Per-cpu 变量

Per-cpu 变量是一项内核特性。从它的名字你就可以理解这项特性的意义了。我们可以创建一个变量，然后每个 CPU 上都会有一个此变量的拷贝。本节我们来看下这个特性，并试着去理解它是如何实现以及工作的。

内核提供了一个创建 per-cpu 变量的 API - DEFINE_PER_CPU 宏：

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

正如其它许多处理 per-cpu 变量的宏一样，这个宏定义在 include/linux/percpu-defs.h 中。现在我们来看下这个特性是如何实现的。

看下 DECLARE_PER_CPU 的定义，可以看到它使用了 2 个参数：type 和 name，因此我们可以这样创建 per-cpu 变量：

DEFINE_PER_CPU(int, per_cpu_n)

我们传入要创建变量的类型和名字，DEFINE_PER_CPU 调用 DEFINE_PER_CPU_SECTION，将两个参数和空字符串传递给后者。让我们来看下 DEFINE_PER_CPU_SECTION 的定义：

#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

其中 section 是:

#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"

当所有的宏展开之后，我们得到一个全局的 per-cpu 变量：

__attribute__((section(".data..percpu"))) int per_cpu_n

这意味着我们在 .data..percpu 段有了一个 per_cpu_n 变量，可以在 vmlinux 中找到它：

.data..percpu 00013a58  0000000000000000  0000000001a5c000  00e00000  2**12
              CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA

好，现在我们知道了，当我们使用 DEFINE_PER_CPU 宏时，一个在 .data..percpu 段中的 per-cpu 变量就被创建了。内核初始化时，调用 setup_per_cpu_areas 函数多次加载 .data..percpu 段，每个 CPU 一次。

让我们来看下 per-cpu 区域初始化流程。它从 init/main.c 中调用 setup_per_cpu_areas 函数开始，这个函数定义在 arch/x86/kernel/setup_percpu.c 中。

pr_info("NR_CPUS:%d nr_cpumask_bits:%d nr_cpu_ids:%d nr_node_ids:%d\n",
        NR_CPUS, nr_cpumask_bits, nr_cpu_ids, nr_node_ids);

setup_per_cpu_areas 开始输出在内核配置中以 CONFIG_NR_CPUS 配置项设置的最大 CPUs 数，实际的 CPU 个数，nr_cpumask_bits（对于新的 cpumask 操作来说和 NR_CPUS 是一样的），还有 NUMA 节点个数。

我们可以在 dmesg 中看到这些输出：

$ dmesg | grep percpu
[    0.000000] setup_percpu: NR_CPUS:8 nr_cpumask_bits:8 nr_cpu_ids:8 nr_node_ids:1

然后我们检查 per-cpu 第一个块分配器。所有的 per-cpu 区域都是以块进行分配的。第一个块用于静态 per-cpu 变量。Linux 内核提供了决定第一个块分配器类型的命令行：percpu_alloc 。我们可以在内核文档中读到它的说明。

percpu_alloc=   选择要使用哪个 per-cpu 第一个块分配器。
        当前支持的类型是 "embed" 和 "page"。
        不同架构支持这些类型的子集或不支持。
        更多分配器的细节参考 mm/percpu.c 中的注释。
        这个参数主要是为了调试和性能比较的。

mm/percpu.c 包含了这个命令行选项的处理函数：

early_param("percpu_alloc", percpu_alloc_setup);

其中 percpu_alloc_setup 函数根据 percpu_alloc 参数值设置 pcpu_chosen_fc 变量。默认第一个块分配器是 auto：

enum pcpu_fc pcpu_chosen_fc __initdata = PCPU_FC_AUTO;

如果内核命令行中没有设置 percpu_alloc 参数，就会使用 embed 分配器，将第一个 per-cpu 块嵌入进带 memblock 的 bootmem。最后一个分配器和第一个块 page 分配器一样，只是将第一个块使用 PAGE_SIZE 页进行了映射。

如我上面所写，首先我们在 setup_per_cpu_areas 中对第一个块分配器检查，检查到第一个块分配器不是 page 分配器：

if (pcpu_chosen_fc != PCPU_FC_PAGE) {
    ...
    ...
    ...
}

如果不是 PCPU_FC_PAGE，我们就使用 embed 分配器并使用 pcpu_embed_first_chunk 函数分配第一块空间。

rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_FIRST_CHUNK_RESERVE,
                        dyn_size, atom_size,
                        pcpu_cpu_distance,
                        pcpu_fc_alloc, pcpu_fc_free);

如前所述，函数 pcpu_embed_first_chunk 将第一个 per-cpu 块嵌入 bootmen，因此我们传递一些参数给 pcpu_embed_first_chunk。参数如下：

  • PERCPU_FIRST_CHUNK_RESERVE - 为静态变量 per-cpu 保留空间的大小；
  • dyn_size - 动态分配的最少空闲字节；
  • atom_size - 所有的分配都是这个的整数倍，并以此对齐；
  • pcpu_cpu_distance - 决定 cpus 距离的回调函数；
  • pcpu_fc_alloc - 分配 percpu 页的函数；
  • pcpu_fc_free - 释放 percpu 页的函数。

