lib/librte_sched/rte_bitmap.h

   1 /*-
   2  *   BSD LICENSE
   3  *
   4  *   Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation. All rights reserved.
   5  *   All rights reserved.
   6  *
   7  *   Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   8  *   modification, are permitted provided that the following conditions
   9  *   are met:
  10  *
  11  *     * Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *       notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  *     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *       notice, this list of conditions and the following disclaimer in
  15  *       the documentation and/or other materials provided with the
  16  *       distribution.
  17  *     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
  18  *       contributors may be used to endorse or promote products derived
  19  *       from this software without specific prior written permission.
  20  *
  21  *   THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
  22  *   "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
  23  *   LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
  24  *   A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
  25  *   OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
  26  *   SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
  27  *   LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
  28  *   DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
  29  *   THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
  30  *   (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
  31  *   OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  32  */
  33
  34 #ifndef __INCLUDE_RTE_BITMAP_H__
  35 #define __INCLUDE_RTE_BITMAP_H__
  36
  37 #ifdef __cplusplus
  38 extern "C" {
  39 #endif
  40
  41 /**
  42  * @file
  43  * RTE Bitmap
  44  *
  45  * The bitmap component provides a mechanism to manage large arrays of bits
  46  * through bit get/set/clear and bit array scan operations.
  47  *
  48  * The bitmap scan operation is optimized for 64-bit CPUs using 64-byte cache
  49  * lines. The bitmap is hierarchically organized using two arrays (array1 and
  50  * array2), with each bit in array1 being associated with a full cache line
  51  * (512 bits) of bitmap bits, which are stored in array2: the bit in array1 is
  52  * set only when there is at least one bit set within its associated array2
  53  * bits, otherwise the bit in array1 is cleared. The read and write operations
  54  * for array1 and array2 are always done in slabs of 64 bits.
  55  *
  56  * This bitmap is not thread safe. For lock free operation on a specific bitmap
  57  * instance, a single writer thread performing bit set/clear operations is
  58  * allowed, only the writer thread can do bitmap scan operations, while there
  59  * can be several reader threads performing bit get operations in parallel with
  60  * the writer thread. When the use of locking primitives is acceptable, the
  61  * serialization of the bit set/clear and bitmap scan operations needs to be
  62  * enforced by the caller, while the bit get operation does not require locking
  63  * the bitmap.
  64  *
  65  ***/
  66
  67 #include <rte_common.h>
  68 #include <rte_debug.h>
  69 #include <rte_memory.h>
  70 #include <rte_branch_prediction.h>
  71 #include <rte_prefetch.h>
  72
  73 #ifndef RTE_BITMAP_OPTIMIZATIONS
  74 #define RTE_BITMAP_OPTIMIZATIONS                         1
  75 #endif
  76 #if RTE_BITMAP_OPTIMIZATIONS
  77 #include <tmmintrin.h>
  78 #endif
  79
  80 /* Slab */
  81 #define RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE                 64
  82 #define RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2            6
  83 #define RTE_BITMAP_SLAB_BIT_MASK                 (RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE - 1)
  84
  85 /* Cache line (CL) */
  86 #define RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE                   (CACHE_LINE_SIZE * 8)
  87 #define RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE_LOG2              9
  88 #define RTE_BITMAP_CL_BIT_MASK                   (RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE - 1)
  89
  90 #define RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE                  (RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE / RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE)
  91 #define RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE_LOG2             3
  92 #define RTE_BITMAP_CL_SLAB_MASK                  (RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE - 1)
  93
  94 /** Bitmap data structure */
  95 struct rte_bitmap {
  96         /* Context for array1 and array2 */
  97         uint64_t *array1;                        /**< Bitmap array1 */
  98         uint64_t *array2;                        /**< Bitmap array2 */
  99         uint32_t array1_size;                    /**< Number of 64-bit slabs in array1 that are actually used */
 100         uint32_t array2_size;                    /**< Number of 64-bit slabs in array2 */
