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治肾虚不含糖,专注内核性能优化二十年。 https://github.com/KnightKu

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分类: LINUX

2013-06-13 15:10:38

一、简介

2.6内核上一个新的特性就是per-CPU变量。顾名思义,就是每个处理器上有此变量的一个副本。
per-CPU的最大优点就是,对它的访问几乎不需要锁,因为每个CPU都在自己的副本上工作。
tasklet、timer_list等机制都使用了per-CPU技术。

二、API使用

注意,2.6内核是抢占式的。
所以在访问per-CPU变量时,应使用特定的API来避免抢占,即避免它被切换到另一个CPU上被处理。

per-CPU变量可以在编译时声明,也可以在系统运行时动态生成

实例一:
  1. 编译期间创建一个per-CPU变量:
  2.     DEFINE_PER_CPU(int,my_percpu); //声明一个变量
  3.     DEFINE_PER_CPU(int[3],my_percpu_array); //声明一个数组

  4. 使用编译时生成的per-CPU变量:
  5.     ptr = get_cpu_var(my_percpu); //
  6.     使用ptr
  7.     put_cpu_var(my_percpu); //

  8. 当然,也可以使用下列宏来访问特定CPU上的per-CPU变量
  9.     per_cpu(my_percpu, cpu_id); //

  10. per-CPU变量导出,供模块使用:
  11.     EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(per_cpu_var);
  12.     EXPORT_PER_CPU_SYMBOL_GPL(per_cpu_var);


实例二:
  1. 动态分配per-CPU变量:
  2.     void *alloc_percpu(type);
  3.     void *__alloc_percpu(size_t size, size_t align);

  4. 使用动态生成的per-CPU变量:
  5.     int cpu;
  6.     cpu = get_cpu();
  7.     ptr = per_cpu_ptr(my_percpu);
  8.     //使用ptr
  9.     put_cpu();

三、实现

使用上面的API为什么就能避免抢占问题呢,看看代码实现就知道了

  1. #define get_cpu_var(var) (*({ \
  2.     extern int simple_identifier_##var(void); \
  3.     preempt_disable(); \
  4.     &__get_cpu_var(var); }))
  5. #define put_cpu_var(var) preempt_enable()

  1. #define get_cpu() ({ preempt_disable(); smp_processor_id(); })
  2. #define put_cpu() preempt_enable()

关键就在于 preempt_disable 和 preempt_enable 两个调用,分别是禁止抢占和开启抢占
抢占相关的东东以后再看

per-cpu 变量的引入有效的解决了SMP系统中处理器对锁得竞争,每个cpu只需访问自己的本地变量。本文阐述了per-cpu变量在2.6内核上的实现和相关操作。
在系统编译阶段我们就手工的定义了一份所有的per-cpu变量,这些变量的定义是通过宏DEFINE_PER_CPU实现的:
  1. 11 #define DEFINE_PER_CPU(type, name) \
  2.   12 __attribute__((__section__(".data.percpu"))) __typeof__(type) per_cpu__##name

从上面的代码我们可以看出,手工定义的所有per-cpu变量都是放在.data.percpu段的。注意上面的宏只是在SMP体系结构下才如此定义。如果不是SMP结构的计算机那么只是简单的把所有的per-cpu变量放到全局变量应该放到的地方。

单CPU的per-cpu变量定义:

  1. 27 #else /* ! SMP */
  2.   28
  3.   29 #define DEFINE_PER_CPU(type, name) \
  4.   30 __typeof__(type) per_cpu__##name

在了解了上述代码后,我们还必须弄清楚一点:单CPU的计算机中使用的per-cpu变量就是通过上述宏定义的放在全局数据区的per-cpu变 量。而在SMP体系结构中,我们使用却不是放在.data.percpu段的变量,设想一下如果使用这个变量,那么应该哪个CPU使用呢?事实上,SMP 下,每个cpu使用的都是在.data.percpu段中的这些per-cpu变量的副本,有几个cpu就创建几个这样的副本。


在系统初始化期 间,start_kernel()函数中调用setup_per_cpu_areas()函数,用于为每个cpu的per-cpu变量副本分配空间,注意 这时alloc内存分配器还没建立起来,该函数调用alloc_bootmem函数为初始化期间的这些变量副本分配物理空间。

  1. 332 static void __init setup_per_cpu_areas(void)
  2.      /* */
  3.  333 {
  4.  334 unsigned long size, i;
  5.  335 char *ptr;
  6.  336
  7.  337 /* Copy section for each CPU (we discard the original) */
  8.  338 size = ALIGN(__per_cpu_end - __per_cpu_start, SMP_CACHE_BYTES);
  9.  339 #ifdef CONFIG_MODULES
  10.  340 if (size < PERCPU_ENOUGH_ROOM)
  11.  341 size = PERCPU_ENOUGH_ROOM;
  12.  342 #endif
  13.  343
  14.  344 ptr = alloc_bootmem(size * NR_CPUS);
  15.  345
  16.  346 for (i = 0; i < NR_CPUS; i++, ptr += size) {
  17.  347 __per_cpu_offset[i] = ptr - __per_cpu_start;
  18.  348 memcpy(ptr, __per_cpu_start, __per_cpu_end - __per_cpu_start);
  19.  349 }
  20.  350 }
  21.  351 #endif /* !__GENERIC_PER_CPU */

上述函数,在分配好每个cpu的per-cpu变量副本所占用的物理空间的同时,也对__per_cpu_offset[NR_CPUS]数组进行了初始化用于以后找到指定CPU的这些per-cpu变量副本。

 

  1. 15 #define per_cpu(var, cpu) (*RELOC_HIDE(&per_cpu__##var, __per_cpu_offset[cpu]))
  2.   16 #define __get_cpu_var(var) per_cpu(var, smp_processor_id())
这两个宏一个用于获得指定cpu的per-cpu变量,另一个用于获的本地cpu的per-cpu变量,可以自己分析一下。

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