svm: fix fifo tail/head/ooo logic for u32 wrap
[vpp.git] / src / svm / svm_fifo.h
index 39cdcc0..c937095 100644 (file)
@@ -1,5 +1,9 @@
 /*
- * Copyright (c) 2016 Cisco and/or its affiliates.
+ * Copyright (c) 2016-2019 Cisco and/or its affiliates.
+ * Copyright (c) 2019 Arm Limited
+ * Copyright (c) 2010-2017 Intel Corporation and/or its affiliates.
+ * Copyright (c) 2007-2009 Kip Macy kmacy@freebsd.org
+ * Inspired from DPDK rte_ring.h (SPSC only) (derived from freebsd bufring.h).
  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
  * you may not use this file except in compliance with the License.
  * You may obtain a copy of the License at:
 
 #include <vppinfra/clib.h>
 #include <vppinfra/vec.h>
-#include <vppinfra/mheap.h>
-#include <vppinfra/heap.h>
 #include <vppinfra/pool.h>
 #include <vppinfra/format.h>
-#include <pthread.h>
+#include <vppinfra/rbtree.h>
 
 /** Out-of-order segment */
 typedef struct
@@ -33,11 +35,18 @@ typedef struct
   u32 length;  /**< Length of segment */
 } ooo_segment_t;
 
-format_function_t format_ooo_segment;
-format_function_t format_ooo_list;
+#define SVM_FIFO_TRACE                         (0)
+#define OOO_SEGMENT_INVALID_INDEX      ((u32)~0)
+#define SVM_FIFO_INVALID_SESSION_INDEX         ((u32)~0)
+#define SVM_FIFO_INVALID_INDEX         ((u32)~0)
+#define SVM_FIFO_MAX_EVT_SUBSCRIBERS   7
 
-#define SVM_FIFO_TRACE (0)
-#define OOO_SEGMENT_INVALID_INDEX ((u32)~0)
+enum svm_fifo_tx_ntf_
+{
+  SVM_FIFO_NO_TX_NOTIF = 0,
+  SVM_FIFO_WANT_TX_NOTIF = 1,
+  SVM_FIFO_WANT_TX_NOTIF_IF_FULL = 2,
+};
 
 typedef struct
 {
@@ -46,38 +55,69 @@ typedef struct
   u32 action;
 } svm_fifo_trace_elem_t;
 
-typedef struct _svm_fifo
+typedef struct svm_fifo_chunk_
 {
-  volatile u32 cursize;                /**< current fifo size */
-  u32 nitems;
-    CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (end_cursize);
+  u32 start_byte;
+  u32 length;
+  struct svm_fifo_chunk_ *next;
+  u8 data[0];
+} svm_fifo_chunk_t;
 
+typedef enum svm_fifo_flag_
+{
+  SVM_FIFO_F_SIZE_UPDATE = 1 << 0,
+  SVM_FIFO_F_MULTI_CHUNK = 1 << 1,
+  SVM_FIFO_F_LL_TRACKED = 1 << 2,
+} svm_fifo_flag_t;
+
+typedef struct _svm_fifo
+{
+  CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (shared_first);
+  u32 size;                    /**< size of the fifo */
+  u32 nitems;                  /**< usable size(size-1) */
+  u8 flags;                    /**< fifo flags */
+  svm_fifo_chunk_t *start_chunk;/**< first chunk in fifo chunk list */
+  svm_fifo_chunk_t *end_chunk; /**< end chunk in fifo chunk list */
+  svm_fifo_chunk_t *new_chunks;        /**< chunks yet to be added to list */
+  rb_tree_t chunk_lookup;
+
+    CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (shared_second);
   volatile u32 has_event;      /**< non-zero if deq event exists */
 
