linux 内核 静态/动态Per-CPU变量接口分析

Per-CPU变量是Linux内核中实现高效并发访问的核心机制之一,它为每个处理器维护独立的变量副本,避免了多处理器环境下的锁竞争问题。Per-CPU变量为每个CPU核心创建独立副本的变量,消除多处理器并发访问的竞争条件。本地CPU可直接读写自己的副本,访问其他CPU副本需特殊处理。

在开始讲述Per-CPU内核接口前,根据内核中静态Per-CPU的实现机制(阅读源码),笔者在用户态手动实现了一个简洁版Per-CPU玩具,其中省略了很多对齐以及其他检查部分,这样可以加深大家的理解,当然希望继续探索的读者可以阅读笔者的文章《linux 内核Per-CPU变量实现分析》,该文章中对内核中涉及Per-CPU的代码进行了详细的注释。

复制代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

/*模拟在".data..percpu"中的Per-CPU变量*/
struct none_t {
	unsigned int __per_cpu_start;
	int per_a;
	int per_b;
	int per_c;
	long Per_d;
	unsigned int __per_cpu_end;
}__attribute__((__aligned__(4)));

/*CPU个数为4*/
#define NR_CPUS	4
unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS];
unsigned long per_cpu_offset[NR_CPUS];

/*获取per_cpu变量的值*/
#define per_cpu_get_var(var,cpu) \
({	\
	*(typeof(var) *)((unsigned long)(&(var)) - per_cpu_offset[cpu]);\
})


/*设置per_cpu变量的值*/
#define per_cpu_set_var(var,cpu,val) \
do{ \
	*(typeof(var) *)((unsigned long)(&(var)) - per_cpu_offset[cpu]) = val; \
}while(0)

int main()
{
	int i=0,cpu=0;
	size_t size = 0;
	struct none_t n;
	void * per_cpu_areas = NULL;
	unsigned long delta=0;
	unsigned long *offsets;

	printf("%ld \n",sizeof(offsets[0])); //8

	/*4,8,8,4,8 */
	printf("%zu,%zu,%zu,%zu,%zu \n",sizeof(int),sizeof(long),sizeof(long long),sizeof(float),sizeof(double));

	printf("__per_cpu_start:%p,per_a:%p,per_b:%p,per_c:%p,Per_d:%p,__per_cpu_end:%p \n",\
		&n.__per_cpu_start,&n.per_a,&n.per_b,&n.per_c,&n.Per_d,&n.__per_cpu_end);

	/*为静态Per-CPU变量分配空间*/
	size = sizeof(struct none_t);
	per_cpu_areas = malloc(NR_CPUS * size);

	printf("per_cpu_areas=%p,size=%ld,0x%zu \n",per_cpu_areas,size,sizeof(struct none_t)); 
	if(!per_cpu_areas) {
		printf("malloc memory failure. \n");
		return -1;
	}

	for(i=0; i<NR_CPUS; i++) {
		__per_cpu_offset[i] = i * size;
		printf("__per_cpu_offset[%d]:0x%lx \n",i,__per_cpu_offset[i]);
	}

	/*拷贝Per-CPU数据到每个cpu对应的内存空间中*/
	for(i=0; i<NR_CPUS; i++) {
		memcpy((void *)((unsigned long)per_cpu_areas+__per_cpu_offset[i]),(void *)(unsigned long)&n.__per_cpu_start,size);
	}

	delta = (unsigned long)(&n.__per_cpu_start)-(unsigned long)per_cpu_areas;
	printf("delta:0x%lx,per_cpu_areas:0x%lx \n",delta,(unsigned long)per_cpu_areas);
	for(i=0; i<NR_CPUS; i++) {
		per_cpu_offset[i] = __per_cpu_offset[i] + delta;
		printf("per_cpu_offset[%d]:0x%lx \n",i,per_cpu_offset[i]);
	}

	per_cpu_set_var(n.per_a,0,0x10);
	per_cpu_set_var(n.per_a,1,0x11);
	per_cpu_set_var(n.per_a,2,0x12);
	per_cpu_set_var(n.per_a,3,0x13);

