src/smpi/internals/smpi_shared.cpp

   1 /* Copyright (c) 2007, 2009-2017. The SimGrid Team. All rights reserved.    */
   2
   3 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
   4  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
   5
   6 /* Shared allocations are handled through shared memory segments.
   7  * Associated data and metadata are used as follows:
   8  *
   9  *                                                                    mmap #1
  10  *    `allocs' map                                                      ---- -.
  11  *    ----------      shared_data_t               shared_metadata_t   / |  |  |
  12  * .->| <name> | ---> -------------------- <--.   -----------------   | |  |  |
  13  * |  ----------      | fd of <name>     |    |   | size of mmap  | --| |  |  |
  14  * |                  | count (2)        |    |-- | data          |   \ |  |  |
  15  * `----------------- | <name>           |    |   -----------------     ----  |
  16  *                    --------------------    |   ^                           |
  17  *                                            |   |                           |
  18  *                                            |   |   `allocs_metadata' map   |
  19  *                                            |   |   ----------------------  |
  20  *                                            |   `-- | <addr of mmap #1>  |<-'
  21  *                                            |   .-- | <addr of mmap #2>  |<-.
  22  *                                            |   |   ----------------------  |
  23  *                                            |   |                           |
  24  *                                            |   |                           |
  25  *                                            |   |                           |
  26  *                                            |   |                   mmap #2 |
  27  *                                            |   v                     ---- -'
  28  *                                            |   shared_metadata_t   / |  |
  29  *                                            |   -----------------   | |  |
  30  *                                            |   | size of mmap  | --| |  |
  31  *                                            `-- | data          |   | |  |
  32  *                                                -----------------   | |  |
  33  *                                                                    \ |  |
  34  *                                                                      ----
  35  */
  36 #include <map>
  37 #include <cstring>
  38
  39 #include "private.hpp"
  40 #include <cerrno>
  41
  42 #include <sys/types.h>
  43 #ifndef WIN32
  44 #include <sys/mman.h>
  45 #endif
  46 #include <cstdio>
  47 #include <fcntl.h>
  48 #include <sys/stat.h>
  49
  50 #ifndef MAP_ANONYMOUS
  51 #define MAP_ANONYMOUS MAP_ANON
  52 #endif
  53
  54 #ifndef MAP_POPULATE
  55 #define MAP_POPULATE 0
  56 #endif
  57
  58 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(smpi_shared, smpi, "Logging specific to SMPI (shared memory macros)");
  59
  60 #define PTR_STRLEN (2 + 2 * sizeof(void*) + 1)
  61
  62 namespace{
  63 /** Some location in the source code
  64  *
  65  *  This information is used by SMPI_SHARED_MALLOC to allocate  some shared memory for all simulated processes.
  66  */
  67
  68 class smpi_source_location : public std::string {
  69 public:
  70   smpi_source_location() = default;
  71   smpi_source_location(const char* filename, int line) : std::string(std::string(filename) + ":" + std::to_string(line))
  72   {
  73   }
  74 };
  75
  76 struct shared_data_t {
  77   int fd    = -1;
  78   int count = 0;
  79 };
  80
  81 std::unordered_map<smpi_source_location, shared_data_t, std::hash<std::string>> allocs;
  82 typedef decltype(allocs)::value_type shared_data_key_type;
  83
  84 struct shared_metadata_t {
  85   size_t size;
  86   size_t allocated_size;
  87   void *allocated_ptr;
  88   std::vector<std::pair<size_t, size_t>> private_blocks;
