1 /*
2  * Floating proportions
3  *
4  *  Copyright (C) 2007 Red Hat, Inc., Peter Zijlstra <pzijlstr@redhat.com>
5  *
6  * Description:
7  *
8  * The floating proportion is a time derivative with an exponentially decaying
9  * history:
10  *
11  *   p_{j} = \Sum_{i=0} (dx_{j}/dt_{-i}) / 2^(1+i)
12  *
13  * Where j is an element from {prop_local}, x_{j} is j's number of events,
14  * and i the time period over which the differential is taken. So d/dt_{-i} is
15  * the differential over the i-th last period.
16  *
17  * The decaying history gives smooth transitions. The time differential carries
18  * the notion of speed.
19  *
20  * The denominator is 2^(1+i) because we want the series to be normalised, ie.
21  *
22  *   \Sum_{i=0} 1/2^(1+i) = 1
23  *
24  * Further more, if we measure time (t) in the same events as x; so that:
25  *
26  *   t = \Sum_{j} x_{j}
27  *
28  * we get that:
29  *
30  *   \Sum_{j} p_{j} = 1
31  *
32  * Writing this in an iterative fashion we get (dropping the 'd's):
33  *
34  *   if (++x_{j}, ++t > period)
35  *     t /= 2;
36  *     for_each (j)
37  *       x_{j} /= 2;
38  *
39  * so that:
40  *
41  *   p_{j} = x_{j} / t;
42  *
43  * We optimize away the '/= 2' for the global time delta by noting that:
44  *
45  *   if (++t > period) t /= 2:
46  *
47  * Can be approximated by:
48  *
49  *   period/2 + (++t % period/2)
50  *
51  * [ Furthermore, when we choose period to be 2^n it can be written in terms of
52  *   binary operations and wraparound artefacts disappear. ]
53  *
54  * Also note that this yields a natural counter of the elapsed periods:
55  *
56  *   c = t / (period/2)
57  *
58  * [ Its monotonic increasing property can be applied to mitigate the wrap-
59  *   around issue. ]
60  *
61  * This allows us to do away with the loop over all prop_locals on each period
62  * expiration. By remembering the period count under which it was last accessed
63  * as c_{j}, we can obtain the number of 'missed' cycles from:
64  *
65  *   c - c_{j}
66  *
67  * We can then lazily catch up to the global period count every time we are
68  * going to use x_{j}, by doing:
69  *
70  *   x_{j} /= 2^(c - c_{j}), c_{j} = c
71  */
73 #include <linux/proportions.h>
74 #include <linux/rcupdate.h>
76 int prop_descriptor_init(struct prop_descriptor *pd, int shift)
77 {
78         int err;
80         if (shift > PROP_MAX_SHIFT)
81                 shift = PROP_MAX_SHIFT;
83         pd->index = 0;
84         pd->pg.shift = shift;
85         mutex_init(&pd->mutex);
86         err = percpu_counter_init(&pd->pg.events, 0);
87         if (err)
88                 goto out;
90         err = percpu_counter_init(&pd->pg.events, 0);
91         if (err)
92                 percpu_counter_destroy(&pd->pg.events);
94 out:
95         return err;
96 }
98 /*
99  * We have two copies, and flip between them to make it seem like an atomic
100  * update. The update is not really atomic wrt the events counter, but
101  * it is internally consistent with the bit layout depending on shift.
102  *
103  * We copy the events count, move the bits around and flip the index.
104  */
105 void prop_change_shift(struct prop_descriptor *pd, int shift)
106 {
107         int index;
108         int offset;
109         u64 events;
110         unsigned long flags;
112         if (shift > PROP_MAX_SHIFT)
113                 shift = PROP_MAX_SHIFT;
115         mutex_lock(&pd->mutex);
117         index = pd->index ^ 1;
118         offset = pd->pg[pd->index].shift - shift;
119         if (!offset)
120                 goto out;
122         pd->pg[index].shift = shift;
124         local_irq_save(flags);
125         events = percpu_counter_sum(&pd->pg[pd->index].events);
126         if (offset < 0)
127                 events <<= -offset;
128         else
129                 events >>= offset;
130         percpu_counter_set(&pd->pg[index].events, events);
132         /*
133          * ensure the new pg is fully written before the switch
134          */
135         smp_wmb();
136         pd->index = index;
137         local_irq_restore(flags);
139         synchronize_rcu();
141 out:
142         mutex_unlock(&pd->mutex);
143 }
145 /*
146  * wrap the access to the data in an rcu_read_lock() section;
147  * this is used to track the active references.
