Improve Gromacs portability
[alexxy/gromacs.git] / src / external / thread_mpi / include / thread_mpi / atomic.h
1 /*
2    This source code file is part of thread_mpi.
3    Written by Sander Pronk, Erik Lindahl, and possibly others.
4
5    Copyright (c) 2009, Sander Pronk, Erik Lindahl.
6    All rights reserved.
7
8    Redistribution and use in source and binary forms, with or without
9    modification, are permitted provided that the following conditions are met:
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19    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY US ''AS IS'' AND ANY
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29
30    If you want to redistribute modifications, please consider that
31    scientific software is very special. Version control is crucial -
32    bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
33    inclusion in the official distribution, but derived work should not
34    be called official thread_mpi. Details are found in the README & COPYING
35    files.
36  */
37
38 #ifndef TMPI_ATOMIC_H_
39 #define TMPI_ATOMIC_H_
40
41 /*! \file atomic.h
42  *
43  *  \brief Atomic operations for fast SMP synchronization
44  *
45  *  This file defines atomic integer operations and spinlocks for
46  *  fast synchronization in performance-critical regions.
47  *
48  *  In general, the best option is to use functions without explicit
49  *  locking, e.g. tMPI_Atomic_fetch_add() or tMPI_Atomic_cas().
50  *
51  *  Depending on the architecture/compiler, these operations may either
52  *  be provided as functions or macros; be aware that those macros may
53  *  reference their arguments repeatedly, possibly leading to multiply
54  *  evaluated code with side effects: be careful with what you use as
55  *  arguments.
56  *
57  *  Not all architectures support atomic operations though inline assembly,
58  *  and even if they do it might not be implemented here. In that case
59  *  we use a fallback mutex implementation, so you can always count on
60  *  the function interfaces working.
61  *
62  *  Don't use spinlocks in non-performance-critical regions like file I/O.
63  *  Since they always spin busy they would waste CPU cycles instead of
64  *  properly yielding to a computation thread while waiting for the disk.
65  *
66  *  Finally, note that all our spinlock operations are defined to return
67  *  0 if initialization or locking completes successfully.
68  *  This is the opposite of some other implementations, but the same standard
69  *  as used for pthread mutexes. So, if e.g. are trying to lock a spinlock,
70  *  you will have gotten the lock if the return value is 0.
71  *
72  *  tMPI_Spinlock_islocked(x) obviously still returns 1 if the lock is locked,
73  *  and 0 if it is available, though...
74  */
75 /* Se the comments on the non-atomic versions for explanations */
76
77 #include <stdio.h>
78
79 #include "visibility.h"
80
81 #ifdef __cplusplus
82 extern "C"
83 {
84 #endif
85 #if 0
86 } /* Avoids screwing up auto-indentation */
87 #endif
88
89 /* Setting TMPI_ATOMICS_DISABLED permits the build to enforce that no
90  * atomic operations are used. This is used when building to run
91  * ThreadSanitzer.
92  *
93  * It could also be useful as a temporary measure on some
94  * compiler+hardware for which the detection below fails to produce a
95  * correct result. Performance will be greatly improved by using
96  * whatever atomic operations are available, so make sure such a
97  * measure is only temporary! */
98 #ifdef TMPI_ATOMICS_DISABLED
99
100 #ifndef DOXYGEN
101 #define TMPI_NO_ATOMICS
102 #endif
103
104 #else
105
106 /* first check for gcc/icc platforms.