 101
 102         /* Context for the "scan next" operation */
 103         uint32_t index1;  /**< Bitmap scan: Index of current array1 slab */
 104         uint32_t offset1; /**< Bitmap scan: Offset of current bit within current array1 slab */
 105         uint32_t index2;  /**< Bitmap scan: Index of current array2 slab */
 106         uint32_t go2;     /**< Bitmap scan: Go/stop condition for current array2 cache line */
 107
 108         /* Storage space for array1 and array2 */
 109         uint8_t memory[0];
 110 };
 111
 112 static inline void
 113 __rte_bitmap_index1_inc(struct rte_bitmap *bmp)
 114 {
 115         bmp->index1 = (bmp->index1 + 1) & (bmp->array1_size - 1);
 116 }
 117
 118 static inline uint64_t
 119 __rte_bitmap_mask1_get(struct rte_bitmap *bmp)
 120 {
 121         return ((~1lu) << bmp->offset1);
 122 }
 123
 124 static inline void
 125 __rte_bitmap_index2_set(struct rte_bitmap *bmp)
 126 {
 127         bmp->index2 = (((bmp->index1 << RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2) + bmp->offset1) << RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE_LOG2);
 128 }
 129
 130 #if RTE_BITMAP_OPTIMIZATIONS
 131
 132 static inline int
 133 rte_bsf64(uint64_t slab, uint32_t *pos)
 134 {
 135         if (likely(slab == 0)) {
 136                 return 0;
 137         }
 138
 139         *pos = __builtin_ctzll(slab);
 140         return 1;
 141 }
 142
 143 #else
 144
 145 static inline int
 146 rte_bsf64(uint64_t slab, uint32_t *pos)
 147 {
 148         uint64_t mask;
 149         uint32_t i;
 150
 151         if (likely(slab == 0)) {
 152                 return 0;
 153         }
 154
 155         for (i = 0, mask = 1; i < RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE; i ++, mask <<= 1) {
 156                 if (unlikely(slab & mask)) {
 157                         *pos = i;
 158                         return 1;
 159                 }
 160         }
 161
 162         return 0;
 163 }
 164
 165 #endif
 166
 167 static inline uint32_t
 168 __rte_bitmap_get_memory_footprint(uint32_t n_bits,
 169         uint32_t *array1_byte_offset, uint32_t *array1_slabs,
 170         uint32_t *array2_byte_offset, uint32_t *array2_slabs)
 171 {
 172         uint32_t n_slabs_context, n_slabs_array1, n_cache_lines_context_and_array1;
 173         uint32_t n_cache_lines_array2;
 174         uint32_t n_bytes_total;
 175
 176         n_cache_lines_array2 = (n_bits + RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE - 1) / RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE;
 177         n_slabs_array1 = (n_cache_lines_array2 + RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE - 1) / RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE;
 178         n_slabs_array1 = rte_align32pow2(n_slabs_array1);
 179         n_slabs_context = (sizeof(struct rte_bitmap) + (RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE / 8) - 1) / (RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE / 8);
 180         n_cache_lines_context_and_array1 = (n_slabs_context + n_slabs_array1 + RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE - 1) / RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE;
 181         n_bytes_total = (n_cache_lines_context_and_array1 + n_cache_lines_array2) * CACHE_LINE_SIZE;
 182
 183         if (array1_byte_offset) {
 184                 *array1_byte_offset = n_slabs_context * (RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE / 8);
 185         }
 186         if (array1_slabs) {
 187                 *array1_slabs = n_slabs_array1;
 188         }
 189         if (array2_byte_offset) {
 190                 *array2_byte_offset = n_cache_lines_context_and_array1 * CACHE_LINE_SIZE;
 191         }
 192         if (array2_slabs) {
 193                 *array2_slabs = n_cache_lines_array2 * RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE;
 194         }
 195
 196         return n_bytes_total;
 197 }
 198
 199 static inline void
 200 __rte_bitmap_scan_init(struct rte_bitmap *bmp)
 201 {
 202         bmp->index1 = bmp->array1_size - 1;
 203         bmp->offset1 = RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE - 1;
 204         __rte_bitmap_index2_set(bmp);
 205         bmp->index2 += RTE_BITMAP_CL_SLAB_SIZE;
 206
 207         bmp->go2 = 0;
 208 }
 209
 210 /**
 211  * Bitmap memory footprint calculation
 212  *
 213  * @param n_bits
 214  *   Number of bits in the bitmap
 215  * @return
 216  *   Bitmap memory footprint measured in bytes on success, 0 on error
 217  */
 218 static inline uint32_t
 219 rte_bitmap_get_memory_footprint(uint32_t n_bits) {
 220         /* Check input arguments */
 221         if (n_bits == 0) {
 222                 return 0;
 223         }
 224
 225         return __rte_bitmap_get_memory_footprint(n_bits, NULL, NULL, NULL, NULL);
 226 }
 227
 228 /**
 229  * Bitmap initialization
 230  *
 231  * @param bmp
 232  *   Handle to bitmap instance
 233  * @param array2
 234  *   Base address of pre-allocated array2
 235  * @param n_bits
 236  *   Number of pre-allocated bits in array2. Must be non-zero and multiple of 512.
