Linux kernel percpu变量解析
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Linux 2.6 kernel 中的 percpu 变量是经常用到的东西，因为现在很多计算机都已经支持多处理器了，而且 kernel 默认都会被编译成 SMP 的，相对于原来多个处理器共享数据并进行处理的方式，用 percpu 变量在 SMP、NUMA 等架构下可以提高性能，而且很多情况下必须用 percpu 来对不同的处理器做出数据区分。
本文以 kernel 中的 softirq 为例简单说下 percpu 变量，我们先来看看 kernel 中唤醒 ksoftirqd 的实现，ksoftirqd 在 ps 命令看到的进程列表中很容易找到，是每个处理器都有一个（如果有 4 个处理器，则有 4 个 kernel 线程名称分别从 ksoftirqd/0 到 ksoftirqd/3），关于 softirq 本身的实现不在本文讨论范围内，唤醒 ksoftirqd 的实现在 kernel/softirq.c 文件中：
static DEFINE_PER_CPU(struct task_struct *, ksoftirqd);
void wakeup_softirqd(void)
{
/* Interrupts are disabled: no need to stop preemption */
struct task_struct *tsk = __get_cpu_var(ksoftirqd);
if (tsk && tsk->state != TASK_RUNNING)
wake_up_process(tsk);
}
这里就用到了 percpu 变量 ksoftirqd，它是通过 DEFINE_PER_CPU 宏来进程定义的 percpu task_struct 列表，通过 __get_cpu_var 宏来得到相应处理器的 ksoftirqd/n 的 task_struct，然后调用 wake_up_process 函数唤醒进程（也就是 ksoftirqd/n kernel 线程），关于 wake_up_process 等进程调度的相关实现在之前的日志中有介绍的，请参考 [这里]。
__get_cpu_var、DEFINE_PER_CPU 等 percpu 宏的实现在 include/linux/percpu.h、include/asm-generic/percpu.h 等头文件中。先看看 include/asm-generic/percpu.h 中的一些定义：
#ifdef CONFIG_SMP
/*
* per_cpu_offset() is the offset that has to be added to a
* percpu variable to get to the instance for a certain processor.
*
* Most arches use the __per_cpu_offset array for those offsets but
* some arches have their own ways of determining the offset (x86_64, s390).
*/
#ifndef __per_cpu_offset
extern unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS];
#define per_cpu_offset(x) (__per_cpu_offset[x])
#endif
/*
* Determine the offset for the currently active processor.
* An arch may define __my_cpu_offset to provide a more effective
* means of obtaining the offset to the per cpu variables of the
* current processor.
*/
#ifndef __my_cpu_offset
#define __my_cpu_offset per_cpu_offset(raw_smp_processor_id())
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_PREEMPT
#define my_cpu_offset per_cpu_offset(smp_processor_id())
#else
#define my_cpu_offset __my_cpu_offset
#endif
/*
* Add a offset to a pointer but keep the pointer as is.
*
* Only S390 provides its own means of moving the pointer.
*/
#ifndef SHIFT_PERCPU_PTR
/* Weird cast keeps both GCC and sparse happy. */
#define SHIFT_PERCPU_PTR(__p, __offset) ({ \
__verify_pcpu_ptr((__p)); \
RELOC_HIDE((typeof(*(__p)) __kernel __force *)(__p), (__offset)); \
})
#endif
/*
* A percpu variable may point to a discarded regions. The following are
* established ways to produce a usable pointer from the percpu variable
* offset.
*/
#define per_cpu(var, cpu) \
(*SHIFT_PERCPU_PTR(&(var), per_cpu_offset(cpu)))
#define __get_cpu_var(var) \
(*SHIFT_PERCPU_PTR(&(var), my_cpu_offset))
#define __raw_get_cpu_var(var) \
(*SHIFT_PERCPU_PTR(&(var), __my_cpu_offset))
#define this_cpu_ptr(ptr) SHIFT_PERCPU_PTR(ptr, my_cpu_offset)
#define __this_cpu_ptr(ptr) SHIFT_PERCPU_PTR(ptr, __my_cpu_offset)
#ifdef CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA
extern void setup_per_cpu_areas(void);
#endif
#else /* ! SMP */
#define per_cpu(var, cpu) (*((void)(cpu), &(var)))
#define __get_cpu_var(var) (var)
#define __raw_get_cpu_var(var) (var)
#define this_cpu_ptr(ptr) per_cpu_ptr(ptr, 0)
#define __this_cpu_ptr(ptr) this_cpu_ptr(ptr)
#endif /* SMP */
#ifndef PER_CPU_BASE_SECTION
#ifdef CONFIG_SMP
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data.percpu"
#else
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data"
#endif
#endif
#ifdef CONFIG_SMP
#ifdef MODULE
