Documentation/static-keys.txt

   1                         Static Keys
   2                         -----------
   3
   4 By: Jason Baron <jbaron@redhat.com>
   5
   6 0) Abstract
   7
   8 Static keys allows the inclusion of seldom used features in
   9 performance-sensitive fast-path kernel code, via a GCC feature and a code
  10 patching technique. A quick example:
  11
  12         struct static_key key = STATIC_KEY_INIT_FALSE;
  13
  14         ...
  15
  16         if (static_key_false(&key))
  17                 do unlikely code
  18         else
  19                 do likely code
  20
  21         ...
  22         static_key_slow_inc();
  23         ...
  24         static_key_slow_inc();
  25         ...
  26
  27 The static_key_false() branch will be generated into the code with as little
  28 impact to the likely code path as possible.
  29
  30
  31 1) Motivation
  32
  33
  34 Currently, tracepoints are implemented using a conditional branch. The
  35 conditional check requires checking a global variable for each tracepoint.
  36 Although the overhead of this check is small, it increases when the memory
  37 cache comes under pressure (memory cache lines for these global variables may
  38 be shared with other memory accesses). As we increase the number of tracepoints
  39 in the kernel this overhead may become more of an issue. In addition,
  40 tracepoints are often dormant (disabled) and provide no direct kernel
  41 functionality. Thus, it is highly desirable to reduce their impact as much as
  42 possible. Although tracepoints are the original motivation for this work, other
  43 kernel code paths should be able to make use of the static keys facility.
  44
  45
  46 2) Solution
  47
  48
  49 gcc (v4.5) adds a new 'asm goto' statement that allows branching to a label:
  50
  51 http://gcc.gnu.org/ml/gcc-patches/2009-07/msg01556.html
  52
  53 Using the 'asm goto', we can create branches that are either taken or not taken
  54 by default, without the need to check memory. Then, at run-time, we can patch
  55 the branch site to change the branch direction.
  56
  57 For example, if we have a simple branch that is disabled by default:
  58
  59         if (static_key_false(&key))
  60                 printk("I am the true branch\n");
  61
  62 Thus, by default the 'printk' will not be emitted. And the code generated will
  63 consist of a single atomic 'no-op' instruction (5 bytes on x86), in the
  64 straight-line code path. When the branch is 'flipped', we will patch the
  65 'no-op' in the straight-line codepath with a 'jump' instruction to the
  66 out-of-line true branch. Thus, changing branch direction is expensive but
  67 branch selection is basically 'free'. That is the basic tradeoff of this
  68 optimization.
  69
  70 This lowlevel patching mechanism is called 'jump label patching', and it gives
  71 the basis for the static keys facility.
  72
  73 3) Static key label API, usage and examples:
  74
  75
  76 In order to make use of this optimization you must first define a key:
  77
  78         struct static_key key;
  79
  80 Which is initialized as:
  81
  82         struct static_key key = STATIC_KEY_INIT_TRUE;
  83
  84 or:
  85
  86         struct static_key key = STATIC_KEY_INIT_FALSE;
  87
  88 If the key is not initialized, it is default false. The 'struct static_key',
  89 must be a 'global'. That is, it can't be allocated on the stack or dynamically
  90 allocated at run-time.
  91
  92 The key is then used in code as:
  93
  94         if (static_key_false(&key))
  95                 do unlikely code
  96         else
  97                 do likely code
  98
  99 Or:
 100
 101         if (static_key_true(&key))
 102                 do likely code
 103         else
 104                 do unlikely code
 105
 106 A key that is initialized via 'STATIC_KEY_INIT_FALSE', must be used in a
 107 'static_key_false()' construct. Likewise, a key initialized via
 108 'STATIC_KEY_INIT_TRUE' must be used in a 'static_key_true()' construct. A
 109 single key can be used in many branches, but all the branches must match the
 110 way that the key has been initialized.
 111
 112 The branch(es) can then be switched via:
 113
 114         static_key_slow_inc(&key);
 115         ...
 116         static_key_slow_dec(&key);
 117
 118 Thus, 'static_key_slow_inc()' means 'make the branch true', and
 119 'static_key_slow_dec()' means 'make the the branch false' with appropriate
 120 reference counting. For example, if the key is initialized true, a
 121 static_key_slow_dec(), will switch the branch to false. And a subsequent
 122 static_key_slow_inc(), will change the branch back to true. Likewise, if the
 123 key is initialized false, a 'static_key_slow_inc()', will change the branch to
 124 true. And then a 'static_key_slow_dec()', will again make the branch false.
