8.4. 每-CPU 的變量

8.4.?每-CPU 的變量

每-CPU 變量是一個(gè)有趣的 2.6 內(nèi)核的特性. 當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)每-CPU變量, 系統(tǒng)中每個(gè)處理器獲得它自己的這個(gè)變量拷貝. 這個(gè)可能象一個(gè)想做的奇怪的事情, 但是它有自己的優(yōu)點(diǎn). 存取每-CPU變量不需要(幾乎)加鎖, 因?yàn)槊總€(gè)處理器使用它自己的拷貝. 每-CPU 變量也可存在于它們各自的處理器緩存中, 這樣對(duì)于頻繁更新的量子帶來(lái)了顯著的更好性能.

一個(gè)每-CPU變量的好的使用例子可在網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中找到. 內(nèi)核維護(hù)無(wú)結(jié)尾的計(jì)數(shù)器來(lái)跟蹤有每種報(bào)文類型有多少被接收; 這些計(jì)數(shù)器可能每秒幾千次地被更新. 不去處理緩存和加鎖問(wèn)題, 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者將統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器放進(jìn)每-CPU變量. 現(xiàn)在更新是無(wú)鎖并且快的. 在很少的機(jī)會(huì)用戶空間請(qǐng)求看到計(jì)數(shù)器的值, 相加每個(gè)處理器的版本并且返回總數(shù)是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情.

每-CPU變量的聲明可在 <linux/percpu.h> 中找到. 為在編譯時(shí)間創(chuàng)建一個(gè)每-CPU變量, 使用這個(gè)宏定義:

DEFINE_PER_CPU(type, name);

如果這個(gè)變量(稱為 name 的)是一個(gè)數(shù)組, 包含這個(gè)類型的維數(shù)信息. 因此, 一個(gè)有 3 個(gè)整數(shù)的每-CPU 數(shù)組應(yīng)當(dāng)被創(chuàng)建使用:

DEFINE_PER_CPU(int[3], my_percpu_array); 

每-CPU變量幾乎不必使用明確的加鎖來(lái)操作. 記住 2.6 內(nèi)核是可搶占的; 對(duì)于一個(gè)處理器, 在修改一個(gè)每-CPU變量的臨界區(qū)中不應(yīng)當(dāng)被搶占. 并且如果你的進(jìn)程在對(duì)一個(gè)每-CPU變量存取時(shí)將, 要被移動(dòng)到另一個(gè)處理器上, 也不好. 因?yàn)檫@個(gè)原因, 你必須顯式使用 get_cpu_var 宏來(lái)存取當(dāng)前處理器的給定變量拷貝, 并且當(dāng)你完成時(shí)調(diào)用 put_cpu_var. 對(duì) get_cpu_var 的調(diào)用返回一個(gè) lvalue 給當(dāng)前處理器的變量版本并且禁止搶占. 因?yàn)橐粋€(gè) lvalue 被返回, 它可被賦值給或者直接操作. 例如, 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)代碼中的計(jì)數(shù)器時(shí)使用這 2 個(gè)語(yǔ)句來(lái)遞增的:

get_cpu_var(sockets_in_use)++;
put_cpu_var(sockets_in_use);

你可以存取另一個(gè)處理器的變量拷貝, 使用:

per_cpu(variable, int cpu_id); 

如果你編寫使處理器涉及到對(duì)方的每-CPU變量的代碼, 你, 當(dāng)然, 一定要實(shí)現(xiàn)一個(gè)加鎖機(jī)制來(lái)使存取安全.

動(dòng)態(tài)分配每-CPU變量也是可能的. 這些變量可被分配, 使用:

void *alloc_percpu(type);
void *__alloc_percpu(size_t size, size_t align);

在大部分情況, alloc_percpu 做的不錯(cuò); 你可以調(diào)用 __alloc_percpu 在需要一個(gè)特別的對(duì)齊的情況下. 在任一情況下, 一個(gè) 每-CPU 變量可以使用 free_percpu 被返回給系統(tǒng). 存取一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的每-CPU變量通過(guò) per_cpu_ptr 來(lái)完成:

per_cpu_ptr(void *per_cpu_var, int cpu_id);

這個(gè)宏返回一個(gè)指針指向 per_cpu_var 對(duì)應(yīng)于給定 cpu_id 的版本. 如果你在簡(jiǎn)單地讀另一個(gè) CPU 的這個(gè)變量的版本, 你可以解引用這個(gè)指針并且用它來(lái)完成. 如果, 但是, 你在操作當(dāng)前處理器的版本, 你可能需要首先保證你不能被移出那個(gè)處理器. 如果你存取這個(gè)每-CPU變量的全部都持有一個(gè)自旋鎖, 萬(wàn)事大吉. 常常, 但是, 你需要使用 get_cpu 來(lái)阻止在使用變量時(shí)的搶占. 因此, 使用動(dòng)態(tài)每-CPU變量的代碼會(huì)看來(lái)如此:

int cpu; 
cpu = get_cpu()
ptr = per_cpu_ptr(per_cpu_var, cpu);
/* work with ptr */
put_cpu();

當(dāng)使用編譯時(shí)每-CPU 變量時(shí), get_cpu_var 和 put_cpu_var 宏來(lái)照看這些細(xì)節(jié). 動(dòng)態(tài)每-CPU變量需要更多的顯式的保護(hù).

每-CPU變量能夠輸出給每個(gè)模塊, 但是你必須使用一個(gè)特殊的宏版本:

EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(per_cpu_var);
EXPORT_PER_CPU_SYMBOL_GPL(per_cpu_var);

為在一個(gè)模塊內(nèi)存取這樣一個(gè)變量, 聲明它, 使用:

DECLARE_PER_CPU(type, name); 

DECLARE_PER_CPU 的使用(不是 DEFINE_PER_CPU)告知編譯器進(jìn)行一個(gè)外部引用.

如果你想使用每-CPU變量來(lái)創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的整數(shù)計(jì)數(shù)器, 看一下在 <linux/percpu_counter.h> 中的現(xiàn)成的實(shí)現(xiàn). 最后, 注意一些體系有有限數(shù)量的地址空間變量給每-CPU變量. 如果你創(chuàng)建每-CPU變量在你自己的代碼, 你應(yīng)當(dāng)盡量使它們小.