922725638781f212ced8fdcc95b13da019f6fb32
[vpp.git] / src / vppinfra / flowhash_template.h
1 /*
2  * Copyright (c) 2012 Cisco and/or its affiliates.
3  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
4  * you may not use this file except in compliance with the License.
5  * You may obtain a copy of the License at:
6  *
7  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
8  *
9  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
10  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
11  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
12  * See the License for the specific language governing permissions and
13  * limitations under the License.
14  */
15
16 /*
17  * Author: Pierre Pfister <ppfister@cisco.com>
18  *
19  * DISCLAIMER !
20  *
21  *       This most likely is not the hash table you are looking for !!
22  *
23  *       This structure targets a very specific and quite narrow set of use-cases 
24  *         that are not covered by other hash tables.
25  *
26  *       Read the following text carefully, or ask the author or one of VPP's
27  *         committers to make sure this is what you are looking for.
28  *
29  *
30  *  -- Abstract:
31  * This hash table intends to provide a very fast lookup and insertion of
32  * key-value pairs for flow tables (although it might be used for other
33  * purposes), with additional support for lazy-timeouts.
34  * In particular, it was designed to minimize blocking reads, register usage and
35  * cache-lines accesses during a typical lookup.
36  * This hash table therefore provides stateful packet processing
37  * without performance degradation even when every single lookup has to fetch
38  * memory from RAM.
39  * This hash table is not thread-safe and requires executing a garbage
40  * collection function to clean-up chained buckets.
41  *
42  *  -- Overview:
43  *
44  * One first aspect of this hash table is that it is self-contained in a single
45  * bulk of memory. Each entry contains a key, a value, and a 32 bits timeout
46  * value; occupies a full and single cache line; and is identified by a unique
47  * 32 bits index. The entry index zero is reserved and used when an entry
48  * could not be found nor inserted. Which means it is not necessary to
49  * immediately check whether an insertion or lookup was successful before
50  * behaving accordingly. One can just keep doing business as usual and
51  * check for the error later.
52  *
53  * Each entry is associated with a timeout value (which unit or clock is up to
54  * the user of the hash table). An entry which timeout is strictly smaller
55  * than the current time is considered empty, whereas an entry which timeout is
56  * greater or equal to the current time contains a valid key-value pair.
57  *
58  * Hash table lookup and insertion are equivalent:
59  *  - An entry index is always returned (possibly index 0 if no entry could be
60  *   found nor created).
61  *  - The returned entry always has its key set to the provided key.
62  *  - Timeout value will be greater than the provided current time whenever a
63  *    valid entry was found, strictly smaller otherwise. In particular, one can
64  *    not differentiate between an entry which was just created, and an entry
65  *    which already existed in the past but got timeouted in between.
66  *
67  * As mentioned earlier, entry index zero is used as an invalid entry which may
68  * be manipulated as a normal one. Entries which index go from 1 to
69  * N (where N is a power of 2) are used as direct buckets, each containing a
70  * single entry. In the absence of hash collision, a single entry which location
71  * can deterministically be determined from the key-hash and the hash table
72  * header is accessed (One single cache line, without indirection). This
73  * allows for efficient pre-fetching of the key-value for more than 95% of
74  * accesses.
75  *
76  * In order to handle hash collisions (i.e. when multiple keys
77  * end-up in the same bucket), entries which index are greater than N are
78  * grouped into M groups of 16 collision entries. Such groups are linked
79  * with regular entries whenever a collision needs to be handled.
80  * When looking up a key with a bucket where a collision occurred, unused bits
81  * from the key hash are used to select two entries (from the collision bucket)
82  * where the new entry might be inserted.
83  *
84  * Once an entry is inserted, it will never be moved as long as the entry
85  * timeout value remains greater or equal to the provided current time value.
86  * The entry index can therefore be stored in other data structure as a way
87  * to bypass the hash lookup. But when doing so, one should check if the
88  * present key is the actual looked-up key.
89  *
90  *  -- Garbage Collection:
91  *
92  *  Since there is no explicit element removal, a garbage collector mechanism
93  *  is required in order to remove buckets used for hash collisions. This
94  *  is done by calling the flowhash_gc function on a regular basis. Each call
95  *  to this function examines a single fixed entry. It shall therefore be called
96  *  as many times as there are fixed entries in the hash table in order to
97  *  ensure a full inspection.
98  *
99  *  -- Time and timeout mechanism:
100  *
101  *  The hash table makes use of a time value between in [1, 2^32 - 1].
102  *  The provided time value shall keep increasing, and looping is not handled.
