Linux内核 -- 高性能运算操作之 this_cpu_* 接口

2024-10-19 07:28:37

Linux `this_cpu_*` 接口的作用与用法

Linux 内核中，this_cpu_* 接口用于访问和操作每个 CPU 独有的 per-CPU 变量，提供了一组高效的方法来处理 per-CPU 数据。在 SMP（对称多处理）系统中，per-CPU 变量可以有效地减少缓存一致性问题，提高性能，因为每个 CPU 维护独立的数据副本。

this_cpu_* 接口的主要作用是通过汇编指令对当前 CPU 上的 per-CPU 变量进行访问和操作。这样做的好处是减少访问数据时的锁竞争，提高内核代码的并发性能。常用的接口包括 this_cpu_read()、this_cpu_write()、this_cpu_add()、this_cpu_sub()、this_cpu_inc() 和 this_cpu_dec() 等。

一、`this_cpu_*` 接口的作用

快速访问当前 CPU 的 per-CPU 变量：每个 CPU 上的数据都是独立的，因此在不需要加锁的情况下，可以提高数据访问的速度。
减少锁竞争：在操作 per-CPU 数据时，避免了全局锁的使用，从而减少了 CPU 之间的同步开销和锁争用。
高效的汇编实现：this_cpu_* 接口通常会使用内嵌汇编实现，以确保操作的原子性。这些操作包括加法、减法、取值等操作。

二、常用的 `this_cpu_*` 接口

以下是一些常用的 this_cpu_* 接口及其功能：

this_cpu_ptr()
- 获取当前 CPU 的 per-CPU 变量的指针。
- 用法示例：
```
int *ptr = this_cpu_ptr(&some_percpu_var);
```
this_cpu_read()
- 读取当前 CPU 的 per-CPU 变量的值。
- 用法示例：
```
int value = this_cpu_read(some_percpu_var);
```
this_cpu_write()
- 写入一个值到当前 CPU 的 per-CPU 变量。
- 用法示例：
```
this_cpu_write(some_percpu_var, 10);
```
this_cpu_add()
- 对当前 CPU 的 per-CPU 变量执行加法操作。
- 用法示例：
```
this_cpu_add(some_percpu_var, 5);
```
this_cpu_sub()
- 对当前 CPU 的 per-CPU 变量执行减法操作。
- 用法示例：
```
this_cpu_sub(some_percpu_var, 3);
```
this_cpu_inc()
- 增加当前 CPU 的 per-CPU 变量的值（自增 1）。
- 用法示例：
```
this_cpu_inc(some_percpu_var);
```
this_cpu_dec()
- 减少当前 CPU 的 per-CPU 变量的值（自减 1）。
- 用法示例：
```
this_cpu_dec(some_percpu_var);
```
this_cpu_xchg()
- 原子地交换当前 CPU 的 per-CPU 变量的值。
- 用法示例：
```
int old_value = this_cpu_xchg(some_percpu_var, new_value);
```
this_cpu_cmpxchg()
- 执行一个原子比较并交换操作（compare and exchange）。
- 用法示例：
```
int old_value = this_cpu_cmpxchg(some_percpu_var, old_value, new_value);
```

三、使用场景

统计信息的收集
- 在多核系统中，使用 per-CPU 变量进行统计可以减少锁竞争。例如，内核统计网络包的收发数量，使用 this_cpu_add() 更新计数器。
中断处理
- 中断上下文中通常不适合使用锁，因此可以使用 this_cpu_* 接口来处理 per-CPU 的中断统计，确保中断处理的高效性和低延迟。
内存分配
- 在内核的 slab 分配器中，使用 per-CPU 变量来维护 CPU 本地的缓存池，以加速内存的分配和释放。

四、代码示例

以下是一个简单的例子，演示如何使用 this_cpu_* 接口来操作 per-CPU 变量：

#include <linux/percpu.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

DEFINE_PER_CPU(int, my_percpu_var);

static int __init my_module_init(void)
{
    int cpu;

    // 初始化每个 CPU 的 per-CPU 变量
    for_each_possible_cpu(cpu) {
        per_cpu(my_percpu_var, cpu) = 0;
    }

    // 在当前 CPU 上增加 per-CPU 变量的值
    this_cpu_add(my_percpu_var, 1);
    pr_info("Current CPU %d, my_percpu_var: %d\n", smp_processor_id(), this_cpu_read(my_percpu_var));

    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void)
{
    int cpu;

    // 打印每个 CPU 的 per-CPU 变量值
    for_each_possible_cpu(cpu) {
        pr_info("CPU %d, my_percpu_var: %d\n", cpu, per_cpu(my_percpu_var, cpu));
    }
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Example Author");
MODULE_DESCRIPTION("A simple example of using this_cpu_* interface");

五、注意事项

原子性：this_cpu_* 系列接口在实现上通常使用汇编来确保原子性，以避免在多处理器环境下出现竞态条件。比如 this_cpu_add()，其实现确保了加法操作在多个 CPU 上是线程安全的。
效率：由于 this_cpu_* 接口是基于当前 CPU 的，因此它们不需要访问其他 CPU 的缓存，也不需要获取锁，能够显著提高效率。特别是在频繁操作的场景下，per-CPU 数据能减少缓存一致性协议带来的开销。
适用场景：这些接口只适用于 per-CPU 变量，不能用于全局共享的数据。如果需要在多个 CPU 之间共享数据，则应使用适当的同步机制，如自旋锁或读写锁。

六、总结

this_cpu_* 系列接口是 Linux 内核中用于操作 per-CPU 变量的强大工具。它们提供了高效的 per-CPU 数据访问方法，适用于计数、统计等无需在多个 CPU 之间共享的数据。通过使用这些接口，开发人员可以提高内核代码的并发性和执行效率，特别是在 SMP 系统中。

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Linux this_cpu_* 接口的作用与用法

一、this_cpu_* 接口的作用

二、常用的 this_cpu_* 接口