kvm随笔系列一： kvm中的同步控制

Linux 内核提供的管理同步的措施有：

原子操作(automic_t)

内存屏障

自旋锁

信号量

顺序锁

completion

RCU

下面分别看看每种的基本原理以及在KVM中是如何应用的：

(1) automic_t使用特殊cpu指令(x86采用lock)保证指令不会被其它cpu或环境切换打断。

例子(kvm\i8254.c）： pit_timer_fn ==> 

if (ps->reinject || !atomic_read(&ps->pending)) {
atomic_inc(&ps->pending);
queue_kthread_work(&pt->worker, &pt->expired);
}

kvm_pit_ack_irq ==> value = atomic_dec_return(&ps->pending);

(2) 内存屏障

在的CPU一般采用流水线来执行指令。一个指令的执行被分成：取指、译码、访存、执行、写回、等若干个阶段。然后，多条指令可以同时存在于流水线中，同时被执行。
指令流水线并行的，多个指令可以同时处于同一个阶段，只要CPU内部相应的处理部件未被占满即可。比如说CPU有一个加法器和一个除法器，那么一条加法指令和一条除法指令就可能同时处于“执行”阶段, 而两条加法指令在“执行”阶段就只能串行工作。
相比于串行+阻塞的方式，流水线像这样并行的工作，效率是非常高的。然而，这样一来，乱序可能就产生了。

  在多处理器下，除了每个处理器要独自面对上面讨论的问题之外，当处理器之间存在交互的时候，同样要面对乱序的问题。
一 个处理器（记为a）对内存的写操作并不是直接就在内存上生效的，而是要先经过自身的cache。另一个处理器（记为b）如果要读取相应内存上的新值，先得 等a的cache同步到内存，然后b的cache再从内存同步这个新值。而如果需要同步的值不止一个的话，就会存在顺序问题

 __loaded_vmcs_clear ==>
crash_disable_local_vmclear(cpu);
list_del(&loaded_vmcs->loaded_vmcss_on_cpu_link);

/*
* we should ensure updating loaded_vmcs->loaded_vmcss_on_cpu_link
* is before setting loaded_vmcs->vcpu to -1 which is done in
* loaded_vmcs_init. Otherwise, other cpu can see vcpu = -1 fist
* then adds the vmcs into percpu list before it is deleted.
*/
smp_wmb();

loaded_vmcs_init(loaded_vmcs);
crash_enable_local_vmclear(cpu);

vmx_vcpu_load==>

local_irq_disable();
crash_disable_local_vmclear(cpu);


/*
* Read loaded_vmcs->cpu should be before fetching
* loaded_vmcs->loaded_vmcss_on_cpu_link.
* See the comments in __loaded_vmcs_clear().
*/
smp_rmb();


list_add(&vmx->loaded_vmcs->loaded_vmcss_on_cpu_link,
&per_cpu(loaded_vmcss_on_cpu, cpu));
crash_enable_local_vmclear(cpu);
local_irq_enable();

(3)自旋锁

自旋锁使用原则：

任何拥有自旋锁的代码，都不能休眠，不能因为任何原因放弃CPU。除了服务中断！

自旋锁会禁止当前CPU上的抢占，即使在单处理器架构上。

拥有锁的时间越短越好！

在中断中使用自旋锁，那么这个自旋锁必须是通过禁止中断形式上锁的。

在软件中断中使用自旋锁，那么这个自旋锁必须是通过关闭软件中断形式上锁的

static void allocate_vpid(struct vcpu_vmx *vmx)
{
int vpid;


vmx->vpid = 0;
if (!enable_vpid)
return;
spin_lock(&vmx_vpid_lock);
vpid = find_first_zero_bit(vmx_vpid_bitmap, VMX_NR_VPIDS);
if (vpid < VMX_NR_VPIDS) {
vmx->vpid = vpid;
__set_bit(vpid, vmx_vpid_bitmap);
}
spin_unlock(&vmx_vpid_lock);
}

（4）信号量

内核信号量类似于自旋锁，因为当锁关闭着时，它不允许内核控制路径继续进行。然而，当内核控制路径试图获取内核信号量锁保护的忙资源时，相应的进程就被挂起。只有在资源被释放时，进程才再次变为可运行。只有可以睡眠的函数才能获取内核信号量；中断处理程序和可延迟函数都不能使用内核信号量

hva_to_pfn ==>

down_read(&current->mm->mmap_sem);

exit:

up_read(&current->mm->mmap_sem);

