Imported Upstream version 16.04
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / performance_thread.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2015 Intel Corporation. All rights reserved.
3     All rights reserved.
4
5     Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6     modification, are permitted provided that the following conditions
7     are met:
8
9     * Re-distributions of source code must retain the above copyright
10     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12     notice, this list of conditions and the following disclaimer in
13     the documentation and/or other materials provided with the
14     distribution.
15     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
16     contributors may be used to endorse or promote products derived
17     from this software without specific prior written permission.
18
19     THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20     "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21     LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22     A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
23     OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
24     SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
25     LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
26     DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
27     THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
28     (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31
32 Performance Thread Sample Application
33 =====================================
34
35 The performance thread sample application is a derivative of the standard L3
36 forwarding application that demonstrates different threading models.
37
38 Overview
39 --------
40 For a general description of the L3 forwarding applications capabilities
41 please refer to the documentation of the standard application in
42 :doc:`l3_forward`.
43
44 The performance thread sample application differs from the standard L3
45 forwarding example in that it divides the TX and RX processing between
46 different threads, and makes it possible to assign individual threads to
47 different cores.
48
49 Three threading models are considered:
50
51 #. When there is one EAL thread per physical core.
52 #. When there are multiple EAL threads per physical core.
53 #. When there are multiple lightweight threads per EAL thread.
54
55 Since DPDK release 2.0 it is possible to launch applications using the
56 ``--lcores`` EAL parameter, specifying cpu-sets for a physical core. With the
57 performance thread sample application its is now also possible to assign
58 individual RX and TX functions to different cores.
59
60 As an alternative to dividing the L3 forwarding work between different EAL
61 threads the performance thread sample introduces the possibility to run the
62 application threads as lightweight threads (L-threads) within one or
63 more EAL threads.
64
65 In order to facilitate this threading model the example includes a primitive
66 cooperative scheduler (L-thread) subsystem. More details of the L-thread
67 subsystem can be found in :ref:`lthread_subsystem`.
68
69 **Note:** Whilst theoretically possible it is not anticipated that multiple
70 L-thread schedulers would be run on the same physical core, this mode of
71 operation should not be expected to yield useful performance and is considered
72 invalid.
73
74 Compiling the Application
75 -------------------------
76 The application is located in the sample application folder in the
77 ``performance-thread`` folder.
78
79 #.  Go to the example applications folder
80
81     .. code-block:: console
82
83        export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
84        cd ${RTE_SDK}/examples/performance-thread/l3fwd-thread
85
86 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
87
88     .. code-block:: console
89
90        export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
91
92     See the *DPDK Linux Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
93
94 #.  Build the application:
95
96         make
97
98
99 Running the Application
100 -----------------------
101
102 The application has a number of command line options::
103
104     ./build/l3fwd-thread [EAL options] --
105         -p PORTMASK [-P]
106         --rx(port,queue,lcore,thread)[,(port,queue,lcore,thread)]
107         --tx(lcore,thread)[,(lcore,thread)]
108         [--enable-jumbo] [--max-pkt-len PKTLEN]]  [--no-numa]
109         [--hash-entry-num] [--ipv6] [--no-lthreads] [--stat-lcore lcore]
110
111 Where:
112
113 * ``-p PORTMASK``: Hexadecimal bitmask of ports to configure.
114
115 * ``-P``: optional, sets all ports to promiscuous mode so that packets are
116   accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
117   Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address
118   set to the Ethernet address of the port are accepted.
119
120 * ``--rx (port,queue,lcore,thread)[,(port,queue,lcore,thread)]``: the list of
121   NIC RX ports and queues handled by the RX lcores and threads. The parameters
122   are explained below.
123
124 * ``--tx (lcore,thread)[,(lcore,thread)]``: the list of TX threads identifying
125   the lcore the thread runs on, and the id of RX thread with which it is
126   associated. The parameters are explained below.
127
128 * ``--enable-jumbo``: optional, enables jumbo frames.
129
130 * ``--max-pkt-len``: optional, maximum packet length in decimal (64-9600).
131
132 * ``--no-numa``: optional, disables numa awareness.
133
134 * ``--hash-entry-num``: optional, specifies the hash entry number in hex to be
135   setup.
136
137 * ``--ipv6``: optional, set it if running ipv6 packets.
138
139 * ``--no-lthreads``: optional, disables l-thread model and uses EAL threading
140   model. See below.
141
142 * ``--stat-lcore``: optional, run CPU load stats collector on the specified
143   lcore.
144
145 The parameters of the ``--rx`` and ``--tx`` options are:
146
147 * ``--rx`` parameters
148
149    .. _table_l3fwd_rx_parameters:
150
151    +--------+------------------------------------------------------+
152    | port   | RX port                                              |
153    +--------+------------------------------------------------------+
154    | queue  | RX queue that will be read on the specified RX port  |
155    +--------+------------------------------------------------------+
156    | lcore  | Core to use for the thread                           |
157    +--------+------------------------------------------------------+
158    | thread | Thread id (continuously from 0 to N)                 |
159    +--------+------------------------------------------------------+
160
161
162 * ``--tx`` parameters
163
164    .. _table_l3fwd_tx_parameters:
165
166    +--------+------------------------------------------------------+
167    | lcore  | Core to use for L3 route match and transmit          |
168    +--------+------------------------------------------------------+
169    | thread | Id of RX thread to be associated with this TX thread |
170    +--------+------------------------------------------------------+
171
172 The ``l3fwd-thread`` application allows you to start packet processing in two
173 threading models: L-Threads (default) and EAL Threads (when the
174 ``--no-lthreads`` parameter is used). For consistency all parameters are used
175 in the same way for both models.
176
177
178 Running with L-threads
179 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
180
181 When the L-thread model is used (default option), lcore and thread parameters
182 in ``--rx/--tx`` are used to affinitize threads to the selected scheduler.
183
184 For example, the following places every l-thread on different lcores::
185
186    l3fwd-thread -c ff -n 2 -- -P -p 3 \
187                 --rx="(0,0,0,0)(1,0,1,1)" \
188                 --tx="(2,0)(3,1)"
189
190 The following places RX l-threads on lcore 0 and TX l-threads on lcore 1 and 2
191 and so on::
192
193    l3fwd-thread -c ff -n 2 -- -P -p 3 \
194                 --rx="(0,0,0,0)(1,0,0,1)" \
195                 --tx="(1,0)(2,1)"
196
197
198 Running with EAL threads
199 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
200
201 When the ``--no-lthreads`` parameter is used, the L-threading model is turned
202 off and EAL threads are used for all processing. EAL threads are enumerated in
203 the same way as L-threads, but the ``--lcores`` EAL parameter is used to
204 affinitize threads to the selected cpu-set (scheduler). Thus it is possible to
205 place every RX and TX thread on different lcores.