107    Some compatible compilers, like icc on linux+mac will take this path,
108    too */
109 #if ( (defined(__GNUC__) || defined(__PATHSCALE__) || defined(__PGI)) && \
110     (!defined(__xlc__)) && (!defined(_CRAYC)) && (!defined(TMPI_TEST_NO_ATOMICS)) )
111
112 #ifdef __GNUC__
113 #define TMPI_GCC_VERSION (__GNUC__ * 10000 \
114                           + __GNUC_MINOR__ * 100 \
115                           + __GNUC_PATCHLEVEL__)
116 #endif
117
118 /* now check specifically for several architectures: */
119 #if ((defined(__i386__) || defined(__x86_64__)) && !defined(__OPEN64__))
120 /* first x86: */
121 #include "atomic/gcc_x86.h"
122
123 #elif (defined(__ia64__))
124 /* then ia64: */
125 #include "atomic/gcc_ia64.h"
126
127 /* for now we use gcc intrinsics on gcc: */
128 /*#elif (defined(__powerpc__) || (defined(__ppc__)) )*/
129 /*#include "atomic/gcc_ppc.h"*/
130
131 #elif defined(__FUJITSU) && ( defined(__sparc_v9__) || defined (__sparcv9) )
132
133 /* Fujitsu FX10 SPARC compiler */
134 #include "atomic/fujitsu_sparc64.h"
135
136 #else
137 /* otherwise, there's a generic gcc intrinsics version: */
138 #include "atomic/gcc.h"
139
140 #endif /* end of check for gcc specific architectures */
141
142 /* not gcc: */
143 #elif (defined(_MSC_VER) && (_MSC_VER >= 1200) && \
144     (!defined(TMPI_TEST_NO_ATOMICS)) )
145
146 /* Microsoft Visual C on x86, define taken from FFTW who got it from
147    Morten Nissov. icc on windows will take this path.  */
148 #include "atomic/msvc.h"
149
150 #elif ( (defined(__IBM_GCC_ASM) || defined(__IBM_STDCPP_ASM))  && \
151     (defined(__powerpc__) || defined(__ppc__)) && \
152     (!defined(TMPI_TEST_NO_ATOMICS)) )
153
154 /* PowerPC using xlC intrinsics.  */
155
156 #include "atomic/xlc_ppc.h"
157
158 #elif ( ( defined(__xlC__)  || defined(__xlc__) ) && \
159     (!defined(TMPI_TEST_NO_ATOMICS)) )
160 /* IBM xlC compiler */
161 #include "atomic/xlc_ppc.h"
162
163
164 #elif (defined (__sun) && (defined(__sparcv9) || defined(__sparc)) && \
165     (!defined(TMPI_TEST_NO_ATOMICS)) )
166 /* Solaris on SPARC (Sun C Compiler, Solaris Studio) */
167 #include "atomic/suncc-sparc.h"
168
169 #elif defined(__FUJITSU) && defined(__sparc__)
170
171 /* Fujitsu FX10 SPARC compiler requires gcc compatibility with -Xg */
172 #warning Atomics support for Fujitsu FX10 compiler requires -Xg (gcc compatibility)
173 #define TMPI_NO_ATOMICS
174
175 #elif defined(_CRAYC)
176
177 /* Cray compiler */
178 #include "atomic/cce.h"
179 #else
180
181 #ifndef DOXYGEN
182 /** Indicates that no support for atomic operations is present. */
183 #define TMPI_NO_ATOMICS
184 #endif
185
186 #endif /* platform-specific checks */
187
188 #endif /* TMPI_NO_ATOMICS */
189
190 #ifdef TMPI_NO_ATOMICS
191
192 /* No atomic operations, use mutex fallback. Documentation is in x86 section */
193
194 #ifdef TMPI_CHECK_ATOMICS
195 #error No atomic operations implemented for this cpu/compiler combination.
196 #endif
197
198
199 /** Memory barrier operation
200
201    Modern CPUs rely heavily on out-of-order execution, and one common feature
202    is that load/stores might be reordered. Also, when using inline assembly
203    the compiler might already have loaded the variable we are changing into
204    a register, so any update to memory won't be visible.
205
206    This command creates a memory barrier, i.e. all memory results before
207    it in the code should be visible to all memory operations after it - the
208    CPU cannot propagate load/stores across it.
209
210    This barrier is a full barrier: all load and store operations of
211    instructions before it are completed, while all load and store operations
212    that are in instructions after it won't be done before this barrier.