#define PER_CPU_SHARED_ALIGNED_SECTION ""
#define PER_CPU_ALIGNED_SECTION ""
#else
#define PER_CPU_SHARED_ALIGNED_SECTION ".shared_aligned"
#define PER_CPU_ALIGNED_SECTION ".shared_aligned"
#endif
#define PER_CPU_FIRST_SECTION ".first"
#else
#define PER_CPU_SHARED_ALIGNED_SECTION ""
#define PER_CPU_ALIGNED_SECTION ".shared_aligned"
#define PER_CPU_FIRST_SECTION ""
#endif
通常所有的 percpu 变量是一起存放在特定的 section 里的，像上面头文件中的 .data.percpu 基础 section（ 当然非 SMP 系统下就是 .data 了）、.shared_aligned、.first section。使用 objdump 可以看到编译 kernel 时的 vmlinux 文件的 section（结果没有完全显示）：
objdump -h vmlinux
vmlinux: file format elf64-x86-64
0 .text 0037a127 ffffffff81000000 0000000001000000 00200000 2**12
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
3 .rodata 0013c8ec ffffffff8137f000 000000000137f000 0057f000 2**6
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
11 .data 0004d920 ffffffff814ec000 00000000014ec000 006ec000 2**12
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
19 .data.percpu 00012880 0000000000000000 000000000153b000 00a00000 2**12
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
可以看到 vmlinux 文件中的 .data 和 .data.percpu section。
percpu 变量的地址实际上就是其在上面说到的 section 里的偏移量，这个偏移量还要加上特定处理器的偏移量（也就是上面头文件中的 per_cpu_offset、my_cpu_offset 等）得到最终的变量地址，并最终以指针引用的方式得到值，这样访问的效果就有点类似于访问全局变量了。percpu 变量通常用于更新非常频繁而访问机会又相对比较少的场合，这样的处理方式可以避免多处理器环境下的频繁加锁等操作。
从上面的注释也可以看到 per_cpu_offset 是在一个 percpu 变量上增加的偏移量，大多数系统架构下使用 __per_cpu_offset 数组来作为偏移量，而 x86_64 等架构下处理方式则不同。my_cpu_offset 是在调用 per_cpu_offset 时使用 smp_processor_id() 得到当前处理器 ID 作为参数，__my_cpu_offset 则是用 raw_smp_processor_id() 的值作为 per_cpu_offset 的参数（smp_processor_id() 在抢占被关闭时是安全的）。SHIFT_PERCPU_PTR 宏用于给指针增加偏移量，它使用的 RELOC_HIDE 宏在不同的编译器下实现不同，在 include/linux/compiler.h 头文件中，看看 gcc 编译下的处理：
#define RELOC_HIDE(ptr, off) \
({ unsigned long __ptr; \
__asm__ ("" : "=r"(__ptr) : "0"(ptr)); \
(typeof(ptr)) (__ptr + (off)); })
可以看到 gcc 中使用内嵌汇编先将 ptr 值赋给 __ptr（unsigned long 类型），然后在 __ptr 基础上增加偏移量，这样可以避免编译报错，ptr 值不变而且最终以 ptr 指定的类型来返回。
include/asm-generic/percpu.h 头文件中定义了 per_cpu、__get_cpu_var、__raw_get_cpu_var、this_cpu_ptr、__this_cpu_ptr 等几个常用的宏。per_cpu 就用于得到某个指定处理器的变量，__get_cpu_var 用于得到当前处理器的 percpu 变量值。
再来看看 DEFINE_PER_CPU 的实现，它在 include/linux/percpu-defs.h 头文件中：
#define __PCPU_ATTRS(sec) \ __percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec))) \ PER_CPU_ATTRIBUTES #define DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec) \ __PCPU_ATTRS(sec) PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES \ __typeof__(type) name #define DEFINE_PER_CPU(type, name) \ DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")
使用 DEFINE_PER_CPU 宏可以静态的定义 percpu 变量。__PCPU_ATTRS 指定输入的 section 类型，DEFINE_PER_CPU_SECTION 用于在特定的 section 上定义特定类型的变量。__typeof__ 和 上面见到的 typeof 是一样的，都用于获取 type 的数据类型。__attribute__((section(xxx))) 表示把定义的变量存储在指定的 section 上。DEFINE_PER_CPU 就用于定义在 PER_CPU_BASE_SECTION section 上（从最开始的代码中也可以看出非 SMP 时用 .data 段，SMP 时用 .data.percpu 段）。
然后是 get_cpu_var 宏的实现，它在 include/linux/percpu.h 头文件中：
/*
* 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)
#define alloc_percpu(type) \
(typeof(type) __percpu *)__alloc_percpu(sizeof(type), __alignof__(type))
get_cpu_var 会先禁止抢占然后调用 __get_cpu_var 得到 percpu 变量值。put_cpu_var 则重新启用抢占。
另外在 include/linux/percpu.h 等文件中还定义了 alloc_percpu 和 free_percpu 宏来动态定义和释放 percpu 变量，他们都是通过 percpu memory allocator 来实现的，在 mm/percpu.c 中，动态分配的 percpu 变量可以通过 per_cpu_ptr 宏来得到，为此 kernel 还引入了 this_cpu_ptr、this_cpu_read 等一系列相关机制用寄存器替代内存提高对 percpu 变量的访问速度，关于 percpu memory allocator 等信息以后再来详细分析了。
以上为个人分析结果，有任何问题欢迎指正咯 ^_^