-  /* Backpointers */
   u32 master_session_index;
   u32 client_session_index;
   u8 master_thread_index;
   u8 client_thread_index;
   u32 segment_manager;
-    CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (end_shared);
-  u32 head;
-    CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (end_consumer);
+  u32 segment_index;
+  u32 ct_session_index;                /**< Local session index for vpp */
+  u32 freelist_index;          /**< aka log2(allocated_size) - const. */
+  i8 refcnt;                   /**< reference count  */
+  struct _svm_fifo *next;      /**< next in freelist/active chain */
+  struct _svm_fifo *prev;      /**< prev in active chain */
 
-  /* producer */
-  u32 tail;
+    CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (consumer);
+  u32 head;                    /**< fifo head position/byte */
+  svm_fifo_chunk_t *head_chunk;        /**< tracks chunk where head lands */
+  svm_fifo_chunk_t *ooo_deq;   /**< last chunk used for ooo dequeue */
+  volatile u32 want_tx_ntf;    /**< producer wants nudge */
+  volatile u32 has_tx_ntf;
 
-  ooo_segment_t *ooo_segments; /**< Pool of ooo segments */
+    CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (producer);
+  u32 tail;                    /**< fifo tail position/byte */
   u32 ooos_list_head;          /**< Head of out-of-order linked-list */
+  svm_fifo_chunk_t *tail_chunk;        /**< tracks chunk where tail lands */
+  svm_fifo_chunk_t *ooo_enq;   /**< last chunk used for ooo enqueue */
+  ooo_segment_t *ooo_segments; /**< Pool of ooo segments */
   u32 ooos_newest;             /**< Last segment to have been updated */
-  struct _svm_fifo *next;      /**< next in freelist/active chain */
-  struct _svm_fifo *prev;      /**< prev in active chain */
+  volatile u8 n_subscribers;
+  u8 subscribers[SVM_FIFO_MAX_EVT_SUBSCRIBERS];
+
 #if SVM_FIFO_TRACE
   svm_fifo_trace_elem_t *trace;
 #endif
-  u32 freelist_index;          /**< aka log2(allocated_size) - const. */
-  i8 refcnt;                   /**< reference count  */
-    CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (data);
+
+  svm_fifo_chunk_t default_chunk;
 } svm_fifo_t;
 
 typedef enum
@@ -85,6 +125,12 @@ typedef enum
   SVM_FIFO_FULL = -2,
 } svm_fifo_err_t;
 
+typedef struct svm_fifo_seg_
+{
+  u8 *data;
+  u32 len;
+} svm_fifo_seg_t;
+
 #if SVM_FIFO_TRACE
 #define svm_fifo_trace_add(_f, _s, _l, _t)             \
 {                                                      \
@@ -101,16 +147,155 @@ typedef enum
 u8 *svm_fifo_dump_trace (u8 * s, svm_fifo_t * f);
 u8 *svm_fifo_replay (u8 * s, svm_fifo_t * f, u8 no_read, u8 verbose);
 
