]> oss.titaniummirror.com Git - msp430-gcc.git/blobdiff - libstdc++-v3/doc/xml/manual/bitmap_allocator.xml
Imported gcc-4.4.3
[msp430-gcc.git] / libstdc++-v3 / doc / xml / manual / bitmap_allocator.xml
diff --git a/libstdc++-v3/doc/xml/manual/bitmap_allocator.xml b/libstdc++-v3/doc/xml/manual/bitmap_allocator.xml
new file mode 100644 (file)
index 0000000..1815a39
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,559 @@
+<sect1 id="manual.ext.allocator.bitmap" xreflabel="mt allocator">
+<?dbhtml filename="bitmap_allocator.html"?>
+<sect1info>
+  <keywordset>
+    <keyword>
+      ISO C++
+    </keyword>
+    <keyword>
+      allocator
+    </keyword>
+  </keywordset>
+</sect1info>
+
+<title>bitmap_allocator</title>
+
+<para>
+</para>
+
+<sect2 id="allocator.bitmap.design" xreflabel="allocator.bitmap.design">
+<title>Design</title>
+
+  <para>
+    As this name suggests, this allocator uses a bit-map to keep track
+    of the used and unused memory locations for it's book-keeping
+    purposes.
+  </para>
+  <para>
+    This allocator will make use of 1 single bit to keep track of
+    whether it has been allocated or not. A bit 1 indicates free,
+    while 0 indicates allocated. This has been done so that you can
+    easily check a collection of bits for a free block. This kind of
+    Bitmapped strategy works best for single object allocations, and
+    with the STL type parameterized allocators, we do not need to
+    choose any size for the block which will be represented by a
+    single bit. This will be the size of the parameter around which
+    the allocator has been parameterized. Thus, close to optimal
+    performance will result. Hence, this should be used for node based
+    containers which call the allocate function with an argument of 1.
+  </para>
+
+  <para>
+    The bitmapped allocator's internal pool is exponentially growing.
+    Meaning that internally, the blocks acquired from the Free List
+    Store will double every time the bitmapped allocator runs out of
+    memory.
+  </para>
+
+  <para>
+    The macro <literal>__GTHREADS</literal> decides whether to use
+    Mutex Protection around every allocation/deallocation. The state
+    of the macro is picked up automatically from the gthr abstraction
+    layer.
+  </para>
+
+</sect2>
+
+<sect2 id="allocator.bitmap.impl" xreflabel="allocator.bitmap.impl">
+<title>Implementation</title>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.free_list_store" xreflabel="Free List Store">
+  <title>Free List Store</title>
+
+  <para>
+    The Free List Store (referred to as FLS for the remaining part of this
+    document) is the Global memory pool that is shared by all instances of
+    the bitmapped allocator instantiated for any type. This maintains a
+    sorted order of all free memory blocks given back to it by the
+    bitmapped allocator, and is also responsible for giving memory to the
+    bitmapped allocator when it asks for more.
+  </para>
+  <para>
+    Internally, there is a Free List threshold which indicates the
+    Maximum number of free lists that the FLS can hold internally
+    (cache).  Currently, this value is set at 64. So, if there are
+    more than 64 free lists coming in, then some of them will be given
+    back to the OS using operator delete so that at any given time the
+    Free List's size does not exceed 64 entries. This is done because
+    a Binary Search is used to locate an entry in a free list when a
+    request for memory comes along.  Thus, the run-time complexity of
+    the search would go up given an increasing size, for 64 entries
+    however, lg(64) == 6 comparisons are enough to locate the correct
+    free list if it exists.
+  </para>  
+  <para>
+    Suppose the free list size has reached it's threshold, then the
+    largest block from among those in the list and the new block will
+    be selected and given back to the OS. This is done because it
+    reduces external fragmentation, and allows the OS to use the
+    larger blocks later in an orderly fashion, possibly merging them
+    later. Also, on some systems, large blocks are obtained via calls
+    to mmap, so giving them back to free system resources becomes most
+    important.
