source: libcfa/src/concurrency/io.cfa @ ff7b2de

ADTast-experimentalenumpthread-emulationqualifiedEnum
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I/O now updates the timestamps when draining.
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Line 
1//
2// Cforall Version 1.0.0 Copyright (C) 2020 University of Waterloo
3//
4// The contents of this file are covered under the licence agreement in the
5// file "LICENCE" distributed with Cforall.
6//
7// io.cfa --
8//
9// Author           : Thierry Delisle
10// Created On       : Thu Apr 23 17:31:00 2020
11// Last Modified By :
12// Last Modified On :
13// Update Count     :
14//
15
16#define __cforall_thread__
17#define _GNU_SOURCE
18
19#if defined(__CFA_DEBUG__)
20        // #define __CFA_DEBUG_PRINT_IO__
21        // #define __CFA_DEBUG_PRINT_IO_CORE__
22#endif
23
24
25#if defined(CFA_HAVE_LINUX_IO_URING_H)
26        #include <errno.h>
27        #include <signal.h>
28        #include <stdint.h>
29        #include <string.h>
30        #include <unistd.h>
31
32        extern "C" {
33                #include <sys/syscall.h>
34                #include <sys/eventfd.h>
35                #include <sys/uio.h>
36
37                #include <linux/io_uring.h>
38        }
39
40        #include "stats.hfa"
41        #include "kernel.hfa"
42        #include "kernel/fwd.hfa"
43        #include "kernel/private.hfa"
44        #include "kernel/cluster.hfa"
45        #include "io/types.hfa"
46
47        __attribute__((unused)) static const char * opcodes[] = {
48                "OP_NOP",
49                "OP_READV",
50                "OP_WRITEV",
51                "OP_FSYNC",
52                "OP_READ_FIXED",
53                "OP_WRITE_FIXED",
54                "OP_POLL_ADD",
55                "OP_POLL_REMOVE",
56                "OP_SYNC_FILE_RANGE",
57                "OP_SENDMSG",
58                "OP_RECVMSG",
59                "OP_TIMEOUT",
60                "OP_TIMEOUT_REMOVE",
61                "OP_ACCEPT",
62                "OP_ASYNC_CANCEL",
63                "OP_LINK_TIMEOUT",
64                "OP_CONNECT",
65                "OP_FALLOCATE",
66                "OP_OPENAT",
67                "OP_CLOSE",
68                "OP_FILES_UPDATE",
69                "OP_STATX",
70                "OP_READ",
71                "OP_WRITE",
72                "OP_FADVISE",
73                "OP_MADVISE",
74                "OP_SEND",
75                "OP_RECV",
76                "OP_OPENAT2",
77                "OP_EPOLL_CTL",
78                "OP_SPLICE",
79                "OP_PROVIDE_BUFFERS",
80                "OP_REMOVE_BUFFERS",
81                "OP_TEE",
82                "INVALID_OP"
83        };
84
85        static $io_context * __ioarbiter_allocate( $io_arbiter & this, __u32 idxs[], __u32 want );
86        static void __ioarbiter_submit( $io_context * , __u32 idxs[], __u32 have, bool lazy );
87        static void __ioarbiter_flush ( $io_context & );
88        static inline void __ioarbiter_notify( $io_context & ctx );
89//=============================================================================================
90// I/O Polling
91//=============================================================================================
92        static inline unsigned __flush( struct $io_context & );
93        static inline __u32 __release_sqes( struct $io_context & );
94        extern void __kernel_unpark( thread$ * thrd, unpark_hint );
95
96        bool __cfa_io_drain( $io_context * ctx, cluster * cltr ) {
97                /* paranoid */ verify( ! __preemption_enabled() );
98                /* paranoid */ verify( ready_schedule_islocked() );
99                /* paranoid */ verify( ctx );
100
101                // Drain the queue
102                unsigned head = *ctx->cq.head;
103                unsigned tail = *ctx->cq.tail;
104                const __u32 mask = *ctx->cq.mask;
105
106                __u32 count = tail - head;
107                __STATS__( false, io.calls.drain++; io.calls.completed += count; )
108
109                if(count == 0) return false;
110
111                if(!__atomic_try_acquire(&ctx->cq.lock)) {
112                        return false;
113                }
114
115                unsigned long long ts_prev = ctx->cq.ts;
116
117                for(i; count) {
118                        unsigned idx = (head + i) & mask;
119                        volatile struct io_uring_cqe & cqe = ctx->cq.cqes[idx];
120
121                        /* paranoid */ verify(&cqe);
122
123                        struct io_future_t * future = (struct io_future_t *)(uintptr_t)cqe.user_data;
124                        __cfadbg_print_safe( io, "Kernel I/O : Syscall completed : cqe %p, result %d for %p\n", &cqe, cqe.res, future );
125
126                        __kernel_unpark( fulfil( *future, cqe.res, false ), UNPARK_LOCAL );
127                }
128
129                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : %u completed\n", count);
130                unsigned long long ts_next = ctx->cq.ts = rdtscl();
131
132                // Mark to the kernel that the cqe has been seen
133                // Ensure that the kernel only sees the new value of the head index after the CQEs have been read.
