docs: better docs, mv doxygen to sphinx
[vpp.git] / docs / developer / corearchitecture / infrastructure.rst
1 VPPINFRA (Infrastructure)
2 =========================
3
4 The files associated with the VPP Infrastructure layer are located in
5 the ``./src/vppinfra`` folder.
6
7 VPPinfra is a collection of basic c-library services, quite sufficient
8 to build standalone programs to run directly on bare metal. It also
9 provides high-performance dynamic arrays, hashes, bitmaps,
10 high-precision real-time clock support, fine-grained event-logging, and
11 data structure serialization.
12
13 One fair comment / fair warning about vppinfra: you can't always tell a
14 macro from an inline function from an ordinary function simply by name.
15 Macros are used to avoid function calls in the typical case, and to
16 cause (intentional) side-effects.
17
18 Vppinfra has been around for almost 20 years and tends not to change
19 frequently. The VPP Infrastructure layer contains the following
20 functions:
21
22 Vectors
23 -------
24
25 Vppinfra vectors are ubiquitous dynamically resized arrays with by user
26 defined "headers". Many vpppinfra data structures (e.g. hash, heap,
27 pool) are vectors with various different headers.
28
29 The memory layout looks like this:
30
31 ::
32
33                       User header (optional, uword aligned)
34                       Alignment padding (if needed)
35                       Vector length in elements
36     User's pointer -> Vector element 0
37                       Vector element 1
38                       ...
39                       Vector element N-1
40
41 As shown above, the vector APIs deal with pointers to the 0th element of
42 a vector. Null pointers are valid vectors of length zero.
43
44 To avoid thrashing the memory allocator, one often resets the length of
45 a vector to zero while retaining the memory allocation. Set the vector
46 length field to zero via the vec_reset_length(v) macro. [Use the macro!
47 It’s smart about NULL pointers.]
48
49 Typically, the user header is not present. User headers allow for other
50 data structures to be built atop vppinfra vectors. Users may specify the
51 alignment for first data element of a vector via the [vec]()*_aligned
52 macros.
53
54 Vector elements can be any C type e.g. (int, double, struct bar). This
55 is also true for data types built atop vectors (e.g. heap, pool, etc.).
56 Many macros have \_a variants supporting alignment of vector elements
57 and \_h variants supporting non-zero-length vector headers. The \_ha
58 variants support both. Additionally cacheline alignment within a vector
59 element structure can be specified using the
60 ``[CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK]()`` macro.
61
62 Inconsistent usage of header and/or alignment related macro variants
63 will cause delayed, confusing failures.
64
65 Standard programming error: memorize a pointer to the ith element of a
66 vector, and then expand the vector. Vectors expand by 3/2, so such code
67 may appear to work for a period of time. Correct code almost always
68 memorizes vector **indices** which are invariant across reallocations.
69
70 In typical application images, one supplies a set of global functions
71 designed to be called from gdb. Here are a few examples:
72
73 -  vl(v) - prints vec_len(v)
74 -  pe(p) - prints pool_elts(p)
75 -  pifi(p, index) - prints pool_is_free_index(p, index)
76 -  debug_hex_bytes (p, nbytes) - hex memory dump nbytes starting at p
77
78 Use the “show gdb” debug CLI command to print the current set.
79
80 Bitmaps
81 -------
82
83 Vppinfra bitmaps are dynamic, built using the vppinfra vector APIs.
84 Quite handy for a variety jobs.
85
86 Pools
87 -----
88
89 Vppinfra pools combine vectors and bitmaps to rapidly allocate and free
90 fixed-size data structures with independent lifetimes. Pools are perfect
91 for allocating per-session structures.
92
93 Hashes
94 ------
95
96 Vppinfra provides several hash flavors. Data plane problems involving
97 packet classification / session lookup often use
98 ./src/vppinfra/bihash_template.[ch] bounded-index extensible hashes.
99 These templates are instantiated multiple times, to efficiently service
100 different fixed-key sizes.
101
102 Bihashes are thread-safe. Read-locking is not required. A simple
103 spin-lock ensures that only one thread writes an entry at a time.
104
105 The original vppinfra hash implementation in ./src/vppinfra/hash.[ch]
106 are simple to use, and are often used in control-plane code which needs
107 exact-string-matching.
108
109 In either case, one almost always looks up a key in a hash table to
110 obtain an index in a related vector or pool. The APIs are simple enough,
111 but one must take care when using the unmanaged arbitrary-sized key
112 variant. Hash_set_mem (hash_table, key_pointer, value) memorizes
113 key_pointer. It is usually a bad mistake to pass the address of a vector
114 element as the second argument to hash_set_mem. It is perfectly fine to
115 memorize constant string addresses in the text segment.