  89   shared_data_key_type* data;
  90 };
  91
  92 std::map<void*, shared_metadata_t> allocs_metadata;
  93 std::map<std::string, void*> calls;
  94
  95 #ifndef WIN32
  96 static int smpi_shared_malloc_bogusfile           = -1;
  97 static int smpi_shared_malloc_bogusfile_huge_page  = -1;
  98 static unsigned long smpi_shared_malloc_blocksize = 1UL << 20;
  99 #endif
 100 }
 101
 102
 103 void smpi_shared_destroy()
 104 {
 105   allocs.clear();
 106   allocs_metadata.clear();
 107   calls.clear();
 108 }
 109
 110 static size_t shm_size(int fd) {
 111   struct stat st;
 112
 113   if(fstat(fd, &st) < 0) {
 114     xbt_die("Could not stat fd %d: %s", fd, strerror(errno));
 115   }
 116   return static_cast<size_t>(st.st_size);
 117 }
 118
 119 #ifndef WIN32
 120 static void* shm_map(int fd, size_t size, shared_data_key_type* data) {
 121   char loc[PTR_STRLEN];
 122   shared_metadata_t meta;
 123
 124   if(size > shm_size(fd) && (ftruncate(fd, static_cast<off_t>(size)) < 0)) {
 125     xbt_die("Could not truncate fd %d to %zu: %s", fd, size, strerror(errno));
 126   }
 127
 128   void* mem = mmap(nullptr, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
 129   if(mem == MAP_FAILED) {
 130     xbt_die(
 131         "Failed to map fd %d with size %zu: %s\n"
 132         "If you are running a lot of ranks, you may be exceeding the amount of mappings allowed per process.\n"
 133         "On Linux systems, change this value with sudo sysctl -w vm.max_map_count=newvalue (default value: 65536)\n"
 134         "Please see http://simgrid.gforge.inria.fr/simgrid/latest/doc/html/options.html#options_virt for more info.",
 135         fd, size, strerror(errno));
 136   }
 137   snprintf(loc, PTR_STRLEN, "%p", mem);
 138   meta.size = size;
 139   meta.data = data;
 140   allocs_metadata[mem] = meta;
 141   XBT_DEBUG("MMAP %zu to %p", size, mem);
 142   return mem;
 143 }
 144
 145 static void *smpi_shared_malloc_local(size_t size, const char *file, int line)
 146 {
 147   void* mem;
 148   smpi_source_location loc(file, line);
 149   auto res = allocs.insert(std::make_pair(loc, shared_data_t()));
 150   auto data = res.first;
 151   if (res.second) {
 152     // The insertion did not take place.
 153     // Generate a shared memory name from the address of the shared_data:
 154     char shmname[32]; // cannot be longer than PSHMNAMLEN = 31 on Mac OS X (shm_open raises ENAMETOOLONG otherwise)
 155     snprintf(shmname, 31, "/shmalloc%p", &*data);
 156     int fd = shm_open(shmname, O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH);
 157     if (fd < 0) {
 158       if (errno == EEXIST)
 159         xbt_die("Please cleanup /dev/shm/%s", shmname);
 160       else
 161         xbt_die("An unhandled error occurred while opening %s. shm_open: %s", shmname, strerror(errno));
 162     }
 163     data->second.fd = fd;
 164     data->second.count = 1;
 165     mem = shm_map(fd, size, &*data);
 166     if (shm_unlink(shmname) < 0) {
 167       XBT_WARN("Could not early unlink %s. shm_unlink: %s", shmname, strerror(errno));
 168     }
 169     XBT_DEBUG("Mapping %s at %p through %d", shmname, mem, fd);
 170   } else {
 171     mem = shm_map(data->second.fd, size, &*data);
 172     data->second.count++;
 173   }
 174   XBT_DEBUG("Shared malloc %zu in %p (metadata at %p)", size, mem, &*data);
 175   return mem;
 176 }
 177
 178 // Align functions, from http://stackoverflow.com/questions/4840410/how-to-align-a-pointer-in-c
 179 #define PAGE_SIZE 0x1000
 180 #define ALIGN_UP(n, align) (((n) + (align)-1) & -(align))
 181 #define ALIGN_DOWN(n, align) ((n) & -(align))
 182
 183 #define HUGE_PAGE_SIZE 1<<21
 184
 185 /* Similar to smpi_shared_malloc, but only sharing the blocks described by shared_block_offsets.
 186  * This array contains the offsets (in bytes) of the block to share.
 187  * Even indices are the start offsets (included), odd indices are the stop offsets (excluded).
 188  * For instance, if shared_block_offsets == {27, 42}, then the elements mem[27], mem[28], ..., mem[41] are shared.
