futex: Allow to make the private hash immutable
authorSebastian Andrzej Siewior <bigeasy@linutronix.de>
Wed, 16 Apr 2025 16:29:15 +0000 (18:29 +0200)
committerPeter Zijlstra <peterz@infradead.org>
Sat, 3 May 2025 10:02:08 +0000 (12:02 +0200)
My initial testing showed that:

perf bench futex hash

reported less operations/sec with private hash. After using the same
amount of buckets in the private hash as used by the global hash then
the operations/sec were about the same.

This changed once the private hash became resizable. This feature added
an RCU section and reference counting via atomic inc+dec operation into
the hot path.
The reference counting can be avoided if the private hash is made
immutable.
Extend PR_FUTEX_HASH_SET_SLOTS by a fourth argument which denotes if the
private should be made immutable. Once set (to true) the a further
resize is not allowed (same if set to global hash).
Add PR_FUTEX_HASH_GET_IMMUTABLE which returns true if the hash can not
be changed.
Update "perf bench" suite.

For comparison, results of "perf bench futex hash -s":
- Xeon CPU E5-2650, 2 NUMA nodes, total 32 CPUs:
  - Before the introducing task local hash
    shared  Averaged 1.487.148 operations/sec (+- 0,53%), total secs = 10
    private Averaged 2.192.405 operations/sec (+- 0,07%), total secs = 10

  - With the series
    shared  Averaged 1.326.342 operations/sec (+- 0,41%), total secs = 10
    -b128   Averaged   141.394 operations/sec (+- 1,15%), total secs = 10
    -Ib128  Averaged   851.490 operations/sec (+- 0,67%), total secs = 10
    -b8192  Averaged   131.321 operations/sec (+- 2,13%), total secs = 10
    -Ib8192 Averaged 1.923.077 operations/sec (+- 0,61%), total secs = 10
    128 is the default allocation of hash buckets.
    8192 was the previous amount of allocated hash buckets.

- Xeon(R) CPU E7-8890 v3, 4 NUMA nodes, total 144 CPUs:
  - Before the introducing task local hash
    shared   Averaged 1.810.936 operations/sec (+- 0,26%), total secs = 20
    private  Averaged 2.505.801 operations/sec (+- 0,05%), total secs = 20

  - With the series
    shared   Averaged 1.589.002 operations/sec (+- 0,25%), total secs = 20
    -b1024   Averaged    42.410 operations/sec (+- 0,20%), total secs = 20
    -Ib1024  Averaged   740.638 operations/sec (+- 1,51%), total secs = 20
    -b65536  Averaged    48.811 operations/sec (+- 1,35%), total secs = 20
    -Ib65536 Averaged 1.963.165 operations/sec (+- 0,18%), total secs = 20
    1024 is the default allocation of hash buckets.
    65536 was the previous amount of allocated hash buckets.

Signed-off-by: Sebastian Andrzej Siewior <bigeasy@linutronix.de>
Signed-off-by: Peter Zijlstra (Intel) <peterz@infradead.org>
Acked-by: Shrikanth Hegde <sshegde@linux.ibm.com>
Link: https://lore.kernel.org/r/20250416162921.513656-16-bigeasy@linutronix.de
include/uapi/linux/prctl.h
kernel/futex/core.c

index 3b93fb906e3c51a963e16f8fa60b072285d62473..43dec6eed559a68685fb03e659859bd2c4ee3395 100644 (file)
@@ -367,6 +367,8 @@ struct prctl_mm_map {
 /* FUTEX hash management */
 #define PR_FUTEX_HASH                  78
 # define PR_FUTEX_HASH_SET_SLOTS       1
+# define FH_FLAG_IMMUTABLE             (1ULL << 0)
 # define PR_FUTEX_HASH_GET_SLOTS       2
+# define PR_FUTEX_HASH_GET_IMMUTABLE   3
 
 #endif /* _LINUX_PRCTL_H */
index 9e7dad52abea8b8006b163118c91468f268eceb3..8054fda94719d5441b809a7b700f41b6f8ff944c 100644 (file)
@@ -63,6 +63,7 @@ struct futex_private_hash {
        struct rcu_head rcu;
        void            *mm;
        bool            custom;
+       bool            immutable;
        struct futex_hash_bucket queues[];
 };
 
