src/include/xbt/parmap.hpp

   1 /* A thread pool (C++ version).                                             */
   2
   3 /* Copyright (c) 2004-2019 The SimGrid Team. All rights reserved.           */
   4
   5 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
   6  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
   7
   8 #ifndef XBT_PARMAP_HPP
   9 #define XBT_PARMAP_HPP
  10
  11 #include "src/internal_config.h" // HAVE_FUTEX_H
  12 #include "src/kernel/context/Context.hpp"
  13
  14 #include <boost/optional.hpp>
  15 #include <condition_variable>
  16 #include <mutex>
  17 #include <thread>
  18
  19 #if HAVE_FUTEX_H
  20 #include <linux/futex.h>
  21 #include <sys/syscall.h>
  22 #endif
  23
  24 #if HAVE_PTHREAD_NP_H
  25 #include <pthread_np.h>
  26 #endif
  27
  28 XBT_LOG_EXTERNAL_CATEGORY(xbt_parmap);
  29
  30 namespace simgrid {
  31 namespace xbt {
  32
  33 /** @addtogroup XBT_parmap
  34  * @ingroup XBT_misc
  35  * @brief Parallel map class
  36  * @{
  37  */
  38 template <typename T> class Parmap {
  39 public:
  40   Parmap(unsigned num_workers, e_xbt_parmap_mode_t mode);
  41   Parmap(const Parmap&) = delete;
  42   Parmap& operator=(const Parmap&) = delete;
  43   ~Parmap();
  44   void apply(void (*fun)(T), const std::vector<T>& data);
  45   boost::optional<T> next();
  46
  47 private:
  48   enum Flag { PARMAP_WORK, PARMAP_DESTROY };
  49
  50   /**
  51    * @brief Thread data transmission structure
  52    */
  53   class ThreadData {
  54   public:
  55     ThreadData(Parmap<T>& parmap, int id) : parmap(parmap), worker_id(id) {}
  56     Parmap<T>& parmap;
  57     int worker_id;
  58   };
  59
  60   /**
  61    * @brief Synchronization object (different specializations).
  62    */
  63   class Synchro {
  64   public:
  65     explicit Synchro(Parmap<T>& parmap) : parmap(parmap) {}
  66     virtual ~Synchro() = default;
  67     /**
  68      * @brief Wakes all workers and waits for them to finish the tasks.
  69      *
  70      * This function is called by the controller thread.
  71      */
  72     virtual void master_signal() = 0;
  73     /**
  74      * @brief Starts the parmap: waits for all workers to be ready and returns.
  75      *
  76      * This function is called by the controller thread.
  77      */
  78     virtual void master_wait() = 0;
  79     /**
  80      * @brief Ends the parmap: wakes the controller thread when all workers terminate.
  81      *
  82      * This function is called by all worker threads when they end (not including the controller).
  83      */
  84     virtual void worker_signal() = 0;
  85     /**
  86      * @brief Waits for some work to process.
  87      *
  88      * This function is called by each worker thread (not including the controller) when it has no more work to do.
