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Original

this_cpu operations

翻译

周彬彬 Binbin Zhou <zhoubinbin@loongson.cn>

校译

吴想成 Wu Xiangcheng <bobwxc@email.cn>

this_cpu操作

作者

Christoph Lameter, 2014年8月4日

作者

Pranith Kumar, 2014年8月2日

this_cpu操作是一种优化访问与当前执行处理器相关的每CPU变量的方法。这是通过使用段寄 存器（或专用寄存器，cpu在其中永久存储特定处理器的每CPU区域的起始）来完成的。

this_cpu操作将每CPU变量的偏移量添加到处理器特定的每CPU基址上，并将该操作编码到对 每CPU变量进行操作的指令中。

这意味着在偏移量的计算和对数据的操作之间不存在原子性问题。因此，没有必要禁用抢占 或中断来确保处理器在计算地址和数据操作之间不被改变。

读取-修改-写入操作特别值得关注。通常处理器具有特殊的低延迟指令，可以在没有典型同 步开销的情况下运行，但仍提供某种宽松的原子性保证。例如，x86可以执行RMW（读取， 修改，写入）指令，如同inc/dec/cmpxchg，而无需锁前缀和相关的延迟损失。

对没有锁前缀的变量的访问是不同步的，也不需要同步，因为我们处理的是当前执行的处理 器所特有的每CPU数据。只有当前的处理器可以访问该变量，因此系统中的其他处理器不存在 并发性问题。

请注意，远程处理器对每CPU区域的访问是特殊情况，可能会影响通过 this_cpu_* 的本 地RMW操作的性能和正确性（远程写操作）。

this_cpu操作的主要用途是优化计数器操作。

定义了以下具有隐含抢占保护的this_cpu()操作。可以使用这些操作而不用担心抢占和中断:

this_cpu_read(pcp)
this_cpu_write(pcp, val)
this_cpu_add(pcp, val)
this_cpu_and(pcp, val)
this_cpu_or(pcp, val)
this_cpu_add_return(pcp, val)
this_cpu_xchg(pcp, nval)
this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
this_cpu_sub(pcp, val)
this_cpu_inc(pcp)
this_cpu_dec(pcp)
this_cpu_sub_return(pcp, val)
this_cpu_inc_return(pcp)
this_cpu_dec_return(pcp)

this_cpu操作的内部工作

在x86上，fs:或gs:段寄存器包含每CPU区域的基址。这样就可以简单地使用段覆盖，将每CPU 相对地址重定位到处理器适当的每CPU区域。所以对每CPU基址的重定位是通过段寄存器前缀 在指令中编码完成的。

例如:

DEFINE_PER_CPU(int, x);
int z;

z = this_cpu_read(x);

产生的单指令为:

mov ax, gs:[x]

而不是像每CPU操作那样，先是一系列的地址计算，然后从该地址获取。在this_cpu_ops之前， 这样的序列还需要先禁用/启用抢占功能，以防止内核在计算过程中将线程移动到不同的处理 器上。

请思考下面this_cpu操作:

this_cpu_inc(x)

这将产生如下单指令（无锁前缀！）:

inc gs:[x]

而不是在没有段寄存器的情况下所需要的以下操作:

int *y;
int cpu;

cpu = get_cpu();
y = per_cpu_ptr(&x, cpu);
(*y)++;
put_cpu();

请注意，这些操作只能用于为特定处理器保留的每CPU数据。如果不在上下文代码中禁用抢占， this_cpu_inc() 将仅保证每CPU的某一个计数器被正确地递增，但不能保证操作系统不 会在this_cpu指令执行的前后直接移动该进程。一般来说，这意味着每个处理器的单个计数 器的值是没有意义的。所有每CPU计数器的总和才是唯一有意义的值。

每CPU变量的使用是出于性能的考虑。如果多个处理器同时处理相同的代码路径，可以避免缓 存行跳转。每个处理器都有自己的每CPU变量，因此不会发生并发缓存行更新。为这种优化必 须付出的代价是，当需要计数器的值时要将每CPU计数器相加。

特殊的操作

y = this_cpu_ptr(&x)

使用每CPU变量的偏移量(&x!)，并返回属于当前执行处理器的每CPU变量的地址。 this_cpu_ptr 避免了通用 get_cpu/put_cpu 序列所需的多个步骤。没有可用 的处理器编号。相反，本地每CPU区域的偏移量只是简单地添加到每CPU偏移量上。

请注意，这个操作通常是在抢占被禁用后再在代码段中使用。然后该指针用来访问临界区中 的本地每CPU数据。当重新启用抢占时，此指针通常不再有用，因为它可能不再指向当前处理 器的每CPU数据。

每CPU变量和偏移量

每CPU变量相对于每CPU区域的起始点是有偏移的。它们没有地址，尽管代码里看起来像有一 样。不能直接对偏移量解引用，必须用处理器每CPU区域基指针加上偏移量，以构成有效地址。

因此，在每CPU操作的上下文之外使用x或&x是无效的，这种行为通常会被当作一个空指针的 解引用来处理。

DEFINE_PER_CPU(int, x);