148  */
149 static struct prop_global *prop_get_global(struct prop_descriptor *pd)
150 __acquires(RCU)
151 {
152         int index;
155         index = pd->index;
156         /*
157          * match the wmb from vcd_flip()
158          */
159         smp_rmb();
160         return &pd->pg[index];
161 }
163 static void prop_put_global(struct prop_descriptor *pd, struct prop_global *pg)
164 __releases(RCU)
165 {
167 }
169 static void
170 prop_adjust_shift(int *pl_shift, unsigned long *pl_period, int new_shift)
171 {
172         int offset = *pl_shift - new_shift;
174         if (!offset)
175                 return;
177         if (offset < 0)
178                 *pl_period <<= -offset;
179         else
180                 *pl_period >>= offset;
182         *pl_shift = new_shift;
183 }
185 /*
186  * PERCPU
187  */
189 #define PROP_BATCH (8*(1+ilog2(nr_cpu_ids)))
191 int prop_local_init_percpu(struct prop_local_percpu *pl)
192 {
193         raw_spin_lock_init(&pl->lock);
194         pl->shift = 0;
195         pl->period = 0;
196         return percpu_counter_init(&pl->events, 0);
197 }
199 void prop_local_destroy_percpu(struct prop_local_percpu *pl)
200 {
201         percpu_counter_destroy(&pl->events);
202 }
204 /*
205  * Catch up with missed period expirations.
206  *
207  *   until (c_{j} == c)
208  *     x_{j} -= x_{j}/2;
209  *     c_{j}++;
210  */
211 static
212 void prop_norm_percpu(struct prop_global *pg, struct prop_local_percpu *pl)
213 {
214         unsigned long period = 1UL << (pg->shift - 1);
215         unsigned long period_mask = ~(period - 1);
216         unsigned long global_period;
217         unsigned long flags;
219         global_period = percpu_counter_read(&pg->events);
220         global_period &= period_mask;
222         /*
223          * Fast path - check if the local and global period count still match
224          * outside of the lock.
225          */
226         if (pl->period == global_period)
227                 return;
229         raw_spin_lock_irqsave(&pl->lock, flags);
230         prop_adjust_shift(&pl->shift, &pl->period, pg->shift);
232         /*
233          * For each missed period, we half the local counter.
234          * basically:
235          *   pl->events >> (global_period - pl->period);
236          */
237         period = (global_period - pl->period) >> (pg->shift - 1);
238         if (period < BITS_PER_LONG) {
239                 s64 val = percpu_counter_read(&pl->events);
241                 if (val < (nr_cpu_ids * PROP_BATCH))
242                         val = percpu_counter_sum(&pl->events);
244                 __percpu_counter_add(&pl->events, -val + (val >> period),
245                                         PROP_BATCH);
246         } else
247                 percpu_counter_set(&pl->events, 0);
249         pl->period = global_period;
250         raw_spin_unlock_irqrestore(&pl->lock, flags);
251 }
253 /*
254  *   ++x_{j}, ++t
255  */
256 void __prop_inc_percpu(struct prop_descriptor *pd, struct prop_local_percpu *pl)
257 {
258         struct prop_global *pg = prop_get_global(pd);
260         prop_norm_percpu(pg, pl);
261         __percpu_counter_add(&pl->events, 1, PROP_BATCH);
263         prop_put_global(pd, pg);
264 }
266 /*
267  * identical to __prop_inc_percpu, except that it limits this pl's fraction to
268  * @frac/PROP_FRAC_BASE by ignoring events when this limit has been exceeded.
