Quellcodebibliothek Statistik Leitseite products/sources/formale Sprachen/C/Firefox/mfbt/   (Browser von der Mozilla Stiftung Version 136.0.1©)  Datei vom 10.2.2025 mit Größe 14 kB image not shown  

Quelle  MPSCQueue.h   Sprache: C

 
/* -*- Mode: C++; tab-width: 8; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 2 -*- */
/* vim: set ts=8 sts=2 et sw=2 tw=80: */
/* This Source Code Form is subject to the terms of the Mozilla Public
 * License, v. 2.0. If a copy of the MPL was not distributed with this
 * file, You can obtain one at http://mozilla.org/MPL/2.0/. */


/*
 * Multiple Producer Single Consumer lock-free queue.
 * Allocation-free is guaranteed outside of the constructor.
 *
 * This is a direct C++ port from
 * https://docs.rs/signal-hook/0.3.17/src/signal_hook/low_level/channel.rs.html#1-235
 * with the exception we are using atomic uint64t to have 15 slots in the ring
 * buffer (Rust implem is 5 slots, we want a bit more).
 * */


#ifndef mozilla_MPSCQueue_h
#define mozilla_MPSCQueue_h

#include "mozilla/Assertions.h"
#include "mozilla/Attributes.h"
#include "mozilla/PodOperations.h"
#include <algorithm>
#include <atomic>
#include <cstddef>
#include <limits>
#include <memory>
#include <thread>
#include <type_traits>
#include <optional>
#include <inttypes.h>

namespace mozilla {

namespace detail {
template <typename T, bool IsPod = std::is_trivial<T>::value>
struct MemoryOperations {
  /**
   * This allows either moving (if T supports it) or copying a number of
   * elements from a `aSource` pointer to a `aDestination` pointer.
   * If it is safe to do so and this call copies, this uses PodCopy. Otherwise,
   * constructors and destructors are called in a loop.
   */

  static void MoveOrCopy(T* aDestination, T* aSource, size_t aCount);
};

template <typename T>
struct MemoryOperations<T, true> {
  static void MoveOrCopy(T* aDestination, T* aSource, size_t aCount) {
    PodCopy(aDestination, aSource, aCount);
  }
};

template <typename T>
struct MemoryOperations<T, false> {
  static void MoveOrCopy(T* aDestination, T* aSource, size_t aCount) {
    std::move(aSource, aSource + aCount, aDestination);
  }
};
}  // namespace detail

static const bool MPSC_DEBUG = false;

static const size_t kMaxCapacity = 16;

/**
 * This data structure allows producing data from several threads, and consuming
 * it on one thread, safely and without performing memory allocations or
 * locking.
 *
 * The role for the producers and the consumer must be constant, i.e., the
 * producer should always be on one thread and the consumer should always be on
 * another thread.
 *
 * Some words about the inner workings of this class:
 * - Capacity is fixed. Only one allocation is performed, in the constructor.
 * - Maximum capacity is 15 elements, with 0 being used to denote an empty set.
 *   This is a hard limitation from encoding indexes within the atomic uint64_t.
 * - This is lock-free but not wait-free, it might spin a little until
 *   compare/exchange succeeds.
 * - There is no guarantee of forward progression for individual threads.
 * - This should be safe to use from a signal handler context.
 */

template <typename T>
class MPSCRingBufferBase {
 public:
  explicit MPSCRingBufferBase(size_t aCapacity)
      : mFree(0), mOccupied(0), mCapacity(aCapacity + 1) {
    MOZ_RELEASE_ASSERT(aCapacity < kMaxCapacity);

    if constexpr (MPSC_DEBUG) {
      fprintf(stderr,
              "[%s] this=%p { mCapacity=%zu, mBits=%" PRIu64
              ", mMask=0x%" PRIx64 " }\n",
              __PRETTY_FUNCTION__, this, mCapacity, mBits, mMask);
    }

    // Leave one empty space in the queue, used to distinguish an empty queue
    // from a full one, as in the SPSCQueue.
    // https://docs.rs/signal-hook/0.3.17/src/signal_hook/low_level/channel.rs.html#126
    for (uint64_t i = 1; i < StorageCapacity(); ++i) {
      MarkSlot(mFree, i);
    }

    // This should be the only allocation performed, thus it cannot be performed
    // in a restricted context (e.g., signal handler, real-time thread)
    mData = std::make_unique<T[]>(Capacity());

    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst);
  }

  /**
   * @brief Put an element in the queue. The caller MUST check the return value
   * and maybe loop to try again (or drop if acceptable).
   *
   * First it attempts to acuire a slot (storage index) that is known to be
   * non used. If that is not successfull then 0 is returned. If that is
   * successfull, the slot is ours (it has been exclusively acquired) and data
   * can be copied into the ring buffer at that index.
   *
   * @param aElement The element to put in the queue.
   *
   * @return 0 if insertion could not be performed, inserted index otherwise
   */