116
117 Timekeeping
118 -----------
119
120 Vppinfra includes high-precision, low-cost timing services. The datatype
121 clib_time_t and associated functions reside in ./src/vppinfra/time.[ch].
122 Call clib_time_init (clib_time_t \*cp) to initialize the clib_time_t
123 object.
124
125 Clib_time_init(…) can use a variety of different ways to establish the
126 hardware clock frequency. At the end of the day, vppinfra timekeeping
127 takes the attitude that the operating system’s clock is the closest
128 thing to a gold standard it has handy.
129
130 When properly configured, NTP maintains kernel clock synchronization
131 with a highly accurate off-premises reference clock. Notwithstanding
132 network propagation delays, a synchronized NTP client will keep the
133 kernel clock accurate to within 50ms or so.
134
135 Why should one care? Simply put, oscillators used to generate CPU ticks
136 aren’t super accurate. They work pretty well, but a 0.1% error wouldn’t
137 be out of the question. That’s a minute and a half’s worth of error in 1
138 day. The error changes constantly, due to temperature variation, and a
139 host of other physical factors.
140
141 It’s far too expensive to use system calls for timing, so we’re left
142 with the problem of continuously adjusting our view of the CPU tick
143 register’s clocks_per_second parameter.
144
145 The clock rate adjustment algorithm measures the number of cpu ticks and
146 the “gold standard” reference time across an interval of approximately
147 16 seconds. We calculate clocks_per_second for the interval: use rdtsc
148 (on x86_64) and a system call to get the latest cpu tick count and the
149 kernel’s latest nanosecond timestamp. We subtract the previous interval
150 end values, and use exponential smoothing to merge the new clock rate
151 sample into the clocks_per_second parameter.
152
153 As of this writing, we maintain the clock rate by way of the following
154 first-order differential equation:
155
156 .. code:: c
157
158       clocks_per_second(t) = clocks_per_second(t-1) * K + sample_cps(t)*(1-K)
159       where K = e**(-1.0/3.75);
160
161 This yields a per observation “half-life” of 1 minute. Empirically, the
162 clock rate converges within 5 minutes, and appears to maintain
163 near-perfect agreement with the kernel clock in the face of ongoing NTP
164 time adjustments.
165
166 See ./src/vppinfra/time.c:clib_time_verify_frequency(…) to look at the
167 rate adjustment algorithm. The code rejects frequency samples
168 corresponding to the sort of adjustment which might occur if someone
169 changes the gold standard kernel clock by several seconds.
170
171 Monotonic timebase support
172 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
173
174 Particularly during system initialization, the “gold standard” system
175 reference clock can change by a large amount, in an instant. It’s not a
176 best practice to yank the reference clock - in either direction - by
177 hours or days. In fact, some poorly-constructed use-cases do so.
178
179 To deal with this reality, clib_time_now(…) returns the number of
180 seconds since vpp started, *guaranteed to be monotonically increasing,
181 no matter what happens to the system reference clock*.
182
183 This is first-order important, to avoid breaking every active timer in
184 the system. The vpp host stack alone may account for tens of millions of
185 active timers. It’s utterly impractical to track down and fix timers, so
186 we must deal with the issue at the timebase level.
187
188 Here’s how it works. Prior to adjusting the clock rate, we collect the
189 kernel reference clock and the cpu clock:
190
191 .. code:: c
192
193      /* Ask the kernel and the CPU what time it is... */
194      now_reference = unix_time_now ();
195      now_clock = clib_cpu_time_now ();
196
197 Compute changes for both clocks since the last rate adjustment, roughly
198 15 seconds ago:
199
200 .. code:: c
201
202      /* Compute change in the reference clock */
203      delta_reference = now_reference - c->last_verify_reference_time;
204
205      /* And change in the CPU clock */
206      delta_clock_in_seconds = (f64) (now_clock - c->last_verify_cpu_time) *
207        c->seconds_per_clock;
208
209 Delta_reference is key. Almost 100% of the time, delta_reference and
210 delta_clock_in_seconds are identical modulo one system-call time.
211 However, NTP or a privileged user can yank the system reference time -
212 in either direction - by an hour, a day, or a decade.
213
214 As described above, clib_time_now(…) must return monotonically
215 increasing answers to the question “how long has it been since vpp
216 started, in seconds.” To do that, the clock rate adjustment algorithm
217 begins by recomputing the initial reference time:
218
219 .. code:: c
220
221      c->init_reference_time += (delta_reference - delta_clock_in_seconds);
222
223 It’s easy to convince yourself that if the reference clock changes by
224 15.000000 seconds and the cpu clock tick time changes by 15.000000
225 seconds, the initial reference time won’t change.
