| 1 | /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 2 | // File   :  sort.c | 
|---|
| 3 | // Date   :  November 2013 | 
|---|
| 4 | // Author :  Cesar Fuguet Tortolero <cesar.fuguet-tortolero@lip6.fr> | 
|---|
| 5 | /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 6 | // This multi-threaded application implement a multi-stage sort application. | 
|---|
| 7 | // The various stages are separated by synchronisation barriers. | 
|---|
| 8 | // There is one thread per physical cores. | 
|---|
| 9 | // Computation is organised as a binary tree: | 
|---|
| 10 | // - All threads execute in parallel a buble sort on a sub-array during the | 
|---|
| 11 | //   the first stage of parallel sort, | 
|---|
| 12 | // - The number of participating threads is divided by 2 at each next stage, | 
|---|
| 13 | //   to make a merge sort, on two subsets of previous stage. | 
|---|
| 14 | // | 
|---|
| 15 | //       Number_of_stages = number of barriers = log2(Number_of_threads) | 
|---|
| 16 | // | 
|---|
| 17 | // Constraints : | 
|---|
| 18 | // - It supports up to 1024 cores: x_size, y_size, and ncores must be | 
|---|
| 19 | //   power of 2 (max 16*16 clusters / max 4 cores per cluster) | 
|---|
| 20 | // _ The array of values to be sorted (ARRAY_LENGTH) must be power of 2 | 
|---|
| 21 | //   larger than the number of cores. | 
|---|
| 22 | /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 23 |  | 
|---|
| 24 | #include <stdio.h> | 
|---|
| 25 | #include <stdlib.h> | 
|---|
| 26 | #include <malloc.h> | 
|---|
| 27 | #include <pthread.h> | 
|---|
| 28 |  | 
|---|
| 29 | #define ARRAY_LENGTH    0x100    // 256 values | 
|---|
| 30 | #define VERBOSE         0 | 
|---|
| 31 |  | 
|---|
| 32 | /////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 33 | // macros for fixed format cxy <=> (x,y) translation | 
|---|
| 34 | /////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 35 |  | 
|---|
| 36 | #define CXY_FROM_XY( x , y )  ((x<<4) + y) | 
|---|
| 37 |  | 
|---|
| 38 | #define X_FROM_CXY( cxy )     ((cxy>>4) & 0xF) | 
|---|
| 39 |  | 
|---|
| 40 | #define Y_FROM_CXY( cxy )     (cxy & 0xF) | 
|---|
| 41 |  | 
|---|
| 42 | ///////////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 43 | // argument for the sort() function (one thread per core) | 
|---|
| 44 | ///////////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 45 |  | 
|---|
| 46 | typedef struct | 
|---|
| 47 | { | 
|---|
| 48 | unsigned int threads;      // total number of threads | 
|---|
| 49 | unsigned int thread_uid;    // thread user index (0 to threads -1) | 
|---|
| 50 | unsigned int main_uid;      // main thread user index | 
|---|
| 51 | } | 
|---|
| 52 | args_t; | 
|---|
| 53 |  | 
|---|
| 54 | ////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 55 | //      Global variables | 
|---|
| 56 | ////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 57 |  | 
|---|
| 58 | int                 array0[ARRAY_LENGTH];    // values to sort | 
|---|
| 59 | int                 array1[ARRAY_LENGTH]; | 
|---|
| 60 |  | 
|---|
| 61 | pthread_barrier_t   barrier;                 // synchronisation variables | 
|---|
| 62 |  | 
|---|
| 63 |  | 
|---|
