src/gmxlib/gmx_thread_affinity.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012, by the GROMACS development team, led by
   5  * David van der Spoel, Berk Hess, Erik Lindahl, and including many
   6  * others, as listed in the AUTHORS file in the top-level source
   7  * directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38 #if defined(HAVE_SCHED_H) && defined(HAVE_SCHED_GETAFFINITY)
  39 #define _GNU_SOURCE
  40 #include <sched.h>
  41 #include <sys/syscall.h>
  42 #endif
  43 #include <string.h>
  44 #include <errno.h>
  45 #include <assert.h>
  46 #include <stdio.h>
  47 #include "typedefs.h"
  48 #include "types/commrec.h"
  49 #include "types/hw_info.h"
  50 #include "gmx_cpuid.h"
  51 #include "gmx_omp.h"
  52 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  53 #include "md_logging.h"
  54 #include "statutil.h"
  55 #include "gmx_thread_affinity.h"
  56
  57 #include "thread_mpi/threads.h"
  58
  59
  60 static int
  61 get_thread_affinity_layout(FILE *fplog,
  62                            const t_commrec *cr,
  63                            const gmx_hw_info_t * hwinfo,
  64                            int nthreads,
  65                            int pin_offset, int * pin_stride,
  66                            const int **locality_order)
  67 {
  68     int         nhwthreads, npkg, ncores, nhwthreads_per_core, rc;
  69     const int * pkg_id;
  70     const int * core_id;
  71     const int * hwthread_id;
  72     gmx_bool    bPickPinStride;
  73
  74     if (pin_offset < 0)
  75     {
  76         gmx_fatal(FARGS, "Negative thread pinning offset requested");
  77     }
  78     if (*pin_stride < 0)
  79     {
  80         gmx_fatal(FARGS, "Negative thread pinning stride requested");
  81     }
  82
  83     rc = gmx_cpuid_topology(hwinfo->cpuid_info, &nhwthreads, &npkg, &ncores,
  84                             &nhwthreads_per_core,
  85                             &pkg_id, &core_id, &hwthread_id, locality_order);
  86
  87     if (rc != 0)
  88     {
  89         /* topology information not available or invalid, ignore it */
  90         nhwthreads      = hwinfo->nthreads_hw_avail;
  91         *locality_order = NULL;
  92
  93         if (nhwthreads <= 0)
  94         {
  95             /* We don't know anything about the hardware, don't pin */
  96             md_print_warn(cr, fplog,
  97                           "NOTE: We don't know how many logical cores we have, will not pin threads");
  98
  99             return -1;
 100         }
 101     }
 102
 103     if (nthreads > nhwthreads)
 104     {
 105         /* We are oversubscribing, don't pin */
 106         md_print_warn(NULL, fplog,
 107                       "WARNING: Oversubscribing the CPU, will not pin threads");
 108
 109         return -1;
 110     }
 111
 112     if (pin_offset + nthreads > nhwthreads)
 113     {
 114         /* We are oversubscribing, don't pin */
 115         md_print_warn(NULL, fplog,
 116                       "WARNING: The requested pin offset is too large for the available logical cores,\n"
 117                       "         will not pin threads");
 118
 119         return -1;
 120     }
 121
 122
 123     /* do we need to choose the pinning stride? */
 124     bPickPinStride = (*pin_stride == 0);
 125
 126     if (bPickPinStride)
 127     {
 128         if (rc == 0 && pin_offset + nthreads*nhwthreads_per_core <= nhwthreads)
 129         {
 130             /* Put one thread on each physical core */
 131             *pin_stride = nhwthreads_per_core;
 132         }
 133         else
 134         {
 135             /* We don't know if we have SMT, and if we do, we don't know
 136              * if hw threads in the same physical core are consecutive.
 137              * Without SMT the pinning layout should not matter too much.
 138              * so we assume a consecutive layout and maximally spread out"
 139              * the threads at equal threads per core.
 140              * Note that IBM is the major non-x86 case with cpuid support
 141              * and probably threads are already pinned by the queuing system,
 142              * so we wouldn't end up here in the first place.
