linux 锁-- atomic & per_cpu

原创已于 2022-09-19 18:58:16 修改 · 574 阅读

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于 2022-09-17 13:23:09 首次发布

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本文详细介绍了Linux内核中的Atomic操作原理及其在ARM32与ARM64架构下的实现方式，并探讨了Per-CPU变量的设计理念及应用场景。

atomic引入背景

对于 SMP 系统中，在开启 preempt 情况下，对于公共资源，如果存在两个 task 来进行更改，这就面临临界区资源竞争问题，此时会产生意想不到的结果，这是不符合预期的，因此需要来进行解决。

典型问题描述

对于变量的操作： a =0; a++; 汇编是如下实现：

ldr   r3, [r3, #0] 
adds  r2, r3, #1
str   r2, [r3, #0]

也就是说，一个 a++ 实际上需要三条指令来完成，分别对应上图的 R,M,W。

这样如果 task1 在W之后，紧接着task2 也来W，此时会产生不符合 task1 预想的结果，会产生问题。因此 arm 提出 atomic 来解决这种问题。

atomic 实现

arm32 实现

/* arch/arm/include/asm/atomic.h */
#undef ATOMIC_OPS
#define ATOMIC_OPS(op, c_op, asm_op)                    \
    ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op)                 \
    ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op)

#define ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op)                 \                                                                                
static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v)          \
{                                   \
    unsigned long tmp;                      \
    int result;                         \
                                    \
    prefetchw(&v->counter);                     \
    __asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "\n"           \
"1: ldrex   %0, [%3]\n"                     \     ①
"   " #asm_op " %0, %0, %4\n"                   \ ②
"   strex   %1, %0, [%3]\n"                     \ ③
"   teq %1, #0\n"                       \         ④
"   bne 1b"                         \             ⑤
    : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)       \
    : "r" (&v->counter), "Ir" (i)                   \
    : "cc");                            \
}                                   \

ATOMIC_OPS(add, +=, add)

这里选取了 atomic_add 来分析，上面的 #asm_op 就是 add 了，此时代码可以解析为：

Prefetch data
①将v->counter所在地址的数据加载到 result
② result += i, 结果存放在 result 中
③将result 保存到 v->counter 所在地址，同时结果保存在 tmp
④检查 tmp 和 0 比较，如果不等于0需要重新处理一遍⑤

那么为什么仅仅使用了 ldrex 和 strex 就实现了 atomic 功能呢？

实际上 ldrex 和 strex 在使用过程中使用了 monitor 的功能，这里选取蜗窝科技的介绍方式介绍：

arm64实现

/* arch/arm64/include/asm/atomic_lse.h */
#define ATOMIC64_OP(op, asm_op)                     \                                                                                
static inline void __lse_atomic64_##op(s64 i, atomic64_t *v)        \
{                                   \   
    asm volatile(                           \   
    __LSE_PREAMBLE                          \   
"   " #asm_op " %[i], %[v]\n"                   \   
    : [i] "+r" (i), [v] "+Q" (v->counter)               \   
    : "r" (v));                         \   
}

ATOMIC64_OP(andnot, stclr)
ATOMIC64_OP(or, stset)
ATOMIC64_OP(xor, steor)
ATOMIC64_OP(add, stadd)  // 定义了 __lse_atomic64_add 函数， asm_op 是 stadd

/* arch/arm64/include/asm/lse.h */
#define __lse_ll_sc_body(op, ...)                   \                                                                                
({                                  \   
    system_uses_lse_atomics() ?                 \   
        __lse_##op(__VA_ARGS__) :               \   
        __ll_sc_##op(__VA_ARGS__);              \   
})

/* arch/arm64/include/asm/atomic.h */

#define ATOMIC64_OP(op)                         \
static __always_inline void arch_##op(long i, atomic64_t *v)        \
{                                   \
    __lse_ll_sc_body(op, i, v);                 \
}                                                                                                                                    

ATOMIC64_OP(atomic64_andnot)
ATOMIC64_OP(atomic64_or)
ATOMIC64_OP(atomic64_xor)
ATOMIC64_OP(atomic64_add) //这里传入的 op 是 atomic64_add, 定义了 arch_atomic64_add
ATOMIC64_OP(atomic64_and)
ATOMIC64_OP(atomic64_sub)

对于 arch_atomic64_add ,其又调用了 __lse_ll_sc_body（atomic64_add, i, v）;

这样 atomic64_add 就有了定义：

/* lib/atomic64.c */
#define ATOMIC64_OPS(op, c_op)                      \
    ATOMIC64_OP(op, c_op)                       \
    ATOMIC64_OP_RETURN(op, c_op)                    \
    ATOMIC64_FETCH_OP(op, c_op)

ATOMIC64_OPS(add, +=)                                                                                                                
ATOMIC64_OPS(sub, -=)

这里才真正使用宏来声明了 atomic64_add 函数，它通过 stladd 将 i 加到 atomic64_add 的变量中的 counter 上面去。stladd 是 armv8.1 提供了原子操作变量，相对于 ldrex, strex 在性能又进一步提升。

atomic典型使用

atomic_t val;

atomic_set(&val, 10);

int read_val = atomic_read(&val);

per_cpu 引入背景

对于 outer-shareable 的内存而言，由于cache MESI 机制(假设是outer shareable 的)，会发生如下变化：

假设原始的 CPU cache情况如下：

图中黄色的小球是 Cache 是否命中，且和 RAM 中内容一致

2.更改 CacheB 中内容

此时CacheB 内容被修改，内容发生变化。

3.Invalidate 其它cpu cache

因为MESI 机制，因为B更改了，此时会自动 invalidate outer shareable 的 cache 内容。

这样会带来性能上的损耗，因为被invalidate 的内容，之后如果用到，还要重新加载。

假入内容有这样的一块内存，属于CPU自己独有，它的加载以及Cache 操作不会影响到别的CPU，这样就解决了上述面临的问题。因此linux中提出 per_cpu 变量来操作。

per_cpu 变量定义

#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) __typeof__(type) name
#endif

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

定义一个位于 PER_CPU_BASE_SECTION 的一个变量，这是一个静态声明，指定了其位于的地址空间。其section 定义如下：

#ifndef PER_CPU_BASE_SECTION
#ifdef CONFIG_SMP
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
#else
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data"                                                                                
#endif

#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 DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(type, name)           \
    DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, PER_CPU_SHARED_ALIGNED_SECTION) \
    ____cacheline_aligned_in_smp
    
#define DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name)             \ 
    DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, "..page_aligned")    \
    __aligned(PAGE_SIZE)

分别也是定义了位于 section name 为 "..page_aligned" 和 "..shared_aligned" 的变量。

那么为什么需要特殊的 Section呢？

对于kernel中的普通变量，经过了编译和链接后，会被放置到.data或者.bss段，系统在初始化的时候会准备好一切（例如clear bss），由于per cpu变量的特殊性，内核将这些变量放置到了其他的section，位于kernel address space中__per_cpu_start和__per_cpu_end之间，我们称之Per-CPU变量的原始变量。（参考蜗窝科技）.

典型应用

DEFINE_PER_CPU(int, state);
int cpu = 0;
per_cpu(state, cpu) = 1;
int got_state = per_cpu(state, cpu);