206
207 For example, the following places every EAL thread on different lcores::
208
209    l3fwd-thread -c ff -n 2 -- -P -p 3 \
210                 --rx="(0,0,0,0)(1,0,1,1)" \
211                 --tx="(2,0)(3,1)" \
212                 --no-lthreads
213
214
215 To affinitize two or more EAL threads to one cpu-set, the EAL ``--lcores``
216 parameter is used.
217
218 The following places RX EAL threads on lcore 0 and TX EAL threads on lcore 1
219 and 2 and so on::
220
221    l3fwd-thread -c ff -n 2 --lcores="(0,1)@0,(2,3)@1" -- -P -p 3 \
222                 --rx="(0,0,0,0)(1,0,1,1)" \
223                 --tx="(2,0)(3,1)" \
224                 --no-lthreads
225
226
227 Examples
228 ~~~~~~~~
229
230 For selected scenarios the command line configuration of the application for L-threads
231 and its corresponding EAL threads command line can be realized as follows:
232
233 a) Start every thread on different scheduler (1:1)::
234
235       l3fwd-thread -c ff -n 2 -- -P -p 3 \
236                    --rx="(0,0,0,0)(1,0,1,1)" \
237                    --tx="(2,0)(3,1)"
238
239    EAL thread equivalent::
240
241       l3fwd-thread -c ff -n 2 -- -P -p 3 \
242                    --rx="(0,0,0,0)(1,0,1,1)" \
243                    --tx="(2,0)(3,1)" \
244                    --no-lthreads
245
246 b) Start all threads on one core (N:1).
247
248    Start 4 L-threads on lcore 0::
249
250       l3fwd-thread -c ff -n 2 -- -P -p 3 \
251                    --rx="(0,0,0,0)(1,0,0,1)" \
252                    --tx="(0,0)(0,1)"
253
254    Start 4 EAL threads on cpu-set 0::
255
256       l3fwd-thread -c ff -n 2 --lcores="(0-3)@0" -- -P -p 3 \
257                    --rx="(0,0,0,0)(1,0,0,1)" \
258                    --tx="(2,0)(3,1)" \
259                    --no-lthreads
260
261 c) Start threads on different cores (N:M).
262
263    Start 2 L-threads for RX on lcore 0, and 2 L-threads for TX on lcore 1::
264
265       l3fwd-thread -c ff -n 2 -- -P -p 3 \
266                    --rx="(0,0,0,0)(1,0,0,1)" \
267                    --tx="(1,0)(1,1)"
268
269    Start 2 EAL threads for RX on cpu-set 0, and 2 EAL threads for TX on
270    cpu-set 1::
271
272       l3fwd-thread -c ff -n 2 --lcores="(0-1)@0,(2-3)@1" -- -P -p 3 \
273                    --rx="(0,0,0,0)(1,0,1,1)" \
274                    --tx="(2,0)(3,1)" \
275                    --no-lthreads
276
277 Explanation
278 -----------
279
280 To a great extent the sample application differs little from the standard L3
281 forwarding application, and readers are advised to familiarize themselves with
282 the material covered in the :doc:`l3_forward` documentation before proceeding.
283
284 The following explanation is focused on the way threading is handled in the
285 performance thread example.
286
287
288 Mode of operation with EAL threads
289 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
290
291 The performance thread sample application has split the RX and TX functionality
292 into two different threads, and the RX and TX threads are
293 interconnected via software rings. With respect to these rings the RX threads
294 are producers and the TX threads are consumers.
295
296 On initialization the TX and RX threads are started according to the command
297 line parameters.
298
299 The RX threads poll the network interface queues and post received packets to a
300 TX thread via a corresponding software ring.
301
302 The TX threads poll software rings, perform the L3 forwarding hash/LPM match,
303 and assemble packet bursts before performing burst transmit on the network
304 interface.
305
306 As with the standard L3 forward application, burst draining of residual packets
307 is performed periodically with the period calculated from elapsed time using
308 the timestamps counter.
309
310 The diagram below illustrates a case with two RX threads and three TX threads.
311
312 .. _figure_performance_thread_1:
313
314 .. figure:: img/performance_thread_1.*
315
316
317 Mode of operation with L-threads
318 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
319
320 Like the EAL thread configuration the application has split the RX and TX
321 functionality into different threads, and the pairs of RX and TX threads are
322 interconnected via software rings.
323
324 On initialization an L-thread scheduler is started on every EAL thread. On all
325 but the master EAL thread only a a dummy L-thread is initially started.
326 The L-thread started on the master EAL thread then spawns other L-threads on
327 different L-thread schedulers according the the command line parameters.
328
329 The RX threads poll the network interface queues and post received packets
330 to a TX thread via the corresponding software ring.
331
332 The ring interface is augmented by means of an L-thread condition variable that
333 enables the TX thread to be suspended when the TX ring is empty. The RX thread
334 signals the condition whenever it posts to the TX ring, causing the TX thread
335 to be resumed.
336
337 Additionally the TX L-thread spawns a worker L-thread to take care of
338 polling the software rings, whilst it handles burst draining of the transmit
339 buffer.
340
341 The worker threads poll the software rings, perform L3 route lookup and
342 assemble packet bursts. If the TX ring is empty the worker thread suspends
343 itself by waiting on the condition variable associated with the ring.
344
345 Burst draining of residual packets, less than the burst size, is performed by
346 the TX thread which sleeps (using an L-thread sleep function) and resumes
347 periodically to flush the TX buffer.
348
349 This design means that L-threads that have no work, can yield the CPU to other
350 L-threads and avoid having to constantly poll the software rings.
351
352 The diagram below illustrates a case with two RX threads and three TX functions
353 (each comprising a thread that processes forwarding and a thread that
354 periodically drains the output buffer of residual packets).
355
356 .. _figure_performance_thread_2:
357
358 .. figure:: img/performance_thread_2.*
359
360
361 CPU load statistics
362 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
363
364 It is possible to display statistics showing estimated CPU load on each core.
365 The statistics indicate the percentage of CPU time spent: processing
366 received packets (forwarding), polling queues/rings (waiting for work),
367 and doing any other processing (context switch and other overhead).