 143              */
 144             *pin_stride = (nhwthreads - pin_offset)/nthreads;
 145         }
 146     }
 147     else
 148     {
 149         /* Check the placement of the thread with the largest index to make sure
 150          * that the offset & stride doesn't cause pinning beyond the last hardware thread. */
 151         if (pin_offset + (nthreads-1)*(*pin_stride) >= nhwthreads)
 152         {
 153             /* We are oversubscribing, don't pin */
 154             md_print_warn(NULL, fplog,
 155                           "WARNING: The requested pinning stride is too large for the available logical cores,\n"
 156                           "         will not pin threads");
 157
 158             return -1;
 159         }
 160     }
 161
 162     if (fplog != NULL)
 163     {
 164         fprintf(fplog, "Pinning threads with a%s logical core stride of %d\n",
 165                 bPickPinStride ? "n auto-selected" : " user-specified",
 166                 *pin_stride);
 167     }
 168
 169     return 0;
 170 }
 171
 172 /* Set CPU affinity. Can be important for performance.
 173    On some systems (e.g. Cray) CPU Affinity is set by default.
 174    But default assigning doesn't work (well) with only some ranks
 175    having threads. This causes very low performance.
 176    External tools have cumbersome syntax for setting affinity
 177    in the case that only some ranks have threads.
 178    Thus it is important that GROMACS sets the affinity internally
 179    if only PME is using threads.
 180  */
 181 void
 182 gmx_set_thread_affinity(FILE                *fplog,
 183                         const t_commrec     *cr,
 184                         gmx_hw_opt_t        *hw_opt,
 185                         int                  nthreads_pme,
 186                         const gmx_hw_info_t *hwinfo,
 187                         const t_inputrec    *inputrec)
 188 {
 189     int        nth_affinity_set, thread0_id_node,
 190                nthread_local, nthread_node, nthread_hw_max, nphyscore;
 191     int        offset;
 192     const int *locality_order;
 193     int        rc;
 194
 195     if (hw_opt->thread_affinity == threadaffOFF)
 196     {
 197         /* Nothing to do */
 198         return;
 199     }
 200
 201     /* If the tMPI thread affinity setting is not supported encourage the user
 202      * to report it as it's either a bug or an exotic platform which we might
 203      * want to support. */
 204     if (tMPI_Thread_setaffinity_support() != TMPI_SETAFFINITY_SUPPORT_YES)
 205     {
 206         /* we know Mac OS doesn't support setting thread affinity, so there's
 207            no point in warning the user in that case. In any other case
 208            the user might be able to do something about it. */
 209 #ifndef __APPLE__
 210         md_print_warn(NULL, fplog,
 211                       "Can not set thread affinities on the current platform. On NUMA systems this\n"
 212                       "can cause performance degradation. If you think your platform should support\n"
 213                       "setting affinities, contact the GROMACS developers.");
 214 #endif  /* __APPLE__ */
 215         return;
 216     }
 217
 218     /* threads on this MPI process or TMPI thread */
 219     if (cr->duty & DUTY_PP)
 220     {
 221         nthread_local = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
 222     }
 223     else
 224     {
 225         nthread_local = gmx_omp_nthreads_get(emntPME);
 226     }
 227
 228     /* map the current process to cores */
 229     thread0_id_node = 0;
 230     nthread_node    = nthread_local;
 231 #ifdef GMX_MPI
 232     if (PAR(cr) || MULTISIM(cr))
 233     {
 234         /* We need to determine a scan of the thread counts in this
 235          * compute node.