103  *  When seconds are used, the system should run for 136 years without any issue.
104  *  If milliseconds are used, a shift should be operated on all timeout values
105  *  on a regular basis (more than every 49 days).
106  */
107
108 #ifndef __included_flowhash_template_h__
109 #define __included_flowhash_template_h__
110
111 #include <vppinfra/clib.h>
112 #include <vppinfra/mem.h>
113 #include <vppinfra/cache.h>
114
115 #ifndef FLOWHASH_TYPE
116 #error FLOWHASH_TYPE not defined
117 #endif
118
119 #define _fv(a,b) a##b
120 #define __fv(a,b) _fv(a,b)
121 #define FV(a) __fv(a,FLOWHASH_TYPE)
122
123 #define _fvt(a,b) a##b##_t
124 #define __fvt(a,b) _fvt(a,b)
125 #define FVT(a) __fvt(a,FLOWHASH_TYPE)
126
127 /* Same for all flowhash variants */
128 #ifndef __included_flowhash_common__
129
130 #define FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX 0
131
132 #define FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS_LOG 4
133 #define FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS (1 << FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS_LOG)
134
135 #endif /* ifndef __included_flowhash_common__ */
136
137  /**
138   * @brief Compare a stored key with a lookup key.
139   *
140   * This function must be defined to use this template. It must return 0
141   * when the two keys are identical, and a different value otherwise.
142   */
143 static_always_inline
144 u8 FV(flowhash_cmp_key)(FVT(flowhash_skey) *a, FVT(flowhash_lkey) *b);
145
146  /**
147   * @brief Hash a lookup key into a 32 bit integer.
148   *
149   * This function must be defined to use this template.
150   * It must provides close to 32 bits of entropy distributed amongst
151   * all 32 bits of the provided value.
152   * Keys that are equal must have the same hash.
153   */
154  static_always_inline
155  u32 FV(flowhash_hash)(FVT(flowhash_lkey) *k);
156
157 /**
158  * @brief Copy a lookup key into a destination stored key.
159  *
160  * This function must be defined to use this template. It must modify the dst
161  * key such that a later call to flowhash_cmp_key with the same arguments
162  * would return 0.
163  */
164 static_always_inline
165 void FV(flowhash_cpy_key)(FVT(flowhash_skey) *dst, FVT(flowhash_lkey) *src);
166
167 /**
168  * @brief One flow hash entry used for both direct buckets and collision
169  *        buckets.
170  */
171 typedef struct {
172   /* Each entry is cache-line aligned. */
173   CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (cacheline0);
174
175   /* Key is first to take advantage of alignment. */
176   FVT(flowhash_skey) key;
177
178   /* Entry value. */
179   FVT(flowhash_value) value;
180
181   /* Timeout value */
182   u32 timeout;
183
184   /* Entry index to the chained bucket. */
185   u32 chained_entry_index;
186 } FVT(flowhash_entry);
187
188 typedef struct FVT(__flowhash_struct) {
189   /* Cache aligned to simplify allocation. */
190   CLIB_CACHE_LINE_ALIGN_MARK (cacheline0);
191
192   /* Array going downward containing free bucket indices */
193   u32 free_buckets_indices[0];
194
195   /* Negative index of the first free bucket */
196   i32 free_buckets_position;
197
198   /* Number of fixed buckets minus one */
199   u32 fixed_entries_mask;
200
201   /* Allocated pointer for this hash table */
202   void *mem;
203
204   u32 collision_buckets_mask;
205   u32 total_entries;
206
207   u64 not_enough_buckets_counter;
208   u64 collision_lookup_counter;
209   u64 garbage_collection_counter;
210
211   u32 gc_counter;
212
213   /* Entry array containing:
214    * - 1 Dummy entry for error return
215    * - (buckets_mask + 1) Fixed buckets
216    * - chained_buckets Chained Buckets
217    */
218   FVT(flowhash_entry) entries[0];
219 } FVT(flowhash);
220
221 /* Same for all flowhash variants */
222 #ifndef __included_flowhash_common__
223 #define __included_flowhash_common__
224
225 /**
226  * @brief Test whether a returned entry index corresponds to an overflow event.
227  */
228 #define flowhash_is_overflow(ei) \
229     ((ei) == FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX)
230
231 /**
232  * @brief Iterate over all entries in the hash table.
233  *
234  * Iterate over all entries in the hash table, not including the first invalid
235  * entry (at index 0), but including all chained hash collision buckets.