 189  * The others are not.
 190  */
 191
 192 void* smpi_shared_malloc_partial(size_t size, size_t* shared_block_offsets, int nb_shared_blocks)
 193 {
 194   std::string huge_page_mount_point = xbt_cfg_get_string("smpi/shared-malloc-hugepage");
 195   bool use_huge_page                = not huge_page_mount_point.empty();
 196 #ifndef MAP_HUGETLB /* If the system header don't define that mmap flag */
 197   xbt_assert(not use_huge_page,
 198              "Huge pages are not available on your system, you cannot use the smpi/shared-malloc-hugepage option.");
 199   use_huge_page = 0;
 200 #endif
 201   smpi_shared_malloc_blocksize = static_cast<unsigned long>(xbt_cfg_get_double("smpi/shared-malloc-blocksize"));
 202   void* mem;
 203   size_t allocated_size;
 204   if(use_huge_page) {
 205     xbt_assert(smpi_shared_malloc_blocksize == HUGE_PAGE_SIZE, "the block size of shared malloc should be equal to the size of a huge page.");
 206     allocated_size = size + 2*smpi_shared_malloc_blocksize;
 207   }
 208   else {
 209     xbt_assert(smpi_shared_malloc_blocksize % PAGE_SIZE == 0, "the block size of shared malloc should be a multiple of the page size.");
 210     allocated_size = size;
 211   }
 212
 213
 214   /* First reserve memory area */
 215   void* allocated_ptr = mmap(NULL, allocated_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);
 216
 217   xbt_assert(allocated_ptr != MAP_FAILED, "Failed to allocate %zuMiB of memory. Run \"sysctl vm.overcommit_memory=1\" as root "
 218                                 "to allow big allocations.\n",
 219              size >> 20);
 220   if(use_huge_page)
 221     mem = (void*)ALIGN_UP((uint64_t)allocated_ptr, HUGE_PAGE_SIZE);
 222   else
 223     mem = allocated_ptr;
 224
 225   XBT_DEBUG("global shared allocation. Blocksize %lu", smpi_shared_malloc_blocksize);
 226   /* Create a fd to a new file on disk, make it smpi_shared_malloc_blocksize big, and unlink it.
 227    * It still exists in memory but not in the file system (thus it cannot be leaked). */
 228   /* Create bogus file if not done already
 229    * We need two different bogusfiles:
 230    *    smpi_shared_malloc_bogusfile_huge_page is used for calls to mmap *with* MAP_HUGETLB,
 231    *    smpi_shared_malloc_bogusfile is used for calls to mmap *without* MAP_HUGETLB.
 232    * We cannot use a same file for the two type of calls, since the first one needs to be
 233    * opened in a hugetlbfs mount point whereas the second needs to be a "classical" file. */
 234   if(use_huge_page && smpi_shared_malloc_bogusfile_huge_page == -1) {
 235     std::string huge_page_filename         = huge_page_mount_point + "/simgrid-shmalloc-XXXXXX";
 236     smpi_shared_malloc_bogusfile_huge_page = mkstemp((char*)huge_page_filename.c_str());
 237     XBT_DEBUG("bogusfile_huge_page: %s\n", huge_page_filename.c_str());
 238     unlink(huge_page_filename.c_str());
 239   }
 240   if(smpi_shared_malloc_bogusfile == -1) {
 241     char name[]                  = "/tmp/simgrid-shmalloc-XXXXXX";
 242     smpi_shared_malloc_bogusfile = mkstemp(name);
 243     XBT_DEBUG("bogusfile         : %s\n", name);
 244     unlink(name);
 245     char* dumb  = new char[smpi_shared_malloc_blocksize](); // zero initialized
 246     ssize_t err = write(smpi_shared_malloc_bogusfile, dumb, smpi_shared_malloc_blocksize);
 247     if(err<0)
 248       xbt_die("Could not write bogus file for shared malloc");
 249     delete[] dumb;
 250   }
 251
