Quelle  test_lru_dist.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
/*
 * Copyright (c) 2016 Facebook
 */
#define _GNU_SOURCE
#include <linux/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/bpf.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sched.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

#include <bpf/bpf.h>
#include "bpf_util.h"

#define min(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
#ifndef offsetof
# define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t)&((TYPE *)0)->MEMBER)
#endif
#define container_of(ptr, type, member) ({   \
 const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
 (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

static int nr_cpus;
static unsigned long long *dist_keys;
static unsigned int dist_key_counts;

struct list_head {
 struct list_head *next, *prev;
};

static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
 list->next = list;
 list->prev = list;
}

static inline void __list_add(struct list_head *new,
         struct list_head *prev,
         struct list_head *next)
{
 next->prev = new;
 new->next = next;
 new->prev = prev;
 prev->next = new;
}

static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
 __list_add(new, head, head->next);
}

static inline void __list_del(struct list_head *prev, struct list_head *next)
{
 next->prev = prev;
 prev->next = next;
}

static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{
 __list_del(entry->prev, entry->next);
}

static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
 __list_del_entry(list);
 list_add(list, head);
}

#define list_entry(ptr, type, member) \
 container_of(ptr, type, member)

#define list_last_entry(ptr, type, member) \
 list_entry((ptr)->prev, type, member)

struct pfect_lru_node {
 struct list_head list;
 unsigned long long key;
};

struct pfect_lru {
 struct list_head list;
 struct pfect_lru_node *free_nodes;
 unsigned int cur_size;
 unsigned int lru_size;
 unsigned int nr_unique;
 unsigned int nr_misses;
 unsigned int total;
 int map_fd;
};

static void pfect_lru_init(struct pfect_lru *lru, unsigned int lru_size,
      unsigned int nr_possible_elems)
{
 lru->map_fd = bpf_map_create(BPF_MAP_TYPE_HASH, NULL,
         sizeof(unsigned long long),
         sizeof(struct pfect_lru_node *),
         nr_possible_elems, NULL);
 assert(lru->map_fd != -1);

 lru->free_nodes = malloc(lru_size * sizeof(struct pfect_lru_node));
 assert(lru->free_nodes);

 INIT_LIST_HEAD(&lru->list);
 lru->cur_size = 0;
 lru->lru_size = lru_size;
 lru->nr_unique = lru->nr_misses = lru->total = 0;
}

static void pfect_lru_destroy(struct pfect_lru *lru)
{
 close(lru->map_fd);
 free(lru->free_nodes);
}

static int pfect_lru_lookup_or_insert(struct pfect_lru *lru,
          unsigned long long key)
{
 struct pfect_lru_node *node = NULL;
 int seen = 0;

 lru->total++;
 if (!bpf_map_lookup_elem(lru->map_fd, &key, &node)) {
  if (node) {
   list_move(&node->list, &lru->list);
   return 1;
  }
  seen = 1;
 }

 if (lru->cur_size < lru->lru_size) {
  node =  &lru->free_nodes[lru->cur_size++];
  INIT_LIST_HEAD(&node->list);
 } else {
  struct pfect_lru_node *null_node = NULL;

  node = list_last_entry(&lru->list,
           struct pfect_lru_node,
           list);
  bpf_map_update_elem(lru->map_fd, &node->key, &null_node, BPF_EXIST);
 }

 node->key = key;
 list_move(&node->list, &lru->list);

 lru->nr_misses++;
 if (seen) {
  assert(!bpf_map_update_elem(lru->map_fd, &key, &node, BPF_EXIST));
 } else {
  lru->nr_unique++;
  assert(!bpf_map_update_elem(lru->map_fd, &key, &node, BPF_NOEXIST));
 }

 return seen;
}

static unsigned int read_keys(const char *dist_file,
         unsigned long long **keys)
{
 struct stat fst;
 unsigned long long *retkeys;
 unsigned int counts = 0;
 int dist_fd;
 char *b, *l;
 int i;

 dist_fd = open(dist_file, 0);
 assert(dist_fd != -1);

 assert(fstat(dist_fd, &fst) == 0);
 b = malloc(fst.st_size);
 assert(b);

 assert(read(dist_fd, b, fst.st_size) == fst.st_size);
 close(dist_fd);
 for (i = 0; i < fst.st_size; i++) {
  if (b[i] == '\n')
   counts++;
 }
 counts++; /* in case the last line has no \n */

 retkeys = malloc(counts * sizeof(unsigned long long));
 assert(retkeys);

 counts = 0;
 for (l = strtok(b, "\n"); l; l = strtok(NULL, "\n"))
  retkeys[counts++] = strtoull(l, NULL, 10);
 free(b);

