source: doc/theses/thierry_delisle_PhD/code/relaxed_list.hpp @ 5f259f3

arm-ehenumforall-pointer-decayjacob/cs343-translationnew-astnew-ast-unique-exprpthread-emulationqualifiedEnum
Last change on this file since 5f259f3 was 5f259f3, checked in by Thierry Delisle <tdelisle@…>, 3 years ago

Missing some of the BMI2 fixes
  • Property mode set to 100644
File size: 15.9 KB
Line 
1#pragma once
2
3#define MACRO_XSTR(s) MACRO_STR(s)
4#define MACRO_STR(s) #s
5
6#define VANILLA 0
7#define SNZI 1
8#define BITMASK 2
9#define DISCOVER 3
10#define SNZM 4
11
12#ifndef VARIANT
13#define VARIANT VANILLA
14#endif
15
16#ifndef NO_STATS
17#include <iostream>
18#endif
19
20#include <cmath>
21#include <memory>
22#include <mutex>
23#include <type_traits>
24
25#include "assert.hpp"
26#include "utils.hpp"
27#include "snzi.hpp"
28#include "snzm.hpp"
29
30using namespace std;
31
32extern bool enable_stats;
33
34struct pick_stat {
35        struct {
36                size_t attempt = 0;
37                size_t success = 0;
38        } push;
39        struct {
40                size_t attempt = 0;
41                size_t success = 0;
42                size_t mask_attempt = 0;
43                size_t mask_reset = 0;
44        } pop;
45};
46
47struct empty_stat {
48        struct {
49                size_t value = 0;
50                size_t count = 0;
51        } push;
52        struct {
53                size_t value = 0;
54                size_t count = 0;
55        } pop;
56};
57
58template<typename node_t>
59struct _LinksFields_t {
60        node_t * prev = nullptr;
61        node_t * next = nullptr;
62        unsigned long long ts = 0;
63};
64
65template<typename node_t>
66class __attribute__((aligned(128))) relaxed_list {
67        static_assert(std::is_same<decltype(node_t::_links), _LinksFields_t<node_t>>::value, "Node must have a links field");
68
69public:
70        static const char * name() {
71                const char * names[] = {
72                        "VANILLA",
73                        "SNZI",
74                        "BITMASK",
75                        "DISCOVER",
76                        "SNZI + MASK"
77                };
78                return names[VARIANT];
79        }
80
81        relaxed_list(unsigned numLists)
82                : lists(new intrusive_queue_t[numLists])
83                , numLists(numLists)
84                #if VARIANT == SNZI || VARIANT == DISCOVER
85                        , snzi( std::log2( numLists / 8 ), 2 )
86                #elif VARIANT == SNZM
87                        , snzm( numLists )
88                #endif
89        {
90                assertf(7 * 8 * 8 >= numLists, "List currently only supports 448 sublists");
91                // assert(sizeof(*this) == 128);
92                std::cout << "Constructing Relaxed List with " << numLists << std::endl;
93
94                #ifndef NO_STATS
95                        if(head) this->next = head;
96                        head = this;
97                #endif
98        }
99
100        ~relaxed_list() {
101                std::cout << "Destroying Relaxed List" << std::endl;
102                lists.reset();
103        }
104
105        __attribute__((noinline, hot)) void push(node_t * node) {
106                node->_links.ts = rdtscl();
107
108                while(true) {
109                        // Pick a random list
110                        unsigned i = tls.rng.next() % numLists;
111
112                        #ifndef NO_STATS
113                                tls.pick.push.attempt++;
114                        #endif
115
116                        // If we can't lock it retry
117                        if( !lists[i].lock.try_lock() ) continue;
118
119                        #if VARIANT != SNZM && VARIANT != SNZI && VARIANT != DISCOVER
120                                __attribute__((unused)) int num = numNonEmpty;
121                        #endif
122
123                        // Actually push it
124                        if(lists[i].push(node)) {
125                                #if VARIANT == DISCOVER
126                                        size_t qword = i >> 6ull;
127                                        size_t bit   = i & 63ull;
128                                        assert(qword == 0);
129                                        bts(tls.mask, bit);
130                                        snzi.arrive(i);
131                                #elif VARIANT == SNZI
132                                        snzi.arrive(i);
133                                #elif VARIANT == SNZM
134                                        snzm.arrive(i);
135                                #elif VARIANT == BITMASK
136                                        numNonEmpty++;
