dpdk中QSBR具体实现
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[TOC]
# dpdk-QSBR实现
dpdk19.01提供了qsbr模式的rcu库，其具体实现在`lib/librte_rcu`目录中。
`librte_rcu`是无锁线程安全的，这个库提供了读者报告静默状态的能力，让写者知道读者是否进入过静默状态。
# 初始化
初始化时，会用到一些通过的工具宏，定义在在`dpdk-master/lib/librte_eal/common/include/rte_common.h`中。如下：
```c
#define RTE_CACHE_LINE_SIZE 64
#define RTE_ALIGN_MUL_CEIL(v, mul) \
((v + 64 - 1)/64) * 64 // (64地板除 + 1)*64
#define RTE_ALIGN_FLOOR(val, 64) \
val & (~(64 - 1)) // 64的地板除
#define RTE_ALIGN_CEIL(val, 64) \
RTE_ALIGN_FLOOR(val + 64 - 1, 64) // 64的地板除 + 1
#define RTE_ALIGN(val, align) RTE_ALIGN_CEIL(val, align) // 64的地板除 + 1
```
在`dpdk-master\lib\librte_rcu\rte_rcu_qsbr.h`中，定义了初始化时用到的一些函数与宏。
```c
/* 工作线程计数器 */
struct rte_rcu_qsbr_cnt {
uint64_t cnt; // 静默态计数器，0表示下线。使用64bits，防止计数溢出
uint32_t lock_cnt; // counter锁， 用于CONFIG_RTE_LIBRTE_RCU_DEBUG
} __rte_cache_aligned;
#define __RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM_SIZE (sizeof(uint64_t) * 8) // 数组元素大小为64 B
#define __RTE_QSBR_THRID_ARRAY_SIZE(max_threads)\
RTE_ALIGN(RTE_ALIGN_MUL_CEIL(max_threads, 64) >> 3, RTE_CACHE_LINE_SIZE) // 计算得到线程数组的大小
/*
* (struct rte_rcu_qsbr_cnt *)(v + 1): 获得 v中 rte_rcu_qsbr_cnt 的地址偏移，此时指针p变为 struct rte_rcu_qsbr_cnt *类型
* + v->max_threads： 得到 v中thread id_array的偏移，
* + i
*/
#define __RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM(v, i) // 获得线程数组的第 i 个
((uint64_t *) ((struct rte_rcu_qsbr_cnt *)(v + 1) + v->max_threads) + i)
#define __RTE_QSBR_THRID_INDEX_SHIFT 6
#define __RTE_QSBR_THRID_MASK 0x3f
#define RTE_QSBR_THRID_INVALID 0xffffffff
/*
* 获得QSBR变量的内存大小，包括rte_rcu_qsbr + thread ID bitmap array变量
*/
size_t
rte_rcu_qsbr_get_memsize(uint32_t max_threads)
{
size_t sz; // rcu_qsbr
sz = sizeof(struct rte_rcu_qsbr);
/* Add the size of quiescent state counter array */
sz += sizeof(struct rte_rcu_qsbr_cnt) * max_threads;
/* Add the size of the registered thread ID bitmap array */
sz += __RTE_QSBR_THRID_ARRAY_SIZE(max_threads);
return sz;
}
```
qsbr rcu真正的初始化在函数`rte_rcu_qsbr_init()`中，主要是初始化变量的值。
```c
int
rte_rcu_qsbr_init(struct rte_rcu_qsbr *v, uint32_t max_threads)
{
size_t sz;
sz = rte_rcu_qsbr_get_memsize(max_threads);
if (sz == 1)
return 1;
/* Set all the threads to offline */
memset(v, 0, sz); // 获得大小，初始化为零
v->max_threads = max_threads;
v->num_elems = RTE_ALIGN_MUL_CEIL(max_threads,
__RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM_SIZE) /
__RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM_SIZE; // 根据最大线程数，获得 thread_id array的元素个数
v->token = __RTE_QSBR_CNT_INIT;
v->acked_token = __RTE_QSBR_CNT_INIT - 1;
return 0;
}
```
其中， `rte_rcu_qsbr_init` 函数中的参数中，传入了全局变量`rte_rcu_qsbr`，其存储了静默期版本号，以及所有注册了的线程的thread_Id与局部静默期版本号。
此变量定义如下：
```c
struct rte_rcu_qsbr {
uint64_t token __rte_cache_aligned; // 允许多个并发静态查询的计数器
/**< Counter to allow for multiple concurrent quiescent state queries */
uint64_t acked_token;
/**< Least token acked by all the threads in the last call to
* rte_rcu_qsbr_check API.
