Linux内核对per-cpu变量的实现

栏目: 服务器 · Linux · 发布时间: 5年前

内容简介：在Linux中，per-cpu变量用在多处理器系统中，用来为系统中的每个cpu都生成一个变量的副本，以避开多处理器互斥中的加锁问题，另一个是cpu本地的变量可以充分利用cpu的硬件缓存，提高性能。本贴讨论一下Linux内核对per-cpu变量的代码实现。1.静态per-cpu变量静态per-cpu变量通过DEFINE_PER_CPU和DECLARE_PER_CPU宏在内核源码中定义和声明一个per-cpu变量。这些变量与普通变量的主要区别是放在一个特殊的section里。

在 Linux 中，per-cpu变量用在多处理器系统中，用来为系统中的每个cpu都生成一个变量的副本，以避开多处理器互斥中的加锁问题，另一个是cpu本地的变量可以充分利用cpu的硬件缓存，提高性能。本贴讨论一下Linux内核对per-cpu变量的代码实现。

1.静态per-cpu变量

静态per-cpu变量通过DEFINE_PER_CPU和DECLARE_PER_CPU宏在内核源码中定义和声明一个per-cpu变量。这些变量与普通变量的主要区别是放在一个特殊的section里。

静态percpu变量比较好理解，内核的代码也比较简洁明快。

相对静态per-cpu变量，还有动态分配的per-cpu变量。普通变量动态分配很简单，用kmalloc或者kzalloc都可以的，其实per- cpu变量的动态分配也是需要利用Linux内核底层的分配函数，页面分配器。从这个角度而言，percpu memory allocator与slab memory allocator是一个层面的东西，都建立在page memory allocator基础之上。不过对于大部分驱动程序员而言，使用kmalloc与kzalloc的机会要远远大于percpu memory allocator。

为了描述，这里做个定义，CPU0与CPU1变量副本的空间大小完全一样，本贴统称这两个副本空间为副本空间，每个CPU变量副本所在空间为单元空间。

在内核初始化期间调用的setup_percpu_areas函数中，reserve和dynamic空间大约定义的大小是8KB和12KB，static空间由系统中定义的静态per-cpu变量的多少来决定。

Linux内核对percpu memory allocator使用了所谓chunk的实现方式，它实现了统一的静态per-cpu和动态per-cpu变量的实现（其实静态per-cpu变量的实现不需要chunk，但是为了统一，也把它放到chunk的管理体系，就算是大一统吧）.

chunk干什么事呢？chunk是一个管理数据结构，就称之为容器吧。看看具体的数据结构还是很有必要：

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struct pcpu_chunk {
struct list_head list ; / * linked to pcpu_slot lists * /
int free_size ; / * free bytes in the chunk * /
int contig_hint ; / * max contiguous size hint * /
void * base_addr ; / * base address of this chunk * /
int map_used ; / * # of map entries used * /
int map_alloc ; / * # of map entries allocated * /
int * map ; / * allocation map * /
void * data ; / * chunk data * /
bool immutable ; / * no [ de ] population allowed * /
unsigned long populated [ ] ; / * populated bitmap * /
} ;

list:用来把chunk链接起来形成链表。每一个链表又都放到pcpu_slot数组中，根据chunk中空闲空间的大小决定放到数组的哪个元素中。

contig_hint:该chunk所管理的副本空间中空闲空间大小。

base_addr:简单地说，副本空间首地址。副本空间也是由一个chunk来管，称之为first chunk中，副本空间中的dynamic空间用来给动态per-cpu变量使用

map_used：为了对chunk所管理的副本空间分配情况的跟踪，用来表示可以管理的个数

map_alloc:已经分配的小块个数，因为每个分配的小块都是给动态per-cpu使用的，所以其实是已经分配的变量的个数

map:整数数组，用来表示副本空间分配情况。正数表示该空间空闲，负数就已经分配给一个变量了

data:指向分配的页数据

大体上就这些。

动态分配一个per-cpu变量时，在pcpu_slot空间查找空闲空间可以满足需要的chunk，如果找不到这样的chunk，那么重新分配一个chunk，用kzalloc函数。

