doc/guides/prog_guide/rcu_lib.rst

   1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
   2     Copyright(c) 2019 Arm Limited.
   3
   4 .. _RCU_Library:
   5
   6 RCU Library
   7 ============
   8
   9 Lockless data structures provide scalability and determinism.
  10 They enable use cases where locking may not be allowed
  11 (for example real-time applications).
  12
  13 In the following sections, the term "memory" refers to memory allocated
  14 by typical APIs like malloc() or anything that is representative of
  15 memory, for example an index of a free element array.
  16
  17 Since these data structures are lockless, the writers and readers
  18 are accessing the data structures concurrently. Hence, while removing
  19 an element from a data structure, the writers cannot return the memory
  20 to the allocator, without knowing that the readers are not
  21 referencing that element/memory anymore. Hence, it is required to
  22 separate the operation of removing an element into two steps:
  23
  24 #. Delete: in this step, the writer removes the reference to the element from
  25    the data structure but does not return the associated memory to the
  26    allocator. This will ensure that new readers will not get a reference to
  27    the removed element. Removing the reference is an atomic operation.
  28
  29 #. Free (Reclaim): in this step, the writer returns the memory to the
  30    memory allocator only after knowing that all the readers have stopped
  31    referencing the deleted element.
  32
  33 This library helps the writer determine when it is safe to free the
  34 memory by making use of thread Quiescent State (QS).
  35
  36 What is Quiescent State
  37 -----------------------
  38
  39 Quiescent State can be defined as "any point in the thread execution where the
  40 thread does not hold a reference to shared memory". It is the responsibility of
  41 the application to determine its quiescent state.
  42
  43 Let us consider the following diagram:
  44
  45 .. _figure_quiescent_state:
  46
  47 .. figure:: img/rcu_general_info.*
  48
  49    Phases in the Quiescent State model.
  50
  51
  52 As shown in :numref:`figure_quiescent_state`, reader thread 1 accesses data
  53 structures D1 and D2. When it is accessing D1, if the writer has to remove an
  54 element from D1, the writer cannot free the memory associated with that
  55 element immediately. The writer can return the memory to the allocator only
  56 after the reader stops referencing D1. In other words, reader thread RT1 has
  57 to enter a quiescent state.
  58
  59 Similarly, since reader thread 2 is also accessing D1, the writer has to
  60 wait till thread 2 enters quiescent state as well.
  61
  62 However, the writer does not need to wait for reader thread 3 to enter
  63 quiescent state. Reader thread 3 was not accessing D1 when the delete
  64 operation happened. So, reader thread 3 will not have a reference to the
  65 deleted entry.
  66
  67 It can be noted that, the critical sections for D2 is a quiescent state
  68 for D1. i.e. for a given data structure Dx, any point in the thread execution
  69 that does not reference Dx is a quiescent state.
  70
  71 Since memory is not freed immediately, there might be a need for
  72 provisioning of additional memory, depending on the application requirements.
  73
  74 Factors affecting the RCU mechanism
  75 -----------------------------------
  76
  77 It is important to make sure that this library keeps the overhead of
  78 identifying the end of grace period and subsequent freeing of memory,
  79 to a minimum. The following paras explain how grace period and critical
  80 section affect this overhead.
  81
  82 The writer has to poll the readers to identify the end of grace period.
  83 Polling introduces memory accesses and wastes CPU cycles. The memory
  84 is not available for reuse during the grace period. Longer grace periods
  85 exasperate these conditions.
  86
  87 The length of the critical section and the number of reader threads
  88 is proportional to the duration of the grace period. Keeping the critical
  89 sections smaller will keep the grace period smaller. However, keeping the
  90 critical sections smaller requires additional CPU cycles (due to additional
  91 reporting) in the readers.
  92
  93 Hence, we need the characteristics of a small grace period and large critical
  94 section. This library addresses these characteristics by allowing the writer
  95 to do other work without having to block until the readers report their
  96 quiescent state.
  97
  98 RCU in DPDK
  99 -----------
 100
 101 For DPDK applications, the beginning and end of a ``while(1)`` loop (where no
 102 references to shared data structures are kept) act as perfect quiescent
 103 states. This will combine all the shared data structure accesses into a
 104 single, large critical section which helps keep the overhead on the
 105 reader side to a minimum.