134                __atomic_store_n( ctx->cq.head, head + count, __ATOMIC_SEQ_CST );
135
136                /* paranoid */ verify( ready_schedule_islocked() );
137                /* paranoid */ verify( ! __preemption_enabled() );
138
139                __atomic_unlock(&ctx->cq.lock);
140
141                touch_tsc( cltr->sched.io.tscs, ctx->cq.id, ts_prev, ts_next );
142
143                return true;
144        }
145
146        bool __cfa_io_flush( processor * proc, int min_comp ) {
147                /* paranoid */ verify( ! __preemption_enabled() );
148                /* paranoid */ verify( proc );
149                /* paranoid */ verify( proc->io.ctx );
150
151                cluster * cltr = proc->cltr;
152                $io_context & ctx = *proc->io.ctx;
153
154                __ioarbiter_flush( ctx );
155
156                if(ctx.sq.to_submit != 0 || min_comp > 0) {
157
158                        __STATS__( true, io.calls.flush++; )
159                        int ret = syscall( __NR_io_uring_enter, ctx.fd, ctx.sq.to_submit, min_comp, min_comp > 0 ? IORING_ENTER_GETEVENTS : 0, (sigset_t *)0p, _NSIG / 8);
160                        if( ret < 0 ) {
161                                switch((int)errno) {
162                                case EAGAIN:
163                                case EINTR:
164                                case EBUSY:
165                                        // Update statistics
166                                        __STATS__( false, io.calls.errors.busy ++; )
167                                        return false;
168                                default:
169                                        abort( "KERNEL ERROR: IO_URING SYSCALL - (%d) %s\n", (int)errno, strerror(errno) );
170                                }
171                        }
172
173                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : %u submitted to io_uring %d\n", ret, ctx.fd);
174                        __STATS__( true, io.calls.submitted += ret; )
175                        /* paranoid */ verify( ctx.sq.to_submit <= *ctx.sq.num );
176                        /* paranoid */ verify( ctx.sq.to_submit >= ret );
177
178                        ctx.sq.to_submit -= ret;
179
180                        /* paranoid */ verify( ctx.sq.to_submit <= *ctx.sq.num );
181
182                        // Release the consumed SQEs
183                        __release_sqes( ctx );
184
185                        /* paranoid */ verify( ! __preemption_enabled() );
186
187                        __atomic_store_n(&ctx.proc->io.pending, false, __ATOMIC_RELAXED);
188                }
189
190                ready_schedule_lock();
191                bool ret = __cfa_io_drain( &ctx, cltr );
192                ready_schedule_unlock();
193                return ret;
194        }
195
196//=============================================================================================
197// I/O Submissions
198//=============================================================================================
199
200// Submition steps :
201// 1 - Allocate a queue entry. The ring already has memory for all entries but only the ones
202//     listed in sq.array are visible by the kernel. For those not listed, the kernel does not
203//     offer any assurance that an entry is not being filled by multiple flags. Therefore, we
204//     need to write an allocator that allows allocating concurrently.
205//
206// 2 - Actually fill the submit entry, this is the only simple and straightforward step.
207//
208// 3 - Append the entry index to the array and adjust the tail accordingly. This operation
209//     needs to arrive to two concensus at the same time:
210//     A - The order in which entries are listed in the array: no two threads must pick the
211//         same index for their entries
212//     B - When can the tail be update for the kernel. EVERY entries in the array between
213//         head and tail must be fully filled and shouldn't ever be touched again.