213
214    \hideinitializer
215  */
216 #define tMPI_Atomic_memory_barrier()
217
218 /** Memory barrier operation with acquire semantics
219
220    This barrier is a barrier with acquire semantics: the terminology comes
221    from its common use after acquiring a lock: all load/store instructions
222    after this barrier may not be re-ordered to happen before this barrier.
223
224    \hideinitializer
225  */
226 #define tMPI_Atomic_memory_barrier_acq()
227
228 /** Memory barrier operation with release semantics
229
230    This barrier is a barrier with release semantics: the terminology comes
231    from its common use before releasing a lock: all load/store instructions
232    before this barrier may not be re-ordered to happen after this barrier.
233
234    \hideinitializer
235  */
236 #define tMPI_Atomic_memory_barrier_rel()
237
238 #ifndef DOXYGEN
239 /* signal that they exist */
240 #define TMPI_HAVE_ACQ_REL_BARRIERS
241 #endif
242
243 /** Atomic operations datatype
244  *
245  *  Portable synchronization primitives like mutexes are effective for
246  *  many purposes, but usually not very high performance.
247  *  One of the problem is that you have the overhead of a function call,
248  *  and another is that Mutexes often have extra overhead to make the
249  *  scheduling fair. Finally, if performance is important we don't want
250  *  to suspend the thread if we cannot lock a mutex, but spin-lock at 100%
251  *  CPU usage until the resources is available (e.g. increment a counter).
252  *
253  *  These things can often be implemented with inline-assembly or other
254  *  system-dependent functions, and we provide such functionality for the
255  *  most common platforms. For portability we also have a fallback
256  *  implementation using a mutex for locking.
257  *
258  *  Performance-wise, the fastest solution is always to avoid locking
259  *  completely (obvious, but remember it!). If you cannot do that, the
260  *  next best thing is to use atomic operations that e.g. increment a
261  *  counter without explicit locking. Spinlocks are useful to lock an
262  *  entire region, but leads to more overhead and can be difficult to
263  *  debug - it is up to you to make sure that only the thread owning the
264  *  lock unlocks it!
265  *
266  *  You should normally NOT use atomic operations for things like
267  *  I/O threads. These should yield to other threads while waiting for
268  *  the disk instead of spinning at 100% CPU usage.
269  *
270  *  It is imperative that you use the provided routines for reading
271  *  and writing, since some implementations require memory barriers before
272  *  the CPU or memory sees an updated result. The structure contents is
273  *  only visible here so it can be inlined for performance - it might
274  *  change without further notice.
275  *
276  *  \note No initialization is required for atomic variables.
277  *
278  *  Currently, we have (real) atomic operations for:
279  *
280  *  - gcc version 4.1 and later (all platforms)
281  *  - x86 or x86_64, using GNU compilers
282  *  - x86 or x86_64, using Intel compilers
283  *  - x86 or x86_64, using Pathscale compilers
284  *  - Itanium, using GNU compilers
285  *  - Itanium, using Intel compilers
286  *  - Itanium, using HP compilers
287  *  - PowerPC, using GNU compilers
288  *  - PowerPC, using IBM AIX compilers
289  *  - PowerPC, using IBM compilers >=7.0 under Linux or Mac OS X.
290  *  - Sparc64, using Fujitsu compilers.
291  *
292  * \see
293  * - tMPI_Atomic_get
294  * - tMPI_Atomic_set
295  * - tMPI_Atomic_cas
296  * - tMPI_Atomic_add_return
297  * - tMPI_Atomic_fetch_add
298  */
299 typedef struct tMPI_Atomic
300 {
301     int value; /**< The atomic value.*/
302 }
303 tMPI_Atomic_t;
304
305
306 /** Atomic pointer type equivalent to tMPI_Atomic_t
307  *
308  * Useful for lock-free and wait-free data structures.