(5) 顺序锁

适用情况：

1. 当要保护的资源很小，很简单

2. 会被频繁读取访问并且很少发生写入访问

3. 访问会很快

这种情况下就可以使用 seqlock

使用限制：通常，seqlock不能保护包含指针的数据结构。

        kvm中未使用该锁。

使用示例： unsigned int seq;

do {

seq = read_seqbegin(&the_lock);

} while read_seqretry(&the_lock, seq);

(6) Completion

虽然信号量可以用于实现同步，但往往可能会出现一些不好的结果。例如：当进程A分配了一个临时信号量变量，把它初始化为关闭的MUTEX，并把其地址传递给进程B,然后在A之上调用down()，进程A打算一旦被唤醒就撤销给信号量。随后，运行在不同CPU上的进程B在同一个信号量上调用up()。然而，up()和down()的目前实现还允许这两个函数在同一个信号量上并发。因此，进程A可以被唤醒并撤销临时信号量，而进程B还在运行up()函数。结果up()可能试图访问一个不存在的数据结构。这样就会出现错误。为了防止发生这种错误就专门设计了completion机制专门用于同步。

 kvm中未使用该机制。

使用说明：

在A函数中，如果需要等待其他的处理，使用void wait_for_completion(struct completion * comp )； 则在这个位置上将处于非中断的sleep，进行等待，也就是相关的线程/进程，用户是无法kill的。 
•在B函数，如果已经处理完，可以交由A函数处理，有下面两种方式 
•void complete(struct completion * comp ); 如果要执行A必须等待B先执行，B执行后，A可以继续执行。如果A需要再次执行，则需要确保下一次B执行完。如果连续执行两次B，则可以执行两次A，第三次A要等第三次B执行完。 
•void complete_all(struct completion * comp ); 只要B执行完，A就可以执行，无论执行多少次。如果需要再等待B的直系个可以使用INIT_COMPLETION(struct completion * comp ) 。重新初始化completion即可。 
•void complete_and_exit(struct completion * comp ,long retval ) ; 这个处理具有complete的功能外，还将调用它的线程/进程终止。可用于一些无限循环的场景，例如受到某个cleaned up的信息后，e通知用户程序终止，允许A函数执行。

(7) RCU

 RCU（Read-Copy Update）是数据同步的一种方式，在当前的Linux内核中发挥着重要的作用。RCU主要针对的数据对象是链表，目的是提高遍历读取数据的效率，为了达到目的使用RCU机制读取数据的时候不对链表进行耗时的加锁操作。这样在同一时间可以有多个线程同时读取该链表，并且允许一个线程对链表进行修改（修改的时候，需要加锁）。RCU适用于需要频繁的读取数据，而相应修改数据并不多的情景。在kvm中大量使用了该方式。

例1：

kvm_irq_delivery_to_apic_fast ==>

rcu_read_lock();
map = rcu_dereference(kvm->arch.apic_map);

        .........//对map指针内容的读操作

       rcu_read_unlock();

recalculate_apic_map ==>

new = kzalloc(sizeof(struct kvm_apic_map), GFP_KERNEL);

.....对new指针内容复制

old = rcu_dereference_protected(kvm->arch.apic_map,
lockdep_is_held(&kvm->arch.apic_map_lock));
rcu_assign_pointer(kvm->arch.apic_map, new);

对apic map的读取较频繁，而更新较少。

例2：

读保护：

idx = srcu_read_lock(&kvm->srcu);

......

srcu_read_unlock(&kvm->srcu, idx);

写：

install_new_memslots==>

static struct kvm_memslots *install_new_memslots(struct kvm *kvm,
struct kvm_memslots *slots, struct kvm_memory_slot *new)
{
struct kvm_memslots *old_memslots = kvm->memslots;

update_memslots(slots, new, kvm->memslots->generation);
rcu_assign_pointer(kvm->memslots, slots);
synchronize_srcu_expedited(&kvm->srcu);

kvm_arch_memslots_updated(kvm);

return old_memslots;
}