Разработка ядра Linux

Лав Роберт

Работа с данными процессоров на этапе выполнения

Для динамического создания данных, связанных с процессорами, в ядре реализован специальный распределитель памяти, который имеет интерфейс, аналогичный

kmalloc

. Эти функции позволяют создать экземпляр участка памяти для каждого процессора в системе. Прототипы этих функций объявлены в файле

<linux/percpu.h>

следующим образом.

void *alloc_percpu(type); / * макрос */

void *__alloc_percpu(size_t size, size_t align);

void free_percpu(const void*);

Функция

alloc_percpu

создает экземпляр объекта заданного типа (выделяет память) для каждого процессора в системе. Эта функция является оболочкой вокруг функции

__alloc_percpu

. Последняя функция принимает в качестве аргументов количество байтов памяти, которые необходимо выделить, и количество байтов, но которому необходимо выполнить выравнивание этой области памяти. Функция

alloc_percpu

выполняет выравнивание по той границе, которая используется для указанного типа данных. Такое выравнивание соответствует обычному поведению, как показано в следующем примере.

struct rabid_cheetah = alloc_percpu(struct rabid_cheetah);

что аналогично следующему вызову.

struct rabid_cheetah = __alloc_percpu(sizeof(struct rabid_cheetah),

 __alignof__(struct rabid_cheetah));

Оператор

__alignof__

— это расширение, предоставляемое компилятором gcc, который возвращает количество байтов, по границе которого необходимо выполнять выравнивание (или рекомендуется выполнять для тех аппаратных платформ, у которых нет жестких требований к выравниванию данных в памяти). Синтаксис этого вызова такой же как и у оператора

sizeof

. В примере, показанном ниже, для аппаратной платформы x86 будет возвращено значение 4.

__alignof__(unsigned long)

При передаче l-значения (левое значение, lvalue) возвращается максимально возможное выравнивание, которое может потребоваться для этого l-значения. Например, l-значение внутри структуры может иметь большее значение выравнивания, чем это необходимо для хранения того же типа данных за пределами структуры, что связано с особенностями выравнивания структур данных в памяти. Проблемы выравнивания более подробно рассмотрены в главе 19, "Переносимость".

Соответствующий вызов функции

free_percpu

освобождает память, которую занимают соответствующие данные на всех процессорах.

Функции

alloc_percpu

и

__alloc_percpu

возвращают указатель, который используется для косвенной ссылки на динамически созданные данные, связанные с каждым процессором в системе. Для простого доступа к данным ядро предоставляет два следующих макроса.

get_cpu_ptr(ptr); /* возвращает указатель типа void на данные,

соответствующие параметру ptr, связанные с текущим процессом */

put_cpu_ptr(ptr); /* готово, разрешаем вытеснение кода в режиме ядра */

Макрос

get_cpu_ptr

возвращает указатель на экземпляр данных, связанных с текущим процессором. Этот вызов также запрещает вытеснение кода в режиме ядра, которое снова разрешается вызовом функции

put_cpu_ptr

.

Рассмотрим пример использования этих функций. Конечно, этот пример не совсем логичный, потому что память

обычно необходимо выделять один раз (например, в некоторой функции инициализации), использовать ее в разных необходимых местах, а затем освободить также один раз (например, в некоторой функции, которая вызывается при завершении работы). Тем не менее этот пример позволяет пояснить особенности использования.

void *percpu_ptr;

unsigned long *foo;

percpu_ptr = alloc_percpu(unsigned long);

if (!ptr)

 /* ошибка выделения памяти ... */

foo = get_cpu_ptr(percpu_ptr);

/* работаем с данными foo ... */

put_cpu_ptr(percpu_ptr);

Еще одна функция —

per_cpu_ptr

— возвращает экземпляр данных, связанных с указанным процессором.

per_cpu_ptr(ptr, cpu);

Эта функция не запрещает вытеснение в режиме ядра. Если вы "трогаете" данные, связанные с другим процессором, то, вероятно, необходимо применить блокировки.

Когда лучше использовать данные, связанные с процессорами

Использование данных, связанных с процессорами, позволяет получить ряд преимуществ. Во-первых, это ослабление требований по использованию блокировок. В зависимости от семантики доступа к данным, которые связаны с процессорами, может оказаться, что блокировки вообще не нужны. Следует помнить, что правило "только один процессор может обращаться к этим данным" является всего лишь рекомендацией для программиста. Необходимо специально гарантировать, что каждый процессор работает только со своими данными. Ничто не может помешать нарушению этого правила.

Во-вторых, данные, связанные с процессорами, позволяют существенно уменьшить недостоверность данных, хранящихся в кэше. Это происходит потому, что процессоры поддерживают свои кэши в синхронизированном состоянии. Если один процессор начинает работать с данными, которые находятся в кэше другого процессора, то первый процессор должен обновить содержимое своего кэша. Постоянное аннулирование находящихся в кэше данных, именуемое перегрузкой кэша (cash thrashing), существенно снижает производительность системы. Использование данных, связанных с процессорами, позволяет приблизить эффективность работы с кэшем к максимально возможной, потому что в идеале каждый процессор работает только со своими данными.

Следовательно, использование данных, которые связаны с процессорами, часто избавляет от необходимости использования блокировок (или снижает требования, связанные с блокировками). Единственное требование, предъявляемое к этим данным для безопасной работы, — это запрещение вытеснения кода, который работает в режиме ядра. Запрещение вытеснения — значительно более эффективная операция по сравнению с использованием блокировок, а существующие интерфейсы выполняют запрещение и разрешение вытеснения автоматически. Данные, связанные с процессорами, можно легко использовать как в контексте прерывания, так и в контексте процесса. Тем не менее следует обратить внимание, что при использовании данных, которые связаны с текущим процессором, нельзя переходить в состояние ожидания (в противном случае выполнение может быть продолжено на другом процессоре).