rculfhash: allow shrink
authorMathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
Wed, 7 Sep 2011 22:50:05 +0000 (15:50 -0700)
committerMathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
Wed, 7 Sep 2011 22:50:05 +0000 (15:50 -0700)
Signed-off-by: Mathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
rculfhash.c
tests/test_urcu_hash.c
urcu/rculfhash.h

index 20d389d38517d786477e4acff9f8a87fe5b6b1ae..cd60f5f4db8e7409668b3598ec073fdff5ce5752 100644 (file)
@@ -1,7 +1,7 @@
 /*
  * rculfhash.c
  *
- * Userspace RCU library - Lock-Free Expandable RCU Hash Table
+ * Userspace RCU library - Lock-Free Resizable RCU Hash Table
  *
  * Copyright 2010-2011 - Mathieu Desnoyers <mathieu.desnoyers@efficios.com>
  *
@@ -29,7 +29,7 @@
  *   symposium on Parallel algorithms and architectures, ACM Press,
  *   (2002), 73-82.
  *
- * Some specificities of this Lock-Free Expandable RCU Hash Table
+ * Some specificities of this Lock-Free Resizable RCU Hash Table
  * implementation:
  *
  * - RCU read-side critical section allows readers to perform hash
  * - An index of dummy nodes is kept. These dummy nodes are the hash
  *   table "buckets", and they are also chained together in the
  *   split-ordered list, which allows recursive expansion.
- * - The resize operation only allows expanding the hash table.
- *   It is triggered either through an API call or automatically by
- *   detecting long chains in the add operation.
+ * - The resize operation for small tables only allows expanding the hash table.
+ *   It is triggered automatically by detecting long chains in the add
+ *   operation.
+ * - The resize operation for larger tables (and available through an
+ *   API) allows both expanding and shrinking the hash table.
+ * - Per-CPU Split-counters are used to keep track of the number of
+ *   nodes within the hash table for automatic resize triggering.
  * - Resize operation initiated by long chain detection is executed by a
  *   call_rcu thread, which keeps lock-freedom of add and remove.
  * - Resize operations are protected by a mutex.
  * - The per-order dummy node tables contain a compact version of the
  *   hash table nodes. These tables are invariant after they are
  *   populated into the hash table.
+ * 
+ * A bit of ascii art explanation:
+ * 
+ * Order index is the off-by-one compare to the actual power of 2 because 
+ * we use index 0 to deal with the 0 special-case.
+ * 
+ * This shows the nodes for a small table ordered by reversed bits:
+ * 
+ *    bits   reverse
+ * 0  000        000
+ * 4  100        001
+ * 2  010        010
+ * 6  110        011
+ * 1  001        100
+ * 5  101        101
+ * 3  011        110
+ * 7  111        111
+ * 
+ * This shows the nodes in order of non-reversed bits, linked by 
+ * reversed-bit order.
+ * 
+ * order              bits       reverse
+ * 0               0  000        000
+ *                 |
+ * 1               |  1  001        100             <-
+ *                 |  |                              |
+ * 2               |  |  2  010        010           |
+ *                 |  |  |  3  011        110    <-  |
+ *                 |  |  |  |                     |  |
+ * 3               -> |  |  |  4  100        001  |  |
+ *                    -> |  |     5  101        101  |
+ *                       -> |        6  110        011
+ *                          ->          7  111        111
  */
 
 #define _LGPL_SOURCE
@@ -146,12 +183,17 @@ struct ht_items_count {
        unsigned long add, remove;
 } __attribute__((aligned(CAA_CACHE_LINE_SIZE)));
 