 237  * @return
 238  *   0 upon success, error code otherwise
 239  */
 240 static inline struct rte_bitmap *
 241 rte_bitmap_init(uint32_t n_bits, uint8_t *mem, uint32_t mem_size)
 242 {
 243         struct rte_bitmap *bmp;
 244         uint32_t array1_byte_offset, array1_slabs, array2_byte_offset, array2_slabs;
 245         uint32_t size;
 246
 247         /* Check input arguments */
 248         if (n_bits == 0) {
 249                 return NULL;
 250         }
 251
 252         if ((mem == NULL) || (((uintptr_t) mem) & CACHE_LINE_MASK)) {
 253                 return NULL;
 254         }
 255
 256         size = __rte_bitmap_get_memory_footprint(n_bits,
 257                 &array1_byte_offset, &array1_slabs,
 258                 &array2_byte_offset, &array2_slabs);
 259         if (size < mem_size) {
 260                 return NULL;
 261         }
 262
 263         /* Setup bitmap */
 264         memset(mem, 0, size);
 265         bmp = (struct rte_bitmap *) mem;
 266
 267         bmp->array1 = (uint64_t *) &mem[array1_byte_offset];
 268         bmp->array1_size = array1_slabs;
 269         bmp->array2 = (uint64_t *) &mem[array2_byte_offset];
 270         bmp->array2_size = array2_slabs;
 271
 272         __rte_bitmap_scan_init(bmp);
 273
 274         return bmp;
 275 }
 276
 277 /**
 278  * Bitmap free
 279  *
 280  * @param bmp
 281  *   Handle to bitmap instance
 282  * @return
 283  *   0 upon success, error code otherwise
 284  */
 285 static inline int
 286 rte_bitmap_free(struct rte_bitmap *bmp)
 287 {
 288         /* Check input arguments */
 289         if (bmp == NULL) {
 290                 return -1;
 291         }
 292
 293         return 0;
 294 }
 295
 296 /**
 297  * Bitmap reset
 298  *
 299  * @param bmp
 300  *   Handle to bitmap instance
 301  */
 302 static inline void
 303 rte_bitmap_reset(struct rte_bitmap *bmp)
 304 {
 305         memset(bmp->array1, 0, bmp->array1_size * sizeof(uint64_t));
 306         memset(bmp->array2, 0, bmp->array2_size * sizeof(uint64_t));
 307         __rte_bitmap_scan_init(bmp);
 308 }
 309
 310 /**
 311  * Bitmap location prefetch into CPU L1 cache
 312  *
 313  * @param bmp
 314  *   Handle to bitmap instance
 315  * @param pos
 316  *   Bit position
 317  * @return
 318  *   0 upon success, error code otherwise
 319  */
 320 static inline void
 321 rte_bitmap_prefetch0(struct rte_bitmap *bmp, uint32_t pos)
 322 {
 323         uint64_t *slab2;
 324         uint32_t index2;
 325
 326         index2 = pos >> RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2;
 327         slab2 = bmp->array2 + index2;
 328         rte_prefetch0((void *) slab2);
 329 }
 330
 331 /**
 332  * Bitmap bit get
 333  *
 334  * @param bmp
 335  *   Handle to bitmap instance
 336  * @param pos
 337  *   Bit position
 338  * @return
 339  *   0 when bit is cleared, non-zero when bit is set
 340  */
 341 static inline uint64_t
 342 rte_bitmap_get(struct rte_bitmap *bmp, uint32_t pos)
 343 {
 344         uint64_t *slab2;
 345         uint32_t index2, offset2;
 346
 347         index2 = pos >> RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2;
 348         offset2 = pos & RTE_BITMAP_SLAB_BIT_MASK;
 349         slab2 = bmp->array2 + index2;
 350         return ((*slab2) & (1lu << offset2));
 351 }
 352
 353 /**
 354  * Bitmap bit set
 355  *
 356  * @param bmp
 357  *   Handle to bitmap instance
 358  * @param pos
 359  *   Bit position
 360  */
 361 static inline void
 362 rte_bitmap_set(struct rte_bitmap *bmp, uint32_t pos)
 363 {
 364         uint64_t *slab1, *slab2;
