| 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 <pthread.h> | 
|---|
| 27 | #include <almosmkh.h> | 
|---|
| 28 |  | 
|---|
| 29 | #define ARRAY_LENGTH        0x400    // 1024 values | 
|---|
| 30 |  | 
|---|
| 31 | #define MAX_THREADS         1024     // 16 * 16 * 4 | 
|---|
| 32 |  | 
|---|
| 33 | #define DISPLAY_ARRAY       0 | 
|---|
| 34 | #define INTERACTIVE_MODE    1 | 
|---|
| 35 |  | 
|---|
| 36 | /////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 37 | // macros for fixed format cxy <=> (x,y) translation | 
|---|
| 38 | // TODO these macros are only for TSAR architecture...  | 
|---|
| 39 | /////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 40 |  | 
|---|
| 41 | #define CXY_FROM_XY( x , y )  ((x<<4) + y) | 
|---|
| 42 |  | 
|---|
| 43 | #define X_FROM_CXY( cxy )     ((cxy>>4) & 0xF) | 
|---|
| 44 |  | 
|---|
| 45 | #define Y_FROM_CXY( cxy )     (cxy & 0xF) | 
|---|
| 46 |  | 
|---|
| 47 | ///////////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 48 | // argument for the sort() function (one thread per core) | 
|---|
| 49 | ///////////////////////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 50 |  | 
|---|
| 51 | typedef struct | 
|---|
| 52 | { | 
|---|
| 53 |     unsigned int threads;      // total number of threads | 
|---|
| 54 |     unsigned int thread_uid;    // thread user index (0 to threads -1) | 
|---|
| 55 |     unsigned int main_uid;      // main thread user index | 
|---|
| 56 | } | 
|---|
| 57 | args_t; | 
|---|
| 58 |  | 
|---|
| 59 | ////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 60 | //      Global variables | 
|---|
| 61 | ////////////////////////////////////////// | 
|---|
| 62 |  | 
|---|
| 63 | int                 array0[ARRAY_LENGTH];    // values to sort | 
|---|
| 64 | int                 array1[ARRAY_LENGTH];     | 
|---|
| 65 |  | 
|---|
| 66 | pthread_barrier_t   barrier;                 // synchronisation variables | 
|---|
| 67 |  | 
|---|
| 68 | pthread_attr_t      attr[MAX_THREADS];       // thread attributes (one per thread) | 
|---|
| 69 | args_t              arg[MAX_THREADS];        // sort function arguments (one per thread) | 
|---|
| 70 |  | 
|---|
| 71 | //////////////////////////////////// | 
|---|
| 72 | void bubbleSort( int *        array, | 
|---|
| 73 |                  unsigned int length, | 
|---|
| 74 |                  unsigned int init_pos ) | 
|---|
| 75 | { | 
|---|
| 76 |     int i; | 
|---|
| 77 |     int j; | 
|---|
| 78 |     int aux; | 
|---|
| 79 |  | 
|---|
| 80 |     for(i = 0; i < length; i++) | 
|---|
| 81 |     { | 
|---|
| 82 |         for(j = init_pos; j < (init_pos + length - i - 1); j++) | 
|---|
| 83 |         { | 
|---|
| 84 |             if(array[j] > array[j + 1]) | 
|---|
| 85 |             { | 
|---|
| 86 |                 aux          = array[j + 1]; | 
|---|
| 87 |                 array[j + 1] = array[j]; | 
|---|
| 88 |                 array[j]     = aux; | 
|---|
| 89 |             } | 
|---|
| 90 |         } | 
|---|
| 91 |     } | 
|---|
| 92 | }  // end bubbleSort() | 
|---|
| 93 |  | 
|---|
| 94 |  | 
|---|
| 95 | ///////////////////////// | 
|---|
| 96 | void merge( int * src, | 
|---|
| 97 |             int * dst, | 
|---|
| 98 |             int length, | 
|---|
| 99 |             int init_pos_src_a, | 
|---|
| 100 |             int init_pos_src_b, | 
|---|
| 101 |             int init_pos_dst ) | 
|---|
| 102 | { | 
|---|
| 103 |     int i; | 
|---|
| 104 |     int j; | 
|---|
| 105 |     int k; | 
