linux percpu机制解析【转】

转自：http://blog.csdn.net/wh8_2011/article/details/53138377

一、概述

每cpu变量是最简单也是最重要的同步技术。每cpu变量主要是数据结构数组，系统的每个cpu对应数组的一个元素。一个cpu不应该访问与其它cpu对应的数组元素，另外，它可以随意读或修改它自己的元素而不用担心出现竞争条件，因为它是唯一有资格这么做的cpu。这也意味着每cpu变量基本上只能在特殊情况下使用，也就是当它确定在系统的cpu上的数据在逻辑上是独立的时候。

每个处理器访问自己的副本，无需加锁，可以放入自己的cache中，极大地提高了访问与更新效率。常用于计数器。

二、相关结构体：

1.整体的percpu内存管理信息被收集在struct pcpu_alloc_info结构中

struct pcpu_alloc_info {

size_t static_size; //静态定义的percpu变量占用内存区域长度

size_t reserved_size; //预留区域，在percpu内存分配指定为预留区域分配时，将使用该区域

size_t dyn_size; //动态分配的percpu变量占用内存区域长度

//每个cpu的percpu空间所占得内存空间为一个unit, 每个unit的大小记为unit_size

size_t unit_size; //每颗处理器的percpu虚