+  </para>
+  <para>
+    The function _S_should_i_give decides the policy that determines
+    whether the current block of memory should be given to the
+    allocator for the request that it has made. That's because we may
+    not always have exact fits for the memory size that the allocator
+    requests. We do this mainly to prevent external fragmentation at
+    the cost of a little internal fragmentation. Now, the value of
+    this internal fragmentation has to be decided by this function. I
+    can see 3 possibilities right now. Please add more as and when you
+    find better strategies.
+  </para>
+
+<orderedlist>
+  <listitem><para>Equal size check. Return true only when the 2 blocks are of equal
+size.</para></listitem>
+  <listitem><para>Difference Threshold: Return true only when the _block_size is
+greater than or equal to the _required_size, and if the _BS is &gt; _RS
+by a difference of less than some THRESHOLD value, then return true,
+else return false. </para></listitem>
+  <listitem><para>Percentage Threshold. Return true only when the _block_size is
+greater than or equal to the _required_size, and if the _BS is &gt; _RS
+by a percentage of less than some THRESHOLD value, then return true,
+else return false.</para></listitem>
+</orderedlist>
+
+  <para>
+    Currently, (3) is being used with a value of 36% Maximum wastage per
+    Super Block.
+  </para>
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.super_block" xreflabel="Super Block">
+  <title>Super Block</title>
+
+  <para>
+    A super block is the block of memory acquired from the FLS from
+    which the bitmap allocator carves out memory for single objects
+    and satisfies the user's requests. These super blocks come in
+    sizes that are powers of 2 and multiples of 32
+    (_Bits_Per_Block). Yes both at the same time!  That's because the
+    next super block acquired will be 2 times the previous one, and
+    also all super blocks have to be multiples of the _Bits_Per_Block
+    value.
+  </para>
+  <para>
+    How does it interact with the free list store?
+  </para>
+  <para>
+    The super block is contained in the FLS, and the FLS is responsible for
+    getting / returning Super Bocks to and from the OS using operator new
+    as defined by the C++ standard.
+  </para>
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.super_block_data" xreflabel="Super Block Data">
+  <title>Super Block Data Layout</title>
+  <para>
+    Each Super Block will be of some size that is a multiple of the
+    number of Bits Per Block. Typically, this value is chosen as
+    Bits_Per_Byte x sizeof(size_t). On an x86 system, this gives the
+    figure 8 x 4 = 32. Thus, each Super Block will be of size 32
+    x Some_Value. This Some_Value is sizeof(value_type). For now, let
+    it be called 'K'. Thus, finally, Super Block size is 32 x K bytes.
+  </para>
+  <para>
+    This value of 32 has been chosen because each size_t has 32-bits
+    and Maximum use of these can be made with such a figure.
+  </para>
+  <para>
+    Consider a block of size 64 ints. In memory, it would look like this:
+    (assume a 32-bit system where, size_t is a 32-bit entity).
+  </para>
+
+<table frame='all'>
+<title>Bitmap Allocator Memory Map</title>
+<tgroup cols='5' align='left' colsep='1' rowsep='1'>
+<colspec colname='c1'></colspec>
+<colspec colname='c2'></colspec>
+<colspec colname='c3'></colspec>
+<colspec colname='c4'></colspec>
+<colspec colname='c5'></colspec>
+
+<tbody>
+  <row>
+    <entry>268</entry>
+    <entry>0</entry>
+    <entry>4294967295</entry>
+    <entry>4294967295</entry>
+    <entry>Data -&gt; Space for 64 ints</entry>
+  </row>
+</tbody>
+</tgroup>
+</table>
+
+  <para>
+    The first Column(268) represents the size of the Block in bytes as
+    seen by the Bitmap Allocator. Internally, a global free list is
+    used to keep track of the free blocks used and given back by the
+    bitmap allocator.  It is this Free List Store that is responsible
+    for writing and managing this information. Actually the number of
+    bytes allocated in this case would be: 4 + 4 + (4x2) + (64x4) =
+    272 bytes, but the first 4 bytes are an addition by the Free List
+    Store, so the Bitmap Allocator sees only 268 bytes. These first 4
+    bytes about which the bitmapped allocator is not aware hold the
+    value 268.