|---|
| 106 |  | 
|---|
| 107 |     i = 0; | 
|---|
| 108 |     j = 0; | 
|---|
| 109 |     k = init_pos_dst; | 
|---|
| 110 |  | 
|---|
| 111 |     while((i < length) || (j < length)) | 
|---|
| 112 |     { | 
|---|
| 113 |         if((i < length) && (j < length)) | 
|---|
| 114 |         { | 
|---|
| 115 |             if(src[init_pos_src_a + i] < src[init_pos_src_b + j]) | 
|---|
| 116 |             { | 
|---|
| 117 |                 dst[k++] = src[init_pos_src_a + i]; | 
|---|
| 118 |                 i++; | 
|---|
| 119 |             } | 
|---|
| 120 |             else | 
|---|
| 121 |             { | 
|---|
| 122 |                 dst[k++] = src[init_pos_src_b + j]; | 
|---|
| 123 |                 j++; | 
|---|
| 124 |             } | 
|---|
| 125 |         } | 
|---|
| 126 |         else if(i < length) | 
|---|
| 127 |         { | 
|---|
| 128 |             dst[k++] = src[init_pos_src_a + i]; | 
|---|
| 129 |             i++; | 
|---|
| 130 |         } | 
|---|
| 131 |         else | 
|---|
| 132 |         { | 
|---|
| 133 |             dst[k++] = src[init_pos_src_b + j]; | 
|---|
| 134 |             j++; | 
|---|
| 135 |         } | 
|---|
| 136 |     } | 
|---|
| 137 | }  // end merge() | 
|---|
| 138 |  | 
|---|
| 139 | ///////////////////////// | 
|---|
| 140 | void sort( args_t * ptr ) | 
|---|
| 141 | { | 
|---|
| 142 |     unsigned int       i; | 
|---|
| 143 |     unsigned long long cycle; | 
|---|
| 144 |     unsigned int       cxy; | 
|---|
| 145 |     unsigned int       lid; | 
|---|
| 146 |  | 
|---|
| 147 |     int         * src_array  = NULL; | 
|---|
| 148 |     int         * dst_array  = NULL; | 
|---|
| 149 |  | 
|---|
| 150 |     // get core coordinates an date | 
|---|
| 151 |     get_core( &cxy , &lid ); | 
|---|
| 152 |     get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 153 |  | 
|---|
| 154 |     unsigned int  thread_uid = ptr->thread_uid; | 
|---|
| 155 |     unsigned int  threads    = ptr->threads; | 
|---|
| 156 |     unsigned int  main_uid   = ptr->main_uid; | 
|---|
| 157 |  | 
|---|
| 158 |     unsigned int  items      = ARRAY_LENGTH / threads; | 
|---|
| 159 |     unsigned int  stages     = __builtin_ctz( threads ) + 1; | 
|---|
| 160 |  | 
|---|
| 161 |     printf("\n[SORT] thread[%d] : start\n", thread_uid ); | 
|---|
| 162 |  | 
|---|
| 163 |     bubbleSort( array0, items, items * thread_uid ); | 
|---|
| 164 |  | 
|---|
| 165 |     printf("\n[SORT] thread[%d] : stage 0 completed\n", thread_uid ); | 
|---|
| 166 |  | 
|---|
| 167 |     ///////////////////////////////// | 
|---|
| 168 |     pthread_barrier_wait( &barrier );  | 
|---|
| 169 |     printf("\n[SORT] thread[%d] exit barrier\n", thread_uid ); | 
|---|
| 170 |  | 
|---|
| 171 |     // the number of threads contributing to sort | 
|---|
| 172 |     // is divided by 2 at each next stage | 
|---|
| 173 |     for ( i = 1 ; i < stages ; i++ ) | 
|---|
| 174 |     { | 
|---|
| 175 |         pthread_barrier_wait( &barrier ); | 
|---|
| 176 |  | 
|---|
| 177 |         if( (thread_uid & ((1<<i)-1)) == 0 ) | 
|---|
| 178 |         { | 
|---|
| 179 |             printf("\n[SORT] thread[%d] : stage %d start\n", thread_uid , i ); | 
|---|
| 180 |  | 
|---|
| 181 |             if((i % 2) == 1)               // odd stage  | 
|---|
| 182 |             { | 
|---|
| 183 |                 src_array = array0; | 
|---|
| 184 |                 dst_array = array1; | 
|---|
| 185 |             } | 
|---|
| 186 |             else                           // even stage | 