214//
215        //=============================================================================================
216        // Allocation
217        // for user's convenience fill the sqes from the indexes
218        static inline void __fill(struct io_uring_sqe * out_sqes[], __u32 want, __u32 idxs[], struct $io_context * ctx)  {
219                struct io_uring_sqe * sqes = ctx->sq.sqes;
220                for(i; want) {
221                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : filling loop\n");
222                        out_sqes[i] = &sqes[idxs[i]];
223                }
224        }
225
226        // Try to directly allocate from the a given context
227        // Not thread-safe
228        static inline bool __alloc(struct $io_context * ctx, __u32 idxs[], __u32 want) {
229                __sub_ring_t & sq = ctx->sq;
230                const __u32 mask  = *sq.mask;
231                __u32 fhead = sq.free_ring.head;    // get the current head of the queue
232                __u32 ftail = sq.free_ring.tail;    // get the current tail of the queue
233
234                // If we don't have enough sqes, fail
235                if((ftail - fhead) < want) { return false; }
236
237                // copy all the indexes we want from the available list
238                for(i; want) {
239                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : allocating loop\n");
240                        idxs[i] = sq.free_ring.array[(fhead + i) & mask];
241                }
242
243                // Advance the head to mark the indexes as consumed
244                __atomic_store_n(&sq.free_ring.head, fhead + want, __ATOMIC_RELEASE);
245
246                // return success
247                return true;
248        }
249
250        // Allocate an submit queue entry.
251        // The kernel cannot see these entries until they are submitted, but other threads must be
252        // able to see which entries can be used and which are already un used by an other thread
253        // for convenience, return both the index and the pointer to the sqe
254        // sqe == &sqes[idx]
255        struct $io_context * cfa_io_allocate(struct io_uring_sqe * sqes[], __u32 idxs[], __u32 want) {
256                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : attempting to allocate %u\n", want);
257
258                disable_interrupts();
259                processor * proc = __cfaabi_tls.this_processor;
260                $io_context * ctx = proc->io.ctx;
261                /* paranoid */ verify( __cfaabi_tls.this_processor );
262                /* paranoid */ verify( ctx );
263
264                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : attempting to fast allocation\n");
265
266                // We can proceed to the fast path
267                if( __alloc(ctx, idxs, want) ) {
268                        // Allocation was successful
269                        __STATS__( true, io.alloc.fast += 1; )
270                        enable_interrupts();
271
272                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : fast allocation successful from ring %d\n", ctx->fd);
273
274                        __fill( sqes, want, idxs, ctx );
275                        return ctx;
276                }
277                // The fast path failed, fallback
278                __STATS__( true, io.alloc.fail += 1; )
279
280                // Fast path failed, fallback on arbitration
281                __STATS__( true, io.alloc.slow += 1; )
282                enable_interrupts();
283
284                $io_arbiter * ioarb = proc->cltr->io.arbiter;
285                /* paranoid */ verify( ioarb );
286
287                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : falling back on arbiter for allocation\n");
288
289                struct $io_context * ret = __ioarbiter_allocate(*ioarb, idxs, want);
290
291                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : slow allocation completed from ring %d\n", ret->fd);
292
293                __fill( sqes, want, idxs,ret );
294                return ret;
295        }
296
297        //=============================================================================================
298        // submission
299        static inline void __submit_only( struct $io_context * ctx, __u32 idxs[], __u32 have) {
300                // We can proceed to the fast path
301                // Get the right objects
302                __sub_ring_t & sq = ctx->sq;
303                const __u32 mask  = *sq.mask;
304                __u32 tail = *sq.kring.tail;
305
306                // Add the sqes to the array
307                for( i; have ) {
308                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : __submit loop\n");
309                        sq.kring.array[ (tail + i) & mask ] = idxs[i];
310                }
311
312                // Make the sqes visible to the submitter
313                __atomic_store_n(sq.kring.tail, tail + have, __ATOMIC_RELEASE);
314                sq.to_submit += have;
315
316                __atomic_store_n(&ctx->proc->io.pending, true, __ATOMIC_RELAXED);
317                __atomic_store_n(&ctx->proc->io.dirty  , true, __ATOMIC_RELAXED);
318        }
319
320        static inline void __submit( struct $io_context * ctx, __u32 idxs[], __u32 have, bool lazy) {
321                __sub_ring_t & sq = ctx->sq;
322                __submit_only(ctx, idxs, have);
323
324                if(sq.to_submit > 30) {
325                        __tls_stats()->io.flush.full++;
326                        __cfa_io_flush( ctx->proc, 0 );
327                }
328                if(!lazy) {
329                        __tls_stats()->io.flush.eager++;
330                        __cfa_io_flush( ctx->proc, 0 );
331                }
332        }
333
334        void cfa_io_submit( struct $io_context * inctx, __u32 idxs[], __u32 have, bool lazy ) __attribute__((nonnull (1))) {
335                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : attempting to submit %u (%s)\n", have, lazy ? "lazy" : "eager");
336
337                disable_interrupts();
338                processor * proc = __cfaabi_tls.this_processor;
339                $io_context * ctx = proc->io.ctx;
340                /* paranoid */ verify( __cfaabi_tls.this_processor );
341                /* paranoid */ verify( ctx );
342
343                // Can we proceed to the fast path
344                if( ctx == inctx )              // We have the right instance?