| 64 | //////////////////////////////////// | 
|---|
| 65 | void bubbleSort( int *        array, | 
|---|
| 66 | unsigned int length, | 
|---|
| 67 | unsigned int init_pos ) | 
|---|
| 68 | { | 
|---|
| 69 | int i; | 
|---|
| 70 | int j; | 
|---|
| 71 | int aux; | 
|---|
| 72 |  | 
|---|
| 73 | for(i = 0; i < length; i++) | 
|---|
| 74 | { | 
|---|
| 75 | for(j = init_pos; j < (init_pos + length - i - 1); j++) | 
|---|
| 76 | { | 
|---|
| 77 | if(array[j] > array[j + 1]) | 
|---|
| 78 | { | 
|---|
| 79 | aux          = array[j + 1]; | 
|---|
| 80 | array[j + 1] = array[j]; | 
|---|
| 81 | array[j]     = aux; | 
|---|
| 82 | } | 
|---|
| 83 | } | 
|---|
| 84 | } | 
|---|
| 85 | }  // end bubbleSort() | 
|---|
| 86 |  | 
|---|
| 87 |  | 
|---|
| 88 | ///////////////////////// | 
|---|
| 89 | void merge( int * src, | 
|---|
| 90 | int * dst, | 
|---|
| 91 | int length, | 
|---|
| 92 | int init_pos_src_a, | 
|---|
| 93 | int init_pos_src_b, | 
|---|
| 94 | int init_pos_dst ) | 
|---|
| 95 | { | 
|---|
| 96 | int i; | 
|---|
| 97 | int j; | 
|---|
| 98 | int k; | 
|---|
| 99 |  | 
|---|
| 100 | i = 0; | 
|---|
| 101 | j = 0; | 
|---|
| 102 | k = init_pos_dst; | 
|---|
| 103 |  | 
|---|
| 104 | while((i < length) || (j < length)) | 
|---|
| 105 | { | 
|---|
| 106 | if((i < length) && (j < length)) | 
|---|
| 107 | { | 
|---|
| 108 | if(src[init_pos_src_a + i] < src[init_pos_src_b + j]) | 
|---|
| 109 | { | 
|---|
| 110 | dst[k++] = src[init_pos_src_a + i]; | 
|---|
| 111 | i++; | 
|---|
| 112 | } | 
|---|
| 113 | else | 
|---|
| 114 | { | 
|---|
| 115 | dst[k++] = src[init_pos_src_b + j]; | 
|---|
| 116 | j++; | 
|---|
| 117 | } | 
|---|
| 118 | } | 
|---|
| 119 | else if(i < length) | 
|---|
| 120 | { | 
|---|
| 121 | dst[k++] = src[init_pos_src_a + i]; | 
|---|
| 122 | i++; | 
|---|
| 123 | } | 
|---|
| 124 | else | 
|---|
| 125 | { | 
|---|
| 126 | dst[k++] = src[init_pos_src_b + j]; | 
|---|
| 127 | j++; | 
|---|
| 128 | } | 
|---|
| 129 | } | 
|---|
| 130 | }  // end merge() | 
|---|
| 131 |  | 
|---|
| 132 | ///////////////////////// | 
|---|
| 133 | void sort( args_t * ptr ) | 
|---|
| 134 | { | 
|---|
| 135 | unsigned int       i; | 
|---|
| 136 | unsigned long long cycle; | 
|---|
| 137 |  | 
|---|
| 138 | int         * src_array  = NULL; | 
|---|
| 139 | int         * dst_array  = NULL; | 
|---|
| 140 |  | 
|---|
| 141 | unsigned int  thread_uid = ptr->thread_uid; | 
|---|
| 142 | unsigned int  threads    = ptr->threads; | 
|---|
| 143 | unsigned int  main_uid   = ptr->main_uid; | 
|---|
| 144 |  | 
|---|
| 145 | unsigned int  items      = ARRAY_LENGTH / threads; | 
|---|
| 146 | unsigned int  stages     = __builtin_ctz( threads ) + 1; | 
|---|
| 147 |  | 
|---|
| 148 | get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 149 | printf("\n[SORT] thread[%d] enter at cycle %d\n", thread_uid , (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 150 |  | 
|---|
| 151 | printf("\n[SORT] thread[%d] / stage 0 start\n", thread_uid ); | 
|---|
| 152 |  | 
|---|
| 153 | bubbleSort( array0, items, items * thread_uid ); | 
|---|
| 154 |  | 
|---|
| 155 | printf("\n[SORT] thread[%d] / stage 0 completed\n", thread_uid ); | 
|---|
| 156 |  | 
