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分类: LINUX

2019-03-04 23:12:14

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:

点击(此处)折叠或打开

  1. struct pcpu_chunk {
  2.             struct list_head list; /* linked to pcpu_slot lists */
  3.             int free_size; /* free bytes in the chunk */
  4.             int contig_hint; /* max contiguous size hint */
  5.             void *base_addr; /* base address of this chunk */
  6.             int map_used; /* # of map entries used */
  7.             int map_alloc; /* # of map entries allocated */
  8.             int *map; /* allocation map */
  9.             void *data; /* chunk data */
  10.             bool immutable; /* no [de]population allowed */
  11.             unsigned long populated[]; /* populated bitmap */
  12.     };
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:

点击(此处)折叠或打开

  1. static struct pcpu_chunk *pcpu_create_chunk(void)
  2.     {
  3.             struct pcpu_chunk *chunk;
  4.             struct vm_struct **vms;

  5.             chunk = pcpu_alloc_chunk();
  6.             if (!chunk)
  7.                     return NULL;

  8.             vms = pcpu_get_vm_areas(pcpu_group_offsets, pcpu_group_sizes,
  9.                                     pcpu_nr_groups, pcpu_atom_size, GFP_KERNEL);
  10.             if (!vms) {
  11.                     pcpu_free_chunk(chunk);
  12.                     return NULL;
  13.             }

  14.             chunk->data = vms;
  15.             chunk->base_addr = vms[0]->addr - pcpu_group_offsets[0];
  16.             return chunk;
  17.     } static struct pcpu_chunk *pcpu_create_chunk(void)
  18.     {
  19.             struct pcpu_chunk *chunk;
  20.             struct vm_struct **vms;

  21.             chunk = pcpu_alloc_chunk();
  22.             if (!chunk)
  23.                     return NULL;

  24.             vms = pcpu_get_vm_areas(pcpu_group_offsets, pcpu_group_sizes,
  25.                                     pcpu_nr_groups, pcpu_atom_size, GFP_KERNEL);
  26.             if (!vms) {
  27.                     pcpu_free_chunk(chunk);
  28.                     return NULL;
  29.             }

  30.             chunk->data = vms;
  31.             chunk->base_addr = vms[0]->addr - pcpu_group_offsets[0];
  32.             return chunk;
  33.     }
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。

----------------------------------------------------
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。
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给主人留下些什么吧!~~

embededgood2019-03-04 23:12:59

好文章

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