345                {
346                        __submit(ctx, idxs, have, lazy);
347
348                        // Mark the instance as no longer in-use, re-enable interrupts and return
349                        __STATS__( true, io.submit.fast += 1; )
350                        enable_interrupts();
351
352                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : submitted on fast path\n");
353                        return;
354                }
355
356                // Fast path failed, fallback on arbitration
357                __STATS__( true, io.submit.slow += 1; )
358                enable_interrupts();
359
360                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : falling back on arbiter for submission\n");
361
362                __ioarbiter_submit(inctx, idxs, have, lazy);
363        }
364
365        //=============================================================================================
366        // Flushing
367        // Go through the ring's submit queue and release everything that has already been consumed
368        // by io_uring
369        // This cannot be done by multiple threads
370        static __u32 __release_sqes( struct $io_context & ctx ) {
371                const __u32 mask = *ctx.sq.mask;
372
373                __attribute__((unused))
374                __u32 ctail = *ctx.sq.kring.tail;    // get the current tail of the queue
375                __u32 chead = *ctx.sq.kring.head;        // get the current head of the queue
376                __u32 phead = ctx.sq.kring.released; // get the head the last time we were here
377
378                __u32 ftail = ctx.sq.free_ring.tail;  // get the current tail of the queue
379
380                // the 3 fields are organized like this diagram
381                // except it's are ring
382                // ---+--------+--------+----
383                // ---+--------+--------+----
384                //    ^        ^        ^
385                // phead    chead    ctail
386
387                // make sure ctail doesn't wrap around and reach phead
388                /* paranoid */ verify(
389                           (ctail >= chead && chead >= phead)
390                        || (chead >= phead && phead >= ctail)
391                        || (phead >= ctail && ctail >= chead)
392                );
393
394                // find the range we need to clear
395                __u32 count = chead - phead;
396
397                if(count == 0) {
398                        return 0;
399                }
400
401                // We acquired an previous-head/current-head range
402                // go through the range and release the sqes
403                for( i; count ) {
404                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : release loop\n");
405                        __u32 idx = ctx.sq.kring.array[ (phead + i) & mask ];
406                        ctx.sq.free_ring.array[ (ftail + i) & mask ] = idx;
407                }
408
409                ctx.sq.kring.released = chead;          // note up to were we processed
410                __atomic_store_n(&ctx.sq.free_ring.tail, ftail + count, __ATOMIC_SEQ_CST);
411
412                __ioarbiter_notify(ctx);
413
414                return count;
415        }
416
417//=============================================================================================
418// I/O Arbiter
419//=============================================================================================
420        static inline bool enqueue(__outstanding_io_queue & queue, __outstanding_io & item) {
421                bool was_empty;
422
423                // Lock the list, it's not thread safe
424                lock( queue.lock __cfaabi_dbg_ctx2 );
425                {
426                        was_empty = empty(queue.queue);
427
428                        // Add our request to the list
429                        add( queue.queue, item );
430
431                        // Mark as pending
432                        __atomic_store_n( &queue.empty, false, __ATOMIC_SEQ_CST );
433                }
434                unlock( queue.lock );
435
436                return was_empty;
437        }
438
439        static inline bool empty(__outstanding_io_queue & queue ) {
440                return __atomic_load_n( &queue.empty, __ATOMIC_SEQ_CST);
441        }
442
443        static $io_context * __ioarbiter_allocate( $io_arbiter & this, __u32 idxs[], __u32 want ) {
444                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : arbiter allocating\n");
445
446                __STATS__( false, io.alloc.block += 1; )
447
448                // No one has any resources left, wait for something to finish
449                // We need to add ourself to a list of pending allocs and wait for an answer
450                __pending_alloc pa;
451                pa.idxs = idxs;
452                pa.want = want;
453
454                enqueue(this.pending, (__outstanding_io&)pa);
455
456                wait( pa.sem );
457
458                return pa.ctx;
459
460        }
461
462        static void __ioarbiter_notify( $io_arbiter & this, $io_context * ctx ) {
463                /* paranoid */ verify( !empty(this.pending.queue) );
464
465                lock( this.pending.lock __cfaabi_dbg_ctx2 );
466                {
467                        while( !empty(this.pending.queue) ) {
468                                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : notifying\n");