368
369 When enabled statistics are gathered by having the application threads set and
370 clear flags when they enter and exit pertinent code sections. The flags are
371 then sampled in real time by a statistics collector thread running on another
372 core. This thread displays the data in real time on the console.
373
374 This feature is enabled by designating a statistics collector core, using the
375 ``--stat-lcore`` parameter.
376
377
378 .. _lthread_subsystem:
379
380 The L-thread subsystem
381 ----------------------
382
383 The L-thread subsystem resides in the examples/performance-thread/common
384 directory and is built and linked automatically when building the
385 ``l3fwd-thread`` example.
386
387 The subsystem provides a simple cooperative scheduler to enable arbitrary
388 functions to run as cooperative threads within a single EAL thread.
389 The subsystem provides a pthread like API that is intended to assist in
390 reuse of legacy code written for POSIX pthreads.
391
392 The following sections provide some detail on the features, constraints,
393 performance and porting considerations when using L-threads.
394
395
396 .. _comparison_between_lthreads_and_pthreads:
397
398 Comparison between L-threads and POSIX pthreads
399 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
400
401 The fundamental difference between the L-thread and pthread models is the
402 way in which threads are scheduled. The simplest way to think about this is to
403 consider the case of a processor with a single CPU. To run multiple threads
404 on a single CPU, the scheduler must frequently switch between the threads,
405 in order that each thread is able to make timely progress.
406 This is the basis of any multitasking operating system.
407
408 This section explores the differences between the pthread model and the
409 L-thread model as implemented in the provided L-thread subsystem. If needed a
410 theoretical discussion of preemptive vs cooperative multi-threading can be
411 found in any good text on operating system design.
412
413
414 Scheduling and context switching
415 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
416
417 The POSIX pthread library provides an application programming interface to
418 create and synchronize threads. Scheduling policy is determined by the host OS,
419 and may be configurable. The OS may use sophisticated rules to determine which
420 thread should be run next, threads may suspend themselves or make other threads
421 ready, and the scheduler may employ a time slice giving each thread a maximum
422 time quantum after which it will be preempted in favor of another thread that
423 is ready to run. To complicate matters further threads may be assigned
424 different scheduling priorities.
425
426 By contrast the L-thread subsystem is considerably simpler. Logically the
427 L-thread scheduler performs the same multiplexing function for L-threads
428 within a single pthread as the OS scheduler does for pthreads within an
429 application process. The L-thread scheduler is simply the main loop of a
430 pthread, and in so far as the host OS is concerned it is a regular pthread
431 just like any other. The host OS is oblivious about the existence of and
432 not at all involved in the scheduling of L-threads.
433
434 The other and most significant difference between the two models is that
435 L-threads are scheduled cooperatively. L-threads cannot not preempt each
436 other, nor can the L-thread scheduler preempt a running L-thread (i.e.
437 there is no time slicing). The consequence is that programs implemented with
438 L-threads must possess frequent rescheduling points, meaning that they must
439 explicitly and of their own volition return to the scheduler at frequent
440 intervals, in order to allow other L-threads an opportunity to proceed.
441
442 In both models switching between threads requires that the current CPU
443 context is saved and a new context (belonging to the next thread ready to run)
444 is restored. With pthreads this context switching is handled transparently
445 and the set of CPU registers that must be preserved between context switches
446 is as per an interrupt handler.
447
448 An L-thread context switch is achieved by the thread itself making a function
449 call to the L-thread scheduler. Thus it is only necessary to preserve the
450 callee registers. The caller is responsible to save and restore any other
451 registers it is using before a function call, and restore them on return,
452 and this is handled by the compiler. For ``X86_64`` on both Linux and BSD the
453 System V calling convention is used, this defines registers RSP, RBP, and
454 R12-R15 as callee-save registers (for more detailed discussion a good reference
455 is `X86 Calling Conventions <https://en.wikipedia.org/wiki/X86_calling_conventions>`_).
456
457 Taking advantage of this, and due to the absence of preemption, an L-thread
458 context switch is achieved with less than 20 load/store instructions.
459
460 The scheduling policy for L-threads is fixed, there is no prioritization of
461 L-threads, all L-threads are equal and scheduling is based on a FIFO
462 ready queue.
463
464 An L-thread is a struct containing the CPU context of the thread
465 (saved on context switch) and other useful items. The ready queue contains
466 pointers to threads that are ready to run. The L-thread scheduler is a simple
467 loop that polls the ready queue, reads from it the next thread ready to run,
468 which it resumes by saving the current context (the current position in the
469 scheduler loop) and restoring the context of the next thread from its thread
470 struct. Thus an L-thread is always resumed at the last place it yielded.
471
472 A well behaved L-thread will call the context switch regularly (at least once
473 in its main loop) thus returning to the scheduler's own main loop. Yielding
474 inserts the current thread at the back of the ready queue, and the process of
475 servicing the ready queue is repeated, thus the system runs by flipping back
476 and forth the between L-threads and scheduler loop.
477
478 In the case of pthreads, the preemptive scheduling, time slicing, and support
479 for thread prioritization means that progress is normally possible for any
480 thread that is ready to run. This comes at the price of a relatively heavier
481 context switch and scheduling overhead.
482
483 With L-threads the progress of any particular thread is determined by the
484 frequency of rescheduling opportunities in the other L-threads. This means that
485 an errant L-thread monopolizing the CPU might cause scheduling of other threads
486 to be stalled. Due to the lower cost of context switching, however, voluntary
487 rescheduling to ensure progress of other threads, if managed sensibly, is not
488 a prohibitive overhead, and overall performance can exceed that of an
489 application using pthreads.
490
491
492 Mutual exclusion
493 ^^^^^^^^^^^^^^^^
494
495 With pthreads preemption means that threads that share data must observe
496 some form of mutual exclusion protocol.
497
498 The fact that L-threads cannot preempt each other means that in many cases
499 mutual exclusion devices can be completely avoided.
500
501 Locking to protect shared data can be a significant bottleneck in
502 multi-threaded applications so a carefully designed cooperatively scheduled
503 program can enjoy significant performance advantages.
504
505 So far we have considered only the simplistic case of a single core CPU,
506 when multiple CPUs are considered things are somewhat more complex.
507
508 First of all it is inevitable that there must be multiple L-thread schedulers,
509 one running on each EAL thread. So long as these schedulers remain isolated
510 from each other the above assertions about the potential advantages of
511 cooperative scheduling hold true.