+struct rcu_level {
+       struct rcu_head head;
+       struct _cds_lfht_node nodes[0];
+};
+
 struct rcu_table {
        unsigned long size;     /* always a power of 2 */
        unsigned long resize_target;
        int resize_initiated;
        struct rcu_head head;
-       struct _cds_lfht_node *tbl[0];
+       struct rcu_level *tbl[0];
 };
 
 struct cds_lfht {
@@ -163,6 +205,7 @@ struct cds_lfht {
        unsigned int in_progress_resize, in_progress_destroy;
        void (*cds_lfht_call_rcu)(struct rcu_head *head,
                      void (*func)(struct rcu_head *head));
+       void (*cds_lfht_synchronize_rcu)(void);
        unsigned long count;            /* global approximate item count */
        struct ht_items_count *percpu_count;    /* per-cpu item count */
 };
@@ -583,6 +626,22 @@ unsigned long _uatomic_max(unsigned long *ptr, unsigned long v)
        return v;
 }
 
+static
+void cds_lfht_free_table_cb(struct rcu_head *head)
+{
+       struct rcu_table *t =
+               caa_container_of(head, struct rcu_table, head);
+       free(t);
+}
+
+static
+void cds_lfht_free_level(struct rcu_head *head)
+{
+       struct rcu_level *l =
+               caa_container_of(head, struct rcu_level, head);
+       free(l);
+}
+
 /*
  * Remove all logically deleted nodes from a bucket up to a certain node key.
  */
@@ -640,7 +699,7 @@ struct cds_lfht_node *_cds_lfht_add(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
                 */
                index = hash & (t->size - 1);
                order = get_count_order_ulong(index + 1);
-               lookup = &t->tbl[order][index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
+               lookup = &t->tbl[order]->nodes[index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
                iter_prev = (struct cds_lfht_node *) lookup;
                /* We can always skip the dummy node initially */
                iter = rcu_dereference(iter_prev->p.next);
@@ -696,7 +755,7 @@ gc_end:
        /* Garbage collect logically removed nodes in the bucket */
        index = hash & (t->size - 1);
        order = get_count_order_ulong(index + 1);
-       lookup = &t->tbl[order][index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
+       lookup = &t->tbl[order]->nodes[index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
        dummy_node = (struct cds_lfht_node *) lookup;
        _cds_lfht_gc_bucket(dummy_node, node);
        return node;
@@ -704,7 +763,7 @@ gc_end:
 
 static
 int _cds_lfht_remove(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
-               struct cds_lfht_node *node)
+               struct cds_lfht_node *node, int dummy_removal)
 {
        struct cds_lfht_node *dummy, *next, *old;
        struct _cds_lfht_node *lookup;
@@ -717,7 +776,10 @@ int _cds_lfht_remove(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
                next = old;
                if (unlikely(is_removed(next)))
                        goto end;
-               assert(!is_dummy(next));
+               if (dummy_removal)
+                       assert(is_dummy(next));
+               else
+                       assert(!is_dummy(next));
                old = uatomic_cmpxchg(&node->p.next, next,
                                      flag_removed(next));
        } while (old != next);
@@ -725,15 +787,27 @@ int _cds_lfht_remove(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
        /* We performed the (logical) deletion. */
        flagged = 1;
 
+       if (dummy_removal)
+               node = clear_flag(node);
+
        /*
         * Ensure that the node is not visible to readers anymore: lookup for
         * the node, and remove it (along with any other logically removed node)
         * if found.
         */
        hash = bit_reverse_ulong(node->p.reverse_hash);
-       index = hash & (t->size - 1);
+       /*
+        * When removing a dummy node, we need to consider the lower
+        * order table, so we don't end up looking up the dummy nodes we
+        * are currently removing.
+        */
+
+       if (dummy_removal)
+               index = hash & ((t->size >> 1) - 1);
+       else
+               index = hash & (t->size - 1);
        order = get_count_order_ulong(index + 1);
-       lookup = &t->tbl[order][index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
+       lookup = &t->tbl[order]->nodes[index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
        dummy = (struct cds_lfht_node *) lookup;
        _cds_lfht_gc_bucket(dummy, node);
 end:
@@ -763,12 +837,14 @@ void init_table(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
 