+  </para>
+
+  <para>
+  What do the remaining values represent?</para>
+  <para>
+    The 2nd 4 in the expression is the sizeof(size_t) because the
+    Bitmapped Allocator maintains a used count for each Super Block,
+    which is initially set to 0 (as indicated in the diagram). This is
+    incremented every time a block is removed from this super block
+    (allocated), and decremented whenever it is given back. So, when
+    the used count falls to 0, the whole super block will be given
+    back to the Free List Store.
+  </para>
+  <para>
+    The value 4294967295 represents the integer corresponding to the bit
+    representation of all bits set: 11111111111111111111111111111111.
+  </para>
+  <para>
+    The 3rd 4x2 is size of the bitmap itself, which is the size of 32-bits
+    x 2,
+    which is 8-bytes, or 2 x sizeof(size_t).
+  </para>
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.max_wasted" xreflabel="Max Wasted Percentage">
+  <title>Maximum Wasted Percentage</title>
+  <para>
+    This has nothing to do with the algorithm per-se,
+    only with some vales that must be chosen correctly to ensure that the
+    allocator performs well in a real word scenario, and maintains a good
+    balance between the memory consumption and the allocation/deallocation
+    speed.
+  </para>
+  <para>
+    The formula for calculating the maximum wastage as a percentage:
+  </para>
+
+  <para>
+(32 x k + 1) / (2 x (32 x k + 1 + 32 x c)) x 100.
+  </para>
+
+  <para>
+    where k is the constant overhead per node (e.g., for list, it is
+    8 bytes, and for map it is 12 bytes) and c is the size of the
+    base type on which the map/list is instantiated. Thus, suppose the
+    type1 is int and type2 is double, they are related by the relation
+    sizeof(double) == 2*sizeof(int). Thus, all types must have this
+    double size relation for this formula to work properly.
+  </para>
+  <para>
+    Plugging-in: For List: k = 8 and c = 4 (int and double), we get:
+    33.376%
+  </para>
+
+  <para>
+For map/multimap: k = 12, and c = 4 (int and double), we get: 37.524%
+  </para>
+  <para>
+    Thus, knowing these values, and based on the sizeof(value_type), we may
+    create a function that returns the Max_Wastage_Percentage for us to use.
+  </para>
+
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.allocate" xreflabel="Allocate">
+  <title><function>allocate</function></title>
+
+  <para>
+    The allocate function is specialized for single object allocation
+    ONLY.  Thus, ONLY if n == 1, will the bitmap_allocator's
+    specialized algorithm be used. Otherwise, the request is satisfied
+    directly by calling operator new.
+  </para>
+  <para>
+    Suppose n == 1, then the allocator does the following:
+  </para>
+  <orderedlist>
+    <listitem>
+      <para>
+       Checks to see whether a free block exists somewhere in a region
+       of memory close to the last satisfied request. If so, then that
+       block is marked as allocated in the bit map and given to the
+       user. If not, then (2) is executed.
+    </para>
+    </listitem>
+    <listitem>
+      <para>
+       Is there a free block anywhere after the current block right
+       up to the end of the memory that we have? If so, that block is
+       found, and the same procedure is applied as above, and
+       returned to the user. If not, then (3) is executed.
+    </para>
+    </listitem>
+    <listitem>
+      <para>
+       Is there any block in whatever region of memory that we own
+       free?  This is done by checking
+      </para>
+      <itemizedlist>
+       <listitem>
+       <para>
+       The use count for each super block, and if that fails then
+       </para>
+       </listitem>
+       <listitem>
+       <para>
+         The individual bit-maps for each super block.
+       </para>
+       </listitem>
+      </itemizedlist>
+
+      <para>
+       Note: Here we are never touching any of the memory that the
+       user will be given, and we are confining all memory accesses
+       to a small region of memory! This helps reduce cache
+       misses. If this succeeds then we apply the same procedure on
+       that bit-map as (1), and return that block of memory to the
+       user. However, if this process fails, then we resort to (4).
+       </para>
+    </listitem>
+    <listitem>
+      <para>
+       This process involves Refilling the internal exponentially
+       growing memory pool. The said effect is achieved by calling
+       _S_refill_pool which does the following:
+      </para>
+      <itemizedlist>
+       <listitem>
+         <para>
+           Gets more memory from the Global Free List of the Required
+           size.  