512
513 A configuration with isolated cooperative schedulers is less flexible than the
514 pthread model where threads can be affinitized to run on any CPU. With isolated
515 schedulers scaling of applications to utilize fewer or more CPUs according to
516 system demand is very difficult to achieve.
517
518 The L-thread subsystem makes it possible for L-threads to migrate between
519 schedulers running on different CPUs. Needless to say if the migration means
520 that threads that share data end up running on different CPUs then this will
521 introduce the need for some kind of mutual exclusion system.
522
523 Of course ``rte_ring`` software rings can always be used to interconnect
524 threads running on different cores, however to protect other kinds of shared
525 data structures, lock free constructs or else explicit locking will be
526 required. This is a consideration for the application design.
527
528 In support of this extended functionality, the L-thread subsystem implements
529 thread safe mutexes and condition variables.
530
531 The cost of affinitizing and of condition variable signaling is significantly
532 lower than the equivalent pthread operations, and so applications using these
533 features will see a performance benefit.
534
535
536 Thread local storage
537 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
538
539 As with applications written for pthreads an application written for L-threads
540 can take advantage of thread local storage, in this case local to an L-thread.
541 An application may save and retrieve a single pointer to application data in
542 the L-thread struct.
543
544 For legacy and backward compatibility reasons two alternative methods are also
545 offered, the first is modelled directly on the pthread get/set specific APIs,
546 the second approach is modelled on the ``RTE_PER_LCORE`` macros, whereby
547 ``PER_LTHREAD`` macros are introduced, in both cases the storage is local to
548 the L-thread.
549
550
551 .. _constraints_and_performance_implications:
552
553 Constraints and performance implications when using L-threads
554 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
555
556
557 .. _API_compatibility:
558
559 API compatibility
560 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
561
562 The L-thread subsystem provides a set of functions that are logically equivalent
563 to the corresponding functions offered by the POSIX pthread library, however not
564 all pthread functions have a corresponding L-thread equivalent, and not all
565 features available to pthreads are implemented for L-threads.
566
567 The pthread library offers considerable flexibility via programmable attributes
568 that can be associated with threads, mutexes, and condition variables.
569
570 By contrast the L-thread subsystem has fixed functionality, the scheduler policy
571 cannot be varied, and L-threads cannot be prioritized. There are no variable
572 attributes associated with any L-thread objects. L-threads, mutexes and
573 conditional variables, all have fixed functionality. (Note: reserved parameters
574 are included in the APIs to facilitate possible future support for attributes).
575
576 The table below lists the pthread and equivalent L-thread APIs with notes on
577 differences and/or constraints. Where there is no L-thread entry in the table,
578 then the L-thread subsystem provides no equivalent function.
579
580 .. _table_lthread_pthread:
581
582 .. table:: Pthread and equivalent L-thread APIs.
583
584    +----------------------------+------------------------+-------------------+
585    | **Pthread function**       | **L-thread function**  | **Notes**         |
586    +============================+========================+===================+
587    | pthread_barrier_destroy    |                        |                   |
588    +----------------------------+------------------------+-------------------+
589    | pthread_barrier_init       |                        |                   |
590    +----------------------------+------------------------+-------------------+
591    | pthread_barrier_wait       |                        |                   |
592    +----------------------------+------------------------+-------------------+
593    | pthread_cond_broadcast     | lthread_cond_broadcast | See note 1        |
594    +----------------------------+------------------------+-------------------+
595    | pthread_cond_destroy       | lthread_cond_destroy   |                   |
596    +----------------------------+------------------------+-------------------+
597    | pthread_cond_init          | lthread_cond_init      |                   |
598    +----------------------------+------------------------+-------------------+
599    | pthread_cond_signal        | lthread_cond_signal    | See note 1        |
600    +----------------------------+------------------------+-------------------+
601    | pthread_cond_timedwait     |                        |                   |
602    +----------------------------+------------------------+-------------------+
603    | pthread_cond_wait          | lthread_cond_wait      | See note 5        |
604    +----------------------------+------------------------+-------------------+
605    | pthread_create             | lthread_create         | See notes 2, 3    |
606    +----------------------------+------------------------+-------------------+
607    | pthread_detach             | lthread_detach         | See note 4        |
608    +----------------------------+------------------------+-------------------+
609    | pthread_equal              |                        |                   |
610    +----------------------------+------------------------+-------------------+
611    | pthread_exit               | lthread_exit           |                   |
612    +----------------------------+------------------------+-------------------+
613    | pthread_getspecific        | lthread_getspecific    |                   |
614    +----------------------------+------------------------+-------------------+
615    | pthread_getcpuclockid      |                        |                   |
616    +----------------------------+------------------------+-------------------+
617    | pthread_join               | lthread_join           |                   |
618    +----------------------------+------------------------+-------------------+
619    | pthread_key_create         | lthread_key_create     |                   |
620    +----------------------------+------------------------+-------------------+
621    | pthread_key_delete         | lthread_key_delete     |                   |
622    +----------------------------+------------------------+-------------------+
623    | pthread_mutex_destroy      | lthread_mutex_destroy  |                   |
624    +----------------------------+------------------------+-------------------+
625    | pthread_mutex_init         | lthread_mutex_init     |                   |
626    +----------------------------+------------------------+-------------------+
627    | pthread_mutex_lock         | lthread_mutex_lock     | See note 6        |
628    +----------------------------+------------------------+-------------------+
629    | pthread_mutex_trylock      | lthread_mutex_trylock  | See note 6        |
630    +----------------------------+------------------------+-------------------+
631    | pthread_mutex_timedlock    |                        |                   |
632    +----------------------------+------------------------+-------------------+
633    | pthread_mutex_unlock       | lthread_mutex_unlock   |                   |
634    +----------------------------+------------------------+-------------------+
635    | pthread_once               |                        |                   |
636    +----------------------------+------------------------+-------------------+
637    | pthread_rwlock_destroy     |                        |                   |
638    +----------------------------+------------------------+-------------------+
639    | pthread_rwlock_init        |                        |                   |
640    +----------------------------+------------------------+-------------------+
641    | pthread_rwlock_rdlock      |                        |                   |