  89      *
  90      * @param round  the expected round number
  91      */
  92     virtual void worker_wait(unsigned) = 0;
  93
  94     Parmap<T>& parmap;
  95   };
  96
  97   class PosixSynchro : public Synchro {
  98   public:
  99     explicit PosixSynchro(Parmap<T>& parmap);
 100     ~PosixSynchro();
 101     void master_signal();
 102     void master_wait();
 103     void worker_signal();
 104     void worker_wait(unsigned round);
 105
 106   private:
 107     std::condition_variable ready_cond;
 108     std::mutex ready_mutex;
 109     std::condition_variable done_cond;
 110     std::mutex done_mutex;
 111   };
 112
 113 #if HAVE_FUTEX_H
 114   class FutexSynchro : public Synchro {
 115   public:
 116     explicit FutexSynchro(Parmap<T>& parmap) : Synchro(parmap) {}
 117     void master_signal();
 118     void master_wait();
 119     void worker_signal();
 120     void worker_wait(unsigned);
 121
 122   private:
 123     static void futex_wait(unsigned* uaddr, unsigned val);
 124     static void futex_wake(unsigned* uaddr, unsigned val);
 125   };
 126 #endif
 127
 128   class BusyWaitSynchro : public Synchro {
 129   public:
 130     explicit BusyWaitSynchro(Parmap<T>& parmap) : Synchro(parmap) {}
 131     void master_signal();
 132     void master_wait();
 133     void worker_signal();
 134     void worker_wait(unsigned);
 135   };
 136
 137   static void* worker_main(void* arg);
 138   Synchro* new_synchro(e_xbt_parmap_mode_t mode);
 139   void work();
 140
 141   Flag status;              /**< is the parmap active or being destroyed? */
 142   unsigned work_round;      /**< index of the current round */
 143   std::vector<std::thread*> workers; /**< worker thread handlers */
 144   unsigned num_workers;     /**< total number of worker threads including the controller */
 145   Synchro* synchro;         /**< synchronization object */
 146
 147   unsigned thread_counter    = 0;       /**< number of workers that have done the work */
 148   void (*fun)(const T)       = nullptr; /**< function to run in parallel on each element of data */
 149   const std::vector<T>* data = nullptr; /**< parameters to pass to fun in parallel */
 150   std::atomic<unsigned> index;          /**< index of the next element of data to pick */
 151 };
 152
 153 /**
 154  * @brief Creates a parallel map object
 155  * @param num_workers number of worker threads to create
 156  * @param mode how to synchronize the worker threads
 157  */
 158 template <typename T> Parmap<T>::Parmap(unsigned num_workers, e_xbt_parmap_mode_t mode)
 159 {
 160   XBT_CDEBUG(xbt_parmap, "Create new parmap (%u workers)", num_workers);
 161
 162   /* Initialize the thread pool data structure */
 163   this->status      = PARMAP_WORK;
 164   this->work_round  = 0;
 165   this->workers.reserve(num_workers);
 166   this->num_workers = num_workers;
 167   this->synchro     = new_synchro(mode);
 168
 169   /* Create the pool of worker threads (the caller of apply() will be worker[0]) */
 170   this->workers[0] = nullptr;
 171   XBT_ATTRIB_UNUSED unsigned int core_bind = 0;
 172
 173   for (unsigned i = 1; i < num_workers; i++) {
 174     this->workers[i] = new std::thread(worker_main, new ThreadData(*this, i));
 175
 176     /* Bind the worker to a core if possible */
 177 #if HAVE_PTHREAD_SETAFFINITY
 178 #if HAVE_PTHREAD_NP_H /* FreeBSD ? */
 179     cpuset_t cpuset;
 180     size_t size = sizeof(cpuset_t);
 181 #else /* Linux ? */
 182     cpu_set_t cpuset;
 183     size_t size = sizeof(cpu_set_t);
 184 #endif
 185     pthread_t pthread = this->workers[i]->native_handle();
 186     CPU_ZERO(&cpuset);
 187     CPU_SET(core_bind, &cpuset);
 188     pthread_setaffinity_np(pthread, size, &cpuset);
 189     if (core_bind != std::thread::hardware_concurrency() - 1)
 190       core_bind++;
 191     else
 192       core_bind = 0;
 193 #endif
 194   }
 195 }
 196
 197 /**
 198  * @brief Destroys a parmap
 199  */
 200 template <typename T> Parmap<T>::~Parmap()
 201 {
 202   status = PARMAP_DESTROY;
 203   synchro->master_signal();
 204
 205   for (unsigned i = 1; i < num_workers; i++)
 206     workers[i]->join();
 207
 208   workers.clear();
 209   delete synchro;
 210 }
 211
 212 /**
 213  * @brief Applies a list of tasks in parallel.
 214  * @param fun the function to call in parallel
 215  * @param data each element of this vector will be passed as an argument to fun
 216  */
 217 template <typename T> void Parmap<T>::apply(void (*fun)(T), const std::vector<T>& data)
 218 {
 219   /* Assign resources to worker threads (we are maestro here)*/
 220   this->fun   = fun;
 221   this->data  = &data;
 222   this->index = 0;
 223   this->synchro->master_signal(); // maestro runs futex_wake to wake all the minions (the working threads)
 224   this->work();                   // maestro works with its minions
 225   this->synchro->master_wait();   // When there is no more work to do, then maestro waits for the last minion to stop
 226   XBT_CDEBUG(xbt_parmap, "Job done"); //   ... and proceeds
 227 }
 228
 229 /**
 230  * @brief Returns a next task to process.
 231  *
 232  * Worker threads call this function to get more work.