                len = !i ? 1 : 1UL << (i - 1);
                dbg_printf("init order %lu len: %lu\n", i, len);
-               t->tbl[i] = calloc(len, sizeof(struct _cds_lfht_node));
+               t->tbl[i] = calloc(1, sizeof(struct rcu_level)
+                               + (len * sizeof(struct _cds_lfht_node)));
                for (j = 0; j < len; j++) {
+                       struct cds_lfht_node *new_node =
+                               (struct cds_lfht_node *) &t->tbl[i]->nodes[j];
+
                        dbg_printf("init entry: i %lu j %lu hash %lu\n",
                                   i, j, !i ? 0 : (1UL << (i - 1)) + j);
-                       struct cds_lfht_node *new_node =
-                               (struct cds_lfht_node *) &t->tbl[i][j];
                        new_node->p.reverse_hash =
                                bit_reverse_ulong(!i ? 0 : (1UL << (i - 1)) + j);
                        (void) _cds_lfht_add(ht, t, new_node, 0, 1);
@@ -785,12 +861,53 @@ void init_table(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
        t->resize_initiated = 0;
 }
 
+static
+void fini_table(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
+               unsigned long first_order, unsigned long len_order)
+{
+       long i, end_order;
+
+       dbg_printf("fini table: first_order %lu end_order %lu\n",
+                  first_order, first_order + len_order);
+       end_order = first_order + len_order;
+       assert(first_order > 0);
+       assert(t->size == (1UL << (end_order - 1)));
+       for (i = end_order - 1; i >= first_order; i--) {
+               unsigned long j, len;
+
+               len = !i ? 1 : 1UL << (i - 1);
+               dbg_printf("fini order %lu len: %lu\n", i, len);
+               /* Unlink */
+               for (j = 0; j < len; j++) {
+                       struct cds_lfht_node *new_node =
+                               (struct cds_lfht_node *) &t->tbl[i]->nodes[j];
+
+                       dbg_printf("fini entry: i %lu j %lu hash %lu\n",
+                                  i, j, !i ? 0 : (1UL << (i - 1)) + j);
+                       new_node->p.reverse_hash =
+                               bit_reverse_ulong(!i ? 0 : (1UL << (i - 1)) + j);
+                       (void) _cds_lfht_remove(ht, t, new_node, 1);
+                       if (CMM_LOAD_SHARED(ht->in_progress_destroy))
+                               break;
+               }
+               ht->cds_lfht_call_rcu(&t->tbl[i]->head, cds_lfht_free_level);
+               /* Update table size */
+               t->size = (i == 1) ? 0 : 1UL << (i - 2);
+               dbg_printf("fini new size: %lu\n", t->size);
+               if (CMM_LOAD_SHARED(ht->in_progress_destroy))
+                       break;
+       }
+       t->resize_target = t->size;
+       t->resize_initiated = 0;
+}
+
 struct cds_lfht *cds_lfht_new(cds_lfht_hash_fct hash_fct,
                        cds_lfht_compare_fct compare_fct,
                        unsigned long hash_seed,
                        unsigned long init_size,
                        void (*cds_lfht_call_rcu)(struct rcu_head *head,
-                                       void (*func)(struct rcu_head *head)))
+                                       void (*func)(struct rcu_head *head)),
+                       void (*cds_lfht_synchronize_rcu)(void))
 {
        struct cds_lfht *ht;
        unsigned long order;
@@ -803,13 +920,14 @@ struct cds_lfht *cds_lfht_new(cds_lfht_hash_fct hash_fct,
        ht->compare_fct = compare_fct;
        ht->hash_seed = hash_seed;
        ht->cds_lfht_call_rcu = cds_lfht_call_rcu;
+       ht->cds_lfht_synchronize_rcu = cds_lfht_synchronize_rcu;
        ht->in_progress_resize = 0;
        ht->percpu_count = alloc_per_cpu_items_count();
        /* this mutex should not nest in read-side C.S. */
        pthread_mutex_init(&ht->resize_mutex, NULL);
        order = get_count_order_ulong(max(init_size, 1)) + 1;
        ht->t = calloc(1, sizeof(struct cds_lfht)
-                      + (order * sizeof(struct _cds_lfht_node *)));
+                      + (order * sizeof(struct rcu_level *)));
        ht->t->size = 0;
        pthread_mutex_lock(&ht->resize_mutex);
        init_table(ht, ht->t, 0, order);
@@ -830,7 +948,7 @@ struct cds_lfht_node *cds_lfht_lookup(struct cds_lfht *ht, void *key, size_t key
        t = rcu_dereference(ht->t);
        index = hash & (t->size - 1);
        order = get_count_order_ulong(index + 1);
-       lookup = &t->tbl[order][index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
+       lookup = &t->tbl[order]->nodes[index & ((1UL << (order - 1)) - 1)];
        dbg_printf("lookup hash %lu index %lu order %lu aridx %lu\n",
                   hash, index, order, index & ((1UL << (order - 1)) - 1));
        node = (struct cds_lfht_node *) lookup;
@@ -922,7 +1040,7 @@ int cds_lfht_remove(struct cds_lfht *ht, struct cds_lfht_node *node)
        int ret;
 
