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linux -- per-CPU变量

news 来源：原创 2025/5/10 19:45:50

per-CPU变量

per-CPU变量是一种存在与每个CPU本地的变量，对于每一种per-CPU变量，每个CPU在本地都有一份它的副本。

per-CPU变量的优点

多处理器系统(smp)中无需考虑与其他处理器的竞争问题(并非绝对的)
可以利用处理器本地的cache硬件，提高访问速度

per-CPU变量的分类

按照分配内存空间的类型来看，有两种：

静态per-CPU变量
动态per-CPU变量
静态的per-CPU变量在编译期就静态分配，动态per-CPU变量在程序运行时动态分配。

per-CPU变量的实现机制

静态per-CPU变量

相关宏

  90 #ifndef PER_CPU_BASE_SECTION
  91 #ifdef CONFIG_SMP
  92 #define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
  93 #else
  94 #define PER_CPU_BASE_SECTION ".data"
  95 #endif
  96 #endif

定义和声明

   4/*
   5 * Base implementations of per-CPU variable declarations and definitions, where
   6 * the section in which the variable is to be placed is provided by the
   7 * 'sec' argument.  This may be used to affect the parameters governing the
   8 * variable's storage.
   9 *
/* 
per-CPU变量声明和定义的基础实现，变量被放置的section由sec参数提供，这被用于影响管理参数变量的存储方式

注意！用于声明和定义的sections必须匹配，以免由于编译器生成错误的代码来访问该节而发生链接错误。
*/
  10 * NOTE!  The sections for the DECLARE and for the DEFINE must match, lest
  11 * linkage errors occur due the compiler generating the wrong code to access
  12 * that section.
  13 */
  14#define __PCPU_ATTRS(sec)                                               \
  15        __percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec)))     \
  16        PER_CPU_ATTRIBUTES
  17
  18#define __PCPU_DUMMY_ATTRS                                              \
  19        __attribute__((section(".discard"), unused))

  20#ifdef HAVE_MODEL_SMALL_ATTRIBUTE
  21# define PER_CPU_ATTRIBUTES     __attribute__((__model__ (__small__)))
  22#endif

  73 * Normal declaration and definition macros.
  74 */
  75#define DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)                        \
  76        extern __PCPU_ATTRS(sec) __typeof__(type) name
  77
  78#define DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)                         \
  79        __PCPU_ATTRS(sec) PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES                        \
  80        __typeof__(type) name
  81#endif

  83/*
  84 * Variant on the per-CPU variable declaration/definition theme used for
  85 * ordinary per-CPU variables.
  86 */
  87#define DECLARE_PER_CPU(type, name)                                     \
  88        DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")
  90#define DEFINE_PER_CPU(type, name)                                      \
  91        DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")

这么多宏，最后其实就是DEFINE_PER_CPU和DECLARE_PER_CPU最重要。
举个例子：

DECLARE_PER_CPU(int, python);
DEFINE_PER_CPU(int, python);

被展开为：

extern __percpu __attribute__((section("data..percou"))) int python;
__percpu __attribute__((section("data..percou"))) int python;

这里的定义实际把python变量放到.data…percpu段里。

看链接脚本：kernel/vmlinux.lds

定义了percpu区域的输出段，简单版本，需要对齐
所有percpu变量都会放到这个段里，__per_cpu_start和__per_cpu_end分别用于标识该区域的起始地址与终止地址。
在C代码中使用外部变量：extern char __per_cpu_load[], __per_cpu_start[], __per_cpu_end[];来引用他们。

 108        INIT_TEXT_SECTION(PAGE_SIZE)
 109        . = ALIGN(16);
 110        INIT_DATA_SECTION(16)
 111        PERCPU(4)

 676/**
 677 * PERCPU - define output section for percpu area, simple version
 678 * @align: required alignment
 679 *
 680 * Align to @align and outputs output section for percpu area.  This
 681 * macro doesn't maniuplate @vaddr or @phdr and __per_cpu_load and
 682 * __per_cpu_start will be identical.
 683 *
 684 * This macro is equivalent to ALIGN(align); PERCPU_VADDR( , ) except
 685 * that __per_cpu_load is defined as a relative symbol against
 686 * .data.percpu which is required for relocatable x86_32
 687 * configuration.
 688 */
 689#define PERCPU(align)                                                   \
 690        . = ALIGN(align);                                               \
 691        .data.percpu    : AT(ADDR(.data.percpu) - LOAD_OFFSET) {        \
 692                VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_load) = .;                     \
 693                VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_start) = .;                    \
 694                *(.data.percpu.first)                                   \
 695                *(.data.percpu.page_aligned)                            \
 696                *(.data.percpu)                                         \
 697                *(.data.percpu.shared_aligned)                          \
 698                VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_end) = .;                      \
 699        }

setup_per_cpu_areas函数

DEFINE_PER_CPU(int, python)只是将python变量放到了.data…percpu 的 section中，如何让系统中每个CPU都拥有一份该变量的副本？
linux内核委托setup_per_cpu_areas函数完成变量副本生成，并且对per-CPU变量的动态分配机制进行初始化。

静态per-CPU变量副本的产生

setup_per_cpu_areas函数做了这些事：

计算.data…percpu section的空间大小 static_size= __per_cpu_end - __per_cpu_start，此为所有用DEFINE_PER_CPU及其变体说定义出的静态per-CPU变量所占用空间的总大小。对于模块使用的per-CPU变量，以及动态分配的per-CPU变量，内核在初始化时后会为他们预留空间，也即下图的reserved和dynamic部分
调用alloc_bootmem_nopanic来分配一段内存，用于保存per-CPU变量的副本。（系统内存管理组件还没建立，使用的是引导期内存分配器）。这块内存要依赖于系统中CPU的数量，因为要给每个CPU创建变量的副本。每个CPU变量副本所在内存空间被称为一个unit，代码中nr_unit是SoC上CPU的数量，每个unit的大小记为unit_size。unit_size = PFN_ALIGN(static_size + reserved_size + dyn_size)。副本所在空间的大小就是nr_units* unit_size。pcpu_base_addr指向副本空间起始地址。
经过步骤2，已经为副本创建了容纳他们的内存空间。步骤3开始将.data…percpu section中变量数据赋值到pcpu_base_addr空间，这一步就是下图两条箭头所做的事。

在这里插入图片描述
setup_per_cpu_areas函数的实现：

3292void __init setup_per_cpu_areas(void)
3293{
3294        unsigned long delta;
3295        unsigned int cpu;
3296        int rc;
3297
3298        /*
3299         * Always reserve area for module percpu variables.  That's
3300         * what the legacy allocator did.
3301         */
3302        rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,
3303                                    PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE, NULL,
3304                                    pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);
3305        if (rc < 0)
3306                panic("Failed to initialize percpu areas.");
3307
3308        delta = (unsigned long)pcpu_base_addr - (unsigned long)__per_cpu_start;
3309        for_each_possible_cpu(cpu)
3310                __per_cpu_offset[cpu] = delta + pcpu_unit_offsets[cpu];
3311}

动态 per-CPU变量副本的产生

per-CPU变量使用案例

一个非常典型的案例：计数器
per-CPU变量非常适合做统计计数，内核专门有一个给予per-CPU变量设计的计数器(lib/percpu-counter.c)
比如在网络子系统中，要计算系统接受到的各类网络包的数量，这些包更新的频率是极快的，这就需要percpu的支持，系统中每个处理器都有这么一个对网络包数量进行计量的副本，变量更新时无需考虑多处理器竞争问题，想算出总数是只需将所有处理器的同一percpu副本相加即可。