642    +----------------------------+------------------------+-------------------+
643    | pthread_rwlock_timedrdlock |                        |                   |
644    +----------------------------+------------------------+-------------------+
645    | pthread_rwlock_timedwrlock |                        |                   |
646    +----------------------------+------------------------+-------------------+
647    | pthread_rwlock_tryrdlock   |                        |                   |
648    +----------------------------+------------------------+-------------------+
649    | pthread_rwlock_trywrlock   |                        |                   |
650    +----------------------------+------------------------+-------------------+
651    | pthread_rwlock_unlock      |                        |                   |
652    +----------------------------+------------------------+-------------------+
653    | pthread_rwlock_wrlock      |                        |                   |
654    +----------------------------+------------------------+-------------------+
655    | pthread_self               | lthread_current        |                   |
656    +----------------------------+------------------------+-------------------+
657    | pthread_setspecific        | lthread_setspecific    |                   |
658    +----------------------------+------------------------+-------------------+
659    | pthread_spin_init          |                        | See note 10       |
660    +----------------------------+------------------------+-------------------+
661    | pthread_spin_destroy       |                        | See note 10       |
662    +----------------------------+------------------------+-------------------+
663    | pthread_spin_lock          |                        | See note 10       |
664    +----------------------------+------------------------+-------------------+
665    | pthread_spin_trylock       |                        | See note 10       |
666    +----------------------------+------------------------+-------------------+
667    | pthread_spin_unlock        |                        | See note 10       |
668    +----------------------------+------------------------+-------------------+
669    | pthread_cancel             | lthread_cancel         |                   |
670    +----------------------------+------------------------+-------------------+
671    | pthread_setcancelstate     |                        |                   |
672    +----------------------------+------------------------+-------------------+
673    | pthread_setcanceltype      |                        |                   |
674    +----------------------------+------------------------+-------------------+
675    | pthread_testcancel         |                        |                   |
676    +----------------------------+------------------------+-------------------+
677    | pthread_getschedparam      |                        |                   |
678    +----------------------------+------------------------+-------------------+
679    | pthread_setschedparam      |                        |                   |
680    +----------------------------+------------------------+-------------------+
681    | pthread_yield              | lthread_yield          | See note 7        |
682    +----------------------------+------------------------+-------------------+
683    | pthread_setaffinity_np     | lthread_set_affinity   | See notes 2, 3, 8 |
684    +----------------------------+------------------------+-------------------+
685    |                            | lthread_sleep          | See note 9        |
686    +----------------------------+------------------------+-------------------+
687    |                            | lthread_sleep_clks     | See note 9        |
688    +----------------------------+------------------------+-------------------+
689
690
691 **Note 1**:
692
693 Neither lthread signal nor broadcast may be called concurrently by L-threads
694 running on different schedulers, although multiple L-threads running in the
695 same scheduler may freely perform signal or broadcast operations. L-threads
696 running on the same or different schedulers may always safely wait on a
697 condition variable.
698
699
700 **Note 2**:
701
702 Pthread attributes may be used to affinitize a pthread with a cpu-set. The
703 L-thread subsystem does not support a cpu-set. An L-thread may be affinitized
704 only with a single CPU at any time.
705
706
707 **Note 3**:
708
709 If an L-thread is intended to run on a different NUMA node than the node that
710 creates the thread then, when calling ``lthread_create()`` it is advantageous
711 to specify the destination core as a parameter of ``lthread_create()``. See
712 :ref:`memory_allocation_and_NUMA_awareness` for details.
713
714
715 **Note 4**:
716
717 An L-thread can only detach itself, and cannot detach other L-threads.
718
719
720 **Note 5**:
721
722 A wait operation on a pthread condition variable is always associated with and
723 protected by a mutex which must be owned by the thread at the time it invokes
724 ``pthread_wait()``. By contrast L-thread condition variables are thread safe
725 (for waiters) and do not use an associated mutex. Multiple L-threads (including
726 L-threads running on other schedulers) can safely wait on a L-thread condition
727 variable. As a consequence the performance of an L-thread condition variables
728 is typically an order of magnitude faster than its pthread counterpart.
729
730
731 **Note 6**:
732
733 Recursive locking is not supported with L-threads, attempts to take a lock
734 recursively will be detected and rejected.
735
736
737 **Note 7**:
738
739 ``lthread_yield()`` will save the current context, insert the current thread
740 to the back of the ready queue, and resume the next ready thread. Yielding
741 increases ready queue backlog, see :ref:`ready_queue_backlog` for more details
742 about the implications of this.
743
744
745 N.B. The context switch time as measured from immediately before the call to
746 ``lthread_yield()`` to the point at which the next ready thread is resumed,
747 can be an order of magnitude faster that the same measurement for
748 pthread_yield.
749
750
751 **Note 8**:
752
753 ``lthread_set_affinity()`` is similar to a yield apart from the fact that the
754 yielding thread is inserted into a peer ready queue of another scheduler.
755 The peer ready queue is actually a separate thread safe queue, which means that
756 threads appearing in the peer ready queue can jump any backlog in the local
757 ready queue on the destination scheduler.
758
759 The context switch time as measured from the time just before the call to
760 ``lthread_set_affinity()`` to just after the same thread is resumed on the new
761 scheduler can be orders of magnitude faster than the same measurement for
762 ``pthread_setaffinity_np()``.
763
764
765 **Note 9**:
766
767 Although there is no ``pthread_sleep()`` function, ``lthread_sleep()`` and
768 ``lthread_sleep_clks()`` can be used wherever ``sleep()``, ``usleep()`` or
769 ``nanosleep()`` might ordinarily be used. The L-thread sleep functions suspend
770 the current thread, start an ``rte_timer`` and resume the thread when the
771 timer matures. The ``rte_timer_manage()`` entry point is called on every pass
772 of the scheduler loop. This means that the worst case jitter on timer expiry
773 is determined by the longest period between context switches of any running
774 L-threads.
775
776 In a synthetic test with many threads sleeping and resuming then the measured
777 jitter is typically orders of magnitude lower than the same measurement made
778 for ``nanosleep()``.
779
780
781 **Note 10**:
782
783 Spin locks are not provided because they are problematical in a cooperative
784 environment, see :ref:`porting_locks_and_spinlocks` for a more detailed
785 discussion on how to avoid spin locks.
786
787
788 .. _Thread_local_storage_performance:
789
790 Thread local storage
791 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
792
793 Of the three L-thread local storage options the simplest and most efficient is
794 storing a single application data pointer in the L-thread struct.