        t = rcu_dereference(ht->t);
-       ret = _cds_lfht_remove(ht, t, node);
+       ret = _cds_lfht_remove(ht, t, node, 0);
        if (!ret)
                ht_count_remove(ht, t);
        return ret;
@@ -938,7 +1056,7 @@ int cds_lfht_delete_dummy(struct cds_lfht *ht)
 
        t = ht->t;
        /* Check that the table is empty */
-       lookup = &t->tbl[0][0];
+       lookup = &t->tbl[0]->nodes[0];
        node = (struct cds_lfht_node *) lookup;
        do {
                node = clear_flag(node)->p.next;
@@ -954,8 +1072,8 @@ int cds_lfht_delete_dummy(struct cds_lfht *ht)
                for (i = 0; i < len; i++) {
                        dbg_printf("delete order %lu i %lu hash %lu\n",
                                order, i,
-                               bit_reverse_ulong(t->tbl[order][i].reverse_hash));
-                       assert(is_dummy(t->tbl[order][i].next));
+                               bit_reverse_ulong(t->tbl[order]->nodes[i].reverse_hash));
+                       assert(is_dummy(t->tbl[order]->nodes[i].next));
                }
                free(t->tbl[order]);
        }
@@ -997,7 +1115,7 @@ void cds_lfht_count_nodes(struct cds_lfht *ht,
 
        t = rcu_dereference(ht->t);
        /* Count non-dummy nodes in the table */
-       lookup = &t->tbl[0][0];
+       lookup = &t->tbl[0]->nodes[0];
        node = (struct cds_lfht_node *) lookup;
        do {
                next = rcu_dereference(node->p.next);
@@ -1013,42 +1131,85 @@ void cds_lfht_count_nodes(struct cds_lfht *ht,
        dbg_printf("number of dummy nodes: %lu\n", nr_dummy);
 }
 
+/* called with resize mutex held */
 static
-void cds_lfht_free_table_cb(struct rcu_head *head)
+void _do_cds_lfht_grow(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *old_t,
+               unsigned long old_size, unsigned long new_size)
 {
-       struct rcu_table *t =
-               caa_container_of(head, struct rcu_table, head);
-       free(t);
+       unsigned long old_order, new_order;
+       struct rcu_table *new_t;
+
+       old_order = get_count_order_ulong(old_size) + 1;
+       new_order = get_count_order_ulong(new_size) + 1;
+       printf("resize from %lu (order %lu) to %lu (order %lu) buckets\n",
+              old_size, old_order, new_size, new_order);
+       new_t = malloc(sizeof(struct cds_lfht)
+                       + (new_order * sizeof(struct rcu_level *)));
+       assert(new_size > old_size);
+       memcpy(&new_t->tbl, &old_t->tbl,
+              old_order * sizeof(struct rcu_level *));
+       init_table(ht, new_t, old_order, new_order - old_order);
+       /* Changing table and size atomically wrt lookups */
+       rcu_assign_pointer(ht->t, new_t);
+       ht->cds_lfht_call_rcu(&old_t->head, cds_lfht_free_table_cb);
 }
 