|---|
| 187 |             { | 
|---|
| 188 |                 src_array = array1; | 
|---|
| 189 |                 dst_array = array0; | 
|---|
| 190 |             } | 
|---|
| 191 |  | 
|---|
| 192 |             merge( src_array,  | 
|---|
| 193 |                    dst_array, | 
|---|
| 194 |                    items << i, | 
|---|
| 195 |                    items * thread_uid, | 
|---|
| 196 |                    items * (thread_uid + (1 << (i-1))), | 
|---|
| 197 |                    items * thread_uid ); | 
|---|
| 198 |  | 
|---|
| 199 |             printf("\n[SORT] thread[%d] : stage %d completed\n", thread_uid , i ); | 
|---|
| 200 |         } | 
|---|
| 201 |  | 
|---|
| 202 |         ///////////////////////////////// | 
|---|
| 203 |         pthread_barrier_wait( &barrier ); | 
|---|
| 204 |         printf("\n[SORT] thread[%d] exit barrier\n", thread_uid ); | 
|---|
| 205 |  | 
|---|
| 206 |     } | 
|---|
| 207 |  | 
|---|
| 208 |     // all threads but the main thread exit | 
|---|
| 209 |     if( thread_uid != main_uid ) pthread_exit( NULL ); | 
|---|
| 210 |  | 
|---|
| 211 | } // end sort() | 
|---|
| 212 |  | 
|---|
| 213 |  | 
|---|
| 214 | /////////// | 
|---|
| 215 | void main() | 
|---|
| 216 | { | 
|---|
| 217 |     unsigned int           x_size;             // number of rows | 
|---|
| 218 |     unsigned int           y_size;             // number of columns | 
|---|
| 219 |     unsigned int           ncores;             // number of cores per cluster | 
|---|
| 220 |     unsigned int           threads;            // total number of threads | 
|---|
| 221 |     unsigned int           thread_uid;         // user defined thread index | 
|---|
| 222 |     unsigned int           main_cxy;           // cluster identifier for main | 
|---|
| 223 |     unsigned int           main_x;             // X coordinate for main thread | 
|---|
| 224 |     unsigned int           main_y;             // Y coordinate for main thread | 
|---|
| 225 |     unsigned int           main_lid;           // core local index for main thread | 
|---|
| 226 |     unsigned int           main_uid;           // thread user index for main thread | 
|---|
| 227 |     unsigned int           x;                  // X coordinate for a thread | 
|---|
| 228 |     unsigned int           y;                  // Y coordinate for a thread | 
|---|
| 229 |     unsigned int           lid;                // core local index for a thread | 
|---|
| 230 |     unsigned int           n;                  // index in array to sort | 
|---|
| 231 |     unsigned long long     cycle;              // current date for log | 
|---|
| 232 |     pthread_t              trdid;              // kernel allocated thread index (unused) | 
|---|
| 233 |     pthread_barrierattr_t  barrier_attr;       // barrier attributes | 
|---|
| 234 |  | 
|---|
| 235 |     // compute number of threads (one thread per proc) | 
|---|
| 236 |     get_config( &x_size , &y_size , &ncores ); | 
|---|
| 237 |     threads = x_size * y_size * ncores; | 
|---|
| 238 |  | 
|---|
| 239 |     // get core coordinates and user index for the main thread | 
|---|
| 240 |     get_core( &main_cxy , & main_lid ); | 
|---|
| 241 |     main_x   = X_FROM_CXY( main_cxy ); | 
|---|
| 242 |     main_y   = Y_FROM_CXY( main_cxy ); | 
|---|
| 243 |     main_uid = (((main_x * y_size) + main_y) * ncores) + main_lid;  | 
|---|
| 244 |  | 
|---|
| 245 |     // checks number of threads | 
|---|