 233  *
 234  * @return the next task to process, or throws a std::out_of_range exception if there is no more work
 235  */
 236 template <typename T> boost::optional<T> Parmap<T>::next()
 237 {
 238   unsigned index = this->index.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
 239   if (index < this->data->size())
 240     return (*this->data)[index];
 241   else
 242     return boost::none;
 243 }
 244
 245 /**
 246  * @brief Main work loop: applies fun to elements in turn.
 247  */
 248 template <typename T> void Parmap<T>::work()
 249 {
 250   unsigned length = this->data->size();
 251   unsigned index  = this->index.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
 252   while (index < length) {
 253     this->fun((*this->data)[index]);
 254     index = this->index.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
 255   }
 256 }
 257
 258 /**
 259  * Get a synchronization object for given mode.
 260  * @param mode the synchronization mode
 261  */
 262 template <typename T> typename Parmap<T>::Synchro* Parmap<T>::new_synchro(e_xbt_parmap_mode_t mode)
 263 {
 264   if (mode == XBT_PARMAP_DEFAULT) {
 265 #if HAVE_FUTEX_H
 266     mode = XBT_PARMAP_FUTEX;
 267 #else
 268     mode = XBT_PARMAP_POSIX;
 269 #endif
 270   }
 271   Synchro* res;
 272   switch (mode) {
 273     case XBT_PARMAP_POSIX:
 274       res = new PosixSynchro(*this);
 275       break;
 276     case XBT_PARMAP_FUTEX:
 277 #if HAVE_FUTEX_H
 278       res = new FutexSynchro(*this);
 279 #else
 280       xbt_die("Futex is not available on this OS.");
 281 #endif
 282       break;
 283     case XBT_PARMAP_BUSY_WAIT:
 284       res = new BusyWaitSynchro(*this);
 285       break;
 286     default:
 287       THROW_IMPOSSIBLE;
 288   }
 289   return res;
 290 }
 291
 292 /** @brief Main function of a worker thread */
 293 template <typename T> void* Parmap<T>::worker_main(void* arg)
 294 {
 295   ThreadData* data      = static_cast<ThreadData*>(arg);
 296   Parmap<T>& parmap     = data->parmap;
 297   unsigned round        = 0;
 298   smx_context_t context = SIMIX_context_new(std::function<void()>(), nullptr, nullptr);
 299   kernel::context::Context::set_current(context);
 300
 301   XBT_CDEBUG(xbt_parmap, "New worker thread created");
 302
 303   /* Worker's main loop */
 304   while (1) {
 305     round++; // New scheduling round
 306     parmap.synchro->worker_wait(round);
 307     if (parmap.status == PARMAP_DESTROY)
 308       break;
 309
 310     XBT_CDEBUG(xbt_parmap, "Worker %d got a job", data->worker_id);
 311     parmap.work();
 312     parmap.synchro->worker_signal();
 313     XBT_CDEBUG(xbt_parmap, "Worker %d has finished", data->worker_id);
 314   }
 315   /* We are destroying the parmap */
 316   delete context;
 317   delete data;
 318   return nullptr;
 319 }
 320
 321 template <typename T> Parmap<T>::PosixSynchro::PosixSynchro(Parmap<T>& parmap) : Synchro(parmap)
 322 {
 323 }
 324
 325 template <typename T> Parmap<T>::PosixSynchro::~PosixSynchro()
 326 {
 327 }
 328
 329 template <typename T> void Parmap<T>::PosixSynchro::master_signal()
 330 {
 331   std::unique_lock<std::mutex> lk(ready_mutex);
 332   this->parmap.thread_counter = 1;
 333   this->parmap.work_round++;
 334   /* wake all workers */
 335   ready_cond.notify_all();
 336 }
 337
 338 template <typename T> void Parmap<T>::PosixSynchro::master_wait()
 339 {
 340   std::unique_lock<std::mutex> lk(done_mutex);
 341   while (this->parmap.thread_counter < this->parmap.num_workers) {
 342     /* wait for all workers to be ready */
 343     done_cond.wait(lk);
 344   }
 345 }
 346
 347 template <typename T> void Parmap<T>::PosixSynchro::worker_signal()
 348 {
 349   std::unique_lock<std::mutex> lk(done_mutex);
 350   this->parmap.thread_counter++;
