shm_mq: Reduce spinlock usage.
authorRobert Haas <rhaas@postgresql.org>
Fri, 2 Mar 2018 17:16:59 +0000 (12:16 -0500)
committerRobert Haas <rhaas@postgresql.org>
Fri, 2 Mar 2018 17:16:59 +0000 (12:16 -0500)
Previously, mq_bytes_read and mq_bytes_written were protected by the
spinlock, but that turns out to cause pretty serious spinlock
contention on queries which send many tuples through a Gather or
Gather Merge node.  This patches changes things so that we instead
read and write those values using 8-byte atomics.  Since mq_bytes_read
can only be changed by the receiver and mq_bytes_written can only be
changed by the sender, the only purpose of the spinlock is to prevent
reads and writes of these values from being torn on platforms where
8-byte memory access is not atomic, making the conversion fairly
straightforward.

Testing shows that this produces some slowdown if we're using emulated
64-bit atomics, but since they should be available on any platform
where performance is a primary concern, that seems OK.  It's faster,
sometimes a lot faster, on platforms where such atomics are available.

Patch by me, reviewed by Andres Freund, who also suggested the
design.  Also tested by Rafia Sabih.

Discussion: http://postgr.es/m/CA+TgmoYuK0XXxmUNTFT9TSNiBtWnRwasBcHHRCOK9iYmDLQVPg@mail.gmail.com

src/backend/storage/ipc/shm_mq.c

index 5a2a16c995d6108a1d3b1d3c1ac66a73db34ce13..5e33b9dfc69f1db2b9ce0da779e0d9361a31f513 100644 (file)
  * Some notes on synchronization:
  *
  * mq_receiver and mq_bytes_read can only be changed by the receiver; and
- * mq_sender and mq_bytes_written can only be changed by the sender.  However,
- * because most of these fields are 8 bytes and we don't assume that 8 byte
- * reads and writes are atomic, the spinlock must be taken whenever the field
- * is updated, and whenever it is read by a process other than the one allowed
- * to modify it. But the process that is allowed to modify it is also allowed
- * to read it without the lock.  On architectures where 8-byte writes are
- * atomic, we could replace these spinlocks with memory barriers, but
- * testing found no performance benefit, so it seems best to keep things
- * simple for now.
+ * mq_sender and mq_bytes_written can only be changed by the sender.
+ * mq_receiver and mq_sender are protected by mq_mutex, although, importantly,
+ * they cannot change once set, and thus may be read without a lock once this
+ * is known to be the case.
  *
- * mq_detached can be set by either the sender or the receiver, so the mutex
- * must be held to read or write it.  Memory barriers could be used here as
- * well, if needed.
+ * mq_bytes_read and mq_bytes_written are not protected by the mutex.  Instead,
+ * they are written atomically using 8 byte loads and stores.  Memory barriers
+ * must be carefully used to synchronize reads and writes of these values with
+ * reads and writes of the actual data in mq_ring.
+ *
+ * mq_detached needs no locking.  It can be set by either the sender or the
+ * receiver, but only ever from false to true, so redundant writes don't
+ * matter.  It is important that if we set mq_detached and then set the
+ * counterparty's latch, the counterparty must be certain to see the change
+ * after waking up.  Since SetLatch begins with a memory barrier and ResetLatch
+ * ends with one, this should be OK.
  *
  * mq_ring_size and mq_ring_offset never change after initialization, and
  * can therefore be read without the lock.
  *
- * Importantly, mq_ring can be safely read and written without a lock.  Were
- * this not the case, we'd have to hold the spinlock for much longer
- * intervals, and performance might suffer.  Fortunately, that's not
- * necessary.  At any given time, the difference between mq_bytes_read and
+ * Importantly, mq_ring can be safely read and written without a lock.
+ * At any given time, the difference between mq_bytes_read and
  * mq_bytes_written defines the number of bytes within mq_ring that contain
  * unread data, and mq_bytes_read defines the position where those bytes
  * begin.  The sender can increase the number of unread bytes at any time,
@@ -71,8 +72,8 @@ struct shm_mq
    slock_t     mq_mutex;
    PGPROC     *mq_receiver;
    PGPROC     *mq_sender;
-   uint64      mq_bytes_read;
-   uint64      mq_bytes_written;
+   pg_atomic_uint64 mq_bytes_read;
+   pg_atomic_uint64 mq_bytes_written;
    Size        mq_ring_size;
    bool        mq_detached;
    uint8       mq_ring_offset;
@@ -150,11 +151,8 @@ static bool shm_mq_counterparty_gone(shm_mq *mq,
                         BackgroundWorkerHandle *handle);
 static bool shm_mq_wait_internal(shm_mq *mq, PGPROC **ptr,
                     BackgroundWorkerHandle *handle);
-static uint64 shm_mq_get_bytes_read(shm_mq *mq, bool *detached);
 static void shm_mq_inc_bytes_read(shm_mq *mq, Size n);
-static uint64 shm_mq_get_bytes_written(shm_mq *mq, bool *detached);
 static void shm_mq_inc_bytes_written(shm_mq *mq, Size n);
-static shm_mq_result shm_mq_notify_receiver(shm_mq *mq);
 static void shm_mq_detach_callback(dsm_segment *seg, Datum arg);
 
