Linux内核同步 - Per-CPU变量

一、源由：为何引入Per-CPU变量？

1、lock bus带来的性能问题

在ARM平台上，ARMv6之前，SWP和SWPB指令被用来支持对shared memory的访问：

SWP <Rt>, <Rt2>, [<Rn>]

Rn中保存了SWP指令要操作的内存地址，通过该指令可以将Rn指定的内存数据加载到Rt寄存器，同时将Rt2寄存器中的数值保存到Rn指定的内存中去。

我们在原子操作那篇文档中描述的read-modify-write的问题本质上是一个保持对内存read和write访问的原子性的问题。也就是说对内存的读和写的访问不能被打断。对该问题的解决可以通过硬件、软件或者软硬件结合的方法来进行。早期的ARM CPU给出的方案就是依赖硬件：SWP这个汇编指令执行了一次读内存操作、一次写内存操作，但是从程序员的角度看，SWP这条指令就是原子的，读写之间不会被任何的异步事件打断。具体底层的硬件是如何做的呢？这时候，硬件会提供一个lock signal，在进行memory操作的时候设定lock信号，告诉总线这是一个不可被中断的内存访问，直到完成了SWP需要进行的两次内存访问之后再clear lock信号。

lock memory bus对多核系统的性能造成严重的影响（系统中其他的processor对那条被lock的memory bus的访问就被hold住了），如何解决这个问题？最好的锁机制就是不使用锁，因此解决这个问题可以使用釜底抽薪的方法，那就是不在系统中的多个processor之间共享数据，给每一个CPU分配一个不就OK了吗。

当然，随着技术的发展，在ARMv6之后的ARM CPU已经不推荐使用SWP这样的指令，而是提供了LDREX和STREX这样的指令。这种方法是使用软硬件结合的方法来解决原子操作问题，看起来代码比较复杂，但是系统的性能可以得到提升。其实，从硬件角度看，LDREX和STREX这样的指令也是采用了lock-free的做法。OK，由于不再lock bus，看起来Per-CPU变量存在的基础被打破了。不过考虑cache的操作，实际上它还是有意义的。

2、cache的影响

在The Memory Hierarchy文档中，我们已经了解了关于memory一些基础的知识，一些基础的内容，这里就不再重复了。我们假设一个多核系统中的cache如下：

每个CPU都有自己的L1 cache（包括data cache和instruction cache），所有的CPU共用一个L2 cache。L1、L2以及main memory的访问速度之间的差异都是非常大，最高的性能的情况下当然是L1 cache hit，这样就不需要访问下一阶memory来加载cache line。

我们首先看在多个CPU之间共享内存的情况。这种情况下，任何一个CPU如果修改了共享内存就会导致所有其他CPU的L1 cache上对应的cache line变成invalid（硬件完成）。虽然对性能造成影响，但是系统必须这么做，因为需要维持cache的同步。将一个共享memory变成Per-CPU memory本质上是一个耗费更多memory来解决performance的方法。当一个在多个CPU之间共享的变量变成每个CPU都有属于自己的一个私有的变量的时候，我们就不必考虑来自多个CPU上的并发，仅仅考虑本CPU上的并发就OK了。当然，还有一点要注意，那就是在访问Per-CPU变量的时候，不能调度，当然更准确的说法是该task不能调度到其他CPU上去。目前的内核的做法是在访问Per-CPU变量的时候disable preemptive，虽然没有能够完全避免使用锁的机制（disable preemptive也是一种锁的机制），但毫无疑问，这是一种代价比较小的锁。

二、接口

1、静态声明和定义Per-CPU变量的API如下表所示：

声明和定义Per-CPU变量的API	描述
DECLARE_PER_CPU(type, name) DEFINE_PER_CPU(type, name)	普通的、没有特殊要求的per cpu变量定义接口函数。没有对齐的要求
DECLARE_PER_CPU_FIRST(type, name) DEFINE_PER_CPU_FIRST(type, name)	通过该API定义的per cpu变量位于整个per cpu相关section的最前面。
DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(type, name) DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(type, name)	通过该API定义的per cpu变量在SMP的情况下会对齐到L1 cache line ，对于UP，不需要对齐到cachine line
DECLARE_PER_CPU_ALIGNED(type, name) DEFINE_PER_CPU_ALIGNED(type, name)	无论SMP或者UP，都是需要对齐到L1 cache line
DECLARE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name) DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name)	为定义page aligned per cpu变量而设定的API接口
DECLARE_PER_CPU_READ_MOSTLY(type, name) DEFINE_PER_CPU_READ_MOSTLY(type, name)	通过该API定义的per cpu变量是read mostly的