469                                __u32 have = ctx->sq.free_ring.tail - ctx->sq.free_ring.head;
470                                __pending_alloc & pa = (__pending_alloc&)head( this.pending.queue );
471
472                                if( have > pa.want ) goto DONE;
473                                drop( this.pending.queue );
474
475                                /* paranoid */__attribute__((unused)) bool ret =
476
477                                __alloc(ctx, pa.idxs, pa.want);
478
479                                /* paranoid */ verify( ret );
480
481                                pa.ctx = ctx;
482
483                                post( pa.sem );
484                        }
485
486                        this.pending.empty = true;
487                        DONE:;
488                }
489                unlock( this.pending.lock );
490        }
491
492        static void __ioarbiter_notify( $io_context & ctx ) {
493                if(!empty( ctx.arbiter->pending )) {
494                        __ioarbiter_notify( *ctx.arbiter, &ctx );
495                }
496        }
497
498        // Simply append to the pending
499        static void __ioarbiter_submit( $io_context * ctx, __u32 idxs[], __u32 have, bool lazy ) {
500                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : submitting %u from the arbiter to context %u\n", have, ctx->fd);
501
502                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : waiting to submit %u\n", have);
503
504                __external_io ei;
505                ei.idxs = idxs;
506                ei.have = have;
507                ei.lazy = lazy;
508
509                bool we = enqueue(ctx->ext_sq, (__outstanding_io&)ei);
510
511                __atomic_store_n(&ctx->proc->io.pending, true, __ATOMIC_SEQ_CST);
512
513                if( we ) {
514                        sigval_t value = { PREEMPT_IO };
515                        pthread_sigqueue(ctx->proc->kernel_thread, SIGUSR1, value);
516                }
517
518                wait( ei.sem );
519
520                __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : %u submitted from arbiter\n", have);
521        }
522
523        static void __ioarbiter_flush( $io_context & ctx ) {
524                if(!empty( ctx.ext_sq )) {
525                        __STATS__( false, io.flush.external += 1; )
526
527                        __cfadbg_print_safe(io, "Kernel I/O : arbiter flushing\n");
528
529                        lock( ctx.ext_sq.lock __cfaabi_dbg_ctx2 );
530                        {
531                                while( !empty(ctx.ext_sq.queue) ) {
532                                        __external_io & ei = (__external_io&)drop( ctx.ext_sq.queue );
533
534                                        __submit_only(&ctx, ei.idxs, ei.have);
535
536                                        post( ei.sem );
537                                }
538
539                                ctx.ext_sq.empty = true;
540                        }
541                        unlock(ctx.ext_sq.lock );
542                }
543        }
544
545        #if defined(CFA_WITH_IO_URING_IDLE)
546                bool __kernel_read(processor * proc, io_future_t & future, iovec & iov, int fd) {
547                        $io_context * ctx = proc->io.ctx;
548                        /* paranoid */ verify( ! __preemption_enabled() );
549                        /* paranoid */ verify( proc == __cfaabi_tls.this_processor );
550                        /* paranoid */ verify( ctx );
551
552                        __u32 idx;
553                        struct io_uring_sqe * sqe;
554
555                        // We can proceed to the fast path
556                        if( !__alloc(ctx, &idx, 1) ) return false;
557
558                        // Allocation was successful
559                        __fill( &sqe, 1, &idx, ctx );
560
561                        sqe->user_data = (uintptr_t)&future;
562                        sqe->flags = 0;
563                        sqe->fd = fd;
564                        sqe->off = 0;
565                        sqe->ioprio = 0;
566                        sqe->fsync_flags = 0;
567                        sqe->__pad2[0] = 0;
568                        sqe->__pad2[1] = 0;
569                        sqe->__pad2[2] = 0;
570
571                        #if defined(CFA_HAVE_IORING_OP_READ)
572                                sqe->opcode = IORING_OP_READ;
573                                sqe->addr = (uint64_t)iov.iov_base;
574                                sqe->len = iov.iov_len;
575                        #elif defined(CFA_HAVE_READV) && defined(CFA_HAVE_IORING_OP_READV)
576                                sqe->opcode = IORING_OP_READV;
577                                sqe->addr = (uintptr_t)&iov;
578                                sqe->len = 1;
579                        #else
580                                #error CFA_WITH_IO_URING_IDLE but none of CFA_HAVE_READV, CFA_HAVE_IORING_OP_READV or CFA_HAVE_IORING_OP_READ defined
581                        #endif
582
583                        asm volatile("": : :"memory");
584
585                        /* paranoid */ verify( sqe->user_data == (uintptr_t)&future );
586                        __submit( ctx, &idx, 1, true );
587
588                        /* paranoid */ verify( proc == __cfaabi_tls.this_processor );
589                        /* paranoid */ verify( ! __preemption_enabled() );
590
591                        return true;
592                }
593        #endif
594#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.