 /* Minimum queue size is enough for header and at least one chunk of data. */
@@ -182,8 +180,8 @@ shm_mq_create(void *address, Size size)
    SpinLockInit(&mq->mq_mutex);
    mq->mq_receiver = NULL;
    mq->mq_sender = NULL;
-   mq->mq_bytes_read = 0;
-   mq->mq_bytes_written = 0;
+   pg_atomic_init_u64(&mq->mq_bytes_read, 0);
+   pg_atomic_init_u64(&mq->mq_bytes_written, 0);
    mq->mq_ring_size = size - data_offset;
    mq->mq_detached = false;
    mq->mq_ring_offset = data_offset - offsetof(shm_mq, mq_ring);
@@ -348,6 +346,7 @@ shm_mq_sendv(shm_mq_handle *mqh, shm_mq_iovec *iov, int iovcnt, bool nowait)
 {
    shm_mq_result res;
    shm_mq     *mq = mqh->mqh_queue;
+   PGPROC     *receiver;
    Size        nbytes = 0;
    Size        bytes_written;
    int         i;
@@ -488,8 +487,30 @@ shm_mq_sendv(shm_mq_handle *mqh, shm_mq_iovec *iov, int iovcnt, bool nowait)
    mqh->mqh_partial_bytes = 0;
    mqh->mqh_length_word_complete = false;
 
+   /* If queue has been detached, let caller know. */
+   if (mq->mq_detached)
+       return SHM_MQ_DETACHED;
+
+   /*
+    * If the counterpary is known to have attached, we can read mq_receiver
+    * without acquiring the spinlock and assume it isn't NULL.  Otherwise,
+    * more caution is needed.
+    */
+   if (mqh->mqh_counterparty_attached)
+       receiver = mq->mq_receiver;
+   else
+   {
+       SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
+       receiver = mq->mq_receiver;
+       SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
+       if (receiver == NULL)
+           return SHM_MQ_SUCCESS;
+       mqh->mqh_counterparty_attached = true;
+   }
+
    /* Notify receiver of the newly-written data, and return. */
-   return shm_mq_notify_receiver(mq);
+   SetLatch(&receiver->procLatch);
+   return SHM_MQ_SUCCESS;
 }
 
 /*
@@ -843,18 +864,28 @@ shm_mq_send_bytes(shm_mq_handle *mqh, Size nbytes, const void *data,
 
    while (sent < nbytes)
    {
-       bool        detached;
        uint64      rb;
+       uint64      wb;
 
        /* Compute number of ring buffer bytes used and available. */
-       rb = shm_mq_get_bytes_read(mq, &detached);
-       Assert(mq->mq_bytes_written >= rb);
-       used = mq->mq_bytes_written - rb;
+       rb = pg_atomic_read_u64(&mq->mq_bytes_read);
+       wb = pg_atomic_read_u64(&mq->mq_bytes_written);
+       Assert(wb >= rb);
+       used = wb - rb;
        Assert(used <= ringsize);
        available = Min(ringsize - used, nbytes - sent);
 
