mbuf: remove control mbuf
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / ring_lib.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2014 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     * Redistributions 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 .. _Ring_Library:
32
33 Ring Library
34 ============
35
36 The ring allows the management of queues.
37 Instead of having a linked list of infinite size, the rte_ring has the following properties:
38
39 *   FIFO
40
41 *   Maximum size is fixed, the pointers are stored in a table
42
43 *   Lockless implementation
44
45 *   Multi-consumer or single-consumer dequeue
46
47 *   Multi-producer or single-producer enqueue
48
49 *   Bulk dequeue - Dequeues the specified count of objects if successful; otherwise fails
50
51 *   Bulk enqueue - Enqueues the specified count of objects if successful; otherwise fails
52
53 *   Burst dequeue - Dequeue the maximum available objects if the specified count cannot be fulfilled
54
55 *   Burst enqueue - Enqueue the maximum available objects if the specified count cannot be fulfilled
56
57 The advantages of this data structure over a linked list queue are as follows:
58
59 *   Faster; only requires a single Compare-And-Swap instruction of sizeof(void \*) instead of several double-Compare-And-Swap instructions.
60
61 *   Simpler than a full lockless queue.
62
63 *   Adapted to bulk enqueue/dequeue operations.
64     As pointers are stored in a table, a dequeue of several objects will not produce as many cache misses as in a linked queue.
65     Also, a bulk dequeue of many objects does not cost more than a dequeue of a simple object.
66
67 The disadvantages:
68
69 *   Size is fixed
70
71 *   Having many rings costs more in terms of memory than a linked list queue. An empty ring contains at least N pointers.
72
73 A simplified representation of a Ring is shown in with consumer and producer head and tail pointers to objects stored in the data structure.
74
75 .. _figure_ring1:
76
77 .. figure:: img/ring1.*
78
79    Ring Structure
80
81
82 References for Ring Implementation in FreeBSD*
83 ----------------------------------------------
84
85 The following code was added in FreeBSD 8.0, and is used in some network device drivers (at least in Intel drivers):
86
87     * `bufring.h in FreeBSD <http://svn.freebsd.org/viewvc/base/release/8.0.0/sys/sys/buf_ring.h?revision=199625&amp;view=markup>`_
88
89     * `bufring.c in FreeBSD <http://svn.freebsd.org/viewvc/base/release/8.0.0/sys/kern/subr_bufring.c?revision=199625&amp;view=markup>`_
90
91 Lockless Ring Buffer in Linux*
92 ------------------------------
93
94 The following is a link describing the `Linux Lockless Ring Buffer Design <http://lwn.net/Articles/340400/>`_.
95
96 Additional Features
97 -------------------
98
99 Name
100 ~~~~
101
102 A ring is identified by a unique name.
103 It is not possible to create two rings with the same name (rte_ring_create() returns NULL if this is attempted).
104
105 Use Cases
106 ---------
107
108 Use cases for the Ring library include:
109
110     *  Communication between applications in the DPDK
111
112     *  Used by memory pool allocator
113
114 Anatomy of a Ring Buffer
115 ------------------------
116
117 This section explains how a ring buffer operates.
118 The ring structure is composed of two head and tail couples; one is used by producers and one is used by the consumers.
119 The figures of the following sections refer to them as prod_head, prod_tail, cons_head and cons_tail.
120
121 Each figure represents a simplified state of the ring, which is a circular buffer.
122 The content of the function local variables is represented on the top of the figure,
123 and the content of ring structure is represented on the bottom of the figure.
124
125 Single Producer Enqueue
126 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
127
128 This section explains what occurs when a producer adds an object to the ring.
129 In this example, only the producer head and tail (prod_head and prod_tail) are modified,
130 and there is only one producer.
131
132 The initial state is to have a prod_head and prod_tail pointing at the same location.
133
134 Enqueue First Step
135 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
136
137 First, *ring->prod_head* and ring->cons_tail are copied in local variables.
138 The prod_next local variable points to the next element of the table, or several elements after in case of bulk enqueue.