在调用 pcpu_embed_first_chunk 前我们计算好所有的参数：

const size_t dyn_size = PERCPU_MODULE_RESERVE + PERCPU_DYNAMIC_RESERVE - PERCPU_FIRST_CHUNK_RESERVE;
size_t atom_size;
#ifdef CONFIG_X86_64
        atom_size = PMD_SIZE;
#else
        atom_size = PAGE_SIZE;
#endif

如果第一个块分配器是 PCPU_FC_PAGE，我们用 pcpu_page_first_chunk 而不是 pcpu_embed_first_chunk。 per-cpu 区域准备好以后，我们用 setup_percpu_segment 函数设置 per-cpu 的偏移和段（只针对 x86 系统），并将前面的数据从数组移到 per-cpu 变量（x86_cpu_to_apicid, irq_stack_ptr 等等）。当内核完成初始化进程后，我们就有了N个 .data..percpu 段，其中 N 是 CPU 个数，bootstrap 进程使用的段将会包含用 DEFINE_PER_CPU 宏创建的未初始化的变量。

内核提供了操作 per-cpu 变量的API：

  • get_cpu_var(var)
  • put_cpu_var(var)

让我们来看看 get_cpu_var 的实现：

#define get_cpu_var(var)     \
(*({                         \
         preempt_disable();  \
         this_cpu_ptr(&var); \
}))

Linux 内核是抢占式的，获取 per-cpu 变量需要我们知道内核运行在哪个处理器上。因此访问 per-cpu 变量时，当前代码不能被抢占，不能移到其它的 CPU。如我们所见，这就是为什么首先调用 preempt_disable 函数然后调用 this_cpu_ptr 宏，像这样：

#define this_cpu_ptr(ptr) raw_cpu_ptr(ptr)

以及

#define raw_cpu_ptr(ptr)        per_cpu_ptr(ptr, 0)

per_cpu_ptr 返回一个指向给定 CPU（第 2 个参数） per-cpu 变量的指针。当我们创建了一个 per-cpu 变量并对其进行了修改时，我们必须调用 put_cpu_var 宏通过函数 preempt_enable 使能抢占。因此典型的 per-cpu 变量的使用如下：

get_cpu_var(var);
...
//用这个 'var' 做些啥
...
put_cpu_var(var);

让我们来看下这个 per_cpu_ptr 宏：

#define per_cpu_ptr(ptr, cpu)                             \
({                                                        \
        __verify_pcpu_ptr(ptr);                           \
         SHIFT_PERCPU_PTR((ptr), per_cpu_offset((cpu)));  \
})

就像我们上面写的，这个宏返回了一个给定 cpu 的 per-cpu 变量。首先它调用了 __verify_pcpu_ptr：

#define __verify_pcpu_ptr(ptr)
do {
    const void __percpu *__vpp_verify = (typeof((ptr) + 0))NULL;
    (void)__vpp_verify;
} while (0)

该宏声明了 ptr 类型的 const void __percpu *。

之后，我们可以看到带两个参数的 SHIFT_PERCPU_PTR 宏的调用。第一个参数是我们的指针，第二个参数是传给 per_cpu_offset 宏的CPU数：

#define per_cpu_offset(x) (__per_cpu_offset[x])

该宏将 x 扩展为 __per_cpu_offset 数组：

extern unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS];

其中 NR_CPUS 是 CPU 的数目。__per_cpu_offset 数组以 CPU 变量拷贝之间的距离填充。例如，所有 per-cpu 变量是 X 字节大小，所以我们通过 __per_cpu_offset[Y] 就可以访问 X*Y。让我们来看下 SHIFT_PERCPU_PTR 的实现：

#define SHIFT_PERCPU_PTR(__p, __offset)                                 \
         RELOC_HIDE((typeof(*(__p)) __kernel __force *)(__p), (__offset))

RELOC_HIDE 只是取得偏移量 (typeof(ptr)) (__ptr + (off))，并返回一个指向该变量的指针。

就这些了！当然这不是全部的 API，只是一个大概。开头是比较艰难，但是理解 per-cpu 变量你只需理解 include/linux/percpu-defs.h 的奥秘。

让我们再看下获得 per-cpu 变量指针的算法：

  • 内核在初始化流程中创建多个 .data..percpu 段（一个 per-cpu 变量一个）；
  • 所有 DEFINE_PER_CPU 宏创建的变量都将重新分配到首个扇区或者 CPU0；
  • __per_cpu_offset 数组以 (BOOT_PERCPU_OFFSET) 和 .data..percpu 扇区之间的距离填充；
  • 当 per_cpu_ptr 被调用时，例如取一个 per-cpu 变量的第三个 CPU 的指针，将访问 __per_cpu_offset 数组，该数组的索引指向了所需 CPU。

就这么多了。

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