@@ -132,12 +133,16 @@ static inline bool futex_key_is_private(union futex_key *key)
 
 bool futex_private_hash_get(struct futex_private_hash *fph)
 {
+       if (fph->immutable)
+               return true;
        return rcuref_get(&fph->users);
 }
 
 void futex_private_hash_put(struct futex_private_hash *fph)
 {
        /* Ignore return value, last put is verified via rcuref_is_dead() */
+       if (fph->immutable)
+               return;
        if (rcuref_put(&fph->users))
                wake_up_var(fph->mm);
 }
@@ -277,6 +282,8 @@ again:
                if (!fph)
                        return NULL;
 
+               if (fph->immutable)
+                       return fph;
                if (rcuref_get(&fph->users))
                        return fph;
        }
@@ -1383,6 +1390,9 @@ static void futex_hash_bucket_init(struct futex_hash_bucket *fhb,
        spin_lock_init(&fhb->lock);
 }
 
+#define FH_CUSTOM      0x01
+#define FH_IMMUTABLE   0x02
+
 #ifdef CONFIG_FUTEX_PRIVATE_HASH
 void futex_hash_free(struct mm_struct *mm)
 {
@@ -1433,10 +1443,11 @@ static bool futex_hash_less(struct futex_private_hash *a,
        return false; /* equal */
 }
 
-static int futex_hash_allocate(unsigned int hash_slots, bool custom)
+static int futex_hash_allocate(unsigned int hash_slots, unsigned int flags)
 {
        struct mm_struct *mm = current->mm;
        struct futex_private_hash *fph;
+       bool custom = flags & FH_CUSTOM;
        int i;
 
        if (hash_slots && (hash_slots == 1 || !is_power_of_2(hash_slots)))
@@ -1447,7 +1458,7 @@ static int futex_hash_allocate(unsigned int hash_slots, bool custom)
         */
        scoped_guard(rcu) {
                fph = rcu_dereference(mm->futex_phash);
-               if (fph && !fph->hash_mask) {
+               if (fph && (!fph->hash_mask || fph->immutable)) {
                        if (custom)
                                return -EBUSY;
                        return 0;
@@ -1461,6 +1472,7 @@ static int futex_hash_allocate(unsigned int hash_slots, bool custom)
        rcuref_init(&fph->users, 1);
        fph->hash_mask = hash_slots ? hash_slots - 1 : 0;
        fph->custom = custom;
+       fph->immutable = !!(flags & FH_IMMUTABLE);
        fph->mm = mm;
 
        for (i = 0; i < hash_slots; i++)
@@ -1553,7 +1565,7 @@ int futex_hash_allocate_default(void)
        if (current_buckets >= buckets)
                return 0;
 
-       return futex_hash_allocate(buckets, false);
+       return futex_hash_allocate(buckets, 0);
 }
 
 static int futex_hash_get_slots(void)
@@ -1567,9 +1579,22 @@ static int futex_hash_get_slots(void)
        return 0;
 }
 
+static int futex_hash_get_immutable(void)
+{
+       struct futex_private_hash *fph;
+
+       guard(rcu)();
+       fph = rcu_dereference(current->mm->futex_phash);
+       if (fph && fph->immutable)
+               return 1;
+       if (fph && !fph->hash_mask)
+               return 1;
+       return 0;
+}
+
 #else
 
-static int futex_hash_allocate(unsigned int hash_slots, bool custom)
+static int futex_hash_allocate(unsigned int hash_slots, unsigned int flags)
 {
        return -EINVAL;
 }
@@ -1578,23 +1603,35 @@ static int futex_hash_get_slots(void)
 {
        return 0;
 }
+
+static int futex_hash_get_immutable(void)
+{
+       return 0;
+}
 #endif
 
 int futex_hash_prctl(unsigned long arg2, unsigned long arg3, unsigned long arg4)
 {
+       unsigned int flags = FH_CUSTOM;
        int ret;
 
        switch (arg2) {
        case PR_FUTEX_HASH_SET_SLOTS:
-               if (arg4 != 0)
+               if (arg4 & ~FH_FLAG_IMMUTABLE)
                        return -EINVAL;
-               ret = futex_hash_allocate(arg3, true);
+               if (arg4 & FH_FLAG_IMMUTABLE)
+                       flags |= FH_IMMUTABLE;
+               ret = futex_hash_allocate(arg3, flags);
                break;
 
        case PR_FUTEX_HASH_GET_SLOTS:
                ret = futex_hash_get_slots();
                break;
 
+       case PR_FUTEX_HASH_GET_IMMUTABLE:
+               ret = futex_hash_get_immutable();
+               break;
+
        default:
                ret = -EINVAL;
                break;