 /* called with resize mutex held */
 static
-void _do_cds_lfht_resize(struct cds_lfht *ht)
+void _do_cds_lfht_shrink(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *old_t,
+               unsigned long old_size, unsigned long new_size)
 {
-       unsigned long new_size, old_size, old_order, new_order;
-       struct rcu_table *new_t, *old_t;
+       unsigned long old_order, new_order;
+       struct rcu_table *new_t;
 
-       old_t = ht->t;
-       old_size = old_t->size;
+       new_size = max(new_size, 1);
        old_order = get_count_order_ulong(old_size) + 1;
-
-       new_size = CMM_LOAD_SHARED(old_t->resize_target);
-       if (old_size == new_size)
-               return;
        new_order = get_count_order_ulong(new_size) + 1;
        printf("resize from %lu (order %lu) to %lu (order %lu) buckets\n",
               old_size, old_order, new_size, new_order);
        new_t = malloc(sizeof(struct cds_lfht)
-                       + (new_order * sizeof(struct _cds_lfht_node *)));
-       assert(new_size > old_size);
+                       + (new_order * sizeof(struct rcu_level *)));
+       assert(new_size < old_size);
        memcpy(&new_t->tbl, &old_t->tbl,
-              old_order * sizeof(struct _cds_lfht_node *));
-       init_table(ht, new_t, old_order, new_order - old_order);
+              new_order * sizeof(struct rcu_level *));
+       new_t->size = !new_order ? 1 : (1UL << (new_order - 1));
+       new_t->resize_target = new_t->size;
+       new_t->resize_initiated = 0;
+
        /* Changing table and size atomically wrt lookups */
        rcu_assign_pointer(ht->t, new_t);
+
+       /*
+        * We need to wait for all reader threads to reach Q.S. (and
+        * thus use the new table for lookups) before we can start
+        * releasing the old dummy nodes.
+        */
+       ht->cds_lfht_synchronize_rcu();
+
+       /* Unlink and remove all now-unused dummy node pointers. */
+       fini_table(ht, old_t, new_order, old_order - new_order);
        ht->cds_lfht_call_rcu(&old_t->head, cds_lfht_free_table_cb);
 }
 
+
+/* called with resize mutex held */
+static
+void _do_cds_lfht_resize(struct cds_lfht *ht)
+{
+       unsigned long new_size, old_size;
+       struct rcu_table *old_t;
+
+       old_t = ht->t;
+       old_size = old_t->size;
+       new_size = CMM_LOAD_SHARED(old_t->resize_target);
+       if (old_size < new_size)
+               _do_cds_lfht_grow(ht, old_t, old_size, new_size);
+       else if (old_size > new_size)
+               _do_cds_lfht_shrink(ht, old_t, old_size, new_size);
+       else
+               CMM_STORE_SHARED(old_t->resize_initiated, 0);
+}
+
 static
 unsigned long resize_target_update(struct rcu_table *t,
                                   int growth_order)
@@ -1057,26 +1218,24 @@ unsigned long resize_target_update(struct rcu_table *t,
                            t->size << growth_order);
 }
 
-void cds_lfht_resize(struct cds_lfht *ht, int growth)
+static
+unsigned long resize_target_update_count(struct rcu_table *t,
+                                  unsigned long count)
+{
+       count = max(count, 1);
+       return uatomic_set(&t->resize_target, count);
+}
+
+void cds_lfht_resize(struct cds_lfht *ht, unsigned long new_size)
 {
        struct rcu_table *t = rcu_dereference(ht->t);
        unsigned long target_size;
 