 252   int mmap_base_flag = MAP_FIXED | MAP_SHARED | MAP_POPULATE;
 253   int mmap_flag = mmap_base_flag;
 254   int huge_fd = use_huge_page ? smpi_shared_malloc_bogusfile_huge_page : smpi_shared_malloc_bogusfile;
 255 #ifdef MAP_HUGETLB
 256   if(use_huge_page)
 257     mmap_flag |= MAP_HUGETLB;
 258 #endif
 259
 260   XBT_DEBUG("global shared allocation, begin mmap");
 261
 262   /* Map the bogus file in place of the anonymous memory */
 263   for(int i_block = 0; i_block < nb_shared_blocks; i_block ++) {
 264     XBT_DEBUG("\tglobal shared allocation, mmap block %d/%d", i_block+1, nb_shared_blocks);
 265     size_t start_offset = shared_block_offsets[2*i_block];
 266     size_t stop_offset = shared_block_offsets[2*i_block+1];
 267     xbt_assert(start_offset < stop_offset, "start_offset (%zu) should be lower than stop offset (%zu)", start_offset, stop_offset);
 268     xbt_assert(stop_offset <= size,         "stop_offset (%zu) should be lower than size (%zu)", stop_offset, size);
 269     if(i_block < nb_shared_blocks-1)
 270       xbt_assert(stop_offset < shared_block_offsets[2*i_block+2],
 271               "stop_offset (%zu) should be lower than its successor start offset (%zu)", stop_offset, shared_block_offsets[2*i_block+2]);
 272     size_t start_block_offset = ALIGN_UP(start_offset, smpi_shared_malloc_blocksize);
 273     size_t stop_block_offset = ALIGN_DOWN(stop_offset, smpi_shared_malloc_blocksize);
 274     for (unsigned block_id=0, i = start_block_offset / smpi_shared_malloc_blocksize; i < stop_block_offset / smpi_shared_malloc_blocksize; block_id++, i++) {
 275       XBT_DEBUG("\t\tglobal shared allocation, mmap block offset %u", block_id);
 276       void* pos = (void*)((unsigned long)mem + i * smpi_shared_malloc_blocksize);
 277       void* res = mmap(pos, smpi_shared_malloc_blocksize, PROT_READ | PROT_WRITE, mmap_flag,
 278                        huge_fd, 0);
 279       xbt_assert(res == pos, "Could not map folded virtual memory (%s). Do you perhaps need to increase the "
 280                              "size of the mapped file using --cfg=smpi/shared-malloc-blocksize=newvalue (default 1048576) ? "
 281                              "You can also try using  the sysctl vm.max_map_count. "
 282                              "If you are using huge pages, check that you have at least one huge page (/proc/sys/vm/nr_hugepages) "
 283                              "and that the directory you are passing is mounted correctly (mount /path/to/huge -t hugetlbfs -o rw,mode=0777).",
 284                  strerror(errno));
 285     }
 286     size_t low_page_start_offset = ALIGN_UP(start_offset, PAGE_SIZE);
 287     size_t low_page_stop_offset = start_block_offset < ALIGN_DOWN(stop_offset, PAGE_SIZE) ? start_block_offset : ALIGN_DOWN(stop_offset, PAGE_SIZE);
 288     if(low_page_start_offset < low_page_stop_offset) {
 289       XBT_DEBUG("\t\tglobal shared allocation, mmap block start");
 290       void* pos = (void*)((unsigned long)mem + low_page_start_offset);
 291       void* res = mmap(pos, low_page_stop_offset-low_page_start_offset, PROT_READ | PROT_WRITE, mmap_base_flag, // not a full huge page
 292                        smpi_shared_malloc_bogusfile, 0);
 293       xbt_assert(res == pos, "Could not map folded virtual memory (%s). Do you perhaps need to increase the "
 294                              "size of the mapped file using --cfg=smpi/shared-malloc-blocksize=newvalue (default 1048576) ?"
