Credit Nir Aides for r77288
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1 NOTES ON OPTIMIZING DICTIONARIES
2 ================================
5 Principal Use Cases for Dictionaries
6 ------------------------------------
8 Passing keyword arguments
9     Typically, one read and one write for 1 to 3 elements.
10     Occurs frequently in normal python code.
12 Class method lookup
13     Dictionaries vary in size with 8 to 16 elements being common.
14     Usually written once with many lookups.
15     When base classes are used, there are many failed lookups
16         followed by a lookup in a base class.
18 Instance attribute lookup and Global variables
19     Dictionaries vary in size.  4 to 10 elements are common.
20     Both reads and writes are common.
22 Builtins
23     Frequent reads.  Almost never written.
24     Size 126 interned strings (as of Py2.3b1).
25     A few keys are accessed much more frequently than others.
27 Uniquification
28     Dictionaries of any size.  Bulk of work is in creation.
29     Repeated writes to a smaller set of keys.
30     Single read of each key.
31     Some use cases have two consecutive accesses to the same key.
33     * Removing duplicates from a sequence.
34         dict.fromkeys(seqn).keys()
36     * Counting elements in a sequence.
37         for e in seqn:
38           d[e] = d.get(e,0) + 1
40     * Accumulating references in a dictionary of lists:
42         for pagenumber, page in enumerate(pages):
43           for word in page:
44             d.setdefault(word, []).append(pagenumber)
46     Note, the second example is a use case characterized by a get and set
47     to the same key.  There are similar use cases with a __contains__
48     followed by a get, set, or del to the same key.  Part of the
49     justification for d.setdefault is combining the two lookups into one.
51 Membership Testing
52     Dictionaries of any size.  Created once and then rarely changes.
53     Single write to each key.
54     Many calls to __contains__() or has_key().
55     Similar access patterns occur with replacement dictionaries
56         such as with the % formatting operator.
58 Dynamic Mappings
59     Characterized by deletions interspersed with adds and replacements.
60     Performance benefits greatly from the re-use of dummy entries.
63 Data Layout (assuming a 32-bit box with 64 bytes per cache line)
64 ----------------------------------------------------------------
66 Smalldicts (8 entries) are attached to the dictobject structure
67 and the whole group nearly fills two consecutive cache lines.
69 Larger dicts use the first half of the dictobject structure (one cache
70 line) and a separate, continuous block of entries (at 12 bytes each
71 for a total of 5.333 entries per cache line).
74 Tunable Dictionary Parameters
75 -----------------------------
77 * PyDict_MINSIZE.  Currently set to 8.
78     Must be a power of two.  New dicts have to zero-out every cell.
79     Each additional 8 consumes 1.5 cache lines.  Increasing improves
80     the sparseness of small dictionaries but costs time to read in
81     the additional cache lines if they are not already in cache.
82     That case is common when keyword arguments are passed.
84 * Maximum dictionary load in PyDict_SetItem.  Currently set to 2/3.
85     Increasing this ratio makes dictionaries more dense resulting
86     in more collisions.  Decreasing it improves sparseness at the
87     expense of spreading entries over more cache lines and at the
88     cost of total memory consumed.
90     The load test occurs in highly time sensitive code.  Efforts
91     to make the test more complex (for example, varying the load
92     for different sizes) have degraded performance.
94 * Growth rate upon hitting maximum load.  Currently set to *2.
95     Raising this to *4 results in half the number of resizes,
96     less effort to resize, better sparseness for some (but not
97     all dict sizes), and potentially doubles memory consumption
98     depending on the size of the dictionary.  Setting to *4
99     eliminates every other resize step.
101 * Maximum sparseness (minimum dictionary load).  What percentage
102     of entries can be unused before the dictionary shrinks to
103     free up memory and speed up iteration?  (The current CPython
104     code does not represent this parameter directly.)
106 * Shrinkage rate upon exceeding maximum sparseness.  The current
107     CPython code never even checks sparseness when deleting a
108     key.  When a new key is added, it resizes based on the number
109     of active keys, so that the addition may trigger shrinkage
110     rather than growth.
112 Tune-ups should be measured across a broad range of applications and
113 use cases.  A change to any parameter will help in some situations and
114 hurt in others.  The key is to find settings that help the most common
115 cases and do the least damage to the less common cases.  Results will
116 vary dramatically depending on the exact number of keys, whether the
117 keys are all strings, whether reads or writes dominate, the exact
118 hash values of the keys (some sets of values have fewer collisions than
119 others).  Any one test or benchmark is likely to prove misleading.
121 While making a dictionary more sparse reduces collisions, it impairs
122 iteration and key listing.  Those methods loop over every potential
123 entry.  Doubling the size of dictionary results in twice as many
124 non-overlapping memory accesses for keys(), items(), values(),
125 __iter__(), iterkeys(), iteritems(), itervalues(), and update().
126 Also, every dictionary iterates at least twice, once for the memset()
127 when it is created and once by dealloc().
129 Dictionary operations involving only a single key can be O(1) unless 
130 resizing is possible.  By checking for a resize only when the 
131 dictionary can grow (and may *require* resizing), other operations
132 remain O(1), and the odds of resize thrashing or memory fragmentation
133 are reduced. In particular, an algorithm that empties a dictionary
134 by repeatedly invoking .pop will see no resizing, which might
135 not be necessary at all because the dictionary is eventually
136 discarded entirely.