 *keys = retkeys;

 return counts;
}

static int create_map(int map_type, int map_flags, unsigned int size)
{
 LIBBPF_OPTS(bpf_map_create_opts, opts,
  .map_flags = map_flags,
 );
 int map_fd;

 map_fd = bpf_map_create(map_type, NULL, sizeof(unsigned long long),
    sizeof(unsigned long long), size, &opts);

 if (map_fd == -1)
  perror("bpf_create_map");

 return map_fd;
}

static int sched_next_online(int pid, int next_to_try)
{
 cpu_set_t cpuset;

 if (next_to_try == nr_cpus)
  return -1;

 while (next_to_try < nr_cpus) {
  CPU_ZERO(&cpuset);
  CPU_SET(next_to_try++, &cpuset);
  if (!sched_setaffinity(pid, sizeof(cpuset), &cpuset))
   break;
 }

 return next_to_try;
}

static void run_parallel(unsigned int tasks, void (*fn)(int i, void *data),
    void *data)
{
 int next_sched_cpu = 0;
 pid_t pid[tasks];
 int i;

 for (i = 0; i < tasks; i++) {
  pid[i] = fork();
  if (pid[i] == 0) {
   next_sched_cpu = sched_next_online(0, next_sched_cpu);
   fn(i, data);
   exit(0);
  } else if (pid[i] == -1) {
   printf("couldn't spawn #%d process\n", i);
   exit(1);
  }
  /* It is mostly redundant and just allow the parent
 * process to update next_shced_cpu for the next child
 * process
 */
  next_sched_cpu = sched_next_online(pid[i], next_sched_cpu);
 }
 for (i = 0; i < tasks; i++) {
  int status;

  assert(waitpid(pid[i], &status, 0) == pid[i]);
  assert(status == 0);
 }
}

static void do_test_lru_dist(int task, void *data)
{
 unsigned int nr_misses = 0;
 struct pfect_lru pfect_lru;
 unsigned long long key, value = 1234;
 unsigned int i;

 unsigned int lru_map_fd = ((unsigned int *)data)[0];
 unsigned int lru_size = ((unsigned int *)data)[1];
 unsigned long long key_offset = task * dist_key_counts;

 pfect_lru_init(&pfect_lru, lru_size, dist_key_counts);

 for (i = 0; i < dist_key_counts; i++) {
  key = dist_keys[i] + key_offset;

  pfect_lru_lookup_or_insert(&pfect_lru, key);

  if (!bpf_map_lookup_elem(lru_map_fd, &key, &value))
   continue;

  if (bpf_map_update_elem(lru_map_fd, &key, &value, BPF_NOEXIST)) {
   printf("bpf_map_update_elem(lru_map_fd, %llu): errno:%d\n",
          key, errno);
   assert(0);
  }

  nr_misses++;
 }

 printf(" task:%d BPF LRU: nr_unique:%u(/%u) nr_misses:%u(/%u)\n",
        task, pfect_lru.nr_unique, dist_key_counts, nr_misses,
        dist_key_counts);
 printf(" task:%d Perfect LRU: nr_unique:%u(/%u) nr_misses:%u(/%u)\n",
        task, pfect_lru.nr_unique, pfect_lru.total,
        pfect_lru.nr_misses, pfect_lru.total);

 pfect_lru_destroy(&pfect_lru);
 close(lru_map_fd);
}

static void test_parallel_lru_dist(int map_type, int map_flags,
       int nr_tasks, unsigned int lru_size)
{
 int child_data[2];
 int lru_map_fd;

 printf("%s (map_type:%d map_flags:0x%X):\n", __func__, map_type,
        map_flags);

 if (map_flags & BPF_F_NO_COMMON_LRU)
  lru_map_fd = create_map(map_type, map_flags,
     nr_cpus * lru_size);
 else
  lru_map_fd = create_map(map_type, map_flags,
     nr_tasks * lru_size);
 assert(lru_map_fd != -1);

 child_data[0] = lru_map_fd;
 child_data[1] = lru_size;

 run_parallel(nr_tasks, do_test_lru_dist, child_data);

 close(lru_map_fd);
}

static void test_lru_loss0(int map_type, int map_flags)
{
 unsigned long long key, value[nr_cpus];
 unsigned int old_unused_losses = 0;
 unsigned int new_unused_losses = 0;
 unsigned int used_losses = 0;
 int map_fd;

 printf("%s (map_type:%d map_flags:0x%X): ", __func__, map_type,
        map_flags);

 assert(sched_next_online(0, 0) != -1);

 if (map_flags & BPF_F_NO_COMMON_LRU)
  map_fd = create_map(map_type, map_flags, 900 * nr_cpus);
 else
  map_fd = create_map(map_type, map_flags, 900);

 assert(map_fd != -1);

 value[0] = 1234;

 for (key = 1; key <= 1000; key++) {
  int start_key, end_key;

  assert(bpf_map_update_elem(map_fd, &key, value, BPF_NOEXIST) == 0);

  start_key = 101;
  end_key = min(key, 900);

