wfcqueue: implement concurrency-efficient queue
authorMathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
Sun, 23 Sep 2012 23:14:59 +0000 (19:14 -0400)
committerMathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
Wed, 3 Oct 2012 21:02:47 +0000 (17:02 -0400)
commit8ad4ce587f001ae026d5560ac509c2e48986130b
tree972e2767cc5fd6c615a58fba668ee234cf5d6ae8
parenta5a9f428a238e790d6c97299bc214b5cca815cd7
wfcqueue: implement concurrency-efficient queue

This new API simplify the wfqueue implementation, and brings a 2.3x to
2.6x performance boost due to the ability to eliminate false-sharing
between enqueue and dequeue.

This work is derived from the patch from Lai Jiangshan submitted as
"urcu: new wfqueue implementation"
(http://lists.lttng.org/pipermail/lttng-dev/2012-August/018379.html)

Its changelog:

> Some guys would be surprised by this fact:
> There are already TWO implementations of wfqueue in urcu.
>
> The first one is in urcu/static/wfqueue.h:
> 1) enqueue: exchange the tail and then update previous->next
> 2) dequeue: wait for first node's next pointer and them shift, a dummy node
>  is introduced to avoid the queue->tail become NULL when shift.
>
> The second one shares some code with the first one, and the left code
> are spreading in urcu-call-rcu-impl.h:
> 1) enqueue: share with the first one
> 2) no dequeue operation: and no shift, so it don't need dummy node,
>  Although the dummy node is queued when initialization, but it is removed
>  after the first dequeue_all operation in call_rcu_thread().
>  call_rcu_data_free() forgets to handle the dummy node if it is not removed.
> 3)dequeue_all: record the old head and tail, and queue->head become the special
>  tail node.(atomic record the tail and change the tail).
>
> The second implementation's code are spreading, bad for review, and it is not
> tested by tests/test_urcu_wfq.
>
> So we need a better implementation avoid the dummy node dancing and can service
> both generic wfqueue APIs and dequeue_all API for call rcu.
>
> The new implementation:
> 1) enqueue: share with the first one/original implementation.
> 2) dequeue: shift when node count >= 2, cmpxchg when node count = 1.
>  no dummy node, save memory.
> 3) dequeue_all: simply set queue->head.next to NULL, xchg the tail
>  and return the old head.next.
>
> More implementation details are in the code.
> tests/test_urcu_wfq will be update in future for testing new APIs.

The patch proposed by Lai brings a very interesting simplification to
the single-node handling (which is kept here), and moves all queue
handling code away from call_rcu implementation, back into the wfqueue
code. This has the benefit to allow testing enhancements.

I modified it so the API does not expose implementation details to the
user (e.g. ___cds_wfq_node_sync_next). I added a "splice" operation and
a for loop iterator which should allow wfqueue users to use the list
very efficiently both from LGPL/GPL code and from non-LGPL-compatible
code.

I also changed the API so the queue head and tail are now two separate
structures: it allows the queue user to place these as they like, either
on different cache lines (to eliminate false-sharing), or close one to
another (on same cache-line) in case a queue is spliced onto the stack
and not concurrently accessed.

Benchmarks performed on Intel(R) Core(TM) i7-3520M CPU @ 2.90GHz
(dual-core, with hyperthreading)

Benchmark invoked:
for a in $(seq 1 10); do ./test_urcu_wfq 1 1 10 -a 0 -a 2; done

(using cpu number 0 and 2, which should correspond to two cores of my
Intel 2-core/hyperthread processor)

Before patch:

testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     97274297 nr_dequeues     80745742 successful enqueues     97274297 successful dequeues     80745321 end_dequeues 16528976 nr_ops    178020039
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     92300568 nr_dequeues     75019529 successful enqueues     92300568 successful dequeues     74973237 end_dequeues 17327331 nr_ops    167320097
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     93516443 nr_dequeues     75846726 successful enqueues     93516443 successful dequeues     75826578 end_dequeues 17689865 nr_ops    169363169
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     94160362 nr_dequeues     77967638 successful enqueues     94160362 successful dequeues     77967638 end_dequeues 16192724 nr_ops    172128000
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     97491956 nr_dequeues     81001191 successful enqueues     97491956 successful dequeues     81000247 end_dequeues 16491709 nr_ops    178493147
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     94101298 nr_dequeues     75650510 successful enqueues     94101298 successful dequeues     75649318 end_dequeues 18451980 nr_ops    169751808
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     94742803 nr_dequeues     75402105 successful enqueues     94742803 successful dequeues     75341859 end_dequeues 19400944 nr_ops    170144908
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     92198835 nr_dequeues     75037877 successful enqueues     92198835 successful dequeues     75027605 end_dequeues 17171230 nr_ops    167236712
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     94159560 nr_dequeues     77895972 successful enqueues     94159560 successful dequeues     77858442 end_dequeues 16301118 nr_ops    172055532
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues     96059399 nr_dequeues     80115442 successful enqueues     96059399 successful dequeues     80066843 end_dequeues 15992556 nr_ops    176174841

After patch:

testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    221229322 nr_dequeues    210645491 successful enqueues    221229322 successful dequeues    210645088 end_dequeues 10584234 nr_ops    431874813
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    219803943 nr_dequeues    210377337 successful enqueues    219803943 successful dequeues    210368680 end_dequeues 9435263 nr_ops    430181280
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    237006358 nr_dequeues    237035340 successful enqueues    237006358 successful dequeues    236997050 end_dequeues 9308 nr_ops    474041698
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    235822443 nr_dequeues    235815942 successful enqueues    235822443 successful dequeues    235814020 end_dequeues 8423 nr_ops    471638385
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    235825567 nr_dequeues    235811803 successful enqueues    235825567 successful dequeues    235810526 end_dequeues 15041 nr_ops    471637370
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    221974953 nr_dequeues    210938190 successful enqueues    221974953 successful dequeues    210938190 end_dequeues 11036763 nr_ops    432913143
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    237994492 nr_dequeues    237938119 successful enqueues    237994492 successful dequeues    237930648 end_dequeues 63844 nr_ops    475932611
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    220634365 nr_dequeues    210491382 successful enqueues    220634365 successful dequeues    210490995 end_dequeues 10143370 nr_ops    431125747
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    237388065 nr_dequeues    237401251 successful enqueues    237388065 successful dequeues    237380295 end_dequeues 7770 nr_ops    474789316
testdur   10 nr_enqueuers   1 wdelay      0 nr_dequeuers   1 rdur      0 nr_enqueues    221201436 nr_dequeues    210831162 successful enqueues    221201436 successful dequeues    210831162 end_dequeues 10370274 nr_ops    432032598

Summary: Both enqueue and dequeue speed increase: around 2.3x speedup
for enqueue, and around 2.6x for dequeue.

We can verify that:
   successful enqueues - successful dequeues = end_dequeues

For all runs (ensures correctness: no lost node).

CC: Lai Jiangshan <laijs@cn.fujitsu.com>
Acked-by: Paul McKenney <paulmck@linux.vnet.ibm.com>
Signed-off-by: Mathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
Makefile.am
urcu/static/wfcqueue.h [new file with mode: 0644]
urcu/wfcqueue.h [new file with mode: 0644]
wfcqueue.c [new file with mode: 0644]
This page took 0.036237 seconds and 4 git commands to generate.