139
140 If there is not enough room in the ring (this is detected by checking cons_tail), it returns an error.
141
142
143 .. _figure_ring-enqueue1:
144
145 .. figure:: img/ring-enqueue1.*
146
147    Enqueue first step
148
149
150 Enqueue Second Step
151 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
152
153 The second step is to modify *ring->prod_head* in ring structure to point to the same location as prod_next.
154
155 A pointer to the added object is copied in the ring (obj4).
156
157
158 .. _figure_ring-enqueue2:
159
160 .. figure:: img/ring-enqueue2.*
161
162    Enqueue second step
163
164
165 Enqueue Last Step
166 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
167
168 Once the object is added in the ring, ring->prod_tail in the ring structure is modified to point to the same location as *ring->prod_head*.
169 The enqueue operation is finished.
170
171
172 .. _figure_ring-enqueue3:
173
174 .. figure:: img/ring-enqueue3.*
175
176    Enqueue last step
177
178
179 Single Consumer Dequeue
180 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
181
182 This section explains what occurs when a consumer dequeues an object from the ring.
183 In this example, only the consumer head and tail (cons_head and cons_tail) are modified and there is only one consumer.
184
185 The initial state is to have a cons_head and cons_tail pointing at the same location.
186
187 Dequeue First Step
188 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
189
190 First, ring->cons_head and ring->prod_tail are copied in local variables.
191 The cons_next local variable points to the next element of the table, or several elements after in the case of bulk dequeue.
192
193 If there are not enough objects in the ring (this is detected by checking prod_tail), it returns an error.
194
195
196 .. _figure_ring-dequeue1:
197
198 .. figure:: img/ring-dequeue1.*
199
200    Dequeue last step
201
202
203 Dequeue Second Step
204 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
205
206 The second step is to modify ring->cons_head in the ring structure to point to the same location as cons_next.
207
208 The pointer to the dequeued object (obj1) is copied in the pointer given by the user.
209
210
211 .. _figure_ring-dequeue2:
212
213 .. figure:: img/ring-dequeue2.*
214
215    Dequeue second step
216
217
218 Dequeue Last Step
219 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
220
221 Finally, ring->cons_tail in the ring structure is modified to point to the same location as ring->cons_head.
222 The dequeue operation is finished.
223
224
225 .. _figure_ring-dequeue3:
226
227 .. figure:: img/ring-dequeue3.*
228
229    Dequeue last step
230
231
232 Multiple Producers Enqueue
233 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
234
235 This section explains what occurs when two producers concurrently add an object to the ring.
236 In this example, only the producer head and tail (prod_head and prod_tail) are modified.
237
238 The initial state is to have a prod_head and prod_tail pointing at the same location.
239
240 Multiple Producers Enqueue First Step
241 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
242
243 On both cores, *ring->prod_head* and ring->cons_tail are copied in local variables.
244 The prod_next local variable points to the next element of the table,
245 or several elements after in the case of bulk enqueue.
246
247 If there is not enough room in the ring (this is detected by checking cons_tail), it returns an error.
248
249
250 .. _figure_ring-mp-enqueue1:
251
252 .. figure:: img/ring-mp-enqueue1.*
253
254    Multiple producer enqueue first step
255
256
257 Multiple Producers Enqueue Second Step
258 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
259
260 The second step is to modify ring->prod_head in the ring structure to point to the same location as prod_next.
261 This operation is done using a Compare And Swap (CAS) instruction, which does the following operations atomically:
262
263 *   If ring->prod_head is different to local variable prod_head,
264     the CAS operation fails, and the code restarts at first step.
265
266 *   Otherwise, ring->prod_head is set to local prod_next,
267     the CAS operation is successful, and processing continues.