看到这样“丰富多彩”的Per-CPU变量的API，你是不是已经醉了。这些定义使用在不同的场合，主要的factor包括：

－该变量在section中的位置

－该变量的对齐方式

－该变量对SMP和UP的处理不同

－访问per cpu的形态

例如：如果你准备定义的per cpu变量是要求按照page对齐的，那么在定义该per cpu变量的时候需要使用DECLARE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED。如果只要求在SMP的情况下对齐到cache line，那么使用DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED来定义该per cpu变量。

2、访问静态声明和定义Per-CPU变量的API

静态定义的per cpu变量不能象普通变量那样进行访问，需要使用特定的接口函数，具体如下：

get_cpu_var(var)

put_cpu_var(var)

上面这两个接口函数已经内嵌了锁的机制（preempt disable），用户可以直接调用该接口进行本CPU上该变量副本的访问。如果用户确认当前的执行环境已经是preempt disable（或者是更厉害的锁，例如关闭了CPU中断），那么可以使用lock-free版本的Per-CPU变量的API:__get_cpu_var。

3、动态分配Per-CPU变量的API如下表所示：

动态分配和释放Per-CPU变量的API	描述
alloc_percpu(type)	分配类型是type的per cpu变量，返回per cpu变量的地址（注意：不是各个CPU上的副本）
void free_percpu(void __percpu *ptr)	释放ptr指向的per cpu变量空间

4、访问动态分配Per-CPU变量的API如下表所示：

访问Per-CPU变量的API	描述
get_cpu_ptr	这个接口是和访问静态Per-CPU变量的get_cpu_var接口是类似的，当然，这个接口是for 动态分配Per-CPU变量
put_cpu_ptr	同上
per_cpu_ptr(ptr, cpu)	根据per cpu变量的地址和cpu number，返回指定CPU number上该per cpu变量的地址

三、实现

1、静态Per-CPU变量定义

我们以DEFINE_PER_CPU的实现为例子，描述linux kernel中如何实现静态Per-CPU变量定义。具体代码如下：

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

type就是变量的类型，name是per cpu变量符号。DEFINE_PER_CPU_SECTION宏可以把一个per cpu变量放到指定的section中，具体代码如下：

#define DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)                \
    __PCPU_ATTRS(sec) PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES            \－－－－－安排section
    __typeof__(type) name－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－定义变量

在这里具体arch specific的percpu代码中（arch/arm/include/asm/percpu.h）可以定义PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES，以便控制该per cpu变量的属性，当然，如果arch specific的percpu代码不定义，那么在general arch-independent的代码中（include/asm-generic/percpu.h）会定义为空。这里可以顺便提一下Per-CPU变量的软件层次：

（1）arch-independent interface。在include/linux/percpu.h文件中，定义了内核其他模块要使用per cpu机制使用的接口API以及相关数据结构的定义。内核其他模块需要使用per cpu变量接口的时候需要include该头文件

（2）arch-general interface。在include/asm-generic/percpu.h文件中。如果所有的arch相关的定义都是一样的，那么就把它抽取出来，放到asm-generic目录下。毫无疑问，这个文件定义的接口和数据结构是硬件相关的，只不过软件抽象各个arch-specific的内容，形成一个arch general layer。一般来说，我们不需要直接include该头文件，include/linux/percpu.h会include该头文件。

（3）arch-specific。这是和硬件相关的接口，在arch/arm/include/asm/percpu.h，定义了ARM平台中，具体和per cpu相关的接口代码。

我们回到正题，看看__PCPU_ATTRS的定义：

#define __PCPU_ATTRS(sec)                        \
    __percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec)))    \
    PER_CPU_ATTRIBUTES

PER_CPU_BASE_SECTION 定义了基础的section name symbol，定义如下：

#ifndef PER_CPU_BASE_SECTION
#ifdef CONFIG_SMP
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
#else
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data"
#endif
#endif

虽然有各种各样的静态Per-CPU变量定义方法，但是都是类似的，只不过是放在不同的section中，属性不同而已，这里就不看其他的实现了，直接给出section的安排：

（1）普通per cpu变量的section安排

	SMP	UP
Build-in kernel	".data..percpu" section	".data" section
defined in module	".data..percpu" section	".data" section

（2）first per cpu变量的section安排

	SMP	UP
Build-in kernel	".data..percpu..first" section	".data" section
defined in module	".data..percpu..first" section	".data" section

（3）SMP shared aligned per cpu变量的section安排

	SMP	UP
Build-in kernel	".data..percpu..shared_aligned" section	".data" section
defined in module	".data..percpu" section	".data" section

（4）aligned per cpu变量的section安排

	SMP	UP
Build-in kernel	".data..percpu..shared_aligned" section	".data..shared_aligned" section
defined in module	".data..percpu" section	".data..shared_aligned" section