137                                        size_t qword = i >> 6ull;
138                                        size_t bit   = i & 63ull;
139                                        assertf((list_mask[qword] & (1ul << bit)) == 0, "Before set %zu:%zu (%u), %zx & %zx", qword, bit, i, list_mask[qword].load(), (1ul << bit));
140                                        __attribute__((unused)) bool ret = bts(list_mask[qword], bit);
141                                        assert(!ret);
142                                        assertf((list_mask[qword] & (1ul << bit)) != 0, "After set %zu:%zu (%u), %zx & %zx", qword, bit, i, list_mask[qword].load(), (1ul << bit));
143                                #else
144                                        numNonEmpty++;
145                                #endif
146                        }
147                        #if VARIANT != SNZM && VARIANT != SNZI && VARIANT != DISCOVER
148                                assert(numNonEmpty <= (int)numLists);
149                        #endif
150
151                        // Unlock and return
152                        lists[i].lock.unlock();
153
154                        #ifndef NO_STATS
155                                tls.pick.push.success++;
156                                #if VARIANT != SNZM && VARIANT != SNZI && VARIANT != DISCOVER
157                                        tls.empty.push.value += num;
158                                        tls.empty.push.count += 1;
159                                #endif
160                        #endif
161                        return;
162                }
163        }
164
165        __attribute__((noinline, hot)) node_t * pop() {
166                #if VARIANT == DISCOVER
167                        assert(numLists <= 64);
168                        while(snzi.query()) {
169                                tls.pick.pop.mask_attempt++;
170                                unsigned i, j;
171                                {
172                                        // Pick first list totally randomly
173                                        i = tls.rng.next() % numLists;
174
175                                        // Pick the other according to the bitmask
176                                        unsigned r = tls.rng.next();
177
178                                        size_t mask = tls.mask.load(std::memory_order_relaxed);
179                                        if(mask == 0) {
180                                                tls.pick.pop.mask_reset++;
181                                                mask = (1U << numLists) - 1;
182                                        }
183
184                                        unsigned b = rand_bit(r, mask);
185
186                                        assertf(b < 64, "%zu %u", mask, b);
187
188                                        j = b;
189
190                                        assert(j < numLists);
191                                }
192
193                                if(auto node = try_pop(i, j)) return node;
194                        }
195                #elif VARIANT == SNZI
196                        while(snzi.query()) {
197                                // Pick two lists at random
198                                int i = tls.rng.next() % numLists;
199                                int j = tls.rng.next() % numLists;
200
201                                if(auto node = try_pop(i, j)) return node;
202                        }
203                #elif VARIANT == SNZM
204                        while(snzm.query()) {
205                                tls.pick.pop.mask_attempt++;
206                                unsigned i, j;
207                                {
208                                        // Pick two random number
209                                        unsigned ri = tls.rng.next();
210                                        unsigned rj = tls.rng.next();
211
212                                        // Pick two nodes from it
213                                        unsigned wdxi = ri & snzm.mask;
214                                        unsigned wdxj = rj & snzm.mask;
215
216                                        // Get the masks from the nodes
217                                        size_t maski = snzm.masks(wdxi);
218                                        size_t maskj = snzm.masks(wdxj);
219
220                                        if(maski == 0 && maskj == 0) continue;
221
222                                        #if defined(__BMI2__)
223                                                uint64_t idxsi = _pext_u64(snzm.indexes, maski);
224                                                uint64_t idxsj = _pext_u64(snzm.indexes, maskj);