268
269 In the figure, the operation succeeded on core 1, and step one restarted on core 2.
270
271
272 .. _figure_ring-mp-enqueue2:
273
274 .. figure:: img/ring-mp-enqueue2.*
275
276    Multiple producer enqueue second step
277
278
279 Multiple Producers Enqueue Third Step
280 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
281
282 The CAS operation is retried on core 2 with success.
283
284 The core 1 updates one element of the ring(obj4), and the core 2 updates another one (obj5).
285
286
287 .. _figure_ring-mp-enqueue3:
288
289 .. figure:: img/ring-mp-enqueue3.*
290
291    Multiple producer enqueue third step
292
293
294 Multiple Producers Enqueue Fourth Step
295 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
296
297 Each core now wants to update ring->prod_tail.
298 A core can only update it if ring->prod_tail is equal to the prod_head local variable.
299 This is only true on core 1. The operation is finished on core 1.
300
301
302 .. _figure_ring-mp-enqueue4:
303
304 .. figure:: img/ring-mp-enqueue4.*
305
306    Multiple producer enqueue fourth step
307
308
309 Multiple Producers Enqueue Last Step
310 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
311
312 Once ring->prod_tail is updated by core 1, core 2 is allowed to update it too.
313 The operation is also finished on core 2.
314
315
316 .. _figure_ring-mp-enqueue5:
317
318 .. figure:: img/ring-mp-enqueue5.*
319
320    Multiple producer enqueue last step
321
322
323 Modulo 32-bit Indexes
324 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
325
326 In the preceding figures, the prod_head, prod_tail, cons_head and cons_tail indexes are represented by arrows.
327 In the actual implementation, these values are not between 0 and size(ring)-1 as would be assumed.
328 The indexes are between 0 and 2^32 -1, and we mask their value when we access the pointer table (the ring itself).
329 32-bit modulo also implies that operations on indexes (such as, add/subtract) will automatically do 2^32 modulo
330 if the result overflows the 32-bit number range.
331
332 The following are two examples that help to explain how indexes are used in a ring.
333
334 .. note::
335
336     To simplify the explanation, operations with modulo 16-bit are used instead of modulo 32-bit.
337     In addition, the four indexes are defined as unsigned 16-bit integers,
338     as opposed to unsigned 32-bit integers in the more realistic case.
339
340
341 .. _figure_ring-modulo1:
342
343 .. figure:: img/ring-modulo1.*
344
345    Modulo 32-bit indexes - Example 1
346
347
348 This ring contains 11000 entries.
349
350
351 .. _figure_ring-modulo2:
352
353 .. figure:: img/ring-modulo2.*
354
355       Modulo 32-bit indexes - Example 2
356
357
358 This ring contains 12536 entries.
359
360 .. note::
361
362     For ease of understanding, we use modulo 65536 operations in the above examples.
363     In real execution cases, this is redundant for low efficiency, but is done automatically when the result overflows.
364
365 The code always maintains a distance between producer and consumer between 0 and size(ring)-1.
366 Thanks to this property, we can do subtractions between 2 index values in a modulo-32bit base:
367 that's why the overflow of the indexes is not a problem.
368
369 At any time, entries and free_entries are between 0 and size(ring)-1,
370 even if only the first term of subtraction has overflowed:
371
372 .. code-block:: c
373
374     uint32_t entries = (prod_tail - cons_head);
375     uint32_t free_entries = (mask + cons_tail -prod_head);
376
377 References
378 ----------
379
380     *   `bufring.h in FreeBSD <http://svn.freebsd.org/viewvc/base/release/8.0.0/sys/sys/buf_ring.h?revision=199625&amp;view=markup>`_ (version 8)
381
382     *   `bufring.c in FreeBSD <http://svn.freebsd.org/viewvc/base/release/8.0.0/sys/kern/subr_bufring.c?revision=199625&amp;view=markup>`_ (version 8)
383
384     *   `Linux Lockless Ring Buffer Design <http://lwn.net/Articles/340400/>`_