 125
 126 An example usage in the kernel is the implementation of tracepoints:
 127
 128         static inline void trace_##name(proto)                          \
 129         {                                                               \
 130                 if (static_key_false(&__tracepoint_##name.key))         \
 131                         __DO_TRACE(&__tracepoint_##name,                \
 132                                 TP_PROTO(data_proto),                   \
 133                                 TP_ARGS(data_args),                     \
 134                                 TP_CONDITION(cond));                    \
 135         }
 136
 137 Tracepoints are disabled by default, and can be placed in performance critical
 138 pieces of the kernel. Thus, by using a static key, the tracepoints can have
 139 absolutely minimal impact when not in use.
 140
 141
 142 4) Architecture level code patching interface, 'jump labels'
 143
 144
 145 There are a few functions and macros that architectures must implement in order
 146 to take advantage of this optimization. If there is no architecture support, we
 147 simply fall back to a traditional, load, test, and jump sequence.
 148
 149 * select HAVE_ARCH_JUMP_LABEL, see: arch/x86/Kconfig
 150
 151 * #define JUMP_LABEL_NOP_SIZE, see: arch/x86/include/asm/jump_label.h
 152
 153 * __always_inline bool arch_static_branch(struct static_key *key), see:
 154                                         arch/x86/include/asm/jump_label.h
 155
 156 * void arch_jump_label_transform(struct jump_entry *entry, enum jump_label_type type),
 157                                         see: arch/x86/kernel/jump_label.c
 158
 159 * __init_or_module void arch_jump_label_transform_static(struct jump_entry *entry, enum jump_label_type type),
 160                                         see: arch/x86/kernel/jump_label.c
 161
 162
 163 * struct jump_entry, see: arch/x86/include/asm/jump_label.h
 164
 165
 166 5) Static keys / jump label analysis, results (x86_64):
 167
 168
 169 As an example, let's add the following branch to 'getppid()', such that the
 170 system call now looks like:
 171
 172 SYSCALL_DEFINE0(getppid)
 173 {
 174         int pid;
 175
 176 +       if (static_key_false(&key))
 177 +               printk("I am the true branch\n");
 178
 179         rcu_read_lock();
 180         pid = task_tgid_vnr(rcu_dereference(current->real_parent));
 181         rcu_read_unlock();
 182
 183         return pid;
 184 }
 185
 186 The resulting instructions with jump labels generated by GCC is:
 187
 188 ffffffff81044290 <sys_getppid>:
 189 ffffffff81044290:       55                      push   %rbp
 190 ffffffff81044291:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
 191 ffffffff81044294:       e9 00 00 00 00          jmpq   ffffffff81044299 <sys_getppid+0x9>
 192 ffffffff81044299:       65 48 8b 04 25 c0 b6    mov    %gs:0xb6c0,%rax
 193 ffffffff810442a0:       00 00
 194 ffffffff810442a2:       48 8b 80 80 02 00 00    mov    0x280(%rax),%rax
 195 ffffffff810442a9:       48 8b 80 b0 02 00 00    mov    0x2b0(%rax),%rax
 196 ffffffff810442b0:       48 8b b8 e8 02 00 00    mov    0x2e8(%rax),%rdi
 197 ffffffff810442b7:       e8 f4 d9 00 00          callq  ffffffff81051cb0 <pid_vnr>
 198 ffffffff810442bc:       5d                      pop    %rbp
 199 ffffffff810442bd:       48 98                   cltq
 200 ffffffff810442bf:       c3                      retq
 201 ffffffff810442c0:       48 c7 c7 e3 54 98 81    mov    $0xffffffff819854e3,%rdi
 202 ffffffff810442c7:       31 c0                   xor    %eax,%eax
 203 ffffffff810442c9:       e8 71 13 6d 00          callq  ffffffff8171563f <printk>
 204 ffffffff810442ce:       eb c9                   jmp    ffffffff81044299 <sys_getppid+0x9>
 205
 206 Without the jump label optimization it looks like:
 207
 208 ffffffff810441f0 <sys_getppid>:
 209 ffffffff810441f0:       8b 05 8a 52 d8 00       mov    0xd8528a(%rip),%eax        # ffffffff81dc9480 <key>
 210 ffffffff810441f6:       55                      push   %rbp
 211 ffffffff810441f7:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
 212 ffffffff810441fa:       85 c0                   test   %eax,%eax
 213 ffffffff810441fc:       75 27                   jne    ffffffff81044225 <sys_getppid+0x35>
 214 ffffffff810441fe:       65 48 8b 04 25 c0 b6    mov    %gs:0xb6c0,%rax
 215 ffffffff81044205:       00 00
 216 ffffffff81044207:       48 8b 80 80 02 00 00    mov    0x280(%rax),%rax
