CPU私有变量(per-CPU变量)

CPU私有变量(per-CPU变量)

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。

当创建一个per-cpu变量时，系统中的每一个处理器都会拥有该变量的独有副本。由于每个处理器都是在自己的副本上工作，所以对per-cpu变量的访问几乎不需要加锁。   

per-cpu变量只为来自不同处理器的并发访问提供保护，对来自异步函数（中断处理程序和可延迟函数）的访问，以及内核抢

并不提供保护，因此在这些情况下还需要另外的同步原语

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：

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

 访问per-CPU变量：
     ptr = get_cpu_var(my_percpu); //
     使用ptr
     put_cpu_var(my_percpu); //

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

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

实例二：

 动态分配per-CPU变量：
     void *alloc_percpu(type);
 使用动态生成的per-CPU变量：
     int cpu;
     cpu = get_cpu();
     ptr = per_cpu_ptr(my_percpu);
     //使用ptr
     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

 #define get_cpu_var(var) (*({ \
     extern int simple_identifier_##var(void); \
     preempt_disable(); \
     &__get_cpu_var(var); }))
 #define put_cpu_var(var) preempt_enable()

 #define get_cpu() ({ preempt_disable(); smp_processor_id(); })
 #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：

 11 #define DEFINE_PER_CPU(type, name) \
   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：

 27 #else /* ! SMP */
   28
   29 #define DEFINE_PER_CPU(type, name) \
   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。

 332 static void __init setup_per_cpu_areas(void)
      /* */
  333 {
  334 unsigned long size, i;
  335 char *ptr;
  336
  337 /* Copy section for each CPU (we discard the original) */
  338 size = ALIGN(__per_cpu_end - __per_cpu_start, SMP_CACHE_BYTES);
  339 #ifdef CONFIG_MODULES
  340 if (size < PERCPU_ENOUGH_ROOM)
  341 size = PERCPU_ENOUGH_ROOM;
  342 #endif
  343
  344 ptr = alloc_bootmem(size * NR_CPUS);
  345
  346 for (i = 0; i < NR_CPUS; i++, ptr += size) {
  347 __per_cpu_offset[i] = ptr - __per_cpu_start;
  348 memcpy(ptr, __per_cpu_start, __per_cpu_end - __per_cpu_start);
  349 }
  350 }
  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。

 

 15 #define per_cpu(var, cpu) (*RELOC_HIDE(&per_cpu__##var, __per_cpu_offset[cpu]))
   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。

多核中percpu的数据分配

linux2.6 为了方便创建和操作每个CPU数据，引进了新的操作接口，percpu（），该接口简化了创建了操作每个CPU的数据。

定义于 和 中

1. 定义和声明每个CPU变量：

DEFINE_PER_CPU(type, name);

这语句为系统的每个CPU都创建了一个类型为type，名字为name的变量。如果需要在别处声明此变量，以防编译时的警告，可使用下面的宏：

DECLARE_PER_CPU(type, name);

2. 操作每个CPU的变量和指针：
get_cpu_var(name);  //返回当前处理器上的指定变量name的值, 同时将他禁止抢占；

put_cpu_var(name); //与get_cpu_var(name)相对应，重新激活抢占；

/*
 * 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();				\
	&__get_cpu_var(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 (0)

通过指针来操作每个CPU的数据：

get_cpu_ptr(var); --- 返回一个void类型的指针，指向CPU ptr处的数据

put_cpu_ptr(var); --- 操作完成后，重新激活内核抢占。

#define get_cpu_ptr(var) ({				\
	preempt_disable();				\
	this_cpu_ptr(var); })

#define put_cpu_ptr(var) do {				\
	(void)(var);					\
	preempt_enable();				\
} while (0)

3. 获得别的处理器上的name变量的值

per_cpu(name, cpu) ;   //返回别的处理器cpu上变量name的值；

4. 给系统中每个处理器分配一个指定类型的对象： alloc_percpu();

#define alloc_percpu(type)	\
	(typeof(type) __percpu *)__alloc_percpu(sizeof(type), __alignof__(type))

/**
 * __alloc_percpu - allocate dynamic percpu area
 * @size: size of area to allocate in bytes
 * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
 *
 * Allocate zero-filled percpu area of @size bytes aligned at @align.
 * Might sleep.  Might trigger writeouts.
 *
 * CONTEXT:
 * Does GFP_KERNEL allocation.
 *
 * RETURNS:
 * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
 */
void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)
{
	return pcpu_alloc(size, align, false);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu);

参数为type, 就是指定的需要分配的类型，通过类型，可以得出__alloc_percpu（）的两个参数：

size =  sizeof(type);

align = __alignof__(type);

__alignof__()是gcc的一个功能，它会返回指定类型或lvalue所需的对齐字节数。

相应的释放所有处理器上指定的每个CPU数据：free_percpu();

/**
 * free_percpu - free percpu area
 * @ptr: pointer to area to free
 *
 * Free percpu area @ptr.
 *
 * CONTEXT:
 * Can be called from atomic context.
 */
void free_percpu(void __percpu *ptr)
{
	void *addr;
	struct pcpu_chunk *chunk;
	unsigned long flags;
	int off;

	if (!ptr)
		return;

	addr = __pcpu_ptr_to_addr(ptr);

	spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);

	chunk = pcpu_chunk_addr_search(addr);
	off = addr - chunk->base_addr;

	pcpu_free_area(chunk, off);

	/* if there are more than one fully free chunks, wake up grim reaper */
	if (chunk->free_size == pcpu_unit_size) {
		struct pcpu_chunk *pos;

		list_for_each_entry(pos, &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1], list)
			if (pos != chunk) {
				schedule_work(&pcpu_reclaim_work);
				break;
			}
	}

	spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(free_percpu);

5. get_cpu()/put_cpu() --- 获得处理器编号

get_cpu() 在返回当前处理器编号之前，先回关闭内核抢占。

put_cpu() 重新打开内核抢占。

函数定义如下：

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

使用案例如下：

int cpu;

cpu = get_cpu();   //禁止抢占内核，并将CPU设置为当前处理器。

//对每个处理器的数据进行操作，

put_cpu();   //使能内核抢占