 106
 107 DPDK supports a pipeline model of packet processing and service cores.
 108 In these use cases, a given data structure may not be used by all the
 109 workers in the application. The writer has to wait only for the workers that
 110 use the data structure to report their quiescent state. To provide the required
 111 flexibility, this library has a concept of a QS variable. If required, the
 112 application can create one QS variable per data structure to help it track the
 113 end of grace period for each data structure. This helps keep the length of grace
 114 period to a minimum.
 115
 116 How to use this library
 117 -----------------------
 118
 119 The application must allocate memory and initialize a QS variable.
 120
 121 Applications can call ``rte_rcu_qsbr_get_memsize()`` to calculate the size
 122 of memory to allocate. This API takes a maximum number of reader threads,
 123 using this variable, as a parameter.
 124
 125 Further, the application can initialize a QS variable using the API
 126 ``rte_rcu_qsbr_init()``.
 127
 128 Each reader thread is assumed to have a unique thread ID. Currently, the
 129 management of the thread ID (for example allocation/free) is left to the
 130 application. The thread ID should be in the range of 0 to
 131 maximum number of threads provided while creating the QS variable.
 132 The application could also use ``lcore_id`` as the thread ID where applicable.
 133
 134 The ``rte_rcu_qsbr_thread_register()`` API will register a reader thread
 135 to report its quiescent state. This can be called from a reader thread.
 136 A control plane thread can also call this on behalf of a reader thread.
 137 The reader thread must call ``rte_rcu_qsbr_thread_online()`` API to start
 138 reporting its quiescent state.
 139
 140 Some of the use cases might require the reader threads to make blocking API
 141 calls (for example while using eventdev APIs). The writer thread should not
 142 wait for such reader threads to enter quiescent state.  The reader thread must
 143 call ``rte_rcu_qsbr_thread_offline()`` API, before calling blocking APIs. It
 144 can call ``rte_rcu_qsbr_thread_online()`` API once the blocking API call
 145 returns.
 146
 147 The writer thread can trigger the reader threads to report their quiescent
 148 state by calling the API ``rte_rcu_qsbr_start()``. It is possible for multiple
 149 writer threads to query the quiescent state status simultaneously. Hence,
 150 ``rte_rcu_qsbr_start()`` returns a token to each caller.
 151
 152 The writer thread must call ``rte_rcu_qsbr_check()`` API with the token to
 153 get the current quiescent state status. Option to block till all the reader
 154 threads enter the quiescent state is provided. If this API indicates that
 155 all the reader threads have entered the quiescent state, the application
 156 can free the deleted entry.
 157
 158 The APIs ``rte_rcu_qsbr_start()`` and ``rte_rcu_qsbr_check()`` are lock free.
 159 Hence, they can be called concurrently from multiple writers even while
 160 running as worker threads.
 161
 162 The separation of triggering the reporting from querying the status provides
 163 the writer threads flexibility to do useful work instead of blocking for the
 164 reader threads to enter the quiescent state or go offline. This reduces the
 165 memory accesses due to continuous polling for the status. But, since the
 166 resource is freed at a later time, the token and the reference to the deleted
 167 resource need to be stored for later queries.
 168
 169 The ``rte_rcu_qsbr_synchronize()`` API combines the functionality of
 170 ``rte_rcu_qsbr_start()`` and blocking ``rte_rcu_qsbr_check()`` into a single
 171 API. This API triggers the reader threads to report their quiescent state and
 172 polls till all the readers enter the quiescent state or go offline. This API
 173 does not allow the writer to do useful work while waiting and introduces
 174 additional memory accesses due to continuous polling. However, the application
 175 does not have to store the token or the reference to the deleted resource. The
 176 resource can be freed immediately after ``rte_rcu_qsbr_synchronize()`` API
 177 returns.
 178
 179 The reader thread must call ``rte_rcu_qsbr_thread_offline()`` and
 180 ``rte_rcu_qsbr_thread_unregister()`` APIs to remove itself from reporting its
 181 quiescent state. The ``rte_rcu_qsbr_check()`` API will not wait for this reader
 182 thread to report the quiescent state status anymore.