795
796 The ``PER_LTHREAD`` macros involve a run time computation to obtain the address
797 of the variable being saved/retrieved and also require that the accesses are
798 de-referenced  via a pointer. This means that code that has used
799 ``RTE_PER_LCORE`` macros being ported to L-threads might need some slight
800 adjustment (see :ref:`porting_thread_local_storage` for hints about porting
801 code that makes use of thread local storage).
802
803 The get/set specific APIs are consistent with their pthread counterparts both
804 in use and in performance.
805
806
807 .. _memory_allocation_and_NUMA_awareness:
808
809 Memory allocation and NUMA awareness
810 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
811
812 All memory allocation is from DPDK huge pages, and is NUMA aware. Each
813 scheduler maintains its own caches of objects: lthreads, their stacks, TLS,
814 mutexes and condition variables. These caches are implemented as unbounded lock
815 free MPSC queues. When objects are created they are always allocated from the
816 caches on the local core (current EAL thread).
817
818 If an L-thread has been affinitized to a different scheduler, then it can
819 always safely free resources to the caches from which they originated (because
820 the caches are MPSC queues).
821
822 If the L-thread has been affinitized to a different NUMA node then the memory
823 resources associated with it may incur longer access latency.
824
825 The commonly used pattern of setting affinity on entry to a thread after it has
826 started, means that memory allocation for both the stack and TLS will have been
827 made from caches on the NUMA node on which the threads creator is running.
828 This has the side effect that access latency will be sub-optimal after
829 affinitizing.
830
831 This side effect can be mitigated to some extent (although not completely) by
832 specifying the destination CPU as a parameter of ``lthread_create()`` this
833 causes the L-thread's stack and TLS to be allocated when it is first scheduled
834 on the destination scheduler, if the destination is a on another NUMA node it
835 results in a more optimal memory allocation.
836
837 Note that the lthread struct itself remains allocated from memory on the
838 creating node, this is unavoidable because an L-thread is known everywhere by
839 the address of this struct.
840
841
842 .. _object_cache_sizing:
843
844 Object cache sizing
845 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
846
847 The per lcore object caches pre-allocate objects in bulk whenever a request to
848 allocate an object finds a cache empty. By default 100 objects are
849 pre-allocated, this is defined by ``LTHREAD_PREALLOC`` in the public API
850 header file lthread_api.h. This means that the caches constantly grow to meet
851 system demand.
852
853 In the present implementation there is no mechanism to reduce the cache sizes
854 if system demand reduces. Thus the caches will remain at their maximum extent
855 indefinitely.
856
857 A consequence of the bulk pre-allocation of objects is that every 100 (default
858 value) additional new object create operations results in a call to
859 ``rte_malloc()``. For creation of objects such as L-threads, which trigger the
860 allocation of even more objects (i.e. their stacks and TLS) then this can
861 cause outliers in scheduling performance.
862
863 If this is a problem the simplest mitigation strategy is to dimension the
864 system, by setting the bulk object pre-allocation size to some large number
865 that you do not expect to be exceeded. This means the caches will be populated
866 once only, the very first time a thread is created.
867
868
869 .. _Ready_queue_backlog:
870
871 Ready queue backlog
872 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
873
874 One of the more subtle performance considerations is managing the ready queue
875 backlog. The fewer threads that are waiting in the ready queue then the faster
876 any particular thread will get serviced.
877
878 In a naive L-thread application with N L-threads simply looping and yielding,
879 this backlog will always be equal to the number of L-threads, thus the cost of
880 a yield to a particular L-thread will be N times the context switch time.
881
882 This side effect can be mitigated by arranging for threads to be suspended and
883 wait to be resumed, rather than polling for work by constantly yielding.
884 Blocking on a mutex or condition variable or even more obviously having a
885 thread sleep if it has a low frequency workload are all mechanisms by which a
886 thread can be excluded from the ready queue until it really does need to be
887 run. This can have a significant positive impact on performance.
888
889
890 .. _Initialization_and_shutdown_dependencies:
891
892 Initialization, shutdown and dependencies
893 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
894
895 The L-thread subsystem depends on DPDK for huge page allocation and depends on
896 the ``rte_timer subsystem``. The DPDK EAL initialization and
897 ``rte_timer_subsystem_init()`` **MUST** be completed before the L-thread sub
898 system can be used.
899
900 Thereafter initialization of the L-thread subsystem is largely transparent to
901 the application. Constructor functions ensure that global variables are properly
902 initialized. Other than global variables each scheduler is initialized
903 independently the first time that an L-thread is created by a particular EAL
904 thread.
905
906 If the schedulers are to be run as isolated and independent schedulers, with
907 no intention that L-threads running on different schedulers will migrate between
908 schedulers or synchronize with L-threads running on other schedulers, then
909 initialization consists simply of creating an L-thread, and then running the
910 L-thread scheduler.
911
912 If there will be interaction between L-threads running on different schedulers,
913 then it is important that the starting of schedulers on different EAL threads
914 is synchronized.
915
916 To achieve this an additional initialization step is necessary, this is simply
917 to set the number of schedulers by calling the API function
918 ``lthread_num_schedulers_set(n)``, where ``n`` is the number of EAL threads
919 that will run L-thread schedulers. Setting the number of schedulers to a
920 number greater than 0 will cause all schedulers to wait until the others have
921 started before beginning to schedule L-threads.
922
923 The L-thread scheduler is started by calling the function ``lthread_run()``
924 and should be called from the EAL thread and thus become the main loop of the
925 EAL thread.
926
927 The function ``lthread_run()``, will not return until all threads running on
928 the scheduler have exited, and the scheduler has been explicitly stopped by
929 calling ``lthread_scheduler_shutdown(lcore)`` or
930 ``lthread_scheduler_shutdown_all()``.
931
932 All these function do is tell the scheduler that it can exit when there are no
933 longer any running L-threads, neither function forces any running L-thread to
934 terminate. Any desired application shutdown behavior must be designed and
935 built into the application to ensure that L-threads complete in a timely
936 manner.
937
938 **Important Note:** It is assumed when the scheduler exits that the application
939 is terminating for good, the scheduler does not free resources before exiting
940 and running the scheduler a subsequent time will result in undefined behavior.
941
942
943 .. _porting_legacy_code_to_run_on_lthreads:
944
945 Porting legacy code to run on L-threads
946 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
947
948 Legacy code originally written for a pthread environment may be ported to
949 L-threads if the considerations about differences in scheduling policy, and
950 constraints discussed in the previous sections can be accommodated.
951
952 This section looks in more detail at some of the issues that may have to be
953 resolved when porting code.