 236          */
 237         MPI_Comm comm_intra;
 238
 239         MPI_Comm_split(MPI_COMM_WORLD, gmx_hostname_num(), cr->rank_intranode,
 240                        &comm_intra);
 241         MPI_Scan(&nthread_local, &thread0_id_node, 1, MPI_INT, MPI_SUM, comm_intra);
 242         /* MPI_Scan is inclusive, but here we need exclusive */
 243         thread0_id_node -= nthread_local;
 244         /* Get the total number of threads on this physical node */
 245         MPI_Allreduce(&nthread_local, &nthread_node, 1, MPI_INT, MPI_SUM, comm_intra);
 246         MPI_Comm_free(&comm_intra);
 247     }
 248 #endif
 249
 250     if (hw_opt->thread_affinity == threadaffAUTO &&
 251         nthread_node != hwinfo->nthreads_hw_avail)
 252     {
 253         if (nthread_node > 1 && nthread_node < hwinfo->nthreads_hw_avail)
 254         {
 255             md_print_warn(cr, fplog,
 256                           "NOTE: The number of threads is not equal to the number of (logical) cores\n"
 257                           "      and the -pin option is set to auto: will not pin thread to cores.\n"
 258                           "      This can lead to significant performance degradation.\n"
 259                           "      Consider using -pin on (and -pinoffset in case you run multiple jobs).\n");
 260         }
 261
 262         return;
 263     }
 264
 265     offset = 0;
 266     if (hw_opt->core_pinning_offset != 0)
 267     {
 268         offset = hw_opt->core_pinning_offset;
 269         md_print_info(cr, fplog, "Applying core pinning offset %d\n", offset);
 270     }
 271
 272     rc = get_thread_affinity_layout(fplog, cr, hwinfo,
 273                                     nthread_node,
 274                                     offset, &hw_opt->core_pinning_stride,
 275                                     &locality_order);
 276
 277     if (rc != 0)
 278     {
 279         /* Incompatible layout, don't pin, warning was already issued */
 280         return;
 281     }
 282
 283     /* Set the per-thread affinity. In order to be able to check the success
 284      * of affinity settings, we will set nth_affinity_set to 1 on threads
 285      * where the affinity setting succeded and to 0 where it failed.
 286      * Reducing these 0/1 values over the threads will give the total number
 287      * of threads on which we succeeded.
 288      */
 289     nth_affinity_set = 0;
 290 #pragma omp parallel num_threads(nthread_local) reduction(+:nth_affinity_set)
 291     {
 292         int      thread_id, thread_id_node;
 293         int      index, core;
 294         gmx_bool setaffinity_ret;
 295
 296         thread_id      = gmx_omp_get_thread_num();
 297         thread_id_node = thread0_id_node + thread_id;
 298         index          = offset + thread_id_node*hw_opt->core_pinning_stride;
 299         if (locality_order != NULL)
 300         {
 301             core = locality_order[index];
 302         }
 303         else
 304         {
 305             core = index;
 306         }
 307
 308         setaffinity_ret = tMPI_Thread_setaffinity_single(tMPI_Thread_self(), core);
 309
 310         /* store the per-thread success-values of the setaffinity */
 311         nth_affinity_set = (setaffinity_ret == 0);
 312
 313         if (debug)
 314         {
 315             fprintf(debug, "On rank %2d, thread %2d, index %2d, core %2d the affinity setting returned %d\n",
 316                     cr->nodeid, gmx_omp_get_thread_num(), index, core, setaffinity_ret);
 317         }
 318     }
 319
 320     if (nth_affinity_set > nthread_local)
 321     {
 322         char msg[STRLEN];
 323
 324         sprintf(msg, "Looks like we have set affinity for more threads than "
 325                 "we have (%d > %d)!\n", nth_affinity_set, nthread_local);
 326         gmx_incons(msg);
 327     }
 328     else
 329     {
 330         /* check & warn if some threads failed to set their affinities */
 331         if (nth_affinity_set != nthread_local)
 332         {
 333             char sbuf1[STRLEN], sbuf2[STRLEN];
 334
 335             /* sbuf1 contains rank info, while sbuf2 OpenMP thread info */
 336             sbuf1[0] = sbuf2[0] = '\0';
 337             /* Only add rank info if we have more than one rank. */
 338             if (cr->nnodes > 1)
 339             {
 340 #ifdef GMX_MPI
 341 #ifdef GMX_THREAD_MPI
 342                 sprintf(sbuf1, "In tMPI thread #%d: ", cr->nodeid);
 343 #else           /* GMX_LIB_MPI */
 344                 sprintf(sbuf1, "In MPI process #%d: ", cr->nodeid);
 345 #endif
 346 #endif          /* GMX_MPI */
 347             }
 348
 349             if (nthread_local > 1)
 350             {
 351                 sprintf(sbuf2, "for %d/%d thread%s ",
 352                         nthread_local - nth_affinity_set, nthread_local,
 353                         nthread_local > 1 ? "s" : "");
 354             }
 355
 356             md_print_warn(NULL, fplog,
 357                           "WARNING: %sAffinity setting %sfailed.\n"
 358                           "         This can cause performance degradation! If you think your setting are\n"
 359                           "         correct, contact the GROMACS developers.",
 360                           sbuf1, sbuf2);
 361         }
 362     }
 363     return;
 364 }
 365
 366 /* Check the process affinity mask and if it is found to be non-zero,
 367  * will honor it and disable mdrun internal affinity setting.