在每CPU操作的上下文中，上面表达式说明x是一个每CPU变量。大多数this_cpu操作都需要一 个cpu变量。

int __percpu *p = &x;

&x和p是每CPU变量的偏移量。 this_cpu_ptr() 使用每CPU变量的偏移量，这让它看起来 有点奇怪。

每CPU结构体字段的操作

假设我们有一个每CPU结构:

struct s {
        int n,m;
};

DEFINE_PER_CPU(struct s, p);

这些字段的操作非常简单:

this_cpu_inc(p.m)

z = this_cpu_cmpxchg(p.m, 0, 1);

如果我们有一个相对于结构体s的偏移量:

struct s __percpu *ps = &p;

this_cpu_dec(ps->m);

z = this_cpu_inc_return(ps->n);

如果我们后面不使用 this_cpu ops 来操作字段，则指针的计算可能需要使用 this_cpu_ptr():

struct s *pp;

pp = this_cpu_ptr(&p);

pp->m--;

z = pp->n++;

this_cpu ops的变体

this_cpu的操作是中断安全的。一些架构不支持这些每CPU的本地操作。在这种情况下，该操 作必须被禁用中断的代码所取代，然后做那些保证是原子的操作，再重新启用中断。当然这 样做是很昂贵的。如果有其他原因导致调度器不能改变我们正在执行的处理器，那么就没有 理由禁用中断了。为此，我们提供了以下__this_cpu操作。

这些操作不能保证并发中断或抢占。如果在中断上下文中不使用每CPU变量并且调度程序无法 抢占，那么它们是安全的。如果在操作进行时仍有中断发生，并且中断也修改了变量，则无 法保证RMW操作是安全的:

__this_cpu_read(pcp)
__this_cpu_write(pcp, val)
__this_cpu_add(pcp, val)
__this_cpu_and(pcp, val)
__this_cpu_or(pcp, val)
__this_cpu_add_return(pcp, val)
__this_cpu_xchg(pcp, nval)
__this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
__this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
__this_cpu_sub(pcp, val)
__this_cpu_inc(pcp)
__this_cpu_dec(pcp)
__this_cpu_sub_return(pcp, val)
__this_cpu_inc_return(pcp)
__this_cpu_dec_return(pcp)

将增加x，并且不会回退到在无法通过地址重定位和同一指令中的读取-修改-写入操作实现原 子性的平台上禁用中断的代码。

&this_cpu_ptr(pp)->n 对比 this_cpu_ptr(&pp->n)

第一个操作使用偏移量并形成一个地址，然后再加上n字段的偏移量。这可能会导致编译器产 生两条加法指令。

第二个操作先加上两个偏移量，然后进行重定位。恕我直言，第二种形式看起来更干净，而 且更容易与 () 结合。第二种形式也与 this_cpu_read() 和大家的使用方式一致。

远程访问每CPU数据

每CPU数据结构被设计为由一个CPU独占使用。如果您按预期使用变量，则 this_cpu_ops() 保证是 原子的 ，因为没有其他CPU可以访问这些数据结构。

在某些特殊情况下，您可能需要远程访问每CPU数据结构。通常情况下，进行远程读访问是安 全的，这经常是为了统计计数器值。远程写访问可能会出现问题，因为this_cpu操作没有锁 语义。远程写可能会干扰this_cpu RMW操作。

除非绝对必要，否则强烈建议不要对每CPU数据结构进行远程写访问。请考虑使用IPI来唤醒 远程CPU，并对其每CPU区域进行更新。

要远程访问每CPU数据结构，通常使用 per_cpu_ptr() 函数:

DEFINE_PER_CPU(struct data, datap);

struct data *p = per_cpu_ptr(&datap, cpu);

这清楚地表明，我们正准备远程访问每CPU区域。

您还可以执行以下操作以将datap偏移量转换为地址:

struct data *p = this_cpu_ptr(&datap);

但是，将通过this_cpu_ptr计算的指针传递给其他cpu是不寻常的，应该避免。

远程访问通常只用于读取另一个cpu的每CPU数据状态。由于this_cpu操作宽松的同步要求， 写访问可能会导致奇特的问题。

下面的情况说明了写入操作的一些问题，由于两个每CPU变量共享一个缓存行，但宽松的同步 仅应用于更新缓存行的一个进程。

考虑以下示例:

struct test {
        atomic_t a;
        int b;
};

DEFINE_PER_CPU(struct test, onecacheline);

如果一个处理器远程更新字段 a ，而本地处理器将使用this_cpu ops来更新字段 b ， 会发生什么情况，这一点值得注意。应避免在同一缓存行内同时访问数据。此外，可能还需 要进行代价高昂的同步。在这种情况下，通常建议使用IPI，而不是远程写入另一个处理器的 每CPU区域。

即使在远程写很少的情况下，请记住远程写将从最有可能访问它的处理器中逐出缓存行。如 果处理器唤醒时发现每CPU区域缺少本地缓存行，其性能和唤醒时间将受到影响。