 183
 184 The reader threads should call ``rte_rcu_qsbr_quiescent()`` API to indicate that
 185 they entered a quiescent state. This API checks if a writer has triggered a
 186 quiescent state query and update the state accordingly.
 187
 188 The ``rte_rcu_qsbr_lock()`` and ``rte_rcu_qsbr_unlock()`` are empty functions.
 189 However, these APIs can aid in debugging issues. One can mark the access to
 190 shared data structures on the reader side using these APIs. The
 191 ``rte_rcu_qsbr_quiescent()`` will check if all the locks are unlocked.
 192
 193 Resource reclamation framework for DPDK
 194 ---------------------------------------
 195
 196 Lock-free algorithms place additional burden of resource reclamation on
 197 the application. When a writer deletes an entry from a data structure, the writer:
 198
 199 #. Has to start the grace period
 200 #. Has to store a reference to the deleted resources in a FIFO
 201 #. Should check if the readers have completed a grace period and free the resources.
 202
 203 There are several APIs provided to help with this process. The writer
 204 can create a FIFO to store the references to deleted resources using ``rte_rcu_qsbr_dq_create()``.
 205 The resources can be enqueued to this FIFO using ``rte_rcu_qsbr_dq_enqueue()``.
 206 If the FIFO is full, ``rte_rcu_qsbr_dq_enqueue`` will reclaim the resources before enqueuing. It will also reclaim resources on regular basis to keep the FIFO from growing too large. If the writer runs out of resources, the writer can call ``rte_rcu_qsbr_dq_reclaim`` API to reclaim resources. ``rte_rcu_qsbr_dq_delete`` is provided to reclaim any remaining resources and free the FIFO while shutting down.
 207
 208 However, if this resource reclamation process were to be integrated in lock-free data structure libraries, it
 209 hides this complexity from the application and makes it easier for the application to adopt lock-free algorithms. The following paragraphs discuss how the reclamation process can be integrated in DPDK libraries.
 210
 211 In any DPDK application, the resource reclamation process using QSBR can be split into 4 parts:
 212
 213 #. Initialization
 214 #. Quiescent State Reporting
 215 #. Reclaiming Resources
 216 #. Shutdown
 217
 218 The design proposed here assigns different parts of this process to client libraries and applications. The term 'client library' refers to lock-free data structure libraries such at rte_hash, rte_lpm etc. in DPDK or similar libraries outside of DPDK. The term 'application' refers to the packet processing application that makes use of DPDK such as L3 Forwarding example application, OVS, VPP etc..
 219
 220 The application has to handle 'Initialization' and 'Quiescent State Reporting'. So,
 221
 222 * the application has to create the RCU variable and register the reader threads to report their quiescent state.
 223 * the application has to register the same RCU variable with the client library.
 224 * reader threads in the application have to report the quiescent state. This allows for the application to control the length of the critical section/how frequently the application wants to report the quiescent state.
 225
 226 The client library will handle 'Reclaiming Resources' part of the process. The
 227 client libraries will make use of the writer thread context to execute the memory
 228 reclamation algorithm. So,
 229
 230 * client library should provide an API to register a RCU variable that it will use. It should call ``rte_rcu_qsbr_dq_create()`` to create the FIFO to store the references to deleted entries.
 231 * client library should use ``rte_rcu_qsbr_dq_enqueue`` to enqueue the deleted resources on the FIFO and start the grace period.
 232 * if the library runs out of resources while adding entries, it should call ``rte_rcu_qsbr_dq_reclaim`` to reclaim the resources and try the resource allocation again.
 233
 234 The 'Shutdown' process needs to be shared between the application and the
 235 client library.
 236
 237 * the application should make sure that the reader threads are not using the shared data structure, unregister the reader threads from the QSBR variable before calling the client library's shutdown function.
 238
 239 * client library should call ``rte_rcu_qsbr_dq_delete`` to reclaim any remaining resources and free the FIFO.
 240
 241 Integrating the resource reclamation with client libraries removes the burden from
 242 the application and makes it easy to use lock-free algorithms.
 243
 244 This design has several advantages over currently known methods.
 245
 246 #. Application does not need a dedicated thread to reclaim resources. Memory
 247    reclamation happens as part of the writer thread with little impact on
 248    performance.
 249 #. The client library has better control over the resources. For example: the client
 250    library can attempt to reclaim when it has run out of resources.