226
227 If, on the other hand, delta_reference is -86400.0 and delta clock is
228 15.0 - reference time jumped backwards by exactly one day in a 15-second
229 rate update interval - we add -86415.0 to the initial reference time.
230
231 Given the corrected initial reference time, we recompute the total
232 number of cpu ticks which have occurred since the corrected initial
233 reference time, at the current clock tick rate:
234
235 .. code:: c
236
237      c->total_cpu_time = (now_reference - c->init_reference_time)
238        * c->clocks_per_second;
239
240 Timebase precision
241 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
242
243 Cognoscenti may notice that vlib/clib_time_now(…) return a 64-bit
244 floating-point value; the number of seconds since vpp started.
245
246 Please see `this Wikipedia
247 article <https://en.wikipedia.org/wiki/Double-precision_floating-point_format>`__
248 for more information. C double-precision floating point numbers (called
249 f64 in the vpp code base) have a 53-bit effective mantissa, and can
250 accurately represent 15 decimal digits’ worth of precision.
251
252 There are 315,360,000.000001 seconds in ten years plus one microsecond.
253 That string has exactly 15 decimal digits. The vpp time base retains 1us
254 precision for roughly 30 years.
255
256 vlib/clib_time_now do *not* provide precision in excess of 1e-6 seconds.
257 If necessary, please use clib_cpu_time_now(…) for direct access to the
258 CPU clock-cycle counter. Note that the number of CPU clock cycles per
259 second varies significantly across CPU architectures.
260
261 Timer Wheels
262 ------------
263
264 Vppinfra includes configurable timer wheel support. See the source code
265 in …/src/vppinfra/tw_timer_template.[ch], as well as a considerable
266 number of template instances defined in …/src/vppinfra/tw_timer\_.[ch].
267
268 Instantiation of tw_timer_template.h generates named structures to
269 implement specific timer wheel geometries. Choices include: number of
270 timer wheels (currently, 1 or 2), number of slots per ring (a power of
271 two), and the number of timers per “object handle”.
272
273 Internally, user object/timer handles are 32-bit integers, so if one
274 selects 16 timers/object (4 bits), the resulting timer wheel handle is
275 limited to 2**28 objects.
276
277 Here are the specific settings required to generate a single 2048 slot
278 wheel which supports 2 timers per object:
279
280 .. code:: c
281
282        #define TW_TIMER_WHEELS 1
283        #define TW_SLOTS_PER_RING 2048
284        #define TW_RING_SHIFT 11
285        #define TW_RING_MASK (TW_SLOTS_PER_RING -1)
286        #define TW_TIMERS_PER_OBJECT 2
287        #define LOG2_TW_TIMERS_PER_OBJECT 1
288        #define TW_SUFFIX _2t_1w_2048sl
289        #define TW_FAST_WHEEL_BITMAP 0
290        #define TW_TIMER_ALLOW_DUPLICATE_STOP 0
291
292 See tw_timer_2t_1w_2048sl.h for a complete example.
293
294 tw_timer_template.h is not intended to be #included directly. Client
295 codes can include multiple timer geometry header files, although extreme
296 caution would required to use the TW and TWT macros in such a case.
297
298 API usage examples
299 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
300
301 The unit test code in …/src/vppinfra/test_tw_timer.c provides a concrete
302 API usage example. It uses a synthetic clock to rapidly exercise the
303 underlying tw_timer_expire_timers(…) template.