  while (start_key <= end_key) {
   bpf_map_lookup_elem(map_fd, &start_key, value);
   start_key++;
  }
 }

 for (key = 1; key <= 1000; key++) {
  if (bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, value)) {
   if (key <= 100)
    old_unused_losses++;
   else if (key <= 900)
    used_losses++;
   else
    new_unused_losses++;
  }
 }

 close(map_fd);

 printf("older-elem-losses:%d(/100) active-elem-losses:%d(/800) "
        "newer-elem-losses:%d(/100)\n",
        old_unused_losses, used_losses, new_unused_losses);
}

static void test_lru_loss1(int map_type, int map_flags)
{
 unsigned long long key, value[nr_cpus];
 int map_fd;
 unsigned int nr_losses = 0;

 printf("%s (map_type:%d map_flags:0x%X): ", __func__, map_type,
        map_flags);

 assert(sched_next_online(0, 0) != -1);

 if (map_flags & BPF_F_NO_COMMON_LRU)
  map_fd = create_map(map_type, map_flags, 1000 * nr_cpus);
 else
  map_fd = create_map(map_type, map_flags, 1000);

 assert(map_fd != -1);

 value[0] = 1234;

 for (key = 1; key <= 1000; key++)
  assert(!bpf_map_update_elem(map_fd, &key, value, BPF_NOEXIST));

 for (key = 1; key <= 1000; key++) {
  if (bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, value))
   nr_losses++;
 }

 close(map_fd);

 printf("nr_losses:%d(/1000)\n", nr_losses);
}

static void do_test_parallel_lru_loss(int task, void *data)
{
 const unsigned int nr_stable_elems = 1000;
 const unsigned int nr_repeats = 100000;

 int map_fd = *(int *)data;
 unsigned long long stable_base;
 unsigned long long key, value[nr_cpus];
 unsigned long long next_ins_key;
 unsigned int nr_losses = 0;
 unsigned int i;

 stable_base = task * nr_repeats * 2 + 1;
 next_ins_key = stable_base;
 value[0] = 1234;
 for (i = 0; i < nr_stable_elems; i++) {
  assert(bpf_map_update_elem(map_fd, &next_ins_key, value,
           BPF_NOEXIST) == 0);
  next_ins_key++;
 }

 for (i = 0; i < nr_repeats; i++) {
  int rn;

  rn = rand();

  if (rn % 10) {
   key = rn % nr_stable_elems + stable_base;
   bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, value);
  } else {
   bpf_map_update_elem(map_fd, &next_ins_key, value,
     BPF_NOEXIST);
   next_ins_key++;
  }
 }

 key = stable_base;
 for (i = 0; i < nr_stable_elems; i++) {
  if (bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, value))
   nr_losses++;
  key++;
 }

 printf(" task:%d nr_losses:%u\n", task, nr_losses);
}

static void test_parallel_lru_loss(int map_type, int map_flags, int nr_tasks)
{
 int map_fd;

 printf("%s (map_type:%d map_flags:0x%X):\n", __func__, map_type,
        map_flags);

 /* Give 20% more than the active working set */
 if (map_flags & BPF_F_NO_COMMON_LRU)
  map_fd = create_map(map_type, map_flags,
        nr_cpus * (1000 + 200));
 else
  map_fd = create_map(map_type, map_flags,
        nr_tasks * (1000 + 200));

 assert(map_fd != -1);

 run_parallel(nr_tasks, do_test_parallel_lru_loss, &map_fd);

 close(map_fd);
}

int main(int argc, char **argv)
{
 int map_flags[] = {0, BPF_F_NO_COMMON_LRU};
 const char *dist_file;
 int nr_tasks = 1;
 int lru_size;
 int f;

 if (argc < 4) {
  printf("Usage: %s \n",
         argv[0]);
  return -1;
 }

 dist_file = argv[1];
 lru_size = atoi(argv[2]);
 nr_tasks = atoi(argv[3]);

 setbuf(stdout, NULL);

 srand(time(NULL));

 nr_cpus = bpf_num_possible_cpus();
 assert(nr_cpus != -1);
 printf("nr_cpus:%d\n\n", nr_cpus);

 nr_tasks = min(nr_tasks, nr_cpus);

 dist_key_counts = read_keys(dist_file, &dist_keys);
 if (!dist_key_counts) {
  printf("%s has no key\n", dist_file);
  return -1;
 }

 for (f = 0; f < ARRAY_SIZE(map_flags); f++) {
  test_lru_loss0(BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH, map_flags[f]);
  test_lru_loss1(BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH, map_flags[f]);
  test_parallel_lru_loss(BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH, map_flags[f],
           nr_tasks);
  test_parallel_lru_dist(BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH, map_flags[f],
           nr_tasks, lru_size);
  printf("\n");
 }

 free(dist_keys);

 return 0;
}