954
955
956 .. _pthread_API_compatibility:
957
958 pthread API compatibility
959 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
960
961 The first step is to establish exactly which pthread APIs the legacy
962 application uses, and to understand the requirements of those APIs. If there
963 are corresponding L-lthread APIs, and where the default pthread functionality
964 is used by the application then, notwithstanding the other issues discussed
965 here, it should be feasible to run the application with L-threads. If the
966 legacy code modifies the default behavior using attributes then if may be
967 necessary to make some adjustments to eliminate those requirements.
968
969
970 .. _blocking_system_calls:
971
972 Blocking system API calls
973 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
974
975 It is important to understand what other system services the application may be
976 using, bearing in mind that in a cooperatively scheduled environment a thread
977 cannot block without stalling the scheduler and with it all other cooperative
978 threads. Any kind of blocking system call, for example file or socket IO, is a
979 potential problem, a good tool to analyze the application for this purpose is
980 the ``strace`` utility.
981
982 There are many strategies to resolve these kind of issues, each with it
983 merits. Possible solutions include:
984
985 * Adopting a polled mode of the system API concerned (if available).
986
987 * Arranging for another core to perform the function and synchronizing with
988   that core via constructs that will not block the L-thread.
989
990 * Affinitizing the thread to another scheduler devoted (as a matter of policy)
991   to handling threads wishing to make blocking calls, and then back again when
992   finished.
993
994
995 .. _porting_locks_and_spinlocks:
996
997 Locks and spinlocks
998 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
999
1000 Locks and spinlocks are another source of blocking behavior that for the same
1001 reasons as system calls will need to be addressed.
1002
1003 If the application design ensures that the contending L-threads will always
1004 run on the same scheduler then it its probably safe to remove locks and spin
1005 locks completely.
1006
1007 The only exception to the above rule is if for some reason the
1008 code performs any kind of context switch whilst holding the lock
1009 (e.g. yield, sleep, or block on a different lock, or on a condition variable).
1010 This will need to determined before deciding to eliminate a lock.
1011
1012 If a lock cannot be eliminated then an L-thread mutex can be substituted for
1013 either kind of lock.
1014
1015 An L-thread blocking on an L-thread mutex will be suspended and will cause
1016 another ready L-thread to be resumed, thus not blocking the scheduler. When
1017 default behavior is required, it can be used as a direct replacement for a
1018 pthread mutex lock.
1019
1020 Spin locks are typically used when lock contention is likely to be rare and
1021 where the period during which the lock may be held is relatively short.
1022 When the contending L-threads are running on the same scheduler then an
1023 L-thread blocking on a spin lock will enter an infinite loop stopping the
1024 scheduler completely (see :ref:`porting_infinite_loops` below).
1025
1026 If the application design ensures that contending L-threads will always run
1027 on different schedulers then it might be reasonable to leave a short spin lock
1028 that rarely experiences contention in place.
1029
1030 If after all considerations it appears that a spin lock can neither be
1031 eliminated completely, replaced with an L-thread mutex, or left in place as
1032 is, then an alternative is to loop on a flag, with a call to
1033 ``lthread_yield()`` inside the loop (n.b. if the contending L-threads might
1034 ever run on different schedulers the flag will need to be manipulated
1035 atomically).
1036
1037 Spinning and yielding is the least preferred solution since it introduces
1038 ready queue backlog (see also :ref:`ready_queue_backlog`).
1039
1040
1041 .. _porting_sleeps_and_delays:
1042
1043 Sleeps and delays
1044 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1045
1046 Yet another kind of blocking behavior (albeit momentary) are delay functions
1047 like ``sleep()``, ``usleep()``, ``nanosleep()`` etc. All will have the
1048 consequence of stalling the L-thread scheduler and unless the delay is very
1049 short (e.g. a very short nanosleep) calls to these functions will need to be
1050 eliminated.
1051
1052 The simplest mitigation strategy is to use the L-thread sleep API functions,
1053 of which two variants exist, ``lthread_sleep()`` and ``lthread_sleep_clks()``.
1054 These functions start an rte_timer against the L-thread, suspend the L-thread
1055 and cause another ready L-thread to be resumed. The suspended L-thread is
1056 resumed when the rte_timer matures.
1057
1058
1059 .. _porting_infinite_loops:
1060
1061 Infinite loops
1062 ^^^^^^^^^^^^^^
1063
1064 Some applications have threads with loops that contain no inherent
1065 rescheduling opportunity, and rely solely on the OS time slicing to share
1066 the CPU. In a cooperative environment this will stop everything dead. These
1067 kind of loops are not hard to identify, in a debug session you will find the
1068 debugger is always stopping in the same loop.
1069
1070 The simplest solution to this kind of problem is to insert an explicit
1071 ``lthread_yield()`` or ``lthread_sleep()`` into the loop. Another solution
1072 might be to include the function performed by the loop into the execution path
1073 of some other loop that does in fact yield, if this is possible.
1074
1075
1076 .. _porting_thread_local_storage:
1077
1078 Thread local storage
1079 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1080
1081 If the application uses thread local storage, the use case should be
1082 studied carefully.
1083
1084 In a legacy pthread application either or both the ``__thread`` prefix, or the
1085 pthread set/get specific APIs may have been used to define storage local to a
1086 pthread.
1087
1088 In some applications it may be a reasonable assumption that the data could
1089 or in fact most likely should be placed in L-thread local storage.
1090
1091 If the application (like many DPDK applications) has assumed a certain
1092 relationship between a pthread and the CPU to which it is affinitized, there
1093 is a risk that thread local storage may have been used to save some data items
1094 that are correctly logically associated with the CPU, and others items which
1095 relate to application context for the thread. Only a good understanding of the
1096 application will reveal such cases.
1097
1098 If the application requires an that an L-thread is to be able to move between
1099 schedulers then care should be taken to separate these kinds of data, into per
1100 lcore, and per L-thread storage. In this way a migrating thread will bring with
1101 it the local data it needs, and pick up the new logical core specific values
1102 from pthread local storage at its new home.
1103
1104
1105 .. _pthread_shim:
1106
1107 Pthread shim
1108 ~~~~~~~~~~~~
1109
1110 A convenient way to get something working with legacy code can be to use a
1111 shim that adapts pthread API calls to the corresponding L-thread ones.