236  *
237  */
238 #define flowhash_foreach_entry(h, ei) \
239       for (ei = 1; \
240            ei < (h)->total_entries; \
241            ei++)
242
243 /**
244  * @brief Iterate over all currently valid entries.
245  *
246  * Iterate over all entries in the hash table which timeout value is greater
247  * or equal to the current time.
248  */
249 #define flowhash_foreach_valid_entry(h, ei, now) \
250     flowhash_foreach_entry(h, ei) \
251       if (((now) <= (h)->entries[ei].timeout))
252
253 /**
254  * @brief Timeout variable from a given entry.
255  */
256 #define flowhash_timeout(h, ei) (h)->entries[ei].timeout
257
258 /**
259  * @brief Indicates whether the entry is being used.
260  */
261 #define flowhash_is_timeouted(h, ei, time_now) \
262     ((time_now) > flowhash_timeout(h, ei))
263
264 /**
265  * @brief Get the key from the entry index, casted to the provided type.
266  */
267 #define flowhash_key(h, ei) (&(h)->entries[ei].key)
268
269 /**
270  * @brief Get the value from the entry index, casted to the provided type.
271  */
272 #define flowhash_value(h, ei) (&(h)->entries[ei].value)
273
274 /**
275  * @brief Get the number of octets allocated to this structure.
276  */
277 #define flowhash_memory_size(h) clib_mem_size((h)->mem)
278
279 /**
280  * @brief Test whether the entry index is in hash table boundaries.
281  */
282 #define flowhash_is_valid_entry_index(h, ei) (ei < (h)->total_entries)
283
284 /**
285  * @brief Adjust, if necessary, provided parameters such as being valid flowhash
286  *        sizes.
287  */
288 static
289 void flowhash_validate_sizes(u32 *fixed_entries, u32 *collision_buckets)
290 {
291   /* Find power of two greater or equal to the provided value */
292   if (*fixed_entries < FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS)
293     *fixed_entries = FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
294   if (*fixed_entries > (1 << (32 - FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS_LOG)))
295     *fixed_entries = (1 << (32 - FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS_LOG));
296
297   *fixed_entries -= 1;
298   *fixed_entries |= *fixed_entries >> 16;
299   *fixed_entries |= *fixed_entries >> 8;
300   *fixed_entries |= *fixed_entries >> 4;
301   *fixed_entries |= *fixed_entries >> 2;
302   *fixed_entries |= *fixed_entries >> 1;
303   *fixed_entries += 1;
304
305   if (*collision_buckets != 0)
306     {
307       if (*collision_buckets < CLIB_CACHE_LINE_BYTES/sizeof(u32))
308         *collision_buckets = CLIB_CACHE_LINE_BYTES/sizeof(u32);
309
310       *collision_buckets -= 1;
311       *collision_buckets |= *collision_buckets >> 16;
312       *collision_buckets |= *collision_buckets >> 8;
313       *collision_buckets |= *collision_buckets >> 4;
314       *collision_buckets |= *collision_buckets >> 2;
315       *collision_buckets |= *collision_buckets >> 1;
316       *collision_buckets += 1;
317     }
318 }
319
320 /**
321  * @brief Prefetch the the hash entry bucket.
322  *
323  * This should be performed approximately 200-300 cycles before lookup
324  * if the table is located in RAM. Or 30-40 cycles before lookup
325  * in case the table is located in L3.
326  */
327 #define flowhash_prefetch(h, hash) \
328     CLIB_PREFETCH (&(h)->entries[((hash) & (h)->fixed_entries_mask) + 1], \
329                    sizeof((h)->entries[0]), LOAD)
330
331 #endif /* ifndef __included_flowhash_common__ */
332
333 /**
334  * @brief Allocate a flowhash structure.
335  *
336  * @param[in] fixed_entries The number of fixed entries in the hash table.
337  * @param[in] chained_buckets The number of chained buckets.
338  *
339  * fixed_entries and chained_buckets parameters may not be used as is but
340  * modified in order to fit requirements.
341  *
342  * Since the flowhash does not support dynamic resizing, it is fairly
343  * important to choose the parameters carefully. In particular the performance
344  * gain from using this structure comes from an efficient lookup in the
345  * absence of hash collision.
346  * As a rule of thumbs, if the number of active entries (flows) is M,
347  * there should be about 16*M fixed entries, and M/16 collision buckets.
348  * Which represents 17*M allocated entries.