139 Results of Cache Locality Experiments
140 -------------------------------------
142 When an entry is retrieved from memory, 4.333 adjacent entries are also
143 retrieved into a cache line.  Since accessing items in cache is *much*
144 cheaper than a cache miss, an enticing idea is to probe the adjacent
145 entries as a first step in collision resolution.  Unfortunately, the
146 introduction of any regularity into collision searches results in more
147 collisions than the current random chaining approach.
149 Exploiting cache locality at the expense of additional collisions fails
150 to payoff when the entries are already loaded in cache (the expense
151 is paid with no compensating benefit).  This occurs in small dictionaries
152 where the whole dictionary fits into a pair of cache lines.  It also
153 occurs frequently in large dictionaries which have a common access pattern
154 where some keys are accessed much more frequently than others.  The
155 more popular entries *and* their collision chains tend to remain in cache.
157 To exploit cache locality, change the collision resolution section
158 in lookdict() and lookdict_string().  Set i^=1 at the top of the
159 loop and move the  i = (i << 2) + i + perturb + 1 to an unrolled
160 version of the loop.
162 This optimization strategy can be leveraged in several ways:
164 * If the dictionary is kept sparse (through the tunable parameters),
165 then the occurrence of additional collisions is lessened.
167 * If lookdict() and lookdict_string() are specialized for small dicts
168 and for largedicts, then the versions for large_dicts can be given
169 an alternate search strategy without increasing collisions in small dicts
170 which already have the maximum benefit of cache locality.
172 * If the use case for a dictionary is known to have a random key
173 access pattern (as opposed to a more common pattern with a Zipf's law
174 distribution), then there will be more benefit for large dictionaries
175 because any given key is no more likely than another to already be
176 in cache.
178 * In use cases with paired accesses to the same key, the second access
179 is always in cache and gets no benefit from efforts to further improve
180 cache locality.
182 Optimizing the Search of Small Dictionaries
183 -------------------------------------------
185 If lookdict() and lookdict_string() are specialized for smaller dictionaries,
186 then a custom search approach can be implemented that exploits the small
187 search space and cache locality.
189 * The simplest example is a linear search of contiguous entries.  This is
190   simple to implement, guaranteed to terminate rapidly, never searches
191   the same entry twice, and precludes the need to check for dummy entries.
193 * A more advanced example is a self-organizing search so that the most
194   frequently accessed entries get probed first.  The organization
195   adapts if the access pattern changes over time.  Treaps are ideally
196   suited for self-organization with the most common entries at the
197   top of the heap and a rapid binary search pattern.  Most probes and
198   results are all located at the top of the tree allowing them all to
199   be located in one or two cache lines.
201 * Also, small dictionaries may be made more dense, perhaps filling all
202   eight cells to take the maximum advantage of two cache lines.
205 Strategy Pattern
206 ----------------
208 Consider allowing the user to set the tunable parameters or to select a
209 particular search method.  Since some dictionary use cases have known
210 sizes and access patterns, the user may be able to provide useful hints.
212 1) For example, if membership testing or lookups dominate runtime and memory
213    is not at a premium, the user may benefit from setting the maximum load
214    ratio at 5% or 10% instead of the usual 66.7%.  This will sharply
215    curtail the number of collisions but will increase iteration time.
216    The builtin namespace is a prime example of a dictionary that can
217    benefit from being highly sparse.
219 2) Dictionary creation time can be shortened in cases where the ultimate
220    size of the dictionary is known in advance.  The dictionary can be
221    pre-sized so that no resize operations are required during creation.
222    Not only does this save resizes, but the key insertion will go
223    more quickly because the first half of the keys will be inserted into
224    a more sparse environment than before.  The preconditions for this
225    strategy arise whenever a dictionary is created from a key or item
226    sequence and the number of *unique* keys is known.
228 3) If the key space is large and the access pattern is known to be random,
229    then search strategies exploiting cache locality can be fruitful.
230    The preconditions for this strategy arise in simulations and
231    numerical analysis.
233 4) If the keys are fixed and the access pattern strongly favors some of
234    the keys, then the entries can be stored contiguously and accessed
235    with a linear search or treap.  This exploits knowledge of the data,
236    cache locality, and a simplified search routine.  It also eliminates
237    the need to test for dummy entries on each probe.  The preconditions
238    for this strategy arise in symbol tables and in the builtin dictionary.
241 Readonly Dictionaries
242 ---------------------
243 Some dictionary use cases pass through a build stage and then move to a
244 more heavily exercised lookup stage with no further changes to the
245 dictionary.
247 An idea that emerged on python-dev is to be able to convert a dictionary
248 to a read-only state.  This can help prevent programming errors and also
249 provide knowledge that can be exploited for lookup optimization.
251 The dictionary can be immediately rebuilt (eliminating dummy entries),
252 resized (to an appropriate level of sparseness), and the keys can be
253 jostled (to minimize collisions).  The lookdict() routine can then
254 eliminate the test for dummy entries (saving about 1/4 of the time
255 spent in the collision resolution loop).
257 An additional possibility is to insert links into the empty spaces
258 so that dictionary iteration can proceed in len(d) steps instead of
259 (mp->mask + 1) steps.  Alternatively, a separate tuple of keys can be
260 kept just for iteration.
263 Caching Lookups
264 ---------------
265 The idea is to exploit key access patterns by anticipating future lookups
266 based on previous lookups.
268 The simplest incarnation is to save the most recently accessed entry.
269 This gives optimal performance for use cases where every get is followed
270 by a set or del to the same key.