309  * The only operations available for this type are:
310  * \see
311  * - tMPI_Atomic_ptr_get
312  * - tMPI_Atomic_ptr_set
313  * - tMPI_Atomic_ptr_cas
314  */
315 typedef struct tMPI_Atomic_ptr
316 {
317     void *value; /**< The atomic pointer. */
318 }
319 tMPI_Atomic_ptr_t;
320
321
322 /** Spinlock
323  *
324  *  Spinlocks provide a faster synchronization than mutexes,
325  *  although they consume CPU-cycles while waiting. They are implemented
326  *  with atomic operations and inline assembly whenever possible, and
327  *  otherwise we use a fallback implementation where a spinlock is identical
328  *  to a mutex (this is one of the reasons why you have to initialize them).
329  *
330  *  There are no guarantees whatsoever about fair scheduling or
331  *  debugging if you make a mistake and unlock a variable somebody
332  *  else has locked - performance is the primary goal of spinlocks.
333  *
334  * \see
335  * - tMPI_Spinlock_init
336  * - tMPI_Spinlock_lock
337  * - tMPI_Spinlock_unlock
338  * - tMPI_Spinlock_trylock
339  * - tMPI_Spinlock_wait
340  */
341 typedef struct tMPI_Spinlock *tMPI_Spinlock_t;
342
343 /*! \def TMPI_SPINLOCK_INITIALIZER
344  * \brief Spinlock static initializer
345  *
346  *  This is used for static spinlock initialization, and has the same
347  *  properties as TMPI_THREAD_MUTEX_INITIALIZER has for mutexes.
348  *  This is only for inlining in the tMPI_Thread.h header file. Whether
349  *  it is 0, 1, or something else when unlocked depends on the platform.
350  *  Don't assume anything about it. It might even be a mutex when using the
351  *  fallback implementation!
352  *
353  *  \hideinitializer
354  */
355 #define TMPI_SPINLOCK_INITIALIZER   { NULL }
356
357 /* Since mutexes guarantee memory barriers this works fine */
358 /** Return value of an atomic integer
359  *
360  *  Also implements proper memory barriers when necessary.
361  *  The actual implementation is system-dependent.
362  *
363  *  \param  a   Atomic variable to read
364  *  \return     Integer value of the atomic variable
365  *
366  *  \hideinitializer
367  */
368 TMPI_EXPORT
369 int tMPI_Atomic_get(const tMPI_Atomic_t *a);
370
371 /** Write value to an atomic integer
372  *
373  *  Also implements proper memory barriers when necessary.
374  *  The actual implementation is system-dependent.
375  *
376  *  \param  a   Atomic variable
377  *  \param  i   Integer to set the atomic variable to.
378  *
379  *  \hideinitializer
380  */
381 TMPI_EXPORT
382 void tMPI_Atomic_set(tMPI_Atomic_t *a, int i);
383
384
385 /** Return value of an atomic pointer
386  *
387  *  Also implements proper memory barriers when necessary.
388  *  The actual implementation is system-dependent.
389  *
390  *  \param  a   Atomic variable to read
391  *  \return     Pointer value of the atomic variable
392  *
393  *  \hideinitializer
394  */
395 TMPI_EXPORT
396 void* tMPI_Atomic_ptr_get(const tMPI_Atomic_ptr_t *a);
397
398
399
400
401 /** Write value to an atomic pointer
402  *
403  *  Also implements proper memory barriers when necessary.
404  *  The actual implementation is system-dependent.
405  *
406  *  \param  a   Atomic variable
407  *  \param  p   Pointer value to set the atomic variable to.
408  *
409  *  \hideinitializer
410  */
411 TMPI_EXPORT
412 void tMPI_Atomic_ptr_set(tMPI_Atomic_ptr_t *a, void *p);
413
414 /** Add integer to atomic variable
415  *
416  *  Also implements proper memory barriers when necessary.
417  *  The actual implementation is system-dependent.
418  *
419  *  \param a   atomic datatype to modify
420  *  \param i   integer to increment with. Use i<0 to subtract atomically.
421  *
422  *  \return The new value (after summation).