 217 ffffffff8104420e:       48 8b 80 b0 02 00 00    mov    0x2b0(%rax),%rax
 218 ffffffff81044215:       48 8b b8 e8 02 00 00    mov    0x2e8(%rax),%rdi
 219 ffffffff8104421c:       e8 2f da 00 00          callq  ffffffff81051c50 <pid_vnr>
 220 ffffffff81044221:       5d                      pop    %rbp
 221 ffffffff81044222:       48 98                   cltq
 222 ffffffff81044224:       c3                      retq
 223 ffffffff81044225:       48 c7 c7 13 53 98 81    mov    $0xffffffff81985313,%rdi
 224 ffffffff8104422c:       31 c0                   xor    %eax,%eax
 225 ffffffff8104422e:       e8 60 0f 6d 00          callq  ffffffff81715193 <printk>
 226 ffffffff81044233:       eb c9                   jmp    ffffffff810441fe <sys_getppid+0xe>
 227 ffffffff81044235:       66 66 2e 0f 1f 84 00    data32 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
 228 ffffffff8104423c:       00 00 00 00
 229
 230 Thus, the disable jump label case adds a 'mov', 'test' and 'jne' instruction
 231 vs. the jump label case just has a 'no-op' or 'jmp 0'. (The jmp 0, is patched
 232 to a 5 byte atomic no-op instruction at boot-time.) Thus, the disabled jump
 233 label case adds:
 234
 235 6 (mov) + 2 (test) + 2 (jne) = 10 - 5 (5 byte jump 0) = 5 addition bytes.
 236
 237 If we then include the padding bytes, the jump label code saves, 16 total bytes
 238 of instruction memory for this small fucntion. In this case the non-jump label
 239 function is 80 bytes long. Thus, we have have saved 20% of the instruction
 240 footprint. We can in fact improve this even further, since the 5-byte no-op
 241 really can be a 2-byte no-op since we can reach the branch with a 2-byte jmp.
 242 However, we have not yet implemented optimal no-op sizes (they are currently
 243 hard-coded).
 244
 245 Since there are a number of static key API uses in the scheduler paths,
 246 'pipe-test' (also known as 'perf bench sched pipe') can be used to show the
 247 performance improvement. Testing done on 3.3.0-rc2:
 248
 249 jump label disabled:
 250
 251  Performance counter stats for 'bash -c /tmp/pipe-test' (50 runs):
 252
 253         855.700314 task-clock                #    0.534 CPUs utilized            ( +-  0.11% )
 254            200,003 context-switches          #    0.234 M/sec                    ( +-  0.00% )
 255                  0 CPU-migrations            #    0.000 M/sec                    ( +- 39.58% )
 256                487 page-faults               #    0.001 M/sec                    ( +-  0.02% )
 257      1,474,374,262 cycles                    #    1.723 GHz                      ( +-  0.17% )
 258    <not supported> stalled-cycles-frontend
 259    <not supported> stalled-cycles-backend
 260      1,178,049,567 instructions              #    0.80  insns per cycle          ( +-  0.06% )
 261        208,368,926 branches                  #  243.507 M/sec                    ( +-  0.06% )
 262          5,569,188 branch-misses             #    2.67% of all branches          ( +-  0.54% )
 263
 264        1.601607384 seconds time elapsed                                          ( +-  0.07% )
 265
 266 jump label enabled:
 267
 268  Performance counter stats for 'bash -c /tmp/pipe-test' (50 runs):
 269
 270         841.043185 task-clock                #    0.533 CPUs utilized            ( +-  0.12% )
 271            200,004 context-switches          #    0.238 M/sec                    ( +-  0.00% )
 272                  0 CPU-migrations            #    0.000 M/sec                    ( +- 40.87% )
 273                487 page-faults               #    0.001 M/sec                    ( +-  0.05% )
 274      1,432,559,428 cycles                    #    1.703 GHz                      ( +-  0.18% )
 275    <not supported> stalled-cycles-frontend
 276    <not supported> stalled-cycles-backend
 277      1,175,363,994 instructions              #    0.82  insns per cycle          ( +-  0.04% )
 278        206,859,359 branches                  #  245.956 M/sec                    ( +-  0.04% )
 279          4,884,119 branch-misses             #    2.36% of all branches          ( +-  0.85% )
 280
 281        1.579384366 seconds time elapsed
 282
 283 The percentage of saved branches is .7%, and we've saved 12% on
 284 'branch-misses'. This is where we would expect to get the most savings, since
 285 this optimization is about reducing the number of branches. In addition, we've
 286 saved .2% on instructions, and 2.8% on cycles and 1.4% on elapsed time.