OpenTenBase / OpenTenBase/TXSQL

[optimization] Add AVX-512 VPCLMULQDQ accelerated CRC32-C for TXSQL 8.0.30

Đang mở
#112 0 bình luận 0 reaction 0 người được giao Xem trên GitHub

Chưa có ai nhận issue này.

Ngôn ngữ chính
C++
Star
337
Fork
234
Chỉ số merge pull request
Không có pull request nào được merge trong 30 ngày

Mô tả

Summary

This patch introduces an AVX-512 + VPCLMULQDQ accelerated CRC32-C implementation for InnoDB's page checksum and redo log verification, significantly improving throughput on modern x86-64 CPUs like the Hygon C86-4G.

Background & Motivation

In high-concurrency OLTP workloads (e.g., BenchmarkSQL TPC-C), InnoDB spends a non-trivial amount of CPU time computing CRC32-C checksums for:

  • 16 KB buffer pool pages
  • Variable-length redo log blocks
  • Doublewrite buffer pages

The existing crc32_using_pclmul (SSE4.2 + PCLMULQDQ, 128-bit folding) is efficient for small buffers but becomes throughput-bound when processing large contiguous blocks, as it only utilizes one 128-bit lane per fold step.

AVX-512 VPCLMULQDQ extends this to four parallel 128-bit lanes (512-bit ZMM registers), enabling:

  • 4× polynomial folding throughput for large buffers (≥256 bytes)
  • Dual/quad-stream pipelining to hide latency via register-level parallelism
  • Alignment-aware dispatch (VMOVDQA64 vs VMOVDQU64) for InnoDB's naturally aligned 16 KB pages
Technical Details
1. Runtime CPU Detection (can_use_avx512_vpclmul)

Implements the full Intel/AMD specification for AVX-512 feature detection:

  • CPUID leaf 1: OSXSAVE[27] + AVX[28] (prerequisites for XGETBV)
  • XCR0 state mask: validates OS-managed ZMM register save/restore (0xE6 = SSE|AVX|OPMASK|ZMM_Hi256|Hi16_ZMM)
  • CPUID leaf 7: AVX512F[16] + AVX512DQ[17] + AVX512BW[30] + AVX512VL[31] + VPCLMULQDQ[10]
2. Algorithm: 512-bit Polynomial Folding

Large buffer (≥256 bytes): 4-stream folding with b2048 constants
→ 2-stream folding with b1024
→ 1-stream 512-bit loop with b512
→ 512→128 bit reduction with b384
→ 128-bit folding loop with b128
→ 128→64 bit reduction with b64
→ Barrett reduction to 32-bit CRC

Key optimizations:

  • vpternlogd ternary logic: replaces 2× XOR + AND sequences with single-uop operations (e.g., AVX512_TL_XOR3, AVX512_TL_XOR2_AND)
  • Template-based alignment dispatch: crc32c_avx512_impl<true/false> generates zero-overhead aligned/unaligned load paths at compile time
  • _mm256_zeroupper(): eliminates AVX-SSE transition penalty after ZMM execution
3. Compiler Compatibility
Compiler Minimum Version Target Attribute
GCC 11.0 pclmul,avx512f,avx512dq,avx512bw,avx512vl,vpclmulqdq
GCC 15.0 pclmul,avx10.1,vpclmulqdq (unified ISA)
Clang 9.0 pclmul,avx512f,avx512dq,avx512bw,avx512vl,vpclmulqdq

MSVC is excluded from __attribute__((target(...))) and would require a separate /arch:AVX512 compilation unit (not included in this patch).

4. Integration Points
  • New flag: ut_crc32_avx512_enabled (exposed in ut0crc32.h)
  • Priority: AVX-512 path > SSE4.2+PCLMUL > SSE4.2-only > software fallback
  • Logging: startup message indicates active path for observability
Performance Impact (Expected)

Based on standalone benchmarks and crc32c_x86.cc reference data:

<style> </style>
缓冲区大小 Software (GB/s) SSE4.2  (GB/s) AVX-512 (GB/s) 加速比 (AVX/SW) 加速比 (AVX/SSE)
64 B 1.40 2.35 2.56 1.8× 1.1×
256 B 1.76 4.84 8.45 4.8× 1.7×
512 B 1.80 5.88 15.89 8.8× 2.7×
1 KB 1.80 6.30 23.22 12.9× 3.7×
4 KB 1.83 7.09 40.62 22.2× 5.7×
16 KB 1.83 7.33 45.05 24.6× 6.1×
64 KB 1.83 7.40 46.17 25.2× 6.2×
256 KB 1.83 7.40 46.56 25.5× 6.3×
1 MB 1.82 7.40 45.87 25.2× 6.2×
4 MB 1.83 7.39 45.88 25.1× 6.2×

Note: Actual TXSQL TPC-C improvement depends on checksum CPU fraction; typically 2–5% overall throughput gain at high concurrency.

Compatibility & Risk Assessment
  • x86-64 only: ARM64 path unchanged; no impact on ARM deployments
  • Graceful degradation: if AVX-512 is unavailable, falls back to existing PCLMUL or SSE4.2 paths
  • OS requirement: Linux kernel ≥ 4.0 (for proper XSAVE state management) or any modern distribution
  • No ABI changes: ut_crc32_func_t signature unchanged
Patch Scope

storage/innobase/include/ut0crc32.h | 8 ++++++++
storage/innobase/ut/crc32.cc | 647 +++++++++++++++++++++++++-
2 files changed, 653 insertions(+), 2 deletions(-)

Checklist
  • Implementation compiles with GCC 11+ / Clang 9+
  • Runtime CPU detection covers all AVX-512 sub-features
  • Alignment-aware dispatch for InnoDB page boundaries
  • VZEROUPPER penalty mitigation
  • BenchmarkSQL TPC-C validation on Intel Sapphire Rapids / Hygon C86-4G
  • Cross-validation against existing crc32_using_pclmul output (bit-exact)
  • Review for MSVC /arch:AVX512 separate compilation unit (future)

0001-.add-avx512_crc32-for-TXSQL8.0.30.patch

References
  • Intel: "Fast CRC Computation Using PCLMULQDQ Instruction" (white paper)
  • MariaDB: storage/innobase/ut/crc32c_x86.cc (AVX-512 reference implementation)
  • Linux kernel: arch/x86/kernel/fpu/xstate.c (XSAVE/AVX-512 state management)

Hướng dẫn đóng góp

Chưa lập chỉ mục được hướng dẫn đóng góp cho kho mã nguồn này

Bắt đầu từ đâu

  1. Đọc hết issue, rồi đọc hướng dẫn đóng góp của dự án.
  2. Bình luận trên issue rằng bạn sẽ nhận — tránh hai người làm cùng một việc.
  3. Fork repository và làm thay đổi trên một nhánh.
  4. Mở pull request có tham chiếu số hiệu của issue.

Hướng nghiên cứu

Bắt đầu bằng cách kiểm tra triển khai crc32_using_pclmul hiện có và điểm tích hợp ut0crc32.h, sau đó so sánh dữ liệu tham chiếu trong crc32c_x86.cc. Triển khai và tích hợp đường dẫn AVX-512 VPCLMULQDQ với tính năng phát hiện tính năng lúc runtime và thứ tự ưu tiên fallback, đồng thời xác minh hành vi của checksum và redo-log trên các đường dẫn CPU và trình biên dịch được hỗ trợ.

Do mô hình lập chỉ mục viết ra từ nội dung của issue.

Đánh giá

Công nghệ
cpp
Lĩnh vực
databases, performance
Loại issue
Tính năng
Độ khó
5/5
Thời gian dự kiến
Hơn một tuần
Mức độ hoạt động
Ít trao đổi
Độ rõ ràng
Khá rõ ràng
Mức phù hợp với người mới
35/100

Nhận issue mới trong hộp thư của bạn

Bản tóm tắt ngắn những issue GitHub phù hợp với người mới.