Linux内核对per-cpu变量的实现

原文地址：Linux内核对per-cpu变量的实现 作者：MagicBoy2010

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：

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：

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;        
......
}
-------------------------------------------------------------------

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。