304
305 There are not many API routines to call.
306
307 Initialize a two-timer, single 2048-slot wheel w/ a 1-second timer granularity
308 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
309
310 .. code:: c
311
312        tw_timer_wheel_init_2t_1w_2048sl (&tm->single_wheel,
313                                         expired_timer_single_callback,
314                          1.0 / * timer interval * / );
315
316 Start a timer
317 ^^^^^^^^^^^^^
318
319 .. code:: c
320
321        handle = tw_timer_start_2t_1w_2048sl (&tm->single_wheel, elt_index,
322                                              [0 | 1] / * timer id * / ,
323                                              expiration_time_in_u32_ticks);
324
325 Stop a timer
326 ^^^^^^^^^^^^
327
328 .. code:: c
329
330        tw_timer_stop_2t_1w_2048sl (&tm->single_wheel, handle);
331
332 An expired timer callback
333 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
334
335 .. code:: c
336
337        static void
338        expired_timer_single_callback (u32 * expired_timers)
339        {
340            int i;
341            u32 pool_index, timer_id;
342            tw_timer_test_elt_t *e;
343            tw_timer_test_main_t *tm = &tw_timer_test_main;
344
345            for (i = 0; i < vec_len (expired_timers);
346                {
347                pool_index = expired_timers[i] & 0x7FFFFFFF;
348                timer_id = expired_timers[i] >> 31;
349
350                ASSERT (timer_id == 1);
351
352                e = pool_elt_at_index (tm->test_elts, pool_index);
353
354                if (e->expected_to_expire != tm->single_wheel.current_tick)
355                  {
356                    fformat (stdout, "[%d] expired at %d not %d\n",
357                             e - tm->test_elts, tm->single_wheel.current_tick,
358                             e->expected_to_expire);
359                  }
360             pool_put (tm->test_elts, e);
361             }
362         }
363
364 We use wheel timers extensively in the vpp host stack. Each TCP session
365 needs 5 timers, so supporting 10 million flows requires up to 50 million
366 concurrent timers.
367
368 Timers rarely expire, so it’s of utmost important that stopping and
369 restarting a timer costs as few clock cycles as possible.
370
371 Stopping a timer costs a doubly-linked list dequeue. Starting a timer
372 involves modular arithmetic to determine the correct timer wheel and
373 slot, and a list head enqueue.
374
375 Expired timer processing generally involves bulk link-list retirement
376 with user callback presentation. Some additional complexity at wheel
377 wrap time, to relocate timers from slower-turning timer wheels into
378 faster-turning wheels.
379
380 Format
381 ------
382
383 Vppinfra format is roughly equivalent to printf.
384
385 Format has a few properties worth mentioning. Format’s first argument is
386 a (u8 \*) vector to which it appends the result of the current format
387 operation. Chaining calls is very easy:
388
389 .. code:: c
390
391        u8 * result;
392
393        result = format (0, "junk = %d, ", junk);
394        result = format (result, "more junk = %d\n", more_junk);
395
396 As previously noted, NULL pointers are perfectly proper 0-length
397 vectors. Format returns a (u8 \*) vector, **not** a C-string. If you
398 wish to print a (u8 \*) vector, use the “%v” format string. If you need
399 a (u8 \*) vector which is also a proper C-string, either of these
400 schemes may be used:
401
402 .. code:: c
403
404        vec_add1 (result, 0)
405        or
406        result = format (result, "<whatever>%c", 0);
407
408 Remember to vec_free() the result if appropriate. Be careful not to pass
409 format an uninitialized (u8 \*).
410
411 Format implements a particularly handy user-format scheme via the “%U”
412 format specification. For example:
413
414 .. code:: c
415
416        u8 * format_junk (u8 * s, va_list *va)
417        {
418          junk = va_arg (va, u32);
419          s = format (s, "%s", junk);
420          return s;
421        }
422
423        result = format (0, "junk = %U, format_junk, "This is some junk");
424
425 format_junk() can invoke other user-format functions if desired. The
426 programmer shoulders responsibility for argument type-checking. It is
427 typical for user format functions to blow up spectacularly if the
428 va_arg(va, type) macros don’t match the caller’s idea of reality.
429
430 Unformat
431 --------
432
433 Vppinfra unformat is vaguely related to scanf, but considerably more
434 general.
435
436 A typical use case involves initializing an unformat_input_t from either
437 a C-string or a (u8 \*) vector, then parsing via unformat() as follows:
438
439 .. code:: c
440
441        unformat_input_t input;
442        u8 *s = "<some-C-string>";
443
444        unformat_init_string (&input, (char *) s, strlen((char *) s));
445        /* or */
446        unformat_init_vector (&input, <u8-vector>);
447
448 Then loop parsing individual elements:
449
450 .. code:: c
451
452        while (unformat_check_input (&input) != UNFORMAT_END_OF_INPUT)
453        {
454          if (unformat (&input, "value1 %d", &value1))
455            ;/* unformat sets value1 */
456          else if (unformat (&input, "value2 %d", &value2)
457            ;/* unformat sets value2 */
458          else
459            return clib_error_return (0, "unknown input '%U'",
460                                      format_unformat_error, input);
461        }
462
463 As with format, unformat implements a user-unformat function capability
464 via a “%U” user unformat function scheme. Generally, one can trivially
465 transform “format (s,”foo %d”, foo) -> “unformat (input,”foo %d”,
466 &foo)“.