-       if (growth < 0) {
-               /*
-                * Silently refuse to shrink hash table. (not supported)
-                */
-               dbg_printf("shrinking hash table not supported.\n");
-               return;
-       }
-
-       target_size = resize_target_update(t, growth);
-       if (t->size < target_size) {
-               CMM_STORE_SHARED(t->resize_initiated, 1);
-               pthread_mutex_lock(&ht->resize_mutex);
-               _do_cds_lfht_resize(ht);
-               pthread_mutex_unlock(&ht->resize_mutex);
-       }
+       target_size = resize_target_update_count(t, new_size);
+       CMM_STORE_SHARED(t->resize_initiated, 1);
+       pthread_mutex_lock(&ht->resize_mutex);
+       _do_cds_lfht_resize(ht);
+       pthread_mutex_unlock(&ht->resize_mutex);
 }
 
 static
@@ -1113,13 +1272,6 @@ void cds_lfht_resize_lazy(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t, int growth)
 
 #if defined(HAVE_SCHED_GETCPU) && defined(HAVE_SYSCONF)
 
-static
-unsigned long resize_target_update_count(struct rcu_table *t,
-                                  unsigned long count)
-{
-       return uatomic_set(&t->resize_target, count);
-}
-
 static
 void cds_lfht_resize_lazy_count(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
                                unsigned long count)
@@ -1128,7 +1280,7 @@ void cds_lfht_resize_lazy_count(struct cds_lfht *ht, struct rcu_table *t,
        unsigned long target_size;
 
        target_size = resize_target_update_count(t, count);
-       if (!CMM_LOAD_SHARED(t->resize_initiated) && t->size < target_size) {
+       if (!CMM_LOAD_SHARED(t->resize_initiated)) {
                uatomic_inc(&ht->in_progress_resize);
                cmm_smp_mb();   /* increment resize count before calling it */
                work = malloc(sizeof(*work));
index 80169127dcd3121b59cd9d6b082ec2a0eaa30960..fc2cfb286423228c43e96e1b3d27cd29b44b03b9 100644 (file)
@@ -697,7 +697,7 @@ int main(int argc, char **argv)
        count_reader = malloc(sizeof(*count_reader) * nr_readers);
        count_writer = malloc(sizeof(*count_writer) * nr_writers);
        test_ht = cds_lfht_new(test_hash, test_compare, 0x42UL,
-                        init_hash_size, call_rcu);
+                        init_hash_size, call_rcu, synchronize_rcu);
        ret = populate_hash();
        assert(!ret);
         err = create_all_cpu_call_rcu_data(0);
index 37e36b7a389d6090810f1ea81808bda0b95a6afd..ad157bb6a66ecb570f28dd1b627ce89e7ca08a44 100644 (file)
@@ -83,7 +83,8 @@ struct cds_lfht *cds_lfht_new(cds_lfht_hash_fct hash_fct,
                        unsigned long hash_seed,
                        unsigned long init_size,
                        void (*cds_lfht_call_rcu)(struct rcu_head *head,
-                               void (*func)(struct rcu_head *head)));
+                               void (*func)(struct rcu_head *head)),
+                       void (*cds_lfht_synchronize_rcu)(void));
 
 /*
  * cds_lfht_destroy - destroy a hash table.
@@ -147,11 +148,9 @@ int cds_lfht_remove(struct cds_lfht *ht, struct cds_lfht_node *node);
 
 /*
  * cds_lfht_resize - Force a hash table resize
- * @growth: growth order (current size is multiplied by 2^growth)
- *
- * Currently, only expand operation is supported (growth >= 0).
+ * @new_size: update to this hash table size.
  */
-void cds_lfht_resize(struct cds_lfht *ht, int growth);
+void cds_lfht_resize(struct cds_lfht *ht, unsigned long new_size);
 
 #ifdef __cplusplus
 }
This page took 0.043195 seconds and 4 git commands to generate.