1112 This approach will not mitigate any of the porting considerations mentioned
1113 in the previous sections, but it will reduce the amount of code churn that
1114 would otherwise been involved. It is a reasonable approach to evaluate
1115 L-threads, before investing effort in porting to the native L-thread APIs.
1116
1117
1118 Overview
1119 ^^^^^^^^
1120 The L-thread subsystem includes an example pthread shim. This is a partial
1121 implementation but does contain the API stubs needed to get basic applications
1122 running. There is a simple "hello world" application that demonstrates the
1123 use of the pthread shim.
1124
1125 A subtlety of working with a shim is that the application will still need
1126 to make use of the genuine pthread library functions, at the very least in
1127 order to create the EAL threads in which the L-thread schedulers will run.
1128 This is the case with DPDK initialization, and exit.
1129
1130 To deal with the initialization and shutdown scenarios, the shim is capable of
1131 switching on or off its adaptor functionality, an application can control this
1132 behavior by the calling the function ``pt_override_set()``. The default state
1133 is disabled.
1134
1135 The pthread shim uses the dynamic linker loader and saves the loaded addresses
1136 of the genuine pthread API functions in an internal table, when the shim
1137 functionality is enabled it performs the adaptor function, when disabled it
1138 invokes the genuine pthread function.
1139
1140 The function ``pthread_exit()`` has additional special handling. The standard
1141 system header file pthread.h declares ``pthread_exit()`` with
1142 ``__attribute__((noreturn))`` this is an optimization that is possible because
1143 the pthread is terminating and this enables the compiler to omit the normal
1144 handling of stack and protection of registers since the function is not
1145 expected to return, and in fact the thread is being destroyed. These
1146 optimizations are applied in both the callee and the caller of the
1147 ``pthread_exit()`` function.
1148
1149 In our cooperative scheduling environment this behavior is inadmissible. The
1150 pthread is the L-thread scheduler thread, and, although an L-thread is
1151 terminating, there must be a return to the scheduler in order that the system
1152 can continue to run. Further, returning from a function with attribute
1153 ``noreturn`` is invalid and may result in undefined behavior.
1154
1155 The solution is to redefine the ``pthread_exit`` function with a macro,
1156 causing it to be mapped to a stub function in the shim that does not have the
1157 ``noreturn`` attribute. This macro is defined in the file
1158 ``pthread_shim.h``. The stub function is otherwise no different than any of
1159 the other stub functions in the shim, and will switch between the real
1160 ``pthread_exit()`` function or the ``lthread_exit()`` function as
1161 required. The only difference is that the mapping to the stub by macro
1162 substitution.
1163
1164 A consequence of this is that the file ``pthread_shim.h`` must be included in
1165 legacy code wishing to make use of the shim. It also means that dynamic
1166 linkage of a pre-compiled binary that did not include pthread_shim.h is not be
1167 supported.
1168
1169 Given the requirements for porting legacy code outlined in
1170 :ref:`porting_legacy_code_to_run_on_lthreads` most applications will require at
1171 least some minimal adjustment and recompilation to run on L-threads so
1172 pre-compiled binaries are unlikely to be met in practice.
1173
1174 In summary the shim approach adds some overhead but can be a useful tool to help
1175 establish the feasibility of a code reuse project. It is also a fairly
1176 straightforward task to extend the shim if necessary.
1177
1178 **Note:** Bearing in mind the preceding discussions about the impact of making
1179 blocking calls then switching the shim in and out on the fly to invoke any
1180 pthread API this might block is something that should typically be avoided.
1181
1182
1183 Building and running the pthread shim
1184 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1185
1186 The shim example application is located in the sample application
1187 in the performance-thread folder
1188
1189 To build and run the pthread shim example
1190
1191 #. Go to the example applications folder
1192
1193    .. code-block:: console
1194
1195        export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
1196        cd ${RTE_SDK}/examples/performance-thread/pthread_shim
1197
1198
1199 #. Set the target (a default target is used if not specified). For example:
1200
1201    .. code-block:: console
1202
1203        export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
1204
1205    See the DPDK Getting Started Guide for possible RTE_TARGET values.
1206
1207 #. Build the application:
1208
1209    .. code-block:: console
1210
1211        make
1212
1213 #. To run the pthread_shim example
1214
1215    .. code-block:: console
1216
1217        lthread-pthread-shim -c core_mask -n number_of_channels
1218
1219 .. _lthread_diagnostics:
1220
1221 L-thread Diagnostics
1222 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1223
1224 When debugging you must take account of the fact that the L-threads are run in
1225 a single pthread. The current scheduler is defined by
1226 ``RTE_PER_LCORE(this_sched)``, and the current lthread is stored at
1227 ``RTE_PER_LCORE(this_sched)->current_lthread``. Thus on a breakpoint in a GDB
1228 session the current lthread can be obtained by displaying the pthread local
1229 variable ``per_lcore_this_sched->current_lthread``.
1230
1231 Another useful diagnostic feature is the possibility to trace significant
1232 events in the life of an L-thread, this feature is enabled by changing the
1233 value of LTHREAD_DIAG from 0 to 1 in the file ``lthread_diag_api.h``.
1234
1235 Tracing of events can be individually masked, and the mask may be programmed
1236 at run time. An unmasked event results in a callback that provides information
1237 about the event. The default callback simply prints trace information. The
1238 default mask is 0 (all events off) the mask can be modified by calling the
1239 function ``lthread_diagniostic_set_mask()``.
1240
1241 It is possible register a user callback function to implement more
1242 sophisticated diagnostic functions.
1243 Object creation events (lthread, mutex, and condition variable) accept, and
1244 store in the created object, a user supplied reference value returned by the
1245 callback function.
1246
1247 The lthread reference value is passed back in all subsequent event callbacks,
1248 the mutex and APIs are provided to retrieve the reference value from
1249 mutexes and condition variables. This enables a user to monitor, count, or
1250 filter for specific events, on specific objects, for example to monitor for a
1251 specific thread signaling a specific condition variable, or to monitor
1252 on all timer events, the possibilities and combinations are endless.
1253
1254 The callback function can be set by calling the function
1255 ``lthread_diagnostic_enable()`` supplying a callback function pointer and an
1256 event mask.
1257
1258 Setting ``LTHREAD_DIAG`` also enables counting of statistics about cache and
1259 queue usage, and these statistics can be displayed by calling the function
1260 ``lthread_diag_stats_display()``. This function also performs a consistency
1261 check on the caches and queues. The function should only be called from the
1262 master EAL thread after all slave threads have stopped and returned to the C
1263 main program, otherwise the consistency check will fail.