per-CPU变量

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为什么需要per-CPU变量

假设系统中有4个cpu，同时有一个变量在各个CPU之间是共享的，每个cpu都有访问该变量的权限。
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当cpu1在改变变量v的值的时候，cpu2也需要改变变量v的值。这时候就会导致变量v的值不正确。这时候机智的你就会说，在cpu1访问变量v的时候可以使用原子操作加锁，cpu2访问变量v的时候需要等待。可是机智的是否考虑过加锁对性能的影响，原子操作对cpu是极耗cpu的。

再考虑一种情况，现在高速的cpu都带有高速缓冲cache。它介于cpu和主存之间，主要作用是加快cpu的访问速度。因为主存的访问速度相比cpu读写比较慢，在之间引入cache之后，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。
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比如cpu1对变量v操作子后，变量v的值就发生了变化。而cpu2, cpu3, cpu4的cache中的值还是以前的值，所以这时候就需要将cpu2, cpu3, cpu4的cache中的值变为无效的，当cpu2读取变量v的时候就需要从内存中读取v。所以当某一个cpu对共享数据v做操作后，比较对其余的cache做无效操作，这也是对性能有所损耗的。

所以，就引入了per-cpu变量。

什么是per-CPU变量

per-CPU变量是linux系统一个非常有趣的特性，它为系统中的每个处理器都分配了该变量的副本。这样做的好处是，在多处理器系统中，当处理器操作属于它的变量副本时，不需要考虑与其他处理器的竞争的问题，同时该副本还可以充分利用处理器本地的硬件缓冲cache来提供访问速度。
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per-CPU按照存储变量的空间来源分为静态per-CPU变量和动态per-CPU变量，前者的存储空间是在代码编译时静态分配的，而后者的存储空间则是在代码的执行期间动态分配的。

静态per-CPU变量声明和定义

声明DECLARE_PER_CPU宏：

<include/linux/percpu-defs.h>
----------------------------------------------------------------
#define DECLARE_PER_CPU(type, name)                 \
    DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")

#define DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)            \
    extern __PCPU_ATTRS(sec) __typeof__(type) name

#define __PCPU_ATTRS(sec)                       \
    __percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec))) \
    PER_CPU_ATTRIBUTES

<include/asm-generic/percpu.h>
-----------------------------------------------------
#ifndef PER_CPU_BASE_SECTION
#ifdef CONFIG_SMP
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
#else
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data"
#endif
#endif

对上的宏定义DECLARE_PER_CPU使用例子： DECLARE_PER_CPU(int, val)来详细说明。

DECLARE_PER_CPUT(int, val)
 -> DECLARE_PER_CPU_SECTION(int, val, "")
    -> extern __PCPU_ATTRS("") __typeof__(int) val
       -> extern __percpu __attribute__((section(".data..percpu"))) int val

从上面的分析可以看出，该宏在源代码中声明了__percpu int val变量，该变量放在一个名为”.data..percpu”的section中。

定义DEFINE_PER_CPU宏：

<include/linux/percpu-defs.h>
----------------------------------------------------------------
#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

#ifndef PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES
#define PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES
#endif

对以上DEFINE_PER_CPU依然使用DEFINE_PER_CPU(int, val)做举例说明：

DEFINE_PER_CPU(int, val)
-> DEFINE_PER_CPU_SECTION(int, val, "")
   ->__PCPU_ATTRS("") __typeof__(int) val
     -> __percpu __attribute__((section(".data..percpu"))) int val

可以看到，相比与DECLARE_PER_CPU，DEFINE_PER_CPU只是去掉了变量前面的extern, 所以使用DEFINE_PER_CPU(int,val)将会在源码中定义一个变量：

__percpu __attribute__((section(".data..percpu"))) int val

以下是per-CPU所有的形式的声明和定义：

声明和定义	解释
DECALRE_PER_CPU(type, name)/DEFINE_PER_CPU(type, name)	普通的per-CPU声明和定义
DECLARE_PER_CPU_FIRST(type, name)/DEFINE_PER_CPU_FIRST(type, name)	该per-CPU变量会在整个serction的最前面，所谓的first
DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(type, name)/DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(type, name)	该per-CPU在SMP系统下会对齐到cache line,在UP系统下不需要对齐
DECLARE_PER_CPU_ALIGNED(type, name)/DEFINE_PER_CPU_ALIGNED(type, name)	在SMP和UP系统都对齐到cache line
DECLARE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name)/DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name)	该per-CPU变量必须页对齐
DECLARE_PER_CPU_READ_MOSTLY(type, name)/DEFINE_PER_CPU_READ_MOSTLY(type, name)	该per-CPU变量必须是read mostly

静态per-CPU变量的链接脚本

在上一节per-CPU变量的声明和定义中，可以看到最后的变量都是存在一个”.data..percpu”段中。

. = ALIGN((1 << 12)); 
.data..percpu : AT(ADDR(.data..percpu) - 0) 
{
    __per_cpu_load = .;
    __per_cpu_start = .;
     *(.data..percpu..first) . = ALIGN((1 << 12));
     *(.data..percpu..page_aligned) . = ALIGN(64);     
     *(.data..percpu..read_mostly) . = ALIGN(64); 
     *(.data..percpu) 
     *(.data..percpu..shared_aligned) 
    __per_cpu_end = .; 
}

可见，内核在编译链接的时候会把所有静态定义的per-CPU变量统一放到”.data..percpu”section中。链接器生成__per_cpu_start和__per_cpu_end两个变量表示该section的起始和结束地址。

动态分配per-CPU变量

分配函数

#define alloc_percpu(type)                      \
    (typeof(type) __percpu *)__alloc_percpu(sizeof(type),       \
                        __alignof__(type))

根据类型type，分配per-CPU变量

释放函数

void free_percpu(void __percpu *ptr)

释放ptr所指向的per-CPU变量。

使用静态per-CPU变量

因为per-CPU不能像一般的变量那样访问，必须使用内核提供的函数：

#define get_cpu_var(var)                        \
(*({                                    \
    preempt_disable();                      \
    this_cpu_ptr(&var);                     \
}))

#define put_cpu_var(var)                        \
do {                                    \
    (void)&(var);                           \
    preempt_enable();                       \
} while (0)

因为在get_cpu_var函数中关掉了抢占，所以在put_cpu_var中需要开启抢占。显然get函数和put函数需要匹配使用。
机智的你可能会问，为什么还需要关闭抢占，因为对于per-CPU来说已经是单处理器了。但是机智的你没有想到的是，在cpu访问per-CPU的时候，突然系统发生了一次紧急抢占，这时候cpu还在处理per-CPU变量，一旦被抢占了cpu资源，可能当前进程会换出处理器。所以关闭抢走还是必要的。

如果需要访问其他处理器的副本，可以使用函数per_cpu(var, cpu)

#define per_cpu(var, cpu)   (*per_cpu_ptr(&(var), cpu))

使用动态per-CPU变量

#define get_cpu_ptr(var)                        \
({                                  \
    preempt_disable();                      \
    this_cpu_ptr(var);                      \
})

#define put_cpu_ptr(var)                        \
do {                                    \
    (void)(var);                            \
    preempt_enable();                       \
} while (0)

#define per_cpu_ptr(ptr, cpu)   ({ (void)(cpu); VERIFY_PERCPU_PTR(ptr); })