Linux设备驱动程序之 per-cpu变量

数组形式

支持SMP的现代操作系统使用每个cpu上的数据，对于给定的处理器其数据是唯一的；一般来说，每个cpu的数据存放在一个数组中，数组总的每一项对应着系统上的一个存在的处理器；按当前处理器号确定这个数组的当前元素；使用方式如下：

 unsigned long my_percpu[NR_CPUS];

 int cpu;

 cpu = get_cpu(); /* 获取当前处理器，并禁止抢占 */

 my_percpu[cpu]++; /* 对变量做处理 */

 put_cpu(); /* 激活内核抢占 */

上面代码并没有出现锁，这是因为所操作的数据对当前处理器来说是唯一的；除了当前处理器之外，没有其他处理器可接触到这个数据，不存在并发访问的问题，所以当前处理器可以再不用锁的情况下安全访问它；

现在，内核抢占成了唯一需要关注的问题了，内核抢占会引起下面的两个问题：

1. 如果代码被其他处理器抢占并重新调度，那么这时cpu变量就会无效，因为它指向的是错误的处理器；（通常，代码获得当前处理器后是不可以睡眠的）；

2. 如果另一个任务抢占了代码，那么有可能在同一处理器上发生并发访问my_percpu的情况，显然属于一个竞态；

上述代码中在调用get_put()时，禁止了内核抢占；相对的调用put_cpu()时又会重新激活当前处理器号；

新的接口

2.6内核开始为了方便创建和操作每个cpu数据，而引进了新的操作接口，称为percpu，该接口归纳了前面所述的操作行为，简化了创建和操作每个cpu的数据；

但前面说的创建和访问每个cpu的方法仍然有效，不过大型对称多处理器计算机要求对每个cpu数据操作更简单，功能更强大，所以新接口应运而生；

编译时的每个cpu数据

编译期间定义每个cpu变量：

 DEFINE_PER_CPU(type,name)

这个语句为系统中每个cpu都创建了一个类型为type，名称为name的变量实例，如果需要在别处声明变量，则应该使用下面的宏：

 DECLARE_PER_CPU(type,name)

可以利用get_cpu_var()和put_cpu_var()函数来操作变量；

 get_cpu_var(name)++; /*禁止抢占，操作cpu变量*/

 put_cpu_var(name); /*完成，重新激活内核抢占*/

还可以通过per_cpu(name, cpu)获取别的处理器上的每个cpu数据：

 per_cpu(name, cpu)++;/* 增加指定处理器上的数据值 */

注意：per_cpu()函数既不会禁止内核抢占，也不会提供任何形式的锁保护；如果一个处理器可以接触到其他处理器上的数据，那就必须给数据上锁；

运行时的每个cpu数据

 #define alloc_percpu(type)                        \

     (typeof(type) __percpu *)__alloc_percpu(sizeof(type),        \

                         __alignof__(type))

 void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)

 void free_percpu(void __percpu *__pdata)

alloc_percpu()给系统中每个处理器分配一个指定类型对象的实例，它是__alloc_percpu的一个封装，原始函数接收两个参数：一个是要分配的实际字节数，一个是分配时要按多少字节对齐；而封装后的alloc_percpu()是按照字节对齐–按照给定的类型的自然边界对齐；

free_percpu()将释放所有处理器上指定的每个cpu数据；

alloc_percpu()或者是__alloc_percpu()会返回一个指针，它用来间接引用动态创建的每个cpu数据，内核提供了两个宏利用指针来获取每个cpu数据：

 /*

  * Must be an lvalue. Since @var must be a simple identifier,

  * we force a syntax error here if it isn't.

  */

 #define get_cpu_var(var)                        \

 (*({                                    \

     preempt_disable();                        \

     this_cpu_ptr(&var);                        \

 }))

 /*

  * The weird & is necessary because sparse considers (void)(var) to be

  * a direct dereference of percpu variable (var).

  */

 #define put_cpu_var(var)                        \

 do {                                    \

     (void)&(var);                            \

     preempt_enable();                        \

 } while ()

get_cpu_var()返回一个指向当前处理器数据的特殊实例，它同时会禁止内核抢占；而在put_cpu_var()中会重新激活内核抢占；

每个cpu数据好处

1. 减少了数据锁定；每个处理器访问每个处理器的数据，可以不需要任何锁；

2. 大大减少了缓存失败；percpu接口缓存对齐所有数据，以便确保在访问一个处理器的数据时，不会将林我国一个处理器的数据带入同一个缓存线上；

注意：不能再访问每个cpu数据过程中睡眠，否则，醒来之后可能已经到达其他处理器上了；