269  */
270 void __prop_inc_percpu_max(struct prop_descriptor *pd,
271                            struct prop_local_percpu *pl, long frac)
272 {
273         struct prop_global *pg = prop_get_global(pd);
275         prop_norm_percpu(pg, pl);
277         if (unlikely(frac != PROP_FRAC_BASE)) {
278                 unsigned long period_2 = 1UL << (pg->shift - 1);
279                 unsigned long counter_mask = period_2 - 1;
280                 unsigned long global_count;
281                 long numerator, denominator;
283                 numerator = percpu_counter_read_positive(&pl->events);
284                 global_count = percpu_counter_read(&pg->events);
285                 denominator = period_2 + (global_count & counter_mask);
287                 if (numerator > ((denominator * frac) >> PROP_FRAC_SHIFT))
288                         goto out_put;
289         }
294 out_put:
295         prop_put_global(pd, pg);
296 }
298 /*
299  * Obtain a fraction of this proportion
300  *
301  *   p_{j} = x_{j} / (period/2 + t % period/2)
302  */
303 void prop_fraction_percpu(struct prop_descriptor *pd,
304                 struct prop_local_percpu *pl,
305                 long *numerator, long *denominator)
306 {
307         struct prop_global *pg = prop_get_global(pd);
308         unsigned long period_2 = 1UL << (pg->shift - 1);
309         unsigned long counter_mask = period_2 - 1;
310         unsigned long global_count;
312         prop_norm_percpu(pg, pl);
313         *numerator = percpu_counter_read_positive(&pl->events);
315         global_count = percpu_counter_read(&pg->events);
316         *denominator = period_2 + (global_count & counter_mask);
318         prop_put_global(pd, pg);
319 }
321 /*
322  * SINGLE
323  */
325 int prop_local_init_single(struct prop_local_single *pl)
326 {
327         raw_spin_lock_init(&pl->lock);
328         pl->shift = 0;
329         pl->period = 0;
330         pl->events = 0;
331         return 0;
332 }
334 void prop_local_destroy_single(struct prop_local_single *pl)
335 {
336 }
338 /*
339  * Catch up with missed period expirations.
340  */
341 static
342 void prop_norm_single(struct prop_global *pg, struct prop_local_single *pl)
343 {
344         unsigned long period = 1UL << (pg->shift - 1);
345         unsigned long period_mask = ~(period - 1);
346         unsigned long global_period;
347         unsigned long flags;
349         global_period = percpu_counter_read(&pg->events);
350         global_period &= period_mask;
352         /*
353          * Fast path - check if the local and global period count still match
354          * outside of the lock.
355          */
356         if (pl->period == global_period)
357                 return;
359         raw_spin_lock_irqsave(&pl->lock, flags);
360         prop_adjust_shift(&pl->shift, &pl->period, pg->shift);
361         /*
362          * For each missed period, we half the local counter.
363          */
364         period = (global_period - pl->period) >> (pg->shift - 1);
365         if (likely(period < BITS_PER_LONG))
366                 pl->events >>= period;
367         else
368                 pl->events = 0;
369         pl->period = global_period;
370         raw_spin_unlock_irqrestore(&pl->lock, flags);
371 }
373 /*
374  *   ++x_{j}, ++t
375  */
376 void __prop_inc_single(struct prop_descriptor *pd, struct prop_local_single *pl)
377 {
378         struct prop_global *pg = prop_get_global(pd);
380         prop_norm_single(pg, pl);
381         pl->events++;
383         prop_put_global(pd, pg);
384 }
386 /*
387  * Obtain a fraction of this proportion
388  *
389  *   p_{j} = x_{j} / (period/2 + t % period/2)
390  */
391 void prop_fraction_single(struct prop_descriptor *pd,
392                 struct prop_local_single *pl,
393                 long *numerator, long *denominator)
394 {
395         struct prop_global *pg = prop_get_global(pd);
396         unsigned long period_2 = 1UL << (pg->shift - 1);
397         unsigned long counter_mask = period_2 - 1;
398         unsigned long global_count;
400         prop_norm_single(pg, pl);
401         *numerator = pl->events;
403         global_count = percpu_counter_read(&pg->events);
404         *denominator = period_2 + (global_count & counter_mask);
406         prop_put_global(pd, pg);
407 }