	printf("0x%x \n",per_cpu_get_var(n.per_a,0));
	printf("0x%x \n",per_cpu_get_var(n.per_a,1));
	printf("0x%x \n",per_cpu_get_var(n.per_a,2));
	printf("0x%x \n",per_cpu_get_var(n.per_a,3));


	per_cpu_set_var(n.Per_d,0,0xf10);
	per_cpu_set_var(n.Per_d,1,0xf11);
	per_cpu_set_var(n.Per_d,2,0xf12);
	per_cpu_set_var(n.Per_d,3,0xf13);

	printf("0x%lx \n",per_cpu_get_var(n.Per_d,0));
	printf("0x%lx \n",per_cpu_get_var(n.Per_d,1));
	printf("0x%lx \n",per_cpu_get_var(n.Per_d,2));
	printf("0x%lx \n",per_cpu_get_var(n.Per_d,3));


	if(per_cpu_areas)
		free(per_cpu_areas);

	return 0;
}

/*

打印结果如下:

8

4,8,8,4,8

__per_cpu_start:0x7ffe8af08950,per_a:0x7ffe8af08954,per_b:0x7ffe8af08958,per_c:0x7ffe8af0895c,Per_d:0x7ffe8af08960,__per_cpu_end:0x7ffe8af08968

per_cpu_areas=0x1ea5420,size=32,0x32

__per_cpu_offset[0]:0x0

__per_cpu_offset[1]:0x20

__per_cpu_offset[2]:0x40

__per_cpu_offset[3]:0x60

delta:0x89063530,per_cpu_areas:0x1ea5420

per_cpu_offset[0]:0x7ffe89063530

per_cpu_offset[1]:0x7ffe89063550

per_cpu_offset[2]:0x7ffe89063570

per_cpu_offset[3]:0x7ffe89063590

0x10

0x11

0x12

0x13

0xf10

0xf11

0xf12

0xf13

*/

1、静态Per-CPU变量实现

++1.1、静态Per-CPU的声明/定义++

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/*
_per_cpu_offset是一个unsigned long类型的数组,数组索引为CPU编号(cpu),
数组元素值为该CPU的Per-CPU区域相对于全局Per-CPU区域起始地址(__per_cpu_start)的字节偏移量
*/
unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS] __read_mostly;

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

通过链接脚本可知,静态Per-CPU数据存放在一个段中

复制代码
在vmlinux.lds链接脚本中.data..percpu段信息__per_cpu_start,__per_cpu_end
 . = ALIGN((1 << 12)); 
.data..percpu : AT(ADDR(.data..percpu) - 0) {
	 __per_cpu_load = .;
	 __per_cpu_start = .;
	 *(.data..percpu..first) 
	. = ALIGN((1 << 12));   /*4K对齐*/
	 *(.data..percpu..page_aligned) 
	. = ALIGN((1 << 6));    /*64字节对齐*/
	*(.data..percpu..read_mostly)
	 . = ALIGN((1 << 6));	/*64字节对齐*/
	 *(.data..percpu) 
	*(.data..percpu..shared_aligned)
	 __per_cpu_end = .;
 }
注意,__per_cpu_load/__per_cpu_start为静态Per_CPU段的起始地址,__per_cpu_end为结束地址。

静态Per-CPU变量声明和定义宏定义如下:

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/*
 * Variant(变体) on the per-CPU variable declaration/definition theme used for ordinary(普通) per-CPU variables.
 * 对用于普通每 CPU 变量的每 CPU 变量声明/定义模式的一个变体
 */
/*声明变量在".data..percpu" 段中*/
#define DECLARE_PER_CPU(type, name)					\
	DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")

/*定义变量在".data..percpu" 段中*/
#define DEFINE_PER_CPU(type, name)					\
	DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")

/*
 * Normal declaration and definition macros.
 */
/*声明变量在".data..percpu" 段中*/
#define DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)				\
	extern/*声明*/ __PCPU_ATTRS(sec) __typeof__(type)/*类型*/ name/*变量名*/