349  *
350  * For example:
351  * M = 2^20 total_size ~= 1GiB    collision ~= 3%
352  * M = 2^18 total_size ~= 250MiB  collision ~= 3%
353  * M = 2^10 total_size ~= 1MiB    collision ~= 6%
354  *
355  */
356 static_always_inline
357 FVT(flowhash) *FV(flowhash_alloc)(u32 fixed_entries, u32 collision_buckets)
358 {
359   FVT(flowhash) *h;
360   uword size;
361   void *mem;
362   u32 entries;
363
364   flowhash_validate_sizes(&fixed_entries, &collision_buckets);
365
366   entries = 1 + fixed_entries +
367       collision_buckets * FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
368   size = sizeof(*h) + sizeof(h->entries[0]) * entries +
369       sizeof(h->free_buckets_indices[0]) * collision_buckets;
370
371   mem = clib_mem_alloc_aligned(size, CLIB_CACHE_LINE_BYTES);
372   h = mem + collision_buckets * sizeof(h->free_buckets_indices[0]);
373   h->mem = mem;
374
375   /* Fill free elements list */
376   int i;
377   memset(h->entries, 0, sizeof(h->entries[0]) * entries);
378   for (i = 1; i <= collision_buckets; i++)
379     {
380       h->free_buckets_indices[-i] =
381           entries - i * FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
382     }
383
384   /* Init buckets */
385   for (i=0; i < entries; i++)
386     {
387       h->entries[i].chained_entry_index = FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX;
388       h->entries[i].timeout = 0;
389     }
390
391   h->free_buckets_position = -collision_buckets;
392   h->fixed_entries_mask = fixed_entries - 1;
393   h->collision_buckets_mask = collision_buckets - 1;
394   h->total_entries = entries;
395   h->not_enough_buckets_counter = 0;
396   h->collision_lookup_counter = 0;
397   h->garbage_collection_counter = 0;
398   h->gc_counter = 0;
399
400   return h;
401 }
402
403 /**
404  * @brief Free the flow hash memory.
405  */
406 static_always_inline
407 void FV(flowhash_free)(FVT(flowhash) *h)
408 {
409   clib_mem_free(h->mem);
410 }
411
412 static void
413 FV(__flowhash_get_chained) (FVT(flowhash) *h, FVT(flowhash_lkey) *k,
414                             u32 hash, u32 time_now, u32 *ei);
415
416 /**
417  * @brief Retrieves an entry index corresponding to a provided key and its hash.
418  *
419  * @param h            The hash table pointer.
420  * @param k[in]        A pointer to the key value.
421  * @param hash[in]     The hash of the key.
422  * @param time_now[in] The current time.
423  * @param ei[out]      A pointer set to the found entry index.
424  *
425  * This function always sets ei value to a valid entry index which can then be
426  * used to access the stored value as well as get or set its associated timeout.
427  * The key stored in the returned entry is always set to the provided key.
428  *
429  * In case the provided key is not found, and no entry could be created
430  * (either because there is no hash collision bucket available or
431  * the candidate entries in the collision bucket were already used), ei is
432  * set to the special value FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX (which can be tested
433  * with the flowhash_is_overflow macro).
434  *
435  * The timeout value is never modified during a lookup.
436  * - Use the flowhash_is_timeouted macro to test whether the returned entry
437  *   was already valid, or is proposed for insertion.
438  * - Use the flowhash_timeout macro to get and set the entry timeout value.
439  *
440  */
441 static_always_inline
442 void FV(flowhash_get) (FVT(flowhash) *h, FVT(flowhash_lkey) *k,
443                        u32 hash, u32 time_now, u32 *ei)
444 {
445   *ei = (hash & h->fixed_entries_mask) + 1;
446
447   if (PREDICT_FALSE(FV(flowhash_cmp_key)(&h->entries[*ei].key, k) != 0))
448     {
449       if (PREDICT_TRUE(time_now > h->entries[*ei].timeout &&
450                        (h->entries[*ei].chained_entry_index ==
451                            FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX)))
452         {
453           FV(flowhash_cpy_key)(&h->entries[*ei].key, k);
454         }
455       else
456         {
457           FV(__flowhash_get_chained)(h, k, hash, time_now, ei);
458         }
459     }
460 }
461
462 static_always_inline void
463 FV(__flowhash_get_chained) (FVT(flowhash) *h, FVT(flowhash_lkey) *k,
464                             u32 hash, u32 time_now, u32 *ei)
465 {
466   h->collision_lookup_counter++;
467
468   if (h->entries[*ei].chained_entry_index == FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX)
469     {
470       /* No chained entry yet. Let's chain one. */
471       if (h->free_buckets_position == 0)
472         {
473           /* Oops. No more buckets available. */
474           h->not_enough_buckets_counter++;
475           *ei = FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX;
476           h->entries[FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX].timeout =
477               time_now - 1;
478           FV(flowhash_cpy_key)(
479               &h->entries[FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX].key, k);
480           return;
481         }
482
483       /* Forward link */
484       h->entries[*ei].chained_entry_index =
485           h->free_buckets_indices[h->free_buckets_position];
486
487       /* Backward link (for garbage collection) */
488       h->entries[h->free_buckets_indices[h->free_buckets_position]].