*/
uint32_t num_elems __rte_cache_aligned;
/**< Number of elements in the thread ID array */
uint32_t num_threads;
/**< Number of threads currently using this QS variable */
uint32_t max_threads;
/**< Maximum number of threads using this QS variable */
struct rte_rcu_qsbr_cnt qsbr_cnt[0] __rte_cache_aligned;
/**< Quiescent state counter array of 'max_threads' elements */
/**< Registered thread IDs are stored in a bitmap array,
* after the quiescent state counter array.
*/
} __rte_cache_aligned;
```
# 注册与注销
通过`rte_rcu_qsbr_thread_register`函数，注册一个读者线程的thread_id到 全局变量 `rte_rcu_qsbr` 的 thread 数组位图中，并更新线程数`num_threads`。
```c
int
rte_rcu_qsbr_thread_register(struct rte_rcu_qsbr *v, unsigned int thread_id)
{
unsigned int i, id, success;
uint64_t old_bmap, new_bmap;
id = thread_id & __RTE_QSBR_THRID_MASK; // thread_id%64， 表示bits<64>中位图中的哪一位
i = thread_id >> __RTE_QSBR_THRID_INDEX_SHIFT; // thread_id/64，表示uint64_t数组的索引
/*
* 确保已注册线程的计数器不会不同步。因此，需要额外的检查。
*/
old_bmap = __atomic_load_n(__RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM(v, i),
__ATOMIC_RELAXED); // 获得 thread_id所在的 bits<64>
if (old_bmap & 1UL << id) // bits<64>中的id位是否为1
return 0; // 等于1，表示已注册，则返回
do { // 若没有注册，则注册，并对num_threads + 1
new_bmap = old_bmap | (1UL << id); /
success = __atomic_compare_exchange(
__RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM(v, i),
&old_bmap, &new_bmap, 0,
__ATOMIC_RELEASE, __ATOMIC_RELAXED);
if (success)
__atomic_fetch_add(&v->num_threads, // 加1
1, __ATOMIC_RELAXED);
else if (old_bmap & (1UL << id)) // 抢注册
return 0;
} while (success == 0);
return 0;
}
```
通过`rte_rcu_qsbr_thread_unregister`函数将读线程的thread_id 从全局变量 `rte_rcu_qsbr` 的 thread数组位图中移除。
```c
int
rte_rcu_qsbr_thread_unregister(struct rte_rcu_qsbr *v, unsigned int thread_id)
{
unsigned int i, id, success;
uint64_t old_bmap, new_bmap;
__RTE_RCU_IS_LOCK_CNT_ZERO(v, thread_id, ERR, "Lock counter %u\n",
v->qsbr_cnt[thread_id].lock_cnt);
id = thread_id & __RTE_QSBR_THRID_MASK;
i = thread_id >> __RTE_QSBR_THRID_INDEX_SHIFT;
/* Make sure that the counter for registered threads does not
* go out of sync. Hence, additional checks are required.
*/
/* Check if the thread is already unregistered */
old_bmap = __atomic_load_n(__RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM(v, i),
__ATOMIC_RELAXED);
if (!(old_bmap & (1UL << id)))
return 0;
do {
new_bmap = old_bmap & ~(1UL << id);
/* Make sure any loads of the shared data structure are
* completed before removal of the thread from the list of
* reporting threads.
*/
success = __atomic_compare_exchange(
__RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM(v, i),
&old_bmap, &new_bmap, 0,
__ATOMIC_RELEASE, __ATOMIC_RELAXED);
if (success)
__atomic_fetch_sub(&v->num_threads,
1, __ATOMIC_RELAXED);
else if (!(old_bmap & (1UL << id)))
/* Someone else unregistered this thread.