 365         uint32_t index1, index2, offset1, offset2;
 366
 367         /* Set bit in array2 slab and set bit in array1 slab */
 368         index2 = pos >> RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2;
 369         offset2 = pos & RTE_BITMAP_SLAB_BIT_MASK;
 370         index1 = pos >> (RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2 + RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE_LOG2);
 371         offset1 = (pos >> RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE_LOG2) & RTE_BITMAP_SLAB_BIT_MASK;
 372         slab2 = bmp->array2 + index2;
 373         slab1 = bmp->array1 + index1;
 374
 375         *slab2 |= 1lu << offset2;
 376         *slab1 |= 1lu << offset1;
 377 }
 378
 379 /**
 380  * Bitmap slab set
 381  *
 382  * @param bmp
 383  *   Handle to bitmap instance
 384  * @param pos
 385  *   Bit position identifying the array2 slab
 386  * @param slab
 387  *   Value to be assigned to the 64-bit slab in array2
 388  */
 389 static inline void
 390 rte_bitmap_set_slab(struct rte_bitmap *bmp, uint32_t pos, uint64_t slab)
 391 {
 392         uint64_t *slab1, *slab2;
 393         uint32_t index1, index2, offset1;
 394
 395         /* Set bits in array2 slab and set bit in array1 slab */
 396         index2 = pos >> RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2;
 397         index1 = pos >> (RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2 + RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE_LOG2);
 398         offset1 = (pos >> RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE_LOG2) & RTE_BITMAP_SLAB_BIT_MASK;
 399         slab2 = bmp->array2 + index2;
 400         slab1 = bmp->array1 + index1;
 401
 402         *slab2 |= slab;
 403         *slab1 |= 1lu << offset1;
 404 }
 405
 406 static inline uint64_t
 407 __rte_bitmap_line_not_empty(uint64_t *slab2)
 408 {
 409         uint64_t v1, v2, v3, v4;
 410
 411         v1 = slab2[0] | slab2[1];
 412         v2 = slab2[2] | slab2[3];
 413         v3 = slab2[4] | slab2[5];
 414         v4 = slab2[6] | slab2[7];
 415         v1 |= v2;
 416         v3 |= v4;
 417
 418         return (v1 | v3);
 419 }
 420
 421 /**
 422  * Bitmap bit clear
 423  *
 424  * @param bmp
 425  *   Handle to bitmap instance
 426  * @param pos
 427  *   Bit position
 428  */
 429 static inline void
 430 rte_bitmap_clear(struct rte_bitmap *bmp, uint32_t pos)
 431 {
 432         uint64_t *slab1, *slab2;
 433         uint32_t index1, index2, offset1, offset2;
 434
 435         /* Clear bit in array2 slab */
 436         index2 = pos >> RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2;
 437         offset2 = pos & RTE_BITMAP_SLAB_BIT_MASK;
 438         slab2 = bmp->array2 + index2;
 439
 440         /* Return if array2 slab is not all-zeros */
 441         *slab2 &= ~(1lu << offset2);
 442         if (*slab2){
 443                 return;
 444         }
 445
 446         /* Check the entire cache line of array2 for all-zeros */
 447         index2 &= ~ RTE_BITMAP_CL_SLAB_MASK;
 448         slab2 = bmp->array2 + index2;
 449         if (__rte_bitmap_line_not_empty(slab2)) {
 450                 return;
 451         }
 452
 453         /* The array2 cache line is all-zeros, so clear bit in array1 slab */
 454         index1 = pos >> (RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2 + RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE_LOG2);
 455         offset1 = (pos >> RTE_BITMAP_CL_BIT_SIZE_LOG2) & RTE_BITMAP_SLAB_BIT_MASK;
 456         slab1 = bmp->array1 + index1;
 457         *slab1 &= ~(1lu << offset1);