 351   if (this->parmap.thread_counter == this->parmap.num_workers) {
 352     /* all workers have finished, wake the controller */
 353     done_cond.notify_one();
 354   }
 355 }
 356
 357 template <typename T> void Parmap<T>::PosixSynchro::worker_wait(unsigned round)
 358 {
 359   std::unique_lock<std::mutex> lk(ready_mutex);
 360   /* wait for more work */
 361   while (this->parmap.work_round != round) {
 362     ready_cond.wait(lk);
 363   }
 364 }
 365
 366 #if HAVE_FUTEX_H
 367 template <typename T> inline void Parmap<T>::FutexSynchro::futex_wait(unsigned* uaddr, unsigned val)
 368 {
 369   XBT_CVERB(xbt_parmap, "Waiting on futex %p", uaddr);
 370   syscall(SYS_futex, uaddr, FUTEX_WAIT_PRIVATE, val, nullptr, nullptr, 0);
 371 }
 372
 373 template <typename T> inline void Parmap<T>::FutexSynchro::futex_wake(unsigned* uaddr, unsigned val)
 374 {
 375   XBT_CVERB(xbt_parmap, "Waking futex %p", uaddr);
 376   syscall(SYS_futex, uaddr, FUTEX_WAKE_PRIVATE, val, nullptr, nullptr, 0);
 377 }
 378
 379 template <typename T> void Parmap<T>::FutexSynchro::master_signal()
 380 {
 381   __atomic_store_n(&this->parmap.thread_counter, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);
 382   __atomic_add_fetch(&this->parmap.work_round, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);
 383   /* wake all workers */
 384   futex_wake(&this->parmap.work_round, std::numeric_limits<int>::max());
 385 }
 386
 387 template <typename T> void Parmap<T>::FutexSynchro::master_wait()
 388 {
 389   unsigned count = __atomic_load_n(&this->parmap.thread_counter, __ATOMIC_SEQ_CST);
 390   while (count < this->parmap.num_workers) {
 391     /* wait for all workers to be ready */
 392     futex_wait(&this->parmap.thread_counter, count);
 393     count = __atomic_load_n(&this->parmap.thread_counter, __ATOMIC_SEQ_CST);
 394   }
 395 }
 396
 397 template <typename T> void Parmap<T>::FutexSynchro::worker_signal()
 398 {
 399   unsigned count = __atomic_add_fetch(&this->parmap.thread_counter, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);
 400   if (count == this->parmap.num_workers) {
 401     /* all workers have finished, wake the controller */
 402     futex_wake(&this->parmap.thread_counter, std::numeric_limits<int>::max());
 403   }
 404 }
 405
 406 template <typename T> void Parmap<T>::FutexSynchro::worker_wait(unsigned round)
 407 {
 408   unsigned work_round = __atomic_load_n(&this->parmap.work_round, __ATOMIC_SEQ_CST);
 409   /* wait for more work */
 410   while (work_round != round) {
 411     futex_wait(&this->parmap.work_round, work_round);
 412     work_round = __atomic_load_n(&this->parmap.work_round, __ATOMIC_SEQ_CST);
 413   }
 414 }
 415 #endif
 416
 417 template <typename T> void Parmap<T>::BusyWaitSynchro::master_signal()
 418 {
 419   __atomic_store_n(&this->parmap.thread_counter, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);
 420   __atomic_add_fetch(&this->parmap.work_round, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);
 421 }
 422
 423 template <typename T> void Parmap<T>::BusyWaitSynchro::master_wait()
 424 {
 425   while (__atomic_load_n(&this->parmap.thread_counter, __ATOMIC_SEQ_CST) < this->parmap.num_workers) {
 426     std::this_thread::yield();
 427   }
 428 }
 429
 430 template <typename T> void Parmap<T>::BusyWaitSynchro::worker_signal()
 431 {
 432   __atomic_add_fetch(&this->parmap.thread_counter, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);
 433 }
 434
 435 template <typename T> void Parmap<T>::BusyWaitSynchro::worker_wait(unsigned round)
 436 {
 437   /* wait for more work */
 438   while (__atomic_load_n(&this->parmap.work_round, __ATOMIC_SEQ_CST) != round) {
 439     std::this_thread::yield();
 440   }
 441 }
 442
 443 /** @} */
 444 }
 445 }
 446
 447 #endif