/*定义变量在".data..percpu" 段中*/
#define DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)				\
	__PCPU_ATTRS(sec) PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES			\
	__typeof__(type)/*类型*/ name/*变量名*/
#endif

# define __percpu
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
#define PER_CPU_ATTRIBUTES
#define PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES
/*
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
__PCPU_ATTRS 设置定义的变量在".data..percpu"段中
*/
#define __PCPU_ATTRS(sec)							\
	__percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION/*".data..percpu"*/ sec)))	\
	PER_CPU_ATTRIBUTES

++1.2、静态Per-CPU的使用++

this_cpu_ptr(&var),获取当前CPU的变量指针,内部(内核配套操作this_cpu_read(),this_cpu_add())会隐式禁用抢占

this_cpu_read(var),读取当前CPU的变量值,原子操作,禁用抢占

this_cpu_add(var,val):给当前CPU变量加值,原子操作,禁用抢占

per_cpu(var,cpu),访问指定CPU的变量,无安全保护,需手动加锁

++1.2.1、this_cpu_ptr(&var)函数实现分析++

this_cpu_ptr宏的核心作用是计算当前CPU的Per-CPU变量副本地址,其本身并不直接包含禁用抢占的代码。但使用this_cpu_ptr进行读-修改-写(RMW)操作时,内核配套的宏(如this_cpu_inc、this_cpu_add等)会通过preempt_disable()/preempt_enable()隐式禁用抢占,以确保操作的原子性(相对于当前CPU的抢占)

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#define this_cpu_ptr(ptr) raw_cpu_ptr(ptr)

#define raw_cpu_ptr(ptr)						\
({								\
	__verify_pcpu_ptr(ptr);						\
	arch_raw_cpu_ptr(ptr);						\
})

/*
__verify_pcpu_ptr检查传入的ptr是否是带__percpu属性的指针(即Per-CPU 指针),
如果不是,编译器会抛出类型不兼容的警告/错误,提前拦截错误的Per-CPU指针使用
 */
#define __verify_pcpu_ptr(ptr)						\
do {								\
	const void __percpu *__vpp_verify = (typeof((ptr) + 0))NULL;		\
	(void)__vpp_verify;						\
} while (0)

继续分析实现过程:

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#define arch_raw_cpu_ptr(ptr) 	SHIFT_PERCPU_PTR(ptr, __my_cpu_offset)
#define __my_cpu_offset 	per_cpu_offset(raw_smp_processor_id())
#define per_cpu_offset(x) 	(__per_cpu_offset[x])

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

# define RELOC_HIDE(ptr, off)				\
  ({ unsigned long __ptr;				\
     __ptr = (unsigned long) (ptr);				\
    (typeof(ptr)) (__ptr + (off)); })

++1.2.2、this_cpu_read/this_cpu_write实现分析++

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include/linux/percpu-defs.h
#define this_cpu_read(pcp)	__pcpu_size_call_return(this_cpu_read_/*注意最后有个下划线(_)*/, pcp)

#define __pcpu_size_call_return(stem, variable)					\
({								\
	typeof(variable) pscr_ret__;					\
	__verify_pcpu_ptr(&(variable));					\
	switch(sizeof(variable)) {					\
	case 1: pscr_ret__ = stem##1(variable); break;			\
	case 2: pscr_ret__ = stem##2(variable); break;			\
	case 4: pscr_ret__ = stem##4(variable); break;			\
	case 8: pscr_ret__ = stem##8(variable); break;			\
	default:							\
		__bad_size_call_parameter(); break;			\
	}							\
	pscr_ret__;							\
})

/include/asm-generic/percpu.h
#define this_cpu_read_1(pcp)		this_cpu_generic_read(pcp)
#define this_cpu_read_2(pcp)		this_cpu_generic_read(pcp)
#define this_cpu_read_4(pcp)		this_cpu_generic_read(pcp)
#define this_cpu_read_8(pcp)		this_cpu_generic_read(pcp)