225
226                                                auto pi = __builtin_popcountll(maski);
227                                                auto pj = __builtin_popcountll(maskj);
228
229                                                ri = pi ? ri & ((pi >> 3) - 1) : 0;
230                                                rj = pj ? rj & ((pj >> 3) - 1) : 0;
231
232                                                unsigned bi = (idxsi >> (ri << 3)) & 0xff;
233                                                unsigned bj = (idxsj >> (rj << 3)) & 0xff;
234                                        #else
235                                                unsigned bi = rand_bit(ri >> snzm.depth, maski);
236                                                unsigned bj = rand_bit(rj >> snzm.depth, maskj);
237                                        #endif
238
239                                        i = (bi << snzm.depth) | wdxi;
240                                        j = (bj << snzm.depth) | wdxj;
241
242                                        /* paranoid */ assertf(i < numLists, "%u %u", bj, wdxi);
243                                        /* paranoid */ assertf(j < numLists, "%u %u", bj, wdxj);
244                                }
245
246                                if(auto node = try_pop(i, j)) return node;
247                        }
248                #elif VARIANT == BITMASK
249                        int nnempty;
250                        while(0 != (nnempty = numNonEmpty)) {
251                                tls.pick.pop.mask_attempt++;
252                                unsigned i, j;
253                                {
254                                        // Pick two lists at random
255                                        unsigned num = ((numLists - 1) >> 6) + 1;
256
257                                        unsigned ri = tls.rng.next();
258                                        unsigned rj = tls.rng.next();
259
260                                        unsigned wdxi = (ri >> 6u) % num;
261                                        unsigned wdxj = (rj >> 6u) % num;
262
263                                        size_t maski = list_mask[wdxi].load(std::memory_order_relaxed);
264                                        size_t maskj = list_mask[wdxj].load(std::memory_order_relaxed);
265
266                                        if(maski == 0 && maskj == 0) continue;
267
268                                        unsigned bi = rand_bit(ri, maski);
269                                        unsigned bj = rand_bit(rj, maskj);
270
271                                        assertf(bi < 64, "%zu %u", maski, bi);
272                                        assertf(bj < 64, "%zu %u", maskj, bj);
273
274                                        i = bi | (wdxi << 6);
275                                        j = bj | (wdxj << 6);
276
277                                        assertf(i < numLists, "%u", wdxi << 6);
278                                        assertf(j < numLists, "%u", wdxj << 6);
279                                }
280
281                                if(auto node = try_pop(i, j)) return node;
282                        }
283                #else
284                        while(numNonEmpty != 0) {
285                                // Pick two lists at random
286                                int i = tls.rng.next() % numLists;
287                                int j = tls.rng.next() % numLists;
288
289                                if(auto node = try_pop(i, j)) return node;
290                        }
291                #endif
292
293                return nullptr;
294        }
295
296private:
297        node_t * try_pop(unsigned i, unsigned j) {
298                #ifndef NO_STATS
299                        tls.pick.pop.attempt++;
300                #endif
301
302                #if VARIANT == DISCOVER
303                        if(lists[i].ts() > 0) bts(tls.mask, i); else btr(tls.mask, i);
304                        if(lists[j].ts() > 0) bts(tls.mask, j); else btr(tls.mask, j);
305                #endif
306
307                // Pick the bet list
308                int w = i;
309                if( __builtin_expect(lists[j].ts() != 0, true) ) {
310                        w = (lists[i].ts() < lists[j].ts()) ? i : j;
311                }
312
313                auto & list = lists[w];
314                // If list looks empty retry
315                if( list.ts() == 0 ) return nullptr;
316
317                // If we can't get the lock retry
318                if( !list.lock.try_lock() ) return nullptr;
319
320                #if VARIANT != SNZM && VARIANT != SNZI && VARIANT != DISCOVER