 368  * Note that this will only work on Linux as we use a GNU feature.
 369  */
 370 void
 371 gmx_check_thread_affinity_set(FILE *fplog, const t_commrec *cr,
 372                               gmx_hw_opt_t *hw_opt, int ncpus,
 373                               gmx_bool bAfterOpenmpInit)
 374 {
 375 #ifdef HAVE_SCHED_GETAFFINITY
 376     cpu_set_t mask_current;
 377     int       i, ret, cpu_count, cpu_set;
 378     gmx_bool  bAllSet;
 379
 380     assert(hw_opt);
 381     if (hw_opt->thread_affinity == threadaffOFF)
 382     {
 383         /* internal affinity setting is off, don't bother checking process affinity */
 384         return;
 385     }
 386
 387     CPU_ZERO(&mask_current);
 388     if ((ret = sched_getaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask_current)) != 0)
 389     {
 390         /* failed to query affinity mask, will just return */
 391         if (debug)
 392         {
 393             fprintf(debug, "Failed to query affinity mask (error %d)", ret);
 394         }
 395         return;
 396     }
 397
 398     /* Before proceeding with the actual check, make sure that the number of
 399      * detected CPUs is >= the CPUs in the current set.
 400      * We need to check for CPU_COUNT as it was added only in glibc 2.6. */
 401 #ifdef CPU_COUNT
 402     if (ncpus < CPU_COUNT(&mask_current))
 403     {
 404         if (debug)
 405         {
 406             fprintf(debug, "%d CPUs detected, but %d was returned by CPU_COUNT",
 407                     ncpus, CPU_COUNT(&mask_current));
 408         }
 409         return;
 410     }
 411 #endif /* CPU_COUNT */
 412
 413     bAllSet = TRUE;
 414     for (i = 0; (i < ncpus && i < CPU_SETSIZE); i++)
 415     {
 416         bAllSet = bAllSet && (CPU_ISSET(i, &mask_current) != 0);
 417     }
 418
 419     if (!bAllSet)
 420     {
 421         if (hw_opt->thread_affinity == threadaffAUTO)
 422         {
 423             if (!bAfterOpenmpInit)
 424             {
 425                 md_print_warn(cr, fplog,
 426                               "Non-default thread affinity set, disabling internal thread affinity");
 427             }
 428             else
 429             {
 430                 md_print_warn(cr, fplog,
 431                               "Non-default thread affinity set probably by the OpenMP library,\n"
 432                               "disabling internal thread affinity");
 433             }
 434             hw_opt->thread_affinity = threadaffOFF;
 435         }
 436         else
 437         {
 438             /* Only warn once, at the last check (bAfterOpenmpInit==TRUE) */
 439             if (bAfterOpenmpInit)
 440             {
 441                 md_print_warn(cr, fplog,
 442                               "Overriding thread affinity set outside %s\n",
 443                               ShortProgram());
 444             }
 445         }
 446
 447         if (debug)
 448         {
 449             fprintf(debug, "Non-default affinity mask found\n");
 450         }
 451     }
 452     else
 453     {
 454         if (debug)
 455         {
 456             fprintf(debug, "Default affinity mask found\n");
 457         }
 458     }
 459 #endif /* HAVE_SCHED_GETAFFINITY */
 460 }