489               chained_entry_index = *ei;
490
491       /* Move pointer */
492       h->free_buckets_position++;
493     }
494
495   /* Get the two indexes where to look at. */
496   u32 bi0 = h->entries[*ei].chained_entry_index +
497       (hash >> (32 - FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS_LOG));
498   u32 bi1 = bi0 + 1;
499   bi1 = (bi0 & (FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS - 1)) ? bi1 :
500       bi1 - FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
501
502   /* It is possible that we wait while comparing bi0 key.
503    * It's better to prefetch bi1 so we don't wait twice. */
504   CLIB_PREFETCH(&h->entries[bi1], sizeof (h->entries[0]), READ);
505
506   if (FV(flowhash_cmp_key)(&h->entries[bi0].key, k) == 0)
507     {
508       *ei = bi0;
509       return;
510     }
511
512   if (FV(flowhash_cmp_key)(&h->entries[bi1].key, k) == 0)
513     {
514       *ei = bi1;
515       return;
516     }
517
518   if (h->entries[*ei].timeout >= time_now)
519     {
520       *ei = FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX;
521       *ei = (time_now > h->entries[bi0].timeout) ? bi0 : *ei;
522       *ei = (time_now > h->entries[bi1].timeout) ? bi1 : *ei;
523     }
524
525   FV(flowhash_cpy_key)(&h->entries[*ei].key, k);
526 }
527
528 static_always_inline void
529 FV(flowhash_gc)(FVT(flowhash) *h, u32 time_now,
530     u32 *freed_index, u32 *freed_len)
531 {
532   u32 ei;
533   if (freed_index)
534     *freed_len = 0;
535
536   if (PREDICT_FALSE(h->collision_buckets_mask == (((u32)0) - 1)))
537     return;
538
539   /* prefetch two rounds in advance */
540   ei = 2 + h->fixed_entries_mask +
541       ((h->gc_counter + 2) & h->collision_buckets_mask) *
542         FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
543   CLIB_PREFETCH(&h->entries[ei], sizeof (h->entries[0]), READ);
544
545   /* prefetch one round in advance */
546   ei = 2 + h->fixed_entries_mask +
547       ((h->gc_counter + 1) & h->collision_buckets_mask) *
548         FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
549   if (h->entries[ei].chained_entry_index != FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX)
550     {
551       CLIB_PREFETCH(&h->entries[ei], 4 * CLIB_CACHE_LINE_BYTES, READ);
552     }
553
554   /* do GC */
555   ei = 2 + h->fixed_entries_mask +
556       ((h->gc_counter) & h->collision_buckets_mask) *
557       FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
558   if (h->entries[ei].chained_entry_index != FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX)
559     {
560       u8 found = 0;
561       int i;
562       for (i=0; i<FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS; i++)
563         {
564           if (time_now <= h->entries[ei + i].timeout)
565             {
566               found = 1;
567               break;
568             }
569         }
570
571       if (!found)
572         {
573           /* Tell caller we freed this */
574           if (freed_index)
575             {
576               *freed_index = ei;
577               *freed_len = FLOWHASH_ENTRIES_PER_BUCKETS;
578             }
579           /* The bucket is not used. Let's free it. */
580           h->free_buckets_position--;
581           /* Reset forward link */
582           h->entries[h->entries[ei].chained_entry_index].chained_entry_index =
583               FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX;
584           /* Reset back link */
585           h->entries[ei].chained_entry_index = FLOWHASH_INVALID_ENTRY_INDEX;
586           /* Free element */
587           h->free_buckets_indices[h->free_buckets_position] = ei;
588           /* Count the garbage collection event */
589           h->garbage_collection_counter++;
590         }
591     }
592
593   h->gc_counter++;
594 }
595
596 static_always_inline
597 u32 FV(flowhash_elts)(FVT(flowhash) *h, u32 time_now)
598 {
599   u32 tot = 0;
600   u32 ei;
601
602   flowhash_foreach_valid_entry(h, ei, time_now)
603     tot++;
604
605   return tot;
606 }
607
608 #endif /* __included_flowhash_template_h__ */