对一个新的chunk都会调用pcpu_get_vm_areas分配VM空间地址：

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static struct pcpu_chunk * pcpu_create_chunk ( void )
{
struct pcpu_chunk * chunk ;
struct vm_struct * * vms ;
chunk = pcpu_alloc_chunk ( ) ;
if ( ! chunk )
return NULL ;
vms = pcpu_get_vm_areas ( pcpu_group_offsets , pcpu_group_sizes ,
pcpu_nr_groups , pcpu_atom_size , GFP_KERNEL ) ;
if ( ! vms ) {
pcpu_free_chunk ( chunk ) ;
return NULL ;
}
chunk - > data = vms ;
chunk - > base_addr = vms [ 0 ] - > addr - pcpu_group_offsets [ 0 ] ;
return chunk ;
} static struct pcpu_chunk * pcpu_create_chunk ( void )
{
struct pcpu_chunk * chunk ;
struct vm_struct * * vms ;
chunk = pcpu_alloc_chunk ( ) ;
if ( ! chunk )
return NULL ;
vms = pcpu_get_vm_areas ( pcpu_group_offsets , pcpu_group_sizes ,
pcpu_nr_groups , pcpu_atom_size , GFP_KERNEL ) ;
if ( ! vms ) {
pcpu_free_chunk ( chunk ) ;
return NULL ;
}
chunk - > data = vms ;
chunk - > base_addr = vms [ 0 ] - > addr - pcpu_group_offsets [ 0 ] ;
return chunk ;
}

pcpu_group_offsets[0]对于非变态的系统都是0.

所以，动态分配per-cpu变量时，先在chunk所管理的副本空间(在VM区中)，然后用到哪个页面就往那个对应的vm上提交物理页面。

副本空间上实行小额分配，实际上就是有新变量分配，就在副本空间里头找，找到以后看这个vm处的地址有没有被映射到物理地址，没有就提交页面，否则不提（都提了干吗还提交呢？！），判断vm处是否提交了物理页面用bit map跟踪，chunk的数据结构中的后两个成员用来干这事。

OK，分配一个新变量之后，返回给你的是一个vm区中的地址，要让每个cpu访问到自己的vm区，得用内核自己定义的宏，其实核心思想就是用smp_get_processorid等来获得对应cpu变量在变量副本中的偏移地址，然后返回来了。

要想验证上面说的对不对，可以在内核中打印出alloc_percpu返回的地址，是否在VM区。

FQA

访问per-cpu变量为什么要禁止内核抢占？

这个和进程迁移相关。如果访问per-cpu变量的进程被抢占（如发生中断而重新调度），该进程已经得到自己per-cpu变量副本的偏移地址，当它被恢复执行并有可能迁移到别的CPU上，这时候该偏移地址对新的CPU是无效的。

per-cpu变量还需要保护吗？

per-cpu 变量虽然能保护变量被多个core 访问，但是它并不能保护同一核心上异步事件的访问，如ISR，deferred functions。在这样的情况下，同步原语还是需要的。

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struct module 中有个percpu变量，不知道如何用！

如在load_module 函数实现中：

......

if (pcpuindex) {

/* We have a special allocation for this section. */

percpu = percpu_modalloc(sechdrs[pcpuindex].sh_size,

sechdrs[pcpuindex].sh_addralign,

mod->name);

if (!percpu) {

err = -ENOMEM;

goto free_mod;

}

sechdrs[pcpuindex].sh_flags &= ~(unsigned long)SHF_ALLOC;

mod->percpu = percpu;

......

}

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模块的per-cpu section是ELF文件中一个特殊的section，属于data区，模块加载时，会根据系统中CPU个数，将这个 section中的数据复制相应的份数，存放在CORE section区域。这个主要在SMP系统中，不同CPU可以访问模块per-cpu section中的数据而无需使用CPU间的互斥机制。

也谈不上什么高级的用法，跟内核中定义的per-cpu变量没有任何区别，只不过平时很少使用到。在模块里面加上

DEFINE_PER_CPU(int, hea);

再readelf -S xxx.ko就可以看到这个per-cpu section了。内核因为自己在初始化时对这些静态定义的per-cpu变量进行了复制，模块因为没有这个阶段，所有由内核模块加载器来完成。此处讨论仅限于静态定义的per-cpu变量，因为动态分配的话，本身就会产生多个副本空间，这个无论对于内核还是模块都完全一样的机制，所以不会有这个问题。

以上所述就是小编给大家介绍的《Linux内核对per-cpu变量的实现》，希望对大家有所帮助，如果大家有任何疑问请给我留言，小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对码农网的支持！