* Counter should not be incremented.
*/
return 0;
} while (success == 0);
return 0;
}
```
# 上线与下线
线程的上线通过`rte_rcu_qsbr_thread_online()`函数将局部静默期版本号更新到全局版本。
`rte_rcu_qsbr_thread_online()`函数的简化版本如下：
```c
static __rte_always_inline void
rte_rcu_qsbr_thread_online(struct rte_rcu_qsbr *v, unsigned int thread_id)
{
uint64_t t;
t = __atomic_load_n(&v->token, __ATOMIC_RELAXED); // 获得全局版本号
__atomic_store_n(&v->qsbr_cnt[thread_id].cnt, // 更新本线程的局部静默期版本号
t, __ATOMIC_RELAXED);
}
```
线程的下线就是通过`rte_rcu_qsbr_thread_offline()`函数，将局部静默期版本号设置为0。
```c
__rte_experimental
static __rte_always_inline void
rte_rcu_qsbr_thread_offline(struct rte_rcu_qsbr *v, unsigned int thread_id)
{
__atomic_store_n(&v->qsbr_cnt[thread_id].cnt, 0, __ATOMIC_RELEASE);
}
```
# 等待静默
通过`rte_rcu_qsbr_synchronize()`函数等待所有线程进入过静默期，其主要工作如下：
- 首先，对全局的静默期的版本加1；
- 然后，判断本线程局部静默期版本是否等于全局的，若不等于，则更新到最新；
- 最后，遍历所有注册了的并且在线的线程的静默期版本号`cnt`的值，确定是否所有线程都进入过本次静默期，若没有，则等待所有读线程都进入过静默状态。
```c
void
rte_rcu_qsbr_synchronize(struct rte_rcu_qsbr *v, unsigned int thread_id)
{
uint64_t t;
t = rte_rcu_qsbr_start(v); // 将 v->token 加1，并存储在局部变量中
/* 若当前线程还在临界区，更新其静默状态 */
if (thread_id != RTE_QSBR_THRID_INVALID) // 0xffffffff
rte_rcu_qsbr_quiescent(v, thread_id); // 更新本线程的 v->qsbr_cnt[thread_id].cnt 到最新token
/* 等待其他读者进入静默期 */
rte_rcu_qsbr_check(v, t, true);
}
```
**注意：**
线程每调用一次`rte_rcu_qsbr_synchronize()`函数，全局的静默期版本号token就会加1。
因为多个线程同时调用此函数，线程的局部静默期版本号cnt一般会小于全局好几个版本。
事实上，若线程调用了一次`rte_rcu_qsbr_synchronize()`，其版本号就会大于存储在其他线程局部变量`t`中的全局版本号。
具体是通过`rte_rcu_qsbr_check()`判断所有线程是否都进行了本次静默。
```c
__rte_experimental
static __rte_always_inline int
rte_rcu_qsbr_check(struct rte_rcu_qsbr *v, uint64_t t, bool wait)
{
/* 判断是否所有线程都进入过静默期 */
if (likely(t <= v->acked_token))
return 1;
/* 若没有确认过，则遍历线程确认。 */
if (likely(v->num_threads == v->max_threads))
return __rte_rcu_qsbr_check_all(v, t, wait);
else
return __rte_rcu_qsbr_check_selective(v, t, wait);
}
```
其中，`__rte_rcu_qsbr_check_all()`函数与`__rte_rcu_qsbr_check_selective()`函数类似，
都是通过遍历注册在thread_id array中的所有线程的cnt，判断是否所有线程进入过静默期。下面，以函数`__rte_rcu_qsbr_check_all()`进行说明。
```c
static __rte_always_inline int
__rte_rcu_qsbr_check_selective(struct rte_rcu_qsbr *v, uint64_t t, bool wait)
{
uint32_t i, j, id;
uint64_t bmap;
uint64_t c;
uint64_t *reg_thread_id;
uint64_t acked_token = __RTE_QSBR_CNT_MAX; // ((uint64_t)~0)
/* 遍历注册在thread_id array中的所有线程的版本，等待所有线程进入过静默期 */
for (i = 0, reg_thread_id = __RTE_QSBR_THRID_ARRAY_ELM(v, 0); // 获得第0个 thread_id array元素