-       /* Bail out if the queue has been detached. */
-       if (detached)
+       /*
+        * Bail out if the queue has been detached.  Note that we would be in
+        * trouble if the compiler decided to cache the value of
+        * mq->mq_detached in a register or on the stack across loop
+        * iterations.  It probably shouldn't do that anyway since we'll
+        * always return, call an external function that performs a system
+        * call, or reach a memory barrier at some point later in the loop,
+        * but just to be sure, insert a compiler barrier here.
+        */
+       pg_compiler_barrier();
+       if (mq->mq_detached)
        {
            *bytes_written = sent;
            return SHM_MQ_DETACHED;
@@ -895,15 +926,13 @@ shm_mq_send_bytes(shm_mq_handle *mqh, Size nbytes, const void *data,
        }
        else if (available == 0)
        {
-           shm_mq_result res;
-
-           /* Let the receiver know that we need them to read some data. */
-           res = shm_mq_notify_receiver(mq);
-           if (res != SHM_MQ_SUCCESS)
-           {
-               *bytes_written = sent;
-               return res;
-           }
+           /*
+            * Since mq->mqh_counterparty_attached is known to be true at this
+            * point, mq_receiver has been set, and it can't change once set.
+            * Therefore, we can read it without acquiring the spinlock.
+            */
+           Assert(mqh->mqh_counterparty_attached);
+           SetLatch(&mq->mq_receiver->procLatch);
 
            /* Skip manipulation of our latch if nowait = true. */
            if (nowait)
@@ -929,10 +958,20 @@ shm_mq_send_bytes(shm_mq_handle *mqh, Size nbytes, const void *data,
        }
        else
        {
-           Size        offset = mq->mq_bytes_written % (uint64) ringsize;
-           Size        sendnow = Min(available, ringsize - offset);
+           Size        offset;
+           Size        sendnow;
 
-           /* Write as much data as we can via a single memcpy(). */
+           offset = wb % (uint64) ringsize;
+           sendnow = Min(available, ringsize - offset);
+
+           /*
+            * Write as much data as we can via a single memcpy(). Make sure
+            * these writes happen after the read of mq_bytes_read, above.
+            * This barrier pairs with the one in shm_mq_inc_bytes_read.
+            * (Since we're separating the read of mq_bytes_read from a
+            * subsequent write to mq_ring, we need a full barrier here.)
+            */
+           pg_memory_barrier();
            memcpy(&mq->mq_ring[mq->mq_ring_offset + offset],
                   (char *) data + sent, sendnow);
            sent += sendnow;
@@ -978,19 +1017,27 @@ shm_mq_receive_bytes(shm_mq *mq, Size bytes_needed, bool nowait,
    for (;;)
    {
        Size        offset;
-       bool        detached;
+       uint64      read;
 
        /* Get bytes written, so we can compute what's available to read. */
-       written = shm_mq_get_bytes_written(mq, &detached);
-       used = written - mq->mq_bytes_read;
+       written = pg_atomic_read_u64(&mq->mq_bytes_written);
+       read = pg_atomic_read_u64(&mq->mq_bytes_read);
+       used = written - read;
        Assert(used <= ringsize);
-       offset = mq->mq_bytes_read % (uint64) ringsize;
+       offset = read % (uint64) ringsize;
 
        /* If we have enough data or buffer has wrapped, we're done. */
        if (used >= bytes_needed || offset + used >= ringsize)
        {
            *nbytesp = Min(used, ringsize - offset);
            *datap = &mq->mq_ring[mq->mq_ring_offset + offset];
+
+           /*
+            * Separate the read of mq_bytes_written, above, from caller's
+            * attempt to read the data itself.  Pairs with the barrier in
+            * shm_mq_inc_bytes_written.
+            */
+           pg_read_barrier();
            return SHM_MQ_SUCCESS;
        }
 
@@ -1002,7 +1049,7 @@ shm_mq_receive_bytes(shm_mq *mq, Size bytes_needed, bool nowait,
         * receiving a message stored in the buffer even after the sender has
         * detached.
         */
-       if (detached)
+       if (mq->mq_detached)
            return SHM_MQ_DETACHED;
 
        /* Skip manipulation of our latch if nowait = true. */
@@ -1032,16 +1079,10 @@ shm_mq_receive_bytes(shm_mq *mq, Size bytes_needed, bool nowait,
 static bool
 shm_mq_counterparty_gone(shm_mq *mq, BackgroundWorkerHandle *handle)
 {
-   bool        detached;
    pid_t       pid;
 
-   /* Acquire the lock just long enough to check the pointer. */
-   SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
-   detached = mq->mq_detached;
-   SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
-
    /* If the queue has been detached, counterparty is definitely gone. */
-   if (detached)
+   if (mq->mq_detached)
        return true;
 