423  */
424 TMPI_EXPORT
425 int tMPI_Atomic_add_return(tMPI_Atomic_t *a, int i);
426 #ifndef DOXYGEN
427 #define TMPI_ATOMIC_HAVE_NATIVE_ADD_RETURN
428 #endif
429
430
431
432 /** Add to variable, return the old value.
433  *
434  *  This operation is quite useful for synchronization counters.
435  *  By performing a fetchadd with N, a thread can e.g. reserve a chunk
436  *  with the next N iterations, and the return value is the index
437  *  of the first element to treat.
438  *
439  *  Also implements proper memory barriers when necessary.
440  *  The actual implementation is system-dependent.
441  *
442  *  \param a   atomic datatype to modify
443  *  \param i   integer to increment with. Use i<0 to subtract atomically.
444  *
445  *  \return    The value of the atomic variable before addition.
446  */
447 TMPI_EXPORT
448 int tMPI_Atomic_fetch_add(tMPI_Atomic_t *a, int i);
449 #ifndef DOXYGEN
450 #define TMPI_ATOMIC_HAVE_NATIVE_FETCH_ADD
451 #endif
452
453
454
455 /** Atomic compare-and-swap operation
456  *
457  *   The \a old value is compared with the memory value in the atomic datatype.
458  *   If the are identical, the atomic type is swapped with the new value,
459  *   and otherwise left unchanged.
460  *
461  *   This is *the* synchronization primitive: it has a consensus number of
462  *   infinity, and is available in some form on all modern CPU architectures.
463  *   In the words of Herlihy&Shavit (The art of multiprocessor programming),
464  *   it is the 'king of all wild things'.
465  *
466  *   In practice, use it as follows: You can start by reading a value
467  *   (without locking anything), perform some calculations, and then
468  *   atomically try to update it in memory unless it has changed. If it has
469  *   changed you will get an error return code - reread the new value
470  *   an repeat the calculations in that case.
471  *
472  *   \param a        Atomic datatype ('memory' value)
473  *   \param old_val  Integer value read from the atomic type at an earlier point
474  *   \param new_val  New value to write to the atomic type if it currently is
475  *                   identical to the old value.
476  *
477  *   \return    True (1) if the swap occurred: i.e. if the value in a was equal
478  *              to old_val. False (0) if the swap didn't occur and the value
479  *              was not equal to old_val.
480  *
481  *   \note   The exchange occured if the return value is identical to \a old.
482  */
483 TMPI_EXPORT
484 int tMPI_Atomic_cas(tMPI_Atomic_t *a, int old_val, int new_val);
485
486
487
488
489 /** Atomic pointer compare-and-swap operation
490  *
491  *   The \a old value is compared with the memory value in the atomic datatype.
492  *   If the are identical, the atomic type is swapped with the new value,
493  *   and otherwise left unchanged.
494  *
495  *   This is essential for implementing wait-free lists and other data
496  *   structures. See 'tMPI_Atomic_cas()'.
497  *
498  *   \param a        Atomic datatype ('memory' value)
499  *   \param old_val  Pointer value read from the atomic type at an earlier point
500  *   \param new_val  New value to write to the atomic type if it currently is
501  *                   identical to the old value.
502  *
503  *   \return    True (1) if the swap occurred: i.e. if the value in a was equal
504  *              to old_val. False (0) if the swap didn't occur and the value
505  *              was not equal to old_val.
506  *
507  *   \note   The exchange occured if the return value is identical to \a old.
508  */
509 TMPI_EXPORT
510 int tMPI_Atomic_ptr_cas(tMPI_Atomic_ptr_t * a, void *old_val,
511                         void *new_val);
512
513 /** Atomic swap operation.
514
515    Atomically swaps the data in the tMPI_Atomic_t operand with the value of b.
516    Note: This has no good assembly counterparts on many architectures, so
517          it might not be faster than a repreated CAS.
518
519    \param a  Pointer to atomic type
520    \param b  Value to swap
521    \return the original value of a
522  */
523 TMPI_EXPORT
524 int tMPI_Atomic_swap(tMPI_Atomic_t *a, int b);
525
526 /** Atomic swap pointer operation.