 458
 459         return;
 460 }
 461
 462 static inline int
 463 __rte_bitmap_scan_search(struct rte_bitmap *bmp)
 464 {
 465         uint64_t value1;
 466         uint32_t i;
 467
 468         /* Check current array1 slab */
 469         value1 = bmp->array1[bmp->index1];
 470         value1 &= __rte_bitmap_mask1_get(bmp);
 471
 472         if (rte_bsf64(value1, &bmp->offset1)) {
 473                 return 1;
 474         }
 475
 476         __rte_bitmap_index1_inc(bmp);
 477         bmp->offset1 = 0;
 478
 479         /* Look for another array1 slab */
 480         for (i = 0; i < bmp->array1_size; i ++, __rte_bitmap_index1_inc(bmp)) {
 481                 value1 = bmp->array1[bmp->index1];
 482
 483                 if (rte_bsf64(value1, &bmp->offset1)) {
 484                         return 1;
 485                 }
 486         }
 487
 488         return 0;
 489 }
 490
 491 static inline void
 492 __rte_bitmap_scan_read_init(struct rte_bitmap *bmp)
 493 {
 494         __rte_bitmap_index2_set(bmp);
 495         bmp->go2 = 1;
 496         rte_prefetch1((void *)(bmp->array2 + bmp->index2 + 8));
 497 }
 498
 499 static inline int
 500 __rte_bitmap_scan_read(struct rte_bitmap *bmp, uint32_t *pos, uint64_t *slab)
 501 {
 502         uint64_t *slab2;
 503
 504         slab2 = bmp->array2 + bmp->index2;
 505         for ( ; bmp->go2 ; bmp->index2 ++, slab2 ++, bmp->go2 = bmp->index2 & RTE_BITMAP_CL_SLAB_MASK) {
 506                 if (*slab2) {
 507                         *pos = bmp->index2 << RTE_BITMAP_SLAB_BIT_SIZE_LOG2;
 508                         *slab = *slab2;
 509
 510                         bmp->index2 ++;
 511                         slab2 ++;
 512                         bmp->go2 = bmp->index2 & RTE_BITMAP_CL_SLAB_MASK;
 513                         return 1;
 514                 }
 515         }
 516
 517         return 0;
 518 }
 519
 520 /**
 521  * Bitmap scan (with automatic wrap-around)
 522  *
 523  * @param bmp
 524  *   Handle to bitmap instance
 525  * @param pos
 526  *   When function call returns 1, pos contains the position of the next set
 527  *   bit, otherwise not modified
 528  * @param slab
 529  *   When function call returns 1, slab contains the value of the entire 64-bit
 530  *   slab where the bit indicated by pos is located. Slabs are always 64-bit
 531  *   aligned, so the position of the first bit of the slab (this bit is not
 532  *   necessarily set) is pos / 64. Once a slab has been returned by the bitmap
 533  *   scan operation, the internal pointers of the bitmap are updated to point
 534  *   after this slab, so the same slab will not be returned again if it
 535  *   contains more than one bit which is set. When function call returns 0,
 536  *   slab is not modified.
 537  * @return
 538  *   0 if there is no bit set in the bitmap, 1 otherwise
 539  */
 540 static inline int
 541 rte_bitmap_scan(struct rte_bitmap *bmp, uint32_t *pos, uint64_t *slab)
 542 {
 543         /* Return data from current array2 line if available */
 544         if (__rte_bitmap_scan_read(bmp, pos, slab)) {
 545                 return 1;
 546         }
 547
 548         /* Look for non-empty array2 line */
 549         if (__rte_bitmap_scan_search(bmp)) {
 550                 __rte_bitmap_scan_read_init(bmp);
 551                 __rte_bitmap_scan_read(bmp, pos, slab);
 552                 return 1;
 553         }
 554
 555         /* Empty bitmap */
 556         return 0;
 557 }
 558
 559 #ifdef __cplusplus
 560 }
 561 #endif
 562
 563 #endif /* __INCLUDE_RTE_BITMAP_H__ */