    /* If there's a handle, check worker status. */
@@ -1054,9 +1095,7 @@ shm_mq_counterparty_gone(shm_mq *mq, BackgroundWorkerHandle *handle)
        if (status != BGWH_STARTED && status != BGWH_NOT_YET_STARTED)
        {
            /* Mark it detached, just to make it official. */
-           SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
            mq->mq_detached = true;
-           SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
            return true;
        }
    }
@@ -1085,16 +1124,14 @@ shm_mq_wait_internal(shm_mq *mq, PGPROC **ptr, BackgroundWorkerHandle *handle)
    {
        BgwHandleStatus status;
        pid_t       pid;
-       bool        detached;
 
        /* Acquire the lock just long enough to check the pointer. */
        SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
-       detached = mq->mq_detached;
        result = (*ptr != NULL);
        SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
 
        /* Fail if detached; else succeed if initialized. */
-       if (detached)
+       if (mq->mq_detached)
        {
            result = false;
            break;
@@ -1126,23 +1163,6 @@ shm_mq_wait_internal(shm_mq *mq, PGPROC **ptr, BackgroundWorkerHandle *handle)
    return result;
 }
 
-/*
- * Get the number of bytes read.  The receiver need not use this to access
- * the count of bytes read, but the sender must.
- */
-static uint64
-shm_mq_get_bytes_read(shm_mq *mq, bool *detached)
-{
-   uint64      v;
-
-   SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
-   v = mq->mq_bytes_read;
-   *detached = mq->mq_detached;
-   SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
-
-   return v;
-}
-
 /*
  * Increment the number of bytes read.
  */
@@ -1151,63 +1171,50 @@ shm_mq_inc_bytes_read(shm_mq *mq, Size n)
 {
    PGPROC     *sender;
 
-   SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
-   mq->mq_bytes_read += n;
+   /*
+    * Separate prior reads of mq_ring from the increment of mq_bytes_read
+    * which follows.  Pairs with the full barrier in shm_mq_send_bytes(). We
+    * only need a read barrier here because the increment of mq_bytes_read is
+    * actually a read followed by a dependent write.
+    */
+   pg_read_barrier();
+
+   /*
+    * There's no need to use pg_atomic_fetch_add_u64 here, because nobody
+    * else can be changing this value.  This method should be cheaper.
+    */
+   pg_atomic_write_u64(&mq->mq_bytes_read,
+                       pg_atomic_read_u64(&mq->mq_bytes_read) + n);
+
+   /*
+    * We shouldn't have any bytes to read without a sender, so we can read
+    * mq_sender here without a lock.  Once it's initialized, it can't change.
+    */
    sender = mq->mq_sender;
-   SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
-
-   /* We shouldn't have any bytes to read without a sender. */
    Assert(sender != NULL);
    SetLatch(&sender->procLatch);
 }
 
-/*
- * Get the number of bytes written.  The sender need not use this to access
- * the count of bytes written, but the receiver must.
- */
-static uint64
-shm_mq_get_bytes_written(shm_mq *mq, bool *detached)
-{
-   uint64      v;
-
-   SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
-   v = mq->mq_bytes_written;
-   *detached = mq->mq_detached;
-   SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
-
-   return v;
-}
-
 /*
  * Increment the number of bytes written.
  */
 static void
 shm_mq_inc_bytes_written(shm_mq *mq, Size n)
 {
-   SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
-   mq->mq_bytes_written += n;
-   SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
-}
-
-/*
- * Set receiver's latch, unless queue is detached.
- */
-static shm_mq_result
-shm_mq_notify_receiver(shm_mq *mq)
-{
-   PGPROC     *receiver;
-   bool        detached;
-
-   SpinLockAcquire(&mq->mq_mutex);
-   detached = mq->mq_detached;
-   receiver = mq->mq_receiver;
-   SpinLockRelease(&mq->mq_mutex);
-
-   if (detached)
-       return SHM_MQ_DETACHED;
-   if (receiver)
-       SetLatch(&receiver->procLatch);
-   return SHM_MQ_SUCCESS;
+   /*
+    * Separate prior reads of mq_ring from the write of mq_bytes_written
+    * which we're about to do.  Pairs with the read barrier found in
+    * shm_mq_get_receive_bytes.
+    */
+   pg_write_barrier();
+
+   /*
+    * There's no need to use pg_atomic_fetch_add_u64 here, because nobody
+    * else can be changing this value.  This method avoids taking the bus
+    * lock unnecessarily.
+    */
+   pg_atomic_write_u64(&mq->mq_bytes_written,
+                       pg_atomic_read_u64(&mq->mq_bytes_written) + n);
 }
 
 /* Shim for on_dsm_callback. */