Linux内核 -- 高性能运算操作之 this_cpu_* 接口
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：
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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);
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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);
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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
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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。
- 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
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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。
- 中断上下文中通常不适合使用锁，因此可以使用
-
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。
原文地址：https://blog.csdn.net/sz66cm/article/details/143043844
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