| 246 |     if ( (threads != 1)   && (threads != 2)   && (threads != 4)   &&  | 
|---|
| 247 |          (threads != 8)   && (threads != 16 ) && (threads != 32)  &&  | 
|---|
| 248 |          (threads != 64)  && (threads != 128) && (threads != 256) &&  | 
|---|
| 249 |          (threads != 512) && (threads != 1024) ) | 
|---|
| 250 |     { | 
|---|
| 251 |         printf("\n[SORT ERROR] number of cores must be power of 2\n"); | 
|---|
| 252 |         exit( 0 ); | 
|---|
| 253 |     } | 
|---|
| 254 |  | 
|---|
| 255 |     // check array size | 
|---|
| 256 |     if ( ARRAY_LENGTH % threads)  | 
|---|
| 257 |     { | 
|---|
| 258 |         printf("\n[SORT ERROR] array size must be multiple of number of threads\n"); | 
|---|
| 259 |         exit( 0 ); | 
|---|
| 260 |     } | 
|---|
| 261 |  | 
|---|
| 262 |     get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 263 |     printf("\n\n[SORT] main starts on core[%x,%d] / %d threads / %d values / cycle %d\n", | 
|---|
| 264 |     main_cxy, main_lid, threads, ARRAY_LENGTH, (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 265 |  | 
|---|
| 266 |     // Barrier initialization | 
|---|
| 267 |     barrier_attr.x_size   = x_size;  | 
|---|
| 268 |     barrier_attr.y_size   = y_size; | 
|---|
| 269 |     barrier_attr.nthreads = ncores; | 
|---|
| 270 |     if( pthread_barrier_init( &barrier, &barrier_attr , threads ) ) | 
|---|
| 271 |     { | 
|---|
| 272 |         printf("\n[SORT ERROR] cannot initialise barrier\n" ); | 
|---|
| 273 |         exit( 0 ); | 
|---|
| 274 |     } | 
|---|
| 275 |  | 
|---|
| 276 |     get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 277 |     printf("\n[SORT] main completes barrier init at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 278 |  | 
|---|
| 279 |     // Array to sort initialization | 
|---|
| 280 |     for ( n = 0 ; n < ARRAY_LENGTH ; n++ ) | 
|---|
| 281 |     { | 
|---|
| 282 |         array0[n] = rand(); | 
|---|
| 283 |     } | 
|---|
| 284 |  | 
|---|
| 285 | #if DISPLAY_ARRAY | 
|---|
| 286 | printf("\n*** array before sort\n"); | 
|---|
| 287 | for( n=0; n<ARRAY_LENGTH; n++) printf("array[%d] = %d\n", n , array0[n] ); | 
|---|
| 288 | #endif | 
|---|
| 289 |  | 
|---|
| 290 |     get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 291 |     printf("\n[SORT] main completes array init at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 292 |  | 
|---|
| 293 |     // launch other threads to execute sort() function | 
|---|
| 294 |     // on cores other than the core running the main thread | 
|---|
| 295 |     for ( x=0 ; x<x_size ; x++ ) | 
|---|
| 296 |     { | 
|---|
| 297 |         for ( y=0 ; y<y_size ; y++ ) | 
|---|
| 298 |         { | 
|---|
| 299 |             for ( lid=0 ; lid<ncores ; lid++ ) | 
|---|
| 300 |             { | 
|---|
| 301 |                 thread_uid = (((x * y_size) + y) * ncores) + lid; | 
|---|
| 302 |  | 
|---|
| 303 |                 // set sort arguments for all threads | 
|---|
| 304 |                 arg[thread_uid].threads      = threads; | 
|---|
| 305 |                 arg[thread_uid].thread_uid   = thread_uid; | 
|---|
| 306 |                 arg[thread_uid].main_uid     = main_uid; | 
|---|
| 307 |  | 
|---|
| 308 |                 // set thread attributes for all threads | 
|---|
| 309 |                 attr[thread_uid].attributes = PT_ATTR_CLUSTER_DEFINED | PT_ATTR_CORE_DEFINED; | 
|---|
| 310 |                 attr[thread_uid].cxy        = CXY_FROM_XY( x , y ); | 
|---|