+/* internal function */
+static inline void
+f_load_head_tail_cons (svm_fifo_t * f, u32 * head, u32 * tail)
+{
+  /* load-relaxed: consumer owned index */
+  *head = f->head;
+  /* load-acq: consumer foreign index (paired with store-rel in producer) */
+  *tail = clib_atomic_load_acq_n (&f->tail);
+}
+
+/* internal function */
+static inline void
+f_load_head_tail_prod (svm_fifo_t * f, u32 * head, u32 * tail)
+{
+  /* load relaxed: producer owned index */
+  *tail = f->tail;
+  /* load-acq: producer foreign index (paired with store-rel in consumer) */
+  *head = clib_atomic_load_acq_n (&f->head);
+}
+
+/* producer consumer role independent */
+/* internal function */
+static inline void
+f_load_head_tail_all_acq (svm_fifo_t * f, u32 * head, u32 * tail)
+{
+  /* load-acq : consumer foreign index (paired with store-rel) */
+  *tail = clib_atomic_load_acq_n (&f->tail);
+  /* load-acq : producer foriegn index (paired with store-rel) */
+  *head = clib_atomic_load_acq_n (&f->head);
+}
+
+/* internal function */
+static inline u32
+f_free_count (svm_fifo_t * f, u32 head, u32 tail)
+{
+  return (f->nitems + head - tail);
+}
+
+/* internal function */
+static inline u32
+f_cursize (svm_fifo_t * f, u32 head, u32 tail)
+{
+  return (f->nitems - f_free_count (f, head, tail));
+}
+
+/* used by consumer */
+static inline u32
+svm_fifo_max_dequeue_cons (svm_fifo_t * f)
+{
+  u32 tail, head;
+  f_load_head_tail_cons (f, &head, &tail);
+  return f_cursize (f, head, tail);
+}
+
+/* used by producer*/
+static inline u32
+svm_fifo_max_dequeue_prod (svm_fifo_t * f)
+{
+  u32 tail, head;
+  f_load_head_tail_prod (f, &head, &tail);
+  return f_cursize (f, head, tail);
+}
+
+/* use producer or consumer specific functions for perfomance.
+ * svm_fifo_max_dequeue_cons (svm_fifo_t *f)
+ * svm_fifo_max_dequeue_prod (svm_fifo_t *f)
+ */
 static inline u32
 svm_fifo_max_dequeue (svm_fifo_t * f)
 {
-  return f->cursize;
+  u32 tail, head;
+  f_load_head_tail_all_acq (f, &head, &tail);
+  return f_cursize (f, head, tail);
+}
+
+/* used by producer */
+static inline int
+svm_fifo_is_full_prod (svm_fifo_t * f)
+{
+  return (svm_fifo_max_dequeue_prod (f) == f->nitems);
+}
+
+/* use producer or consumer specific functions for perfomance.
+ * svm_fifo_is_full_prod (svm_fifo_t * f)
+ * add cons version if needed
+ */
+static inline int
+svm_fifo_is_full (svm_fifo_t * f)
+{
+  return (svm_fifo_max_dequeue (f) == f->nitems);
+}
+
+/* used by consumer */
+static inline int
+svm_fifo_is_empty_cons (svm_fifo_t * f)
+{
+  return (svm_fifo_max_dequeue_cons (f) == 0);
+}
+
+/* used by producer */
+static inline int
+svm_fifo_is_empty_prod (svm_fifo_t * f)
+{
+  return (svm_fifo_max_dequeue_prod (f) == 0);
+}
+
+/* use producer or consumer specific functions for perfomance.
+ * svm_fifo_is_empty_cons (svm_fifo_t * f)
+ * svm_fifo_is_empty_prod (svm_fifo_t * f)
+ */
+static inline int
+svm_fifo_is_empty (svm_fifo_t * f)
+{
+  return (svm_fifo_max_dequeue (f) == 0);
 }
 
+static inline u8
+svm_fifo_is_wrapped (svm_fifo_t * f)
+{
+  u32 head, tail;
+  f_load_head_tail_all_acq (f, &head, &tail);
+  return head % f->size > tail % f->size;
+}
+
+/* used by producer*/
+static inline u32
+svm_fifo_max_enqueue_prod (svm_fifo_t * f)
+{
+  u32 head, tail;
+  f_load_head_tail_prod (f, &head, &tail);
+  return f_free_count (f, head, tail);
+}
+
+/* use producer or consumer specfic functions for perfomance.
+ * svm_fifo_max_enqueue_prod (svm_fifo_t *f)
+ * add consumer specific version if needed.
+ */
 static inline u32
 svm_fifo_max_enqueue (svm_fifo_t * f)
 {
-  return f->nitems - svm_fifo_max_dequeue (f);
+  u32 head, tail;
+  f_load_head_tail_all_acq (f, &head, &tail);
+  return f_free_count (f, head, tail);
+}
+
+static inline int
+svm_fifo_has_event (svm_fifo_t * f)
+{
+  return f->has_event;
 }
 