321                        __attribute__((unused)) int num = numNonEmpty;
322                #endif
323
324                // If list is empty, unlock and retry
325                if( list.ts() == 0 ) {
326                        list.lock.unlock();
327                        return nullptr;
328                }
329
330                // Actually pop the list
331                node_t * node;
332                bool emptied;
333                std::tie(node, emptied) = list.pop();
334                assert(node);
335
336                if(emptied) {
337                        #if VARIANT == DISCOVER
338                                size_t qword = w >> 6ull;
339                                size_t bit   = w & 63ull;
340                                assert(qword == 0);
341                                __attribute__((unused)) bool ret = btr(tls.mask, bit);
342                                snzi.depart(w);
343                        #elif VARIANT == SNZI
344                                snzi.depart(w);
345                        #elif VARIANT == SNZM
346                                snzm.depart(w);
347                        #elif VARIANT == BITMASK
348                                numNonEmpty--;
349                                size_t qword = w >> 6ull;
350                                size_t bit   = w & 63ull;
351                                assert((list_mask[qword] & (1ul << bit)) != 0);
352                                __attribute__((unused)) bool ret = btr(list_mask[qword], bit);
353                                assert(ret);
354                                assert((list_mask[qword] & (1ul << bit)) == 0);
355                        #else
356                                numNonEmpty--;
357                        #endif
358                }
359
360                // Unlock and return
361                list.lock.unlock();
362                #if VARIANT != SNZM && VARIANT != SNZI && VARIANT != DISCOVER
363                        assert(numNonEmpty >= 0);
364                #endif
365                #ifndef NO_STATS
366                        tls.pick.pop.success++;
367                        #if VARIANT != SNZM && VARIANT != SNZI && VARIANT != DISCOVER
368                                tls.empty.pop.value += num;
369                                tls.empty.pop.count += 1;
370                        #endif
371                #endif
372                return node;
373        }
374
375private:
376
377        class __attribute__((aligned(128))) intrusive_queue_t {
378        public:
379                typedef spinlock_t lock_t;
380
381                friend class relaxed_list<node_t>;
382
383                struct stat {
384                        ssize_t diff = 0;
385                        size_t  push = 0;
386                        size_t  pop  = 0;
387                };
388
389        private:
390                struct sentinel_t {
391                        _LinksFields_t<node_t> _links;
392                };
393
394                lock_t lock;
395                sentinel_t before;
396                sentinel_t after;
397                #ifndef NO_STATS
398                        stat s;
399                #endif
400
401#pragma GCC diagnostic push
402#pragma GCC diagnostic ignored "-Winvalid-offsetof"
403                static constexpr auto fields_offset = offsetof( node_t, _links );
404#pragma GCC diagnostic pop
405        public:
406                intrusive_queue_t()
407                        : before{{ nullptr, tail() }}
408                        , after {{ head(), nullptr }}
409                {
410                        /* paranoid */ assert((reinterpret_cast<uintptr_t>( head() ) + fields_offset) == reinterpret_cast<uintptr_t>(&before));
411                        /* paranoid */ assert((reinterpret_cast<uintptr_t>( tail() ) + fields_offset) == reinterpret_cast<uintptr_t>(&after ));
412                        /* paranoid */ assert(head()->_links.prev == nullptr);
413                        /* paranoid */ assert(head()->_links.next == tail() );
414                        /* paranoid */ assert(tail()->_links.next == nullptr);
415                        /* paranoid */ assert(tail()->_links.prev == head() );
416                        /* paranoid */ assert(sizeof(*this) == 128);
417                        /* paranoid */ assert((intptr_t(this) % 128) == 0);
418                }
419
420                ~intrusive_queue_t() = default;
421
422                inline node_t * head() const {
423                        node_t * rhead = reinterpret_cast<node_t *>(
424                                reinterpret_cast<uintptr_t>( &before ) - fields_offset
425                        );
426                        assert(rhead);