+         </para>
+       </listitem>
+      <listitem>
+      <para>
+      Adjusts the size for the next call to itself. 
+      </para>
+      </listitem>
+      <listitem>
+      <para>
+      Writes the appropriate headers in the bit-maps.
+      </para>
+      </listitem>
+      <listitem>
+       <para>
+       Sets the use count for that super-block just allocated to 0
+       (zero).  
+      </para>
+      </listitem>
+      <listitem>
+       <para>
+         All of the above accounts to maintaining the basic invariant
+         for the allocator. If the invariant is maintained, we are
+         sure that all is well. Now, the same process is applied on
+         the newly acquired free blocks, which are dispatched
+         accordingly.  
+      </para>
+      </listitem>
+    </itemizedlist>
+    </listitem>
+</orderedlist>
+
+<para>
+Thus, you can clearly see that the allocate function is nothing but a
+combination of the next-fit and first-fit algorithm optimized ONLY for
+single object allocations.
+</para>
+
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.deallocate" xreflabel="Deallocate">
+  <title><function>deallocate</function></title>
+  <para>
+    The deallocate function again is specialized for single objects ONLY.
+    For all n belonging to &gt; 1, the operator delete is called without
+    further ado, and the deallocate function returns.
+  </para>
+  <para>
+    However for n == 1, a series of steps are performed:
+  </para>
+  
+  <orderedlist>
+    <listitem><para>
+      We first need to locate that super-block which holds the memory
+      location given to us by the user. For that purpose, we maintain
+      a static variable _S_last_dealloc_index, which holds the index
+      into the vector of block pairs which indicates the index of the
+      last super-block from which memory was freed. We use this
+      strategy in the hope that the user will deallocate memory in a
+      region close to what he/she deallocated the last time around. If
+      the check for belongs_to succeeds, then we determine the bit-map
+      for the given pointer, and locate the index into that bit-map,
+      and mark that bit as free by setting it.
+    </para></listitem>
+    <listitem><para>
+      If the _S_last_dealloc_index does not point to the memory block
+      that we're looking for, then we do a linear search on the block
+      stored in the vector of Block Pairs. This vector in code is
+      called _S_mem_blocks. When the corresponding super-block is
+      found, we apply the same procedure as we did for (1) to mark the
+      block as free in the bit-map.
+    </para></listitem>
+  </orderedlist>
+
+  <para>
+    Now, whenever a block is freed, the use count of that particular
+    super block goes down by 1. When this use count hits 0, we remove
+    that super block from the list of all valid super blocks stored in
+    the vector.  While doing this, we also make sure that the basic
+    invariant is maintained by making sure that _S_last_request and
+    _S_last_dealloc_index point to valid locations within the vector.
+  </para>
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.questions" xreflabel="Questions">
+  <title>Questions</title>
+
+  <sect4 id="bitmap.impl.question.1" xreflabel="Question 1">
+    <title>1</title>
+    <para>
+Q1) The "Data Layout" section is
+cryptic. I have no idea of what you are trying to say. Layout of what?
+The free-list? Each bitmap? The Super Block?
+    </para>
+    <para>
+      The layout of a Super Block of a given
+size. In the example, a super block of size 32 x 1 is taken. The
+general formula for calculating the size of a super block is
+32 x sizeof(value_type) x 2^n, where n ranges from 0 to 32 for 32-bit
+systems.
+    </para>
+  </sect4>
+
+  <sect4 id="bitmap.impl.question.2" xreflabel="Question 2">
+    <title>2</title>
+    <para>
+      And since I just mentioned the
+term `each bitmap', what in the world is meant by it? What does each
+bitmap manage? How does it relate to the super block? Is the Super
+Block a bitmap as well?
+    </para>
+    <para>
+      Each bitmap is part of a Super Block which is made up of 3 parts
+      as I have mentioned earlier.  Re-iterating, 1. The use count,
+      2. The bit-map for that Super Block. 3.  The actual memory that
+      will be eventually given to the user. Each bitmap is a multiple
+      of 32 in size. If there are 32 x (2^3) blocks of single objects
+      to be given, there will be '32 x (2^3)' bits present.  Each 32
+      bits managing the allocated / free status for 32 blocks. Since
+      each size_t contains 32-bits, one size_t can manage up to 32
+      blocks' status. Each bit-map is made up of a number of size_t,
+      whose exact number for a super-block of a given size I have just
+      mentioned.