（5）page aligned per cpu变量的section安排

	SMP	UP
Build-in kernel	".data..percpu..page_aligned" section	".data..page_aligned" section
defined in module	".data..percpu..page_aligned" section	".data..page_aligned" section

（6）read mostly per cpu变量的section安排

	SMP	UP
Build-in kernel	".data..percpu..readmostly" section	".data..readmostly" section
defined in module	".data..percpu..readmostly" section	".data..readmostly" section

了解了静态定义Per-CPU变量的实现，但是为何要引入这么多的section呢？对于kernel中的普通变量，经过了编译和链接后，会被放置到.data或者.bss段，系统在初始化的时候会准备好一切（例如clear bss），由于per cpu变量的特殊性，内核将这些变量放置到了其他的section，位于kernel address space中__per_cpu_start和__per_cpu_end之间，我们称之Per-CPU变量的原始变量（我也想不出什么好词了）。

只有Per-CPU变量的原始变量还是不够的，必须为每一个CPU建立一个副本，怎么建？直接静态定义一个NR_CPUS的数组？NR_CPUS定义了系统支持的最大的processor的个数，并不是实际中系统processor的数目，这样的定义非常浪费内存。此外，静态定义的数据在内存中连续，对于UMA系统而言是OK的，对于NUMA系统，每个CPU上的Per-CPU变量的副本应该位于它访问最快的那段memory上，也就是说Per-CPU变量的各个CPU副本可能是散布在整个内存地址空间的，而这些空间之间是有空洞的。本质上，副本per cpu内存的分配归属于内存管理子系统，因此，分配per cpu变量副本的内存本文不会详述，大致的思路如下：

内存管理子系统会根据当前的内存配置为每一个CPU分配一大块memory，对于UMA，这个memory也是位于main memory，对于NUMA，有可能是分配最靠近该CPU的memory（也就是说该cpu访问这段内存最快），但无论如何，这些都是内存管理子系统需要考虑的。无论静态还是动态per cpu变量的分配，其机制都是一样的，只不过，对于静态per cpu变量，需要在系统初始化的时候，对应per cpu section，预先动态分配一个同样size的per cpu chunk。在vmlinux.lds.h文件中，定义了percpu section的排列情况：

#define PERCPU_INPUT(cacheline)                        \
    VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_start) = .;                \
    *(.data..percpu..first)                        \
    . = ALIGN(PAGE_SIZE);                        \
    *(.data..percpu..page_aligned)                    \
    . = ALIGN(cacheline);                        \
    *(.data..percpu..readmostly)                    \
    . = ALIGN(cacheline);                        \
    *(.data..percpu)                        \
    *(.data..percpu..shared_aligned)                \
    VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_end) = .;

对于build in内核的那些per cpu变量，必然位于__per_cpu_start和__per_cpu_end之间的per cpu section。在系统初始化的时候（setup_per_cpu_areas），分配per cpu memory chunk，并将per cpu section copy到每一个chunk中。

2、访问静态定义的per cpu变量

代码如下：

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

再看到get_cpu_var和__get_cpu_var这两个符号，相信广大人民群众已经相当的熟悉，一个持有锁的版本，一个lock-free的版本。为防止当前task由于抢占而调度到其他的CPU上，在访问per cpu memory的时候都需要使用preempt_disable这样的锁的机制。我们来看__get_cpu_var：

#define __get_cpu_var(var) (*this_cpu_ptr(&(var)))

#define this_cpu_ptr(ptr) __this_cpu_ptr(ptr)

对于ARM平台，我们没有定义__this_cpu_ptr，因此采用asm-general版本的：

#define __this_cpu_ptr(ptr) SHIFT_PERCPU_PTR(ptr, __my_cpu_offset)

SHIFT_PERCPU_PTR这个宏定义从字面上就可以看出它是可以从原始的per cpu变量的地址，通过简单的变换（SHIFT）转成实际的per cpu变量副本的地址。实际上，per cpu内存管理模块可以保证原始的per cpu变量的地址和各个CPU上的per cpu变量副本的地址有简单的线性关系（就是一个固定的offset）。__my_cpu_offset这个宏定义就是和offset相关的，如果arch specific没有定义，那么可以采用asm general版本的，如下：

#define __my_cpu_offset per_cpu_offset(raw_smp_processor_id())

raw_smp_processor_id可以获取本CPU的ID，如果没有arch specific没有定义__per_cpu_offset这个宏，那么offset保存在__per_cpu_offset的数组中（下面只是数组声明，具体定义在mm/percpu.c文件中），如下：

#ifndef __per_cpu_offset
extern unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS];

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

对于ARMV6K和ARMv7版本，offset保存在TPIDRPRW寄存器中，这样是为了提升系统性能。

3、动态分配per cpu变量

这部分内容留给内存管理子系统吧。