|---|
| 157 | ///////////////////////////////// | 
|---|
| 158 | pthread_barrier_wait( &barrier ); | 
|---|
| 159 |  | 
|---|
| 160 | // the number of threads contributing to sort | 
|---|
| 161 | // is divided by 2 at each next stage | 
|---|
| 162 | for ( i = 1 ; i < stages ; i++ ) | 
|---|
| 163 | { | 
|---|
| 164 | pthread_barrier_wait( &barrier ); | 
|---|
| 165 |  | 
|---|
| 166 | if( (thread_uid & ((1<<i)-1)) == 0 ) | 
|---|
| 167 | { | 
|---|
| 168 | printf("\n[SORT] thread[%d] / stage %d start\n", thread_uid , i ); | 
|---|
| 169 |  | 
|---|
| 170 | if((i % 2) == 1)               // odd stage | 
|---|
| 171 | { | 
|---|
| 172 | src_array = array0; | 
|---|
| 173 | dst_array = array1; | 
|---|
| 174 | } | 
|---|
| 175 | else                           // even stage | 
|---|
| 176 | { | 
|---|
| 177 | src_array = array1; | 
|---|
| 178 | dst_array = array0; | 
|---|
| 179 | } | 
|---|
| 180 |  | 
|---|
| 181 | merge( src_array, | 
|---|
| 182 | dst_array, | 
|---|
| 183 | items << i, | 
|---|
| 184 | items * thread_uid, | 
|---|
| 185 | items * (thread_uid + (1 << (i-1))), | 
|---|
| 186 | items * thread_uid ); | 
|---|
| 187 |  | 
|---|
| 188 | printf("\n[SORT] thread[%d] / stage %d completed\n", thread_uid , i ); | 
|---|
| 189 | } | 
|---|
| 190 |  | 
|---|
| 191 | ///////////////////////////////// | 
|---|
| 192 | pthread_barrier_wait( &barrier ); | 
|---|
| 193 |  | 
|---|
| 194 | } | 
|---|
| 195 |  | 
|---|
| 196 | // all threads but the main thread exit | 
|---|
| 197 | if( thread_uid != main_uid ) pthread_exit( NULL ); | 
|---|
| 198 |  | 
|---|
| 199 | } // end sort() | 
|---|
| 200 |  | 
|---|
| 201 |  | 
|---|
| 202 | /////////// | 
|---|
| 203 | void main() | 
|---|
| 204 | { | 
|---|
| 205 | unsigned int           x_size;             // number of rows | 
|---|
| 206 | unsigned int           y_size;             // number of columns | 
|---|
| 207 | unsigned int           ncores;             // number of cores per cluster | 
|---|
| 208 | unsigned int           threads;            // total number of threads | 
|---|
| 209 | unsigned int           thread_uid;         // user defined thread index | 
|---|
| 210 | unsigned int           main_cxy;           // cluster identifier for main | 
|---|
| 211 | unsigned int           main_x;             // X coordinate for main thread | 
|---|
| 212 | unsigned int           main_y;             // Y coordinate for main thread | 
|---|
| 213 | unsigned int           main_lid;           // core local index for main thread | 
|---|
| 214 | unsigned int           main_uid;           // thread user index for main thread | 
|---|
| 215 | unsigned int           x;                  // X coordinate for a thread | 
|---|
| 216 | unsigned int           y;                  // Y coordinate for a thread | 
|---|
| 217 | unsigned int           lid;                // core local index for a thread | 
|---|
| 218 | unsigned int           n;                  // index in array to sort | 
|---|
| 219 | unsigned long long     cycle;              // current date for log | 
|---|
| 220 | pthread_t              trdid;              // kernel allocated thread index (unused) | 
|---|