+    </para>
+  </sect4>
+
+  <sect4 id="bitmap.impl.question.3" xreflabel="Question 3">
+    <title>3</title>
+    <para>
+      How do the allocate and deallocate functions work in regard to
+      bitmaps?
+    </para>
+    <para>
+      The allocate and deallocate functions manipulate the bitmaps and
+      have nothing to do with the memory that is given to the user. As
+      I have earlier mentioned, a 1 in the bitmap's bit field
+      indicates free, while a 0 indicates allocated. This lets us
+      check 32 bits at a time to check whether there is at lease one
+      free block in those 32 blocks by testing for equality with
+      (0). Now, the allocate function will given a memory block find
+      the corresponding bit in the bitmap, and will reset it (i.e.,
+      make it re-set (0)). And when the deallocate function is called,
+      it will again set that bit after locating it to indicate that
+      that particular block corresponding to this bit in the bit-map
+      is not being used by anyone, and may be used to satisfy future
+      requests.
+    </para>
+    <para>
+      e.g.: Consider a bit-map of 64-bits as represented below:
+      1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
+    </para>
+
+    <para>
+      Now, when the first request for allocation of a single object
+      comes along, the first block in address order is returned. And
+      since the bit-maps in the reverse order to that of the address
+      order, the last bit (LSB if the bit-map is considered as a
+      binary word of 64-bits) is re-set to 0.
+    </para>
+
+    <para>
+      The bit-map now looks like this:
+      1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111110
+    </para>
+  </sect4>
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.locality" xreflabel="Locality">
+  <title>Locality</title>
+  <para>
+    Another issue would be whether to keep the all bitmaps in a
+    separate area in memory, or to keep them near the actual blocks
+    that will be given out or allocated for the client. After some
+    testing, I've decided to keep these bitmaps close to the actual
+    blocks. This will help in 2 ways.
+  </para>
+  
+  <orderedlist>
+  <listitem><para>Constant time access for the bitmap themselves, since no kind of
+look up will be needed to find the correct bitmap list or it's
+equivalent.</para></listitem>
+  <listitem><para>And also this would preserve the cache as far as possible.</para></listitem>
+  </orderedlist>
+
+  <para>
+    So in effect, this kind of an allocator might prove beneficial from a
+    purely cache point of view. But this allocator has been made to try and
+    roll out the defects of the node_allocator, wherein the nodes get
+    skewed about in memory, if they are not returned in the exact reverse
+    order or in the same order in which they were allocated. Also, the
+    new_allocator's book keeping overhead is too much for small objects and
+    single object allocations, though it preserves the locality of blocks
+    very well when they are returned back to the allocator.
+  </para>
+</sect3>
+
+<sect3 id="bitmap.impl.grow_policy" xreflabel="Grow Policy">
+  <title>Overhead and Grow Policy</title>
+  <para>
+    Expected overhead per block would be 1 bit in memory. Also, once
+    the address of the free list has been found, the cost for
+    allocation/deallocation would be negligible, and is supposed to be
+    constant time. For these very reasons, it is very important to
+    minimize the linear time costs, which include finding a free list
+    with a free block while allocating, and finding the corresponding
+    free list for a block while deallocating. Therefore, I have
+    decided that the growth of the internal pool for this allocator
+    will be exponential as compared to linear for
+    node_allocator. There, linear time works well, because we are
+    mainly concerned with speed of allocation/deallocation and memory
+    consumption, whereas here, the allocation/deallocation part does
+    have some linear/logarithmic complexity components in it. Thus, to
+    try and minimize them would be a good thing to do at the cost of a
+    little bit of memory.
+  </para>
+
+  <para>
+    Another thing to be noted is the pool size will double every time
+    the internal pool gets exhausted, and all the free blocks have
+    been given away. The initial size of the pool would be
+    sizeof(size_t) x 8 which is the number of bits in an integer,
+    which can fit exactly in a CPU register. Hence, the term given is
+    exponential growth of the internal pool.
+  </para>
+</sect3>
+
+</sect2>
+</sect1>