 295                              "You can also try using  the sysctl vm.max_map_count",
 296                  strerror(errno));
 297     }
 298     if(low_page_stop_offset <= stop_block_offset) {
 299       XBT_DEBUG("\t\tglobal shared allocation, mmap block stop");
 300       size_t high_page_stop_offset = stop_offset == size ? size : ALIGN_DOWN(stop_offset, PAGE_SIZE);
 301       if(high_page_stop_offset > stop_block_offset) {
 302         void* pos = (void*)((unsigned long)mem + stop_block_offset);
 303         void* res = mmap(pos, high_page_stop_offset-stop_block_offset, PROT_READ | PROT_WRITE, mmap_base_flag, // not a full huge page
 304                          smpi_shared_malloc_bogusfile, 0);
 305         xbt_assert(res == pos, "Could not map folded virtual memory (%s). Do you perhaps need to increase the "
 306                                "size of the mapped file using --cfg=smpi/shared-malloc-blocksize=newvalue (default 1048576) ?"
 307                                "You can also try using  the sysctl vm.max_map_count",
 308                    strerror(errno));
 309       }
 310     }
 311   }
 312
 313   shared_metadata_t newmeta;
 314   //register metadata for memcpy avoidance
 315   shared_data_key_type* data = new shared_data_key_type;
 316   data->second.fd = -1;
 317   data->second.count = 1;
 318   newmeta.size = size;
 319   newmeta.data = data;
 320   newmeta.allocated_ptr = allocated_ptr;
 321   newmeta.allocated_size = allocated_size;
 322   if(shared_block_offsets[0] > 0) {
 323     newmeta.private_blocks.push_back(std::make_pair(0, shared_block_offsets[0]));
 324   }
 325   int i_block;
 326   for(i_block = 0; i_block < nb_shared_blocks-1; i_block ++) {
 327     newmeta.private_blocks.push_back(std::make_pair(shared_block_offsets[2*i_block+1], shared_block_offsets[2*i_block+2]));
 328   }
 329   if(shared_block_offsets[2*i_block+1] < size) {
 330     newmeta.private_blocks.push_back(std::make_pair(shared_block_offsets[2*i_block+1], size));
 331   }
 332   allocs_metadata[mem] = newmeta;
 333
 334   XBT_DEBUG("global shared allocation, allocated_ptr %p - %p", allocated_ptr, (void*)(((uint64_t)allocated_ptr)+allocated_size));
 335   XBT_DEBUG("global shared allocation, returned_ptr  %p - %p", mem, (void*)(((uint64_t)mem)+size));
 336
 337   return mem;
 338 }
 339
 340 void *smpi_shared_malloc(size_t size, const char *file, int line) {
 341   if (size > 0 && smpi_cfg_shared_malloc == shmalloc_local) {
 342     return smpi_shared_malloc_local(size, file, line);
 343   } else if (smpi_cfg_shared_malloc == shmalloc_global) {
 344     int nb_shared_blocks = 1;
 345     size_t shared_block_offsets[2] = {0, size};
 346     return smpi_shared_malloc_partial(size, shared_block_offsets, nb_shared_blocks);
 347   }
 348   XBT_DEBUG("Classic allocation of %zu bytes", size);
 349   return ::operator new(size);
 350 }
 351
 352 int smpi_is_shared(void* ptr, std::vector<std::pair<size_t, size_t>> &private_blocks, size_t *offset){
 353   private_blocks.clear(); // being paranoid
 354   if (allocs_metadata.empty())
 355     return 0;
 356   if ( smpi_cfg_shared_malloc == shmalloc_local || smpi_cfg_shared_malloc == shmalloc_global) {
 357     auto low = allocs_metadata.lower_bound(ptr);
 358     if (low != allocs_metadata.end() && low->first == ptr) {
 359       private_blocks = low->second.private_blocks;
 360       *offset = 0;
 361       return 1;
 362     }
 363     if (low == allocs_metadata.begin())
 364       return 0;
 365     low --;
 366     if (ptr < (char*)low->first + low->second.size) {
 367       xbt_assert(ptr > (char*)low->first, "Oops, there seems to be a bug in the shared memory metadata.");
 368       *offset = ((uint8_t*)ptr) - ((uint8_t*) low->first);
 369       private_blocks = low->second.private_blocks;