427                        return rhead;
428                }
429
430                inline node_t * tail() const {
431                        node_t * rtail = reinterpret_cast<node_t *>(
432                                reinterpret_cast<uintptr_t>( &after ) - fields_offset
433                        );
434                        assert(rtail);
435                        return rtail;
436                }
437
438                inline bool push(node_t * node) {
439                        assert(lock);
440                        assert(node->_links.ts != 0);
441                        node_t * tail = this->tail();
442
443                        node_t * prev = tail->_links.prev;
444                        // assertf(node->_links.ts >= prev->_links.ts,
445                        //      "New node has smaller timestamp: %llu < %llu", node->_links.ts, prev->_links.ts);
446                        node->_links.next = tail;
447                        node->_links.prev = prev;
448                        prev->_links.next = node;
449                        tail->_links.prev = node;
450                        #ifndef NO_STATS
451                                if(enable_stats) {
452                                        s.diff++;
453                                        s.push++;
454                                }
455                        #endif
456                        if(before._links.ts == 0l) {
457                                before._links.ts = node->_links.ts;
458                                assert(node->_links.prev == this->head());
459                                return true;
460                        }
461                        return false;
462                }
463
464                inline std::pair<node_t *, bool> pop() {
465                        assert(lock);
466                        node_t * head = this->head();
467                        node_t * tail = this->tail();
468
469                        node_t * node = head->_links.next;
470                        node_t * next = node->_links.next;
471                        if(node == tail) return {nullptr, false};
472
473                        head->_links.next = next;
474                        next->_links.prev = head;
475
476                        #ifndef NO_STATS
477                                if(enable_stats) {
478                                        s.diff--;
479                                        s.pop ++;
480                                }
481                        #endif
482                        if(next == tail) {
483                                before._links.ts = 0l;
484                                return {node, true};
485                        }
486                        else {
487                                assert(next->_links.ts != 0);
488                                before._links.ts = next->_links.ts;
489                                assert(before._links.ts != 0);
490                                return {node, false};
491                        }
492                }
493
494                long long ts() const {
495                        return before._links.ts;
496                }
497        };
498
499
500public:
501
502        static __attribute__((aligned(128))) thread_local struct TLS {
503                Random     rng = { int(rdtscl()) };
504                pick_stat  pick;
505                empty_stat empty;
506                __attribute__((aligned(64))) std::atomic_size_t mask = { 0 };
507        } tls;
508
509private:
510        __attribute__((aligned(64))) std::unique_ptr<intrusive_queue_t []> lists;
511        const unsigned numLists;
512private:
513        #if VARIANT == SNZI || VARIANT == DISCOVER
514                snzi_t snzi;
515        #elif VARIANT == SNZM
516                snzm_t snzm;
517        #else
518                std::atomic_int numNonEmpty  = { 0 };  // number of non-empty lists
519        #endif
520        #if VARIANT == BITMASK
521                std::atomic_size_t list_mask[7] = { {0}, {0}, {0}, {0}, {0}, {0}, {0} }; // which queues are empty
522        #endif
523
524public:
525        static const constexpr size_t sizeof_queue = sizeof(intrusive_queue_t);
526
527#ifndef NO_STATS
528        static void stats_print(std::ostream & os) {
529                auto it = head;
530                while(it) {
531                        it->stats_print_local(os);
532                        it = it->next;
533                }
534        }
535
536        static void stats_tls_tally() {
537                global_stats.pick.push.attempt += tls.pick.push.attempt;
538                global_stats.pick.push.success += tls.pick.push.success;
539                global_stats.pick.pop .attempt += tls.pick.pop.attempt;