527
528    Atomically swaps the pointer in the tMPI_Atomic_ptr_t operand with the
529    value of b.
530    Note: This has no good assembly counterparts on many architectures, so
531          it might not be faster than a repreated CAS.
532
533    \param a  Pointer to atomic type
534    \param b  Value to swap
535    \return the original value of a
536  */
537 TMPI_EXPORT
538 void *tMPI_Atomic_ptr_swap(tMPI_Atomic_ptr_t *a, void *b);
539 #ifndef DOXYGEN
540 #define TMPI_ATOMIC_HAVE_NATIVE_SWAP
541 #endif
542
543
544 /** Initialize spinlock
545  *
546  *  In theory you can call this from multiple threads, but remember
547  *  that we don't check for errors. If the first thread proceeded to
548  *  lock the spinlock after initialization, the second will happily
549  *  overwrite the contents and unlock it without warning you.
550  *
551  *  \param x      Spinlock pointer.
552  *
553  *  \hideinitializer
554  */
555 TMPI_EXPORT
556 void tMPI_Spinlock_init( tMPI_Spinlock_t *x);
557 #ifndef DOXYGEN
558 #define TMPI_ATOMIC_HAVE_NATIVE_SPINLOCK
559 #endif
560
561 /** Acquire spinlock
562  *
563  *  This routine blocks until the spinlock is available, and
564  *  the locks it again before returning.
565  *
566  *  \param x     Spinlock pointer
567  */
568 TMPI_EXPORT
569 void tMPI_Spinlock_lock( tMPI_Spinlock_t *x);
570
571
572 /** Attempt to acquire spinlock
573  *
574  * This routine acquires the spinlock if possible, but if
575  * already locked it return an error code immediately.
576  *
577  *  \param x     Spinlock pointer
578  *
579  * \return 0 if the mutex was available so we could lock it,
580  *         otherwise a non-zero integer (1) if the lock is busy.
581  */
582 TMPI_EXPORT
583 int tMPI_Spinlock_trylock( tMPI_Spinlock_t *x);
584
585 /** Release spinlock
586  *
587  *  \param x     Spinlock pointer
588  *
589  *  Unlocks the spinlock, regardless if which thread locked it.
590  */
591 TMPI_EXPORT
592 void tMPI_Spinlock_unlock( tMPI_Spinlock_t *x);
593
594
595
596 /** Check if spinlock is locked
597  *
598  *  This routine returns immediately with the lock status.
599  *
600  *  \param x  Spinlock pointer
601  *
602  *  \return 1 if the spinlock is locked, 0 otherwise.
603  */
604 TMPI_EXPORT
605 int tMPI_Spinlock_islocked( tMPI_Spinlock_t *x);
606
607 /** Wait for a spinlock to become available
608  *
609  *  This routine blocks until the spinlock is unlocked,
610  *  but in contrast to tMPI_Spinlock_lock() it returns without
611  *  trying to lock the spinlock.
612  *
613  *  \param x  Spinlock pointer
614  */
615 TMPI_EXPORT
616 void tMPI_Spinlock_wait(tMPI_Spinlock_t *x);
617
618
619 #endif /* TMPI_NO_ATOMICS */
620
621 /* now define all the atomics that are not avaible natively. These
622    are done on the assumption that a native CAS does exist. */
623 #include "atomic/derived.h"
624
625 /* this allows us to use the inline keyword without breaking support for
626    some compilers that don't support it: */
627 #ifdef inline_defined_in_atomic
628 #undef inline
629 #endif
630
631 #if !defined(TMPI_NO_ATOMICS) && !defined(TMPI_ATOMICS)
632 /* Set it here to make sure the user code can check this without having to have
633    a config.h */
634 /** Indicates that support for atomic operations is present. */
635 #define TMPI_ATOMICS
636 #endif
637
638
639 #ifdef __cplusplus
640 }
641 #endif
642
643
644 #endif /* TMPI_ATOMIC_H_ */