i < v->num_elems; // thread_id array 元素个数
i++, reg_thread_id++) {
/* 获得bmap所标识的所有线程id的公共前缀 */
bmap = __atomic_load_n(reg_thread_id, __ATOMIC_ACQUIRE);
id = i << __RTE_QSBR_THRID_INDEX_SHIFT; //
while (bmap) {
/* 获得线程的id，以及对应的计数器 */
j = __builtin_ctzl(bmap); // bmap中的第一个注册线程
c = __atomic_load_n( // 获得线程id的cnt
&v->qsbr_cnt[id + j].cnt, // id + j = thread_id
__ATOMIC_ACQUIRE);
/* 若线程没有下线，并且静默期号小于t,则等待，直到其大于等于 */
if (unlikely(c != __RTE_QSBR_CNT_THR_OFFLINE && c < t)) {
/* This thread is not in quiescent state */
if (!wait) // 若不等待则直接返回
return 0;
rte_pause(); // 暂定CPU执行一小段时间
bmap = __atomic_load_n(reg_thread_id, // 重新查看未退出注册的线程，是否进入静默期
__ATOMIC_ACQUIRE);
continue;
}
/* 更新acked_token到最新版本 */
if (c != __RTE_QSBR_CNT_THR_OFFLINE && acked_token > c)
acked_token = c;
bmap &= ~(1UL << j);
}
}
if (acked_token != __RTE_QSBR_CNT_MAX)
__atomic_store_n(&v->acked_token, acked_token, // 若所有的读者都已经进入过静默期，则将最新的静默期版本更新
__ATOMIC_RELAXED);
return 1;
}
```
**示例：**
在`dpdk/app/test/test_rcu_qsbr.c`中，
# 附录
1. `type __atomic_load_n (type *ptr, int memorder)`，GCC内建函数，实现原子的加载操作，返回`*ptr`
有限的 `memorder`有：`__ATOMIC_RELAXED, __ATOMIC_SEQ_CST, __ATOMIC_ACQUIRE, __ATOMIC_CONSUME`
目前最新版本的gcc、clang的原子操作实现均符合c++11定义的原子操作6种内存模型：
`__ATOMIC_RELAXED` No barriers or synchronization.
`__ATOMIC_CONSUME` Data dependency only for both barrier and synchronization with another thread.
`__ATOMIC_ACQUIRE` Barrier to hoisting of code and synchronizes with release (or stronger) semantic stores from another thread.
`__ATOMIC_RELEASE` Barrier to sinking of code and synchronizes with acquire (or stronger) semantic loads from another thread.
`__ATOMIC_ACQ_REL` Full barrier in both directions and synchronizes with acquire loads and release stores in another thread.
`__ATOMIC_SEQ_CST` Full barrier in both directions and synchronizes with acquire loads and release stores in all threads.
详见 http://gcc.gnu.org/wiki/Atomic/GCCMM/AtomicSync
2. `void __atomic_store_n (type *ptr, type val, int memorder)`，GCC内建函数，实现原子的存操作，将val的值写入*ptr。
3. `__builtin_ctz(x):`
计算器`x`二进制表示，末尾有多少个0。
例如，a = 16，其二进制表示是 00000000 00000000 00000000 00010000，输出为ctz = 4
类似的函数有`__builtin_ctzl(x)`与`__builtin_ctzll(x)`，分别用于long类型，与long long类型的数据。
4. `static void rte_pause(void)`: 暂停CPU执行一段时间, 此调用用于轮询共享资源或等待事件的紧循环。在回路中短暂的停顿可以降低功耗。
[原文阅读]( http://www.nfvschool.cn/?p=783)
# 参考
- [gcc-docs](https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/_005f_005fatomic-Builtins.html)
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