540                global_stats.pick.pop .success += tls.pick.pop.success;
541                global_stats.pick.pop .mask_attempt += tls.pick.pop.mask_attempt;
542                global_stats.pick.pop .mask_reset += tls.pick.pop.mask_reset;
543
544                global_stats.qstat.push.value += tls.empty.push.value;
545                global_stats.qstat.push.count += tls.empty.push.count;
546                global_stats.qstat.pop .value += tls.empty.pop .value;
547                global_stats.qstat.pop .count += tls.empty.pop .count;
548        }
549
550private:
551        static struct GlobalStats {
552                struct {
553                        struct {
554                                std::atomic_size_t attempt = { 0 };
555                                std::atomic_size_t success = { 0 };
556                        } push;
557                        struct {
558                                std::atomic_size_t attempt = { 0 };
559                                std::atomic_size_t success = { 0 };
560                                std::atomic_size_t mask_attempt = { 0 };
561                                std::atomic_size_t mask_reset = { 0 };
562                        } pop;
563                } pick;
564                struct {
565                        struct {
566                                std::atomic_size_t value = { 0 };
567                                std::atomic_size_t count = { 0 };
568                        } push;
569                        struct {
570                                std::atomic_size_t value = { 0 };
571                                std::atomic_size_t count = { 0 };
572                        } pop;
573                } qstat;
574        } global_stats;
575
576        // Link list of all lists for stats
577        __attribute__((aligned(64))) relaxed_list<node_t> * next = nullptr;
578
579        static relaxed_list<node_t> * head;
580
581        void stats_print_local(std::ostream & os ) {
582                std::cout << "----- Relaxed List Stats -----" << std::endl;
583                // {
584                //      ssize_t diff = 0;
585                //      size_t  num  = 0;
586                //      ssize_t max  = 0;
587
588                //      for(size_t i = 0; i < numLists; i++) {
589                //              const auto & list = lists[i];
590                //              diff+= list.s.diff;
591                //              num ++;
592                //              max  = std::abs(max) > std::abs(list.s.diff) ? max : list.s.diff;
593                //              os << "Local Q ops   : " << (list.s.push + list.s.pop) << "(" << list.s.push << "i, " << list.s.pop << "o)\n";
594                //      }
595
596                //      os << "Difference   : " << ssize_t(double(diff) / num  ) << " avg\t" << max << "max" << std::endl;
597                // }
598
599                const auto & global = global_stats;
600
601                double push_sur = (100.0 * double(global.pick.push.success) / global.pick.push.attempt);
602                double pop_sur  = (100.0 * double(global.pick.pop .success) / global.pick.pop .attempt);
603                double mpop_sur = (100.0 * double(global.pick.pop .success) / global.pick.pop .mask_attempt);
604                double rpop_sur = (100.0 * double(global.pick.pop .mask_reset) / global.pick.pop .mask_attempt);
605
606                os << "Push   Pick % : " << push_sur << "(" << global.pick.push.success << " / " << global.pick.push.attempt << ")\n";
607                os << "Pop    Pick % : " << pop_sur  << "(" << global.pick.pop .success << " / " << global.pick.pop .attempt << ")\n";
608                os << "TryPop Pick % : " << mpop_sur << "(" << global.pick.pop .success << " / " << global.pick.pop .mask_attempt << ")\n";
609                os << "Pop M Reset % : " << rpop_sur << "(" << global.pick.pop .mask_reset << " / " << global.pick.pop .mask_attempt << ")\n";
610
611                double avgQ_push = double(global.qstat.push.value) / global.qstat.push.count;
612                double avgQ_pop  = double(global.qstat.pop .value) / global.qstat.pop .count;
613                double avgQ      = double(global.qstat.push.value + global.qstat.pop .value) / (global.qstat.push.count + global.qstat.pop .count);
614                os << "Push   Avg Qs : " << avgQ_push << " (" << global.qstat.push.count << "ops)\n";
615                os << "Pop    Avg Qs : " << avgQ_pop  << " (" << global.qstat.pop .count << "ops)\n";
616                os << "Global Avg Qs : " << avgQ      << " (" << (global.qstat.push.count + global.qstat.pop .count) << "ops)\n";
617        }
618#endif
619};
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.