| 221 | pthread_barrierattr_t  barrier_attr;       // barrier attributes | 
|---|
| 222 | pthread_attr_t         attr[1024];         // thread attributes (one per thread) | 
|---|
| 223 | args_t                 arg[1024];          // sort function arguments (one per thread) | 
|---|
| 224 |  | 
|---|
| 225 | // compute number of threads (one thread per proc) | 
|---|
| 226 | get_config( &x_size , &y_size , &ncores ); | 
|---|
| 227 | threads = x_size * y_size * ncores; | 
|---|
| 228 |  | 
|---|
| 229 | // get core coordinates and user index for the main thread | 
|---|
| 230 | get_core( &main_cxy , & main_lid ); | 
|---|
| 231 | main_x   = X_FROM_CXY( main_cxy ); | 
|---|
| 232 | main_y   = Y_FROM_CXY( main_cxy ); | 
|---|
| 233 | main_uid = (((main_x * y_size) + main_y) * ncores) + main_lid; | 
|---|
| 234 |  | 
|---|
| 235 | // checks number of threads | 
|---|
| 236 | if ( (threads != 1)   && (threads != 2)   && (threads != 4)   && | 
|---|
| 237 | (threads != 8)   && (threads != 16 ) && (threads != 32)  && | 
|---|
| 238 | (threads != 64)  && (threads != 128) && (threads != 256) && | 
|---|
| 239 | (threads != 512) && (threads != 1024) ) | 
|---|
| 240 | { | 
|---|
| 241 | printf("\n[SORT ERROR] number of cores must be power of 2\n"); | 
|---|
| 242 | exit( 0 ); | 
|---|
| 243 | } | 
|---|
| 244 |  | 
|---|
| 245 | // check array size | 
|---|
| 246 | if ( ARRAY_LENGTH % threads) | 
|---|
| 247 | { | 
|---|
| 248 | printf("\n[SORT ERROR] array size must be multiple of number of threads\n"); | 
|---|
| 249 | exit( 0 ); | 
|---|
| 250 | } | 
|---|
| 251 |  | 
|---|
| 252 | get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 253 | printf("\n[SORT] starts : %d threads / %d values / cycle %d\n", | 
|---|
| 254 | threads, ARRAY_LENGTH , (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 255 |  | 
|---|
| 256 | // Barrier initialization | 
|---|
| 257 | barrier_attr.x_size   = x_size; | 
|---|
| 258 | barrier_attr.y_size   = y_size; | 
|---|
| 259 | barrier_attr.nthreads = ncores; | 
|---|
| 260 | if( pthread_barrier_init( &barrier, &barrier_attr , threads ) ) | 
|---|
| 261 | { | 
|---|
| 262 | printf("\n[SORT ERROR] cannot initialise barrier\n" ); | 
|---|
| 263 | exit( 0 ); | 
|---|
| 264 | } | 
|---|
| 265 |  | 
|---|
| 266 | get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 267 | printf("\n[SORT] completes barrier init at cycle %d continue ?\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 268 | getchar(); | 
|---|
| 269 |  | 
|---|
| 270 | // Array to sort initialization | 
|---|
| 271 | for ( n = 0 ; n < ARRAY_LENGTH ; n++ ) | 
|---|
| 272 | { | 
|---|
| 273 | array0[n] = rand(); | 
|---|
| 274 | } | 
|---|
| 275 |  | 
|---|
| 276 | #if VERBOSE | 
|---|
| 277 | printf("\n*** array before sort\n"); | 
|---|
| 278 | for( n=0; n<ARRAY_LENGTH; n++) printf("array[%d] = %d\n", n , array0[n] ); | 
|---|
| 279 | #endif | 
|---|
| 280 |  | 
|---|
| 281 | get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 282 | printf("\n[SORT] completes array init at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 283 |  | 
|---|
| 284 | // launch other threads to execute sort() function | 
|---|
| 285 | // on cores other than the core running the main thread | 