  [[nodiscard]] int Send(T& aElement) {
    std::optional<uint64_t> empty_idx = UnmarkSlot(mFree);
    if (empty_idx.has_value()) {
      detail::MemoryOperations<T>::MoveOrCopy(&mData[*empty_idx - 1], &aElement,
                                              1);
      MarkSlot(mOccupied, *empty_idx);
      return *empty_idx;
    }
    return 0;
  }

  /**
   * Retrieve one element from the ring buffer, and copy it to
   * `aElement`, if non-null.
   *
   * It attempts to acquire a slot from the list of used ones. If that is not
   * successfull, then 0 is returned. Once a slot has been exclusively acquired,
   * data is copied from it into the non-null pointer passed in parameter.
   *
   * @param aElement A pointer to a `T` where data will be copied.
   *
   * @return The index from which data was copied, 0 if there was nothing in the
   * ring buffer.
   */

  [[nodiscard]] int Recv(T* aElement) {
    std::optional<uint64_t> idx = UnmarkSlot(mOccupied);
    if (idx.has_value()) {
      if (aElement) {
        detail::MemoryOperations<T>::MoveOrCopy(aElement, &mData[*idx - 1], 1);
      }
      MarkSlot(mFree, *idx);
      return *idx;
    }
    return 0;
  }

  size_t Capacity() const { return StorageCapacity() - 1; }

 private:
  /*
   * Get/Set manipulates the encoding within `aNumber` by storing the index as a
   * number and shifting it to the left (set) or right (get).
   *
   * Initial `aNumber` value is 0.
   *
   * Set() with first index value (1), we store the index on mBits and we shift
   * it to the left, e.g., as follows:
   *
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
   * aIndex=0 aValue=1
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
   * aIndex=1 aValue=33
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000000000000000000000000100001
   * aIndex=2 aValue=801
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000000000000000000001100100001
   * aIndex=3 aValue=17185
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000000000000000100001100100001
   * aIndex=4 aValue=344865
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000000000001010100001100100001
   * aIndex=5 aValue=6636321
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000000011001010100001100100001
   * aIndex=6 aValue=124076833
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000000000111011001010100001100100001
   * aIndex=7 aValue=2271560481
   * aNumber=0b00000000000000000000000000000010000111011001010100001100100001
   * aIndex=8 aValue=40926266145
   * aNumber=0b00000000000000000000000000100110000111011001010100001100100001
   * aIndex=9 aValue=728121033505
   * aNumber=0b00000000000000000000001010100110000111011001010100001100100001
   * aIndex=10 aValue=12822748939041
   * aNumber=0b00000000000000000010111010100110000111011001010100001100100001
   * aIndex=11 aValue=223928981472033
   * aNumber=0b00000000000000110010111010100110000111011001010100001100100001
   * aIndex=12 aValue=3883103678710561
   * aNumber=0b00000000001101110010111010100110000111011001010100001100100001
   * aIndex=13 aValue=66933498461897505
   * aNumber=0b00000011101101110010111010100110000111011001010100001100100001
   * aIndex=14 aValue=1147797409030816545
   */

  [[nodiscard]] uint64_t Get(uint64_t aNumber, uint64_t aIndex) {
    return (aNumber >> (mBits * aIndex)) & mMask;
  }

  [[nodiscard]] uint64_t Set(uint64_t aNumber, uint64_t aIndex,
                             uint64_t aValue) {
    return (aNumber & ~(mMask << (mBits * aIndex))) |
           (aValue << (mBits * aIndex));
  }

  /*
   * Enqueue a value in the ring buffer at aIndex.
   *
   * Takes the current uint64_t value from the atomic and try to acquire a non
   * used slot in the ring buffer. If unsucessfull, 0 is returned, otherwise
   * compute the new atomic value that holds the new state of usage of the
   * slots, and use compare/exchange to perform lock-free synchronization:
   * compare/exchanges succeeds when the current value and the modified one are
   * equal, reflecting an acquired lock. If another thread was concurrent to
   * this one, then it would fail to that operation, and go into the next
   * iteration of the loop to read the new state value from the atomic, and
   * acquire a different slot.
   *
   * @param aSlotStatus a uint64_t atomic that is used to perform lock-free
   * thread exclusions
   *
   * @param aIndex the index where we want to enqueue. It should come from the
   * empty queue
   * */