467
468 Unformat implements a couple of handy non-scanf-like format specifiers:
469
470 .. code:: c
471
472        unformat (input, "enable %=", &enable, 1 /* defaults to 1 */);
473        unformat (input, "bitzero %|", &mask, (1<<0));
474        unformat (input, "bitone %|", &mask, (1<<1));
475        <etc>
476
477 The phrase “enable %=” means “set the supplied variable to the default
478 value” if unformat parses the “enable” keyword all by itself. If
479 unformat parses “enable 123” set the supplied variable to 123.
480
481 We could clean up a number of hand-rolled “verbose” + “verbose %d”
482 argument parsing codes using “%=”.
483
484 The phrase “bitzero %\|” means “set the specified bit in the supplied
485 bitmask” if unformat parses “bitzero”. Although it looks like it could
486 be fairly handy, it’s very lightly used in the code base.
487
488 ``%_`` toggles whether or not to skip input white space.
489
490 For transition from skip to no-skip in middle of format string, skip
491 input white space. For example, the following:
492
493 .. code:: c
494
495    fmt = "%_%d.%d%_->%_%d.%d%_"
496    unformat (input, fmt, &one, &two, &three, &four);
497
498 matches input “1.2 -> 3.4”. Without this, the space after -> does not
499 get skipped.
500
501
502 How to parse a single input line
503 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
504
505 Debug CLI command functions MUST NOT accidentally consume input
506 belonging to other debug CLI commands. Otherwise, it's impossible to
507 script a set of debug CLI commands which "work fine" when issued one
508 at a time.
509
510 This bit of code is NOT correct:
511
512 .. code:: c
513
514      /* Eats script input NOT beloging to it, and chokes! */
515      while (unformat_check_input (input) != UNFORMAT_END_OF_INPUT)
516        {
517          if (unformat (input, ...))
518        ;
519          else if (unformat (input, ...))
520        ;
521          else
522            return clib_error_return (0, "parse error: '%U'",
523                                 format_unformat_error, input);
524        }
525        }
526
527 When executed as part of a script, such a function will return “parse
528 error: ‘’” every time, unless it happens to be the last command in the
529 script.
530
531 Instead, use “unformat_line_input” to consume the rest of a line’s worth
532 of input - everything past the path specified in the VLIB_CLI_COMMAND
533 declaration.
534
535 For example, unformat_line_input with “my_command” set up as shown below
536 and user input “my path is clear” will produce an unformat_input_t that
537 contains “is clear”.
538
539 .. code:: c
540
541        VLIB_CLI_COMMAND (...) = {
542            .path = "my path",
543        };
544
545 Here’s a bit of code which shows the required mechanics, in full:
546
547 .. code:: c
548
549        static clib_error_t *
550        my_command_fn (vlib_main_t * vm,
551                       unformat_input_t * input,
552                       vlib_cli_command_t * cmd)
553        {
554          unformat_input_t _line_input, *line_input = &_line_input;
555          u32 this, that;
556          clib_error_t *error = 0;
557
558          if (!unformat_user (input, unformat_line_input, line_input))
559            return 0;
560
561          /*
562           * Here, UNFORMAT_END_OF_INPUT is at the end of the line we consumed,
563           * not at the end of the script...
564           */
565          while (unformat_check_input (line_input) != UNFORMAT_END_OF_INPUT)
566            {
567               if (unformat (line_input, "this %u", &this))
568                 ;
569               else if (unformat (line_input, "that %u", &that))
570                 ;
571               else
572                 {
573                   error = clib_error_return (0, "parse error: '%U'",
574                                     format_unformat_error, line_input);
575                   goto done;
576                 }
577              }
578
579        <do something based on "this" and "that", etc>
580
581        done:
582          unformat_free (line_input);
583          return error;
584        }
585       VLIB_CLI_COMMAND (my_command, static) = {
586         .path = "my path",
587         .function = my_command_fn",
588       };
589
590 Vppinfra errors and warnings
591 ----------------------------
592
593 Many functions within the vpp dataplane have return-values of type
594 clib_error_t \*. Clib_error_t’s are arbitrary strings with a bit of
595 metadata [fatal, warning] and are easy to announce. Returning a NULL
596 clib_error_t \* indicates “A-OK, no error.”
597
598 Clib_warning(format-args) is a handy way to add debugging output; clib
599 warnings prepend function:line info to unambiguously locate the message
600 source. Clib_unix_warning() adds perror()-style Linux system-call
601 information. In production images, clib_warnings result in syslog
602 entries.
603
604 Serialization
605 -------------
606
607 Vppinfra serialization support allows the programmer to easily serialize
608 and unserialize complex data structures.
609
610 The underlying primitive serialize/unserialize functions use network
611 byte-order, so there are no structural issues serializing on a
612 little-endian host and unserializing on a big-endian host.