|---|
| 286 | for ( x=0 ; x<x_size ; x++ ) | 
|---|
| 287 | { | 
|---|
| 288 | for ( y=0 ; y<y_size ; y++ ) | 
|---|
| 289 | { | 
|---|
| 290 | for ( lid=0 ; lid<ncores ; lid++ ) | 
|---|
| 291 | { | 
|---|
| 292 | thread_uid = (((x * y_size) + y) * ncores) + lid; | 
|---|
| 293 |  | 
|---|
| 294 | // set sort arguments for all threads | 
|---|
| 295 | arg[thread_uid].threads      = threads; | 
|---|
| 296 | arg[thread_uid].thread_uid   = thread_uid; | 
|---|
| 297 | arg[thread_uid].main_uid     = main_uid; | 
|---|
| 298 |  | 
|---|
| 299 | // set thread attributes for all threads | 
|---|
| 300 | attr[thread_uid].attributes = PT_ATTR_CLUSTER_DEFINED | PT_ATTR_CORE_DEFINED; | 
|---|
| 301 | attr[thread_uid].cxy        = CXY_FROM_XY( x , y ); | 
|---|
| 302 | attr[thread_uid].lid        = lid; | 
|---|
| 303 |  | 
|---|
| 304 | if( thread_uid != main_uid ) | 
|---|
| 305 | { | 
|---|
| 306 | if ( pthread_create( &trdid,              // not used because no join | 
|---|
| 307 | &attr[thread_uid],   // thread attributes | 
|---|
| 308 | &sort,               // entry function | 
|---|
| 309 | &arg[thread_uid] ) ) // sort arguments | 
|---|
| 310 | { | 
|---|
| 311 | printf("\n[SORT ERROR] creating thread %x\n", thread_uid ); | 
|---|
| 312 | exit( 0 ); | 
|---|
| 313 | } | 
|---|
| 314 |  | 
|---|
| 315 | } | 
|---|
| 316 | } | 
|---|
| 317 | } | 
|---|
| 318 | } | 
|---|
| 319 |  | 
|---|
| 320 | get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 321 | printf("\n[SORT] completes threads create at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 322 |  | 
|---|
| 323 | // main run also the sort() function | 
|---|
| 324 | sort( &arg[main_uid] ); | 
|---|
| 325 |  | 
|---|
| 326 | // Check result | 
|---|
| 327 | int    success = 1; | 
|---|
| 328 | int*   res_array = ( (threads==  2) || | 
|---|
| 329 | (threads==  8) || | 
|---|
| 330 | (threads== 32) || | 
|---|
| 331 | (threads==128) || | 
|---|
| 332 | (threads==512) ) ? array1 : array0; | 
|---|
| 333 |  | 
|---|
| 334 | for( n=0 ; n<(ARRAY_LENGTH-1) ; n++ ) | 
|---|
| 335 | { | 
|---|
| 336 | if ( res_array[n] > res_array[n+1] ) | 
|---|
| 337 | { | 
|---|
| 338 | success = 0; | 
|---|
| 339 | break; | 
|---|
| 340 | } | 
|---|
| 341 | } | 
|---|
| 342 |  | 
|---|
| 343 | #if VERBOSE | 
|---|
| 344 | printf("\n*** array after sort\n"); | 
|---|
| 345 | for( n=0; n<ARRAY_LENGTH; n++) printf("array[%d] = %d\n", n , res_array[n] ); | 
|---|
| 346 | #endif | 
|---|
| 347 |  | 
|---|
| 348 | get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 349 |  | 
|---|
| 350 | if ( success ) | 
|---|
| 351 | { | 
|---|
| 352 | printf("\n[SORT] success at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 353 | exit( 0 ); | 
|---|
| 354 | } | 
|---|
| 355 | else | 
|---|
| 356 | { | 
|---|
| 357 | printf("\n[SORT] failure at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 358 | exit( 0 ); | 
|---|
| 359 | } | 
|---|
| 360 |  | 
|---|
| 361 | }  // end main() | 
|---|
| 362 |  | 
|---|
| 363 |  | 
|---|
| 364 | /* | 
|---|
| 365 | vim: tabstop=4 : shiftwidth=4 : expandtab | 
|---|
| 366 | */ | 
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