#define this_cpu_generic_read(pcp)					\
({								\
	typeof(pcp) __ret;						\
	preempt_disable();						\
	__ret = *this_cpu_ptr(&(pcp));					\
	preempt_enable();						\
	__ret;							\
})
__ret = *this_cpu_ptr(&(pcp));在关闭内核抢占的情况下直接对内存地址进行解应用获取值。
preempt_disable()/preempt_enable():关闭和开始抢占。

#define this_cpu_write(pcp, val)	__pcpu_size_call(this_cpu_write_, pcp, val)
#define __pcpu_size_call(stem, variable, ...)					\
do {								\
	__verify_pcpu_ptr(&(variable));					\
	switch(sizeof(variable)) {					\
		case 1: stem##1(variable, __VA_ARGS__);break;		\
		case 2: stem##2(variable, __VA_ARGS__);break;		\
		case 4: stem##4(variable, __VA_ARGS__);break;		\
		case 8: stem##8(variable, __VA_ARGS__);break;		\
		default: 						\
			__bad_size_call_parameter();break;			\
	}							\
} while (0)

#define this_cpu_write_1(pcp, val)	this_cpu_generic_to_op(pcp, val, =)
#define this_cpu_write_2(pcp, val)	this_cpu_generic_to_op(pcp, val, =)
#define this_cpu_write_4(pcp, val)	this_cpu_generic_to_op(pcp, val, =)
#define this_cpu_write_8(pcp, val)	this_cpu_generic_to_op(pcp, val, =)

#define this_cpu_generic_to_op(pcp, val, op)					\
do {								\
	unsigned long __flags;						\
	raw_local_irq_save(__flags);					\
	*raw_cpu_ptr(&(pcp)) op val; /**raw_cpu_ptr(&(pcp)) = val;*/		\
	raw_local_irq_restore(__flags);					\
} while (0)

#define raw_cpu_ptr(ptr)						\
({								\
	__verify_pcpu_ptr(ptr);						\
	arch_raw_cpu_ptr(ptr);						\
})

++2、动态Per-CPU变量实现++

++2.1、动态Per-CPU访问接口++

alloc_percpu:高层动态分配(推荐)

free_percpu:高层动态释放(推荐),释放 alloc_percpu分配的动态 Per-CPU 变量,自动回收 chunk 空间(若所有副本均释放)

this_cpu_ptr(ptr):获取当前CPU​的ptr副本地址(ptr为动态Per-CPU指针)

per_cpu_ptr(ptr,cpu):获取指定cpu​的ptr副本地址(跨CPU访问,需谨慎)

get_cpu_ptr(ptr):获取当前CPU副本地址,禁用抢占(用于多步操作,需配对put_cpu_ptr)

put_cpu_ptr(ptr):恢复抢占(与 get_cpu_ptr配对)

++2.1.1、get_cpu_ptr/put_cpu_ptr实现++

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


/*get_cpu_ptr与put_cpu_ptr配对使用*/
#define get_cpu_ptr(var)						\
({								\
	preempt_disable();						\
	this_cpu_ptr(var);						\
})

#define put_cpu_ptr(var)						\
do {								\
	(void)(var); /*消除警告的作用*/					\
	preempt_enable();						\
} while (0)

++2.1.2、alloc_percpu实现++

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分配动态Per-CPU变量
/include/linux/percpu.h 
#define alloc_percpu(type)						\
	(typeof(type) __percpu *)__alloc_percpu(sizeof(type),		\
		__alignof__(type))

/mm/percpu.c
/**
 * __alloc_percpu - allocate dynamic percpu area
 * @size: size of area to allocate in bytes
 * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
 *
 * Equivalent to __alloc_percpu_gfp(size, align, %GFP_KERNEL).
 */
void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)
{
	return pcpu_alloc(size, align, false, GFP_KERNEL);
}

++2.1.3、free_percpu实现++

复制代码
释放动态Per-CPU变量
void free_percpu(void __percpu *ptr)
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