 static inline u8
@@ -122,27 +307,73 @@ svm_fifo_has_ooo_data (svm_fifo_t * f)
 /**
  * Sets fifo event flag.
  *
+ * Also acts as a release ordering.
+ *
  * @return 1 if flag was not set.
  */
 always_inline u8
 svm_fifo_set_event (svm_fifo_t * f)
 {
-  /* Probably doesn't need to be atomic. Still, better avoid surprises */
-  return __sync_lock_test_and_set (&f->has_event, 1) == 0;
+  /* return __sync_lock_test_and_set (&f->has_event, 1) == 0;
+     return __sync_bool_compare_and_swap (&f->has_event, 0, 1); */
+  return !clib_atomic_swap_rel_n (&f->has_event, 1);
 }
 
 /**
  * Unsets fifo event flag.
+ *
+ * Also acts as an acquire barrier.
  */
 always_inline void
 svm_fifo_unset_event (svm_fifo_t * f)
 {
-  /* Probably doesn't need to be atomic. Still, better avoid surprises */
-  __sync_lock_release (&f->has_event);
+  clib_atomic_swap_acq_n (&f->has_event, 0);
 }
 
 svm_fifo_t *svm_fifo_create (u32 data_size_in_bytes);
+void svm_fifo_init (svm_fifo_t * f, u32 size);
+
+/**
+ * Allocate a fifo chunk on heap
+ *
+ * If the chunk is allocated on a fifo segment, this should be called
+ * with the segment's heap pushed.
+ *
+ * @param size chunk size in bytes. Will be rounded to the next highest
+ *             power-of-two
+ * @return     new chunk or 0 if alloc failed
+ */
+svm_fifo_chunk_t *svm_fifo_chunk_alloc (u32 size);
+
+/**
+ * Grow fifo size by adding chunk to chunk list
+ *
+ * If fifos are allocated on a segment, this should be called with
+ * the segment's heap pushed.
+ *
+ * @param f    fifo to be extended
+ * @param c    chunk or linked list of chunks to be added
+ */
+void svm_fifo_add_chunk (svm_fifo_t * f, svm_fifo_chunk_t * c);
 void svm_fifo_free (svm_fifo_t * f);
+/**
+ * Cleanup fifo chunk lookup rb tree
+ *
+ * The rb tree is allocated in segment heap so this should be called
+ * with it pushed.
+ *
+ * @param f    fifo to cleanup
+ */
+void svm_fifo_free_chunk_lookup (svm_fifo_t * f);
+/**
+ * Cleanup fifo ooo data
+ *
+ * The ooo data is allocated in producer process memory. The fifo
+ * segment heap should not be pushed.
+ *
+ * @param f    fifo to cleanup
+ */
+void svm_fifo_free_ooo_data (svm_fifo_t * f);
 
 int svm_fifo_enqueue_nowait (svm_fifo_t * f, u32 max_bytes,
                             const u8 * copy_from_here);
@@ -152,34 +383,28 @@ int svm_fifo_dequeue_nowait (svm_fifo_t * f, u32 max_bytes, u8 * copy_here);
 
 int svm_fifo_peek (svm_fifo_t * f, u32 offset, u32 max_bytes, u8 * copy_here);
 int svm_fifo_dequeue_drop (svm_fifo_t * f, u32 max_bytes);
-u32 svm_fifo_number_ooo_segments (svm_fifo_t * f);
-ooo_segment_t *svm_fifo_first_ooo_segment (svm_fifo_t * f);
-void svm_fifo_init_pointers (svm_fifo_t * f, u32 pointer);
+void svm_fifo_dequeue_drop_all (svm_fifo_t * f);
+int svm_fifo_segments (svm_fifo_t * f, svm_fifo_seg_t * fs);
+void svm_fifo_segments_free (svm_fifo_t * f, svm_fifo_seg_t * fs);
+void svm_fifo_init_pointers (svm_fifo_t * f, u32 head, u32 tail);
+void svm_fifo_clone (svm_fifo_t * df, svm_fifo_t * sf);
 void svm_fifo_overwrite_head (svm_fifo_t * f, u8 * data, u32 len);
-
+void svm_fifo_add_subscriber (svm_fifo_t * f, u8 subscriber);
+void svm_fifo_del_subscriber (svm_fifo_t * f, u8 subscriber);
 format_function_t format_svm_fifo;
 