  void MarkSlot(std::atomic<uint64_t>& aSlotStatus, uint64_t aIndex) {
    uint64_t current = aSlotStatus.load(std::memory_order_relaxed);
    do {
      // Attempts to find a slot that is available to enqueue, without
      // cross-thread synchronization
      auto empty = [&]() -> std::optional<uint64_t> {
        for (uint64_t i = 0; i < Capacity(); ++i) {
          if (Get(current, i) == 0) {
            return i;
          }
        }
        return {};
      }();
      if (!empty.has_value()) {
        // Rust does expect() which would panic:
        // https://docs.rs/signal-hook/0.3.17/src/signal_hook/low_level/channel.rs.html#62
        // If there's no empty place, then it would be up to the caller to deal
        // with that
        MOZ_CRASH("No empty slot available");
      }
      uint64_t modified = Set(current, *empty, aIndex);
      // This is where the lock-free synchronization happens ; if `current`
      // matches the content of `aSlotStatus`, then store `modified` in
      // aSlotStatus and succeeds. Upon success it means no other thread has
      // tried to change the same value at the same time, so the lock was safely
      // acquired.
      //
      // Upon failure, it means another thread tried at the same time to use the
      // same slot, so a new iteration of the loop needs to be executed to try
      // another slot.
      //
      // In case of success (`aSlotStatus`'s content is equal to `current`), we
      // require memory_order_release for the read-modify-write operation
      // because we want to make sure when acquiring a slot that any concurrent
      // thread performing a write had a chance to do it.
      //
      // In case of failure we require memory_order_relaxed for the load
      // operation because we dont need synchronization at that point.
      if (aSlotStatus.compare_exchange_weak(current, modified,
                                            std::memory_order_release,
                                            std::memory_order_relaxed)) {
        if constexpr (MPSC_DEBUG) {
          fprintf(stderr,
                  "[enqueue] modified=0x%" PRIx64 " => index=%" PRIu64 "\n",
                  modified, aIndex);
        }
        return;
      }
    } while (true);
  }

  /*
   * Dequeue a value from the ring buffer.
   *
   * Takes the current value from the uint64_t atomic and read the current index
   * out of it. If that index is 0 then we are facing a lack of slots and we
   * return, the caller MUST check this and deal with the situation. If the
   * index is non null we can try to acquire the matching slot in the ring
   * buffer thanks to the compare/exchange loop. When the compare/exchange call
   * succeeds, then the slot was acquired.
   *
   * @param aSlotStatus a uint64_t atomic that is used to perform lock-free
   * thread exclusions
   * */

  [[nodiscard]] std::optional<uint64_t> UnmarkSlot(
      std::atomic<uint64_t>& aSlotStatus) {
    uint64_t current = aSlotStatus.load(std::memory_order_relaxed);
    do {
      uint64_t index = current & mMask;
      if (index == 0) {
        // Return a None
        // https://docs.rs/signal-hook/0.3.17/src/signal_hook/low_level/channel.rs.html#77
        // If we return None while dequeuing on mFree then we are full and the
        // caller needs to deal with that.
        return {};
      }
      uint64_t modified = current >> mBits;
      // See the comment in MarkSlot for details
      //
      // In case of success (`aSlotStatus`'s content is equal to `current`), we
      // require memory_order_acquire for the read-modify-write operation
      // because we want to make sure when unmarking a slot that any concurrent
      // thread performing a read will see the value we are writing.
      //
      // In case of failure we require memory_order_relaxed for the load
      // operation because we dont need synchronization at that point.
      if (aSlotStatus.compare_exchange_weak(current, modified,
                                            std::memory_order_acquire,
                                            std::memory_order_relaxed)) {
        if constexpr (MPSC_DEBUG) {
          fprintf(stderr,
                  "[dequeue] current=0x%" PRIx64 " => index=%" PRIu64 "\n",
                  current, index);
        }
        return index;
      }
    } while (true);
    return {};
  }

  // Return the number of elements we can store within the ring buffer, whereas
  // Capacity() will return the amount of elements in mData, including the 0
  // value.
  [[nodiscard]] size_t StorageCapacity() const { return mCapacity; }

  // For the atomics below they are manipulated by Get()/Set(), and we are using
  // them to store the IDs of the ring buffer usage (empty/full).
  //
  // We use mBits bits to store an ID (so we are limited to 16 and 0 is
  // reserved) and append each of them to the atomics.
  //
  // A 0 value in one of those denotes we are full for the atomic, i.e.,
  // mFree=0 means we are full and mOccupied=0 means we are empty.

  // Holds the IDs of the free slots in the ring buffer
  std::atomic<uint64_t> mFree;

  // Holds the IDs of the occupied slots in the ring buffer
  std::atomic<uint64_t> mOccupied;

  const size_t mCapacity;

  // The actual ring buffer
  std::unique_ptr<T[]> mData;

  // How we are using the uint64_t atomic above to store the IDs of the ring
  // buffer.
  static const uint64_t mBits = 4;
  static const uint64_t mMask = 0b1111;
};

/**
 * Instantiation of the `MPSCRingBufferBase` type. This is safe to use from
 * several producers threads and one one consumer (that never changes role),
 * without explicit synchronization nor allocation (outside of the constructor).
 */

template <typename T>
using MPSCQueue = MPSCRingBufferBase<T>;

}  // namespace mozilla

#endif  // mozilla_MPSCQueue_h

85%


¤ Dauer der Verarbeitung: 0.31 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤

*© Formatika GbR, Deutschland






Wurzel

Suchen

Beweissystem der NASA

Beweissystem Isabelle

NIST Cobol Testsuite

Cephes Mathematical Library

Wiener Entwicklungsmethode

Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.

Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.