linux内核的数据结构：3 每CPU变量

本文采用linux 3.04内核版本。

             多核情况下，CPU是同时并发运行的，但是多它们共同使用其他的硬件资源的，因此我们需要解决多个CPU之间的同步问题。每CPU变量（per-cpu-variable）是内核中一种重要的同步机制。顾名思义，每CPU变量就是为每个CPU构造一个变量的副本，这样多个CPU相互操作各自的副本，互不干涉。比如我们标识当前进程的变量current_task就被声明为每CPU变量。

每CPU变量的特点：

1. 用于多个CPU之间的同步，如果是单核结构，每CPU变量没有任何用处。
2. 每CPU变量不能用于多个CPU相互协作的场景。（每个CPU的副本都是独立的）
3. 每CPU变量不能解决由中断或延迟函数导致的同步问题
4. 访问每CPU变量的时候，一定要确保关闭进程抢占，否则一个进程被抢占后可能会更换CPU运行，这会导致每CPU变量的引用错误。

            我们可以用数组来实现每CPU变量吗？比如，我们要保护变量var，我们可以声明int var[NR_CPUS]，CPU num就访问var[num]不就可以了吗？

            显然，每CPU变量的实现不会这么简单。理由：我们知道为了加快内存访问，处理器中设计了硬件高速缓存（也就是CPU的cache），每个处理器都会有一个硬件高速缓存。如果每CPU变量用数组来实现，那么任何一个CPU修改了其中的内容，都会导致其他CPU的高速缓存中对应的块失效。而频繁的失效会导致性能急剧的下降。

            每CPU变量分为静态和动态两种，静态的每CPU变量使用DEFINE_PER_CPU声明，在编译的时候分配空间；而动态的使用alloc_percpu和free_percpu来分配回收存储空间。下面我们来看看Linux中的具体实现：

每CPU变量的函数和宏

            每CPU变量的定义在include\linux\Percpu-defs.h以及include\asm-generic\Percpu.h中。这些文件中定义了单核和多核情况下的每CPU变量的操作，这是为了代码的统一设计的，实际上只有在多核情况下(定义了CONFIG_SMP)每CPU变量才有意义。常见的操作和含义如下：

• DECLARE_PER_CPU(type, name)声明每CPU变量name，类型为type
• DEFINE_PER_CPU(type, name)定义每CPU变量name，类型为type
• alloc_percpu(type)动态为type类型的每CPU变量分配空间，并返回它的地址
• free_percpu(pointer)释放为动态分配的每CPU变量的空间，pointer是起始地址
• per_cpu(var, cpu)获取编号cpu的处理器上面的变量var的副本
• get_cpu_var(var)获取本处理器上面的变量var的副本，该函数关闭进程抢占，主要由__get_cpu_var来完成具体的访问
• get_cpu_ptr(var) 获取本处理器上面的变量var的副本的指针，该函数关闭进程抢占，主要由__get_cpu_var来完成具体的访问
• put_cpu_var(var) & put_cpu_ptr(var)表示每CPU变量的访问结束，恢复进程抢占
• __get_cpu_var(var) 获取本处理器上面的变量var的副本，该函数不关闭进程抢占

每CPU变量的实现原理

静态的每CPU变量

            通常情况下，静态声明的每CPU变量都会被编译在ELF文件中的以“.data.percpu”开头的段中（默认情况就是.data.percpu，也可以使用DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)来指定段的后缀）。具体的代码如下：

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

#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

#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"

__attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec)

            备注：每CPU变量的声明和普通变量的声明一样，主要的区别是使用了__attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec)))来指定该变量被放置的段中，普通变量默认会被放置data段或者bss段中。

            看到这里有一个问题：如果我们只是声明了一个变量，那么如果有多个副本的呢？奥妙在于内核加载的过程。

            一般情况下，ELF文件中的每一个段在内存中只会有一个副本，而.data.percpu段再加载后，又被复制了NR_CPUS次，一个每CPU变量的多个副本在内存中是不会相邻。示意图如下：

            具体的代码参加start_kernel中调用的setup_per_cpu_areas函数。代码如下：

void __init setup_per_cpu_areas(void){unsigned long delta;unsigned int cpu;int rc;/* * Always reserve area for module percpu variables.  That's * what the legacy allocator did. */rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,    PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE, NULL,    pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);if (rc < 0)panic("Failed to initialize percpu areas.");delta = (unsigned long)pcpu_base_addr - (unsigned long)__per_cpu_start;for_each_possible_cpu(cpu)__per_cpu_offset[cpu] = delta + pcpu_unit_offsets[cpu];}

            备注：分配内存以及复制.data.percup内容的工作由pcpu_embed_first_chunk来完成，这里就不展开了。__per_cpu_offset数组中记录了每个CPU的percpu区域的开始地址。我们访问每CPU变量就要依靠__per_cpu_offset中的地址。

动态每CPU变量

            了解了静态的每CPU变量的实现机制后，就很容易想到动态的每CPU变量的实现方法了。实际上，在setup_per_cpu_areas的时候，我们会为每个CPU都多申请一部分空间留作动态分配每CPU变量之用（一个场景就是内核模块中的每CPU变量）。相对于静态的每CPU变量，我们需要额外管理内存的分配和回收。

每CPU变量的访问

我们以per_cpu为例，来看一下每CPU变量的访问是如何实现的。代码如下：

#define per_cpu(var, cpu) \(*SHIFT_PERCPU_PTR(&(var), per_cpu_offset(cpu)))

其中per_cpu_offset是获取编号为cpu的处理器上的每CPU区域的地址，实际上就是数组__per_cpu_offset中对应的项。具体实现如下：

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

#define SHIFT_PERCPU_PTR(__p, __offset)({\__verify_pcpu_ptr((__p));\RELOC_HIDE((typeof(*(__p)) __kernel __force *)(__p), (__offset)); \})
#define __verify_pcpu_ptr(ptr)do {\const void __percpu *__vpp_verify = (typeof(ptr))NULL;\(void)__vpp_verify;\} while (0)
# define RELOC_HIDE(ptr, off)\  ({ unsigned long __ptr;\     __ptr = (unsigned long) (ptr);\    (typeof(ptr)) (__ptr + (off)); })

            备注：__verify_pcpu是为了验证var是否是一个每CPU变量（如果不是，会再编译的时候报错）。实际上的存取简化后相当于*(var的地址（即相对偏移）+__per_cpu_offset)。