-always_inline ooo_segment_t *
-svm_fifo_newest_ooo_segment (svm_fifo_t * f)
-{
-  if (f->ooos_newest == OOO_SEGMENT_INVALID_INDEX)
-    return 0;
-  return pool_elt_at_index (f->ooo_segments, f->ooos_newest);
-}
-
-always_inline void
-svm_fifo_newest_ooo_segment_reset (svm_fifo_t * f)
-{
-  f->ooos_newest = OOO_SEGMENT_INVALID_INDEX;
-}
-
 /**
  * Max contiguous chunk of data that can be read
  */
 always_inline u32
 svm_fifo_max_read_chunk (svm_fifo_t * f)
 {
-  return ((f->tail > f->head) ? (f->tail - f->head) : (f->nitems - f->head));
+  u32 head, tail;
+  u32 head_idx, tail_idx;
+  f_load_head_tail_cons (f, &head, &tail);
+  head_idx = head % f->size;
+  tail_idx = tail % f->size;
+  return tail_idx > head_idx ? (tail_idx - head_idx) : (f->size - head_idx);
 }
 
 /**
@@ -188,7 +413,12 @@ svm_fifo_max_read_chunk (svm_fifo_t * f)
 always_inline u32
 svm_fifo_max_write_chunk (svm_fifo_t * f)
 {
-  return ((f->tail >= f->head) ? (f->nitems - f->tail) : (f->head - f->tail));
+  u32 head, tail;
+  u32 head_idx, tail_idx;
+  f_load_head_tail_prod (f, &head, &tail);
+  head_idx = head % f->size;
+  tail_idx = tail % f->size;
+  return tail_idx >= head_idx ? (f->size - tail_idx) : (head_idx - tail_idx);
 }
 
 /**
@@ -199,49 +429,121 @@ svm_fifo_max_write_chunk (svm_fifo_t * f)
 always_inline void
 svm_fifo_enqueue_nocopy (svm_fifo_t * f, u32 bytes)
 {
-  ASSERT (bytes <= svm_fifo_max_enqueue (f));
-  f->tail = (f->tail + bytes) % f->nitems;
-  f->cursize += bytes;
+  ASSERT (bytes <= svm_fifo_max_enqueue_prod (f));
+  /* load-relaxed: producer owned index */
+  u32 tail = f->tail;
+  tail += bytes;
+  /* store-rel: producer owned index (paired with load-acq in consumer) */
+  clib_atomic_store_rel_n (&f->tail, tail);
 }
 
 always_inline u8 *
 svm_fifo_head (svm_fifo_t * f)
 {
-  return (f->data + f->head);
+  /* load-relaxed: consumer owned index */
+  return (f->head_chunk->data
+         + ((f->head % f->size) - f->head_chunk->start_byte));
 }
 
 always_inline u8 *
 svm_fifo_tail (svm_fifo_t * f)
 {
-  return (f->data + f->tail);
+  /* load-relaxed: producer owned index */
+  return (f->tail_chunk->data
+         + ((f->tail % f->size) - f->tail_chunk->start_byte));
 }
 