 370       return 1;
 371     }
 372     return 0;
 373   } else {
 374     return 0;
 375   }
 376 }
 377
 378 std::vector<std::pair<size_t, size_t>> shift_and_frame_private_blocks(const std::vector<std::pair<size_t, size_t>> vec, size_t offset, size_t buff_size) {
 379     std::vector<std::pair<size_t, size_t>> result;
 380     for (auto const& block : vec) {
 381       auto new_block = std::make_pair(std::min(std::max((size_t)0, block.first - offset), buff_size),
 382                                       std::min(std::max((size_t)0, block.second - offset), buff_size));
 383       if (new_block.second > 0 && new_block.first < buff_size)
 384         result.push_back(new_block);
 385     }
 386     return result;
 387 }
 388
 389 std::vector<std::pair<size_t, size_t>> merge_private_blocks(std::vector<std::pair<size_t, size_t>> src, std::vector<std::pair<size_t, size_t>> dst) {
 390   std::vector<std::pair<size_t, size_t>> result;
 391   unsigned i_src = 0;
 392   unsigned i_dst = 0;
 393   while(i_src < src.size() && i_dst < dst.size()) {
 394     std::pair<size_t, size_t> block;
 395     if(src[i_src].second <= dst[i_dst].first) {
 396         i_src++;
 397     }
 398     else if(dst[i_dst].second <= src[i_src].first) {
 399         i_dst++;
 400     }
 401     else { // src.second > dst.first && dst.second > src.first → the blocks are overlapping
 402       block = std::make_pair(std::max(src[i_src].first, dst[i_dst].first),
 403                              std::min(src[i_src].second, dst[i_dst].second));
 404       result.push_back(block);
 405       if(src[i_src].second < dst[i_dst].second)
 406           i_src ++;
 407       else
 408           i_dst ++;
 409     }
 410   }
 411   return result;
 412 }
 413
 414 void smpi_shared_free(void *ptr)
 415 {
 416   if (smpi_cfg_shared_malloc == shmalloc_local) {
 417     char loc[PTR_STRLEN];
 418     snprintf(loc, PTR_STRLEN, "%p", ptr);
 419     auto meta = allocs_metadata.find(ptr);
 420     if (meta == allocs_metadata.end()) {
 421       XBT_WARN("Cannot free: %p was not shared-allocated by SMPI - maybe its size was 0?", ptr);
 422       return;
 423     }
 424     shared_data_t* data = &meta->second.data->second;
 425     if (munmap(meta->second.allocated_ptr, meta->second.allocated_size) < 0) {
 426       XBT_WARN("Unmapping of fd %d failed: %s", data->fd, strerror(errno));
 427     }
 428     data->count--;
 429     if (data->count <= 0) {
 430       close(data->fd);
 431       allocs.erase(allocs.find(meta->second.data->first));
 432       allocs_metadata.erase(ptr);
 433       XBT_DEBUG("Shared free - with removal - of %p", ptr);
 434     } else {
 435       XBT_DEBUG("Shared free - no removal - of %p, count = %d", ptr, data->count);
 436     }
 437
 438   } else if (smpi_cfg_shared_malloc == shmalloc_global) {
 439     auto meta = allocs_metadata.find(ptr);
 440     if (meta != allocs_metadata.end()){
 441       meta->second.data->second.count--;
 442       if(meta->second.data->second.count==0)
 443         delete meta->second.data;
 444     }
 445
 446     munmap(ptr, meta->second.size);
 447   } else {
 448     XBT_DEBUG("Classic deallocation of %p", ptr);
 449     ::operator delete(ptr);
 450   }
 451 }
 452 #endif
 453
 454 int smpi_shared_known_call(const char* func, const char* input)
 455 {
 456   std::string loc = std::string(func) + ":" + input;
 457   return calls.find(loc) != calls.end();
 458 }
 459
 460 void* smpi_shared_get_call(const char* func, const char* input) {
 461   std::string loc = std::string(func) + ":" + input;
 462
 463   return calls.at(loc);
 464 }
 465
 466 void* smpi_shared_set_call(const char* func, const char* input, void* data) {
 467   std::string loc = std::string(func) + ":" + input;
 468   calls[loc]      = data;
 469   return data;
 470 }