_t decodeCurrentSturn(uint32_t state) const noexcept {
+    return state & ~kWaitersMask;
+  }
+
+  uint32_t decodeMaxWaitersDelta(uint32_t state) const noexcept {
+    return state & kWaitersMask;
+  }
+
+  uint32_t encode(uint32_t currentSturn, uint32_t maxWaiterD) const noexcept {
+    return currentSturn | std::min(uint32_t{ kWaitersMask }, maxWaiterD);
+  }
+};
+
+} // namespace detail
+} // namespace folly