-always_inline u32
-ooo_segment_distance_from_tail (svm_fifo_t * f, u32 pos)
+static inline void
+svm_fifo_add_want_tx_ntf (svm_fifo_t * f, u8 ntf_type)
+{
+  f->want_tx_ntf |= ntf_type;
+}
+
+static inline void
+svm_fifo_del_want_tx_ntf (svm_fifo_t * f, u8 ntf_type)
+{
+  f->want_tx_ntf &= ~ntf_type;
+}
+
+static inline void
+svm_fifo_clear_tx_ntf (svm_fifo_t * f)
+{
+  /* Set the flag if want_tx_notif_if_full was the only ntf requested */
+  f->has_tx_ntf = f->want_tx_ntf == SVM_FIFO_WANT_TX_NOTIF_IF_FULL;
+  svm_fifo_del_want_tx_ntf (f, SVM_FIFO_WANT_TX_NOTIF);
+}
+
+static inline void
+svm_fifo_reset_tx_ntf (svm_fifo_t * f)
+{
+  f->has_tx_ntf = 0;
+}
+
+static inline u8
+svm_fifo_needs_tx_ntf (svm_fifo_t * f, u32 n_last_deq)
+{
+  u8 want_ntf = f->want_tx_ntf;
+
+  if (PREDICT_TRUE (want_ntf == SVM_FIFO_NO_TX_NOTIF))
+    return 0;
+  else if (want_ntf & SVM_FIFO_WANT_TX_NOTIF)
+    return 1;
+  else if (want_ntf & SVM_FIFO_WANT_TX_NOTIF_IF_FULL)
+    {
+      u32 max_deq = svm_fifo_max_dequeue_cons (f);
+      u32 nitems = f->nitems;
+      if (!f->has_tx_ntf && max_deq < nitems
+         && max_deq + n_last_deq >= nitems)
+       return 1;
+
+      return 0;
+    }
+  return 0;
+}
+
+always_inline u8
+svm_fifo_n_subscribers (svm_fifo_t * f)
 {
-  /* Ambiguous. Assumption is that ooo segments don't touch tail */
-  if (PREDICT_FALSE (pos == f->tail && f->tail == f->head))
-    return f->nitems;
+  return f->n_subscribers;
+}
+
+u32 svm_fifo_number_ooo_segments (svm_fifo_t * f);
+ooo_segment_t *svm_fifo_first_ooo_segment (svm_fifo_t * f);
 
-  return (((f->nitems + pos) - f->tail) % f->nitems);
+always_inline ooo_segment_t *
+svm_fifo_newest_ooo_segment (svm_fifo_t * f)
+{
+  if (f->ooos_newest == OOO_SEGMENT_INVALID_INDEX)
+    return 0;
+  return pool_elt_at_index (f->ooo_segments, f->ooos_newest);
+}
+
+always_inline void
+svm_fifo_newest_ooo_segment_reset (svm_fifo_t * f)
+{
+  f->ooos_newest = OOO_SEGMENT_INVALID_INDEX;
 }
 
 always_inline u32
-ooo_segment_distance_to_tail (svm_fifo_t * f, u32 pos)
+ooo_segment_distance_from_tail (svm_fifo_t * f, u32 pos, u32 tail)
 {
-  return (((f->nitems + f->tail) - pos) % f->nitems);
+  return ((f->size + pos - tail) % f->size);
 }
 
 always_inline u32
-ooo_segment_offset (svm_fifo_t * f, ooo_segment_t * s)
+ooo_segment_distance_to_tail (svm_fifo_t * f, u32 pos, u32 tail)
 {
-  return ooo_segment_distance_from_tail (f, s->start);
+  return ((f->size + tail - pos) % f->size);
 }
 
 always_inline u32
-ooo_segment_end_offset (svm_fifo_t * f, ooo_segment_t * s)
+ooo_segment_offset_prod (svm_fifo_t * f, ooo_segment_t * s)
 {
-  return ooo_segment_distance_from_tail (f, s->start) + s->length;
+  u32 tail;
+  /* load-relaxed: producer owned index */
+  tail = f->tail;
+
+  return ooo_segment_distance_from_tail (f, s->start, tail);
 }
 
 always_inline u32