| 311 |                 attr[thread_uid].lid        = lid; | 
|---|
| 312 |  | 
|---|
| 313 |                 if( thread_uid != main_uid ) | 
|---|
| 314 |                 { | 
|---|
| 315 |                     if ( pthread_create( &trdid,              // not used because no join | 
|---|
| 316 |                                          &attr[thread_uid],   // thread attributes  | 
|---|
| 317 |                                          &sort,               // entry function  | 
|---|
| 318 |                                          &arg[thread_uid] ) ) // sort arguments | 
|---|
| 319 |                     { | 
|---|
| 320 |                         printf("\n[SORT ERROR] main cannot create thread %x \n", thread_uid ); | 
|---|
| 321 |                         exit( 0 ); | 
|---|
| 322 |                     } | 
|---|
| 323 |                     else | 
|---|
| 324 |                     { | 
|---|
| 325 |                         printf("\n[SORT] main created thread %x \n", thread_uid ); | 
|---|
| 326 |                     } | 
|---|
| 327 |                 } | 
|---|
| 328 |  | 
|---|
| 329 | #if INTERACTIVE_MODE | 
|---|
| 330 | // idbg(); | 
|---|
| 331 | #endif | 
|---|
| 332 |             } | 
|---|
| 333 |         } | 
|---|
| 334 |     } | 
|---|
| 335 |      | 
|---|
| 336 |     get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 337 |     printf("\n[SORT] main completes threads create at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 338 |  | 
|---|
| 339 | #if INTERACTIVE_MODE | 
|---|
| 340 | idbg(); | 
|---|
| 341 | #endif | 
|---|
| 342 |      | 
|---|
| 343 |     // the main thread run also the sort() function | 
|---|
| 344 |     sort( &arg[main_uid] ); | 
|---|
| 345 |  | 
|---|
| 346 |     // Check result | 
|---|
| 347 |     int    success = 1; | 
|---|
| 348 |     int*   res_array = ( (threads==  2) || | 
|---|
| 349 |                          (threads==  8) ||  | 
|---|
| 350 |                          (threads== 32) ||  | 
|---|
| 351 |                          (threads==128) ||  | 
|---|
| 352 |                          (threads==512) ) ? array1 : array0; | 
|---|
| 353 |      | 
|---|
| 354 |     for( n=0 ; n<(ARRAY_LENGTH-2) ; n++ ) | 
|---|
| 355 |     { | 
|---|
| 356 |         if ( res_array[n] > res_array[n+1] ) | 
|---|
| 357 |         { | 
|---|
| 358 |             printf("\n[SORT] array[%d] = %d > array[%d] = %d\n", | 
|---|
| 359 |             n , res_array[n] , n+1 , res_array[n+1] ); | 
|---|
| 360 |             success = 0; | 
|---|
| 361 |             break; | 
|---|
| 362 |         } | 
|---|
| 363 |     } | 
|---|
| 364 |  | 
|---|
| 365 | #if DISPLAY_ARRAY | 
|---|
| 366 | printf("\n*** array after sort\n"); | 
|---|
| 367 | for( n=0; n<ARRAY_LENGTH; n++) printf("array[%d] = %d\n", n , res_array[n] ); | 
|---|
| 368 | #endif | 
|---|
| 369 |  | 
|---|
| 370 |     get_cycle( &cycle ); | 
|---|
| 371 |  | 
|---|
| 372 |     if ( success ) | 
|---|
| 373 |     { | 
|---|
| 374 |         printf("\n[SORT] success at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 375 |         exit( 0 ); | 
|---|
| 376 |     } | 
|---|
| 377 |     else | 
|---|
| 378 |     { | 
|---|
| 379 |         printf("\n[SORT] failure at cycle %d\n", (unsigned int)cycle ); | 
|---|
| 380 |         exit( 1 ); | 
|---|
| 381 |     } | 
|---|
| 382 |  | 
|---|
| 383 | }  // end main() | 
|---|
| 384 |  | 
|---|
| 385 |  | 
|---|
| 386 | /*  | 
|---|
| 387 | vim: tabstop=4 : shiftwidth=4 : expandtab | 
|---|
| 388 | */ | 
|---|