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kernel, linux, 操作系统

Linux每CPU变量

以下内容截取自LDD3,版权属于原作者。

以下内容截取自【 http://blog.csdn.net/fengtaocat/article/details/7078472 】,有删改。

本文采用linux 3.04内核版本。
多核情况下,CPU是同时并发运行的,但是多它们共同使用其他的硬件资源的,因此我们需要解决多个CPU之间的同步问题。每CPU变量(per-cpu-variable)是内核中一种重要的同步机制。顾名思义,每CPU变量就是为每个CPU构造一个变量的副本,这样多个CPU相互操作各自的副本,互不干涉。比如我们标识当前进程的变量current_task就被声明为每CPU变量。
每CPU变量的特点
用于多个CPU之间的同步,如果是单核结构,每CPU变量没有任何用处。
每CPU变量不能用于多个CPU相互协作的场景。(每个CPU的副本都是独立的)
每CPU变量不能解决由中断或延迟函数导致的同步问题
访问每CPU变量的时候,一定要确保关闭进程抢占,否则一个进程被抢占后可能会更换CPU运行,这会导致每CPU变量的引用错误。
我们可以用数组来实现每CPU变量吗?比如,我们要保护变量var,我们可以声明int var[NR_CPUS],CPU num就访问var[num]不就可以了吗?
显然,每CPU变量的实现不会这么简单。理由:我们知道为了加快内存访问,处理器中设计了硬件高速缓存(也就是CPU的cache),每个处理器都会有一个硬件高速缓存。如果每CPU变量用数组来实现,那么任何一个CPU修改了其中的内容,都会导致其他CPU的高速缓存中对应的块失效。而频繁的失效会导致性能急剧的下降。
每CPU变量分为静态和动态两种,静态的每CPU变量使用DEFINE_PER_CPU声明,在编译的时候分配空间;而动态的使用alloc_percpu和free_percpu来分配回收存储空间。下面我们来看看Linux中的具体实现:
每CPU变量的函数和宏
每CPU变量的定义在include\linux\Percpu-defs.h以及include\asm-generic\Percpu.h中。这些文件中定义了单核和多核情况下的每CPU变量的操作,这是为了代码的统一设计的,实际上只有在多核情况下(定义了CONFIG_SMP)每CPU变量才有意义。常见的操作和含义如下:
DECLARE_PER_CPU(type, name)声明每CPU变量name,类型为type
DEFINE_PER_CPU(type, name)定义每CPU变量name,类型为type
alloc_percpu(type)动态为type类型的每CPU变量分配空间,并返回它的地址
free_percpu(pointer)释放为动态分配的每CPU变量的空间,pointer是起始地址
per_cpu(var, cpu)获取编号cpu的处理器上面的变量var的副本
get_cpu_var(var)获取本处理器上面的变量var的副本,该函数关闭进程抢占,主要由__get_cpu_var来完成具体的访问
get_cpu_ptr(var) 获取本处理器上面的变量var的副本的指针,该函数关闭进程抢占,主要由__get_cpu_var来完成具体的访问
put_cpu_var(var) & put_cpu_ptr(var)表示每CPU变量的访问结束,恢复进程抢占
__get_cpu_var(var) 获取本处理器上面的变量var的副本,该函数不关闭进程抢占
每CPU变量的实现原理
静态的每CPU变量
通常情况下,静态声明的每CPU变量都会被编译在ELF文件中的以“.data.percpu”开头的段中(默认情况就是.data.percpu,也可以使用DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)来指定段的后缀)。具体的代码如下:

#define DEFINE_PER_CPU(type, name)                  \  
    DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, "") 

#define DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)             \  
    __PCPU_ATTRS(sec) PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES            \  
    __typeof__(type) name 
	
#define __PCPU_ATTRS(sec)                       \  
    __percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec))) \  
    PER_CPU_ATTRIBUTES  

#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"  
__attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec)  

 备注:每CPU变量的声明和普通变量的声明一样,主要的区别是使用了__attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec)))来指定该变量被放置的段中,普通变量默认会被放置data段或者bss段中。

看到这里有一个问题:如果我们只是声明了一个变量,那么如果有多个副本的呢?奥妙在于内核加载的过程。
一般情况下,ELF文件中的每一个段在内存中只会有一个副本,而.data.percpu段再加载后,又被复制了NR_CPUS次,一个每CPU变量的多个副本在内存中是不会相邻。示意图如下:

具体的代码参加start_kernel中调用的setup_per_cpu_areas函数。代码如下:

void __init setup_per_cpu_areas(void)  
{  
    unsigned long delta;  
    unsigned int cpu;  
    int rc;  
  
    /* 
     * Always reserve area for module percpu variables.  That's 
     * what the legacy allocator did. 
     */  
    rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,  
                    PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE, NULL,  
                    pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);  
    if (rc < 0)  
        panic("Failed to initialize percpu areas.");  
  
    delta = (unsigned long)pcpu_base_addr - (unsigned long)__per_cpu_start;  
    for_each_possible_cpu(cpu)  
        __per_cpu_offset[cpu] = delta + pcpu_unit_offsets[cpu];  
}  

备注:分配内存以及复制.data.percup内容的工作由pcpu_embed_first_chunk来完成,这里就不展开了。__per_cpu_offset数组中记录了每个CPU的percpu区域的开始地址。我们访问每CPU变量就要依靠__per_cpu_offset中的地址。
动态每CPU变量
了解了静态的每CPU变量的实现机制后,就很容易想到动态的每CPU变量的实现方法了。实际上,在setup_per_cpu_areas的时候,我们会为每个CPU都多申请一部分空间留作动态分配每CPU变量之用(一个场景就是内核模块中的每CPU变量)。相对于静态的每CPU变量,我们需要额外管理内存的分配和回收。
我们以per_cpu为例,来看一下每CPU变量的访问是如何实现的。代码如下:

#define per_cpu(var, cpu) \  
    (*SHIFT_PERCPU_PTR(&(var), per_cpu_offset(cpu)))  
其中per_cpu_offset是获取编号为cpu的处理器上的每CPU区域的地址,实际上就是数组__per_cpu_offset中对应的项。具体实现如下:
#define per_cpu_offset(x) (__per_cpu_offset[x])  

#define SHIFT_PERCPU_PTR(__p, __offset)	({				\
	__verify_pcpu_ptr((__p));					\
	RELOC_HIDE((typeof(*(__p)) __kernel __force *)(__p), (__offset)); \
})
#define __verify_pcpu_ptr(ptr)	do {					\
	const void __percpu *__vpp_verify = (typeof(ptr))NULL;		\
	(void)__vpp_verify;						\
} while (0)
#define RELOC_HIDE(ptr, off)					\
  ({ unsigned long __ptr;					\
     __ptr = (unsigned long) (ptr);				\
    (typeof(ptr)) (__ptr + (off)); })
备注:__verify_pcpu是为了验证var是否是一个每CPU变量(如果不是,会再编译的时候报错)。实际上的存取简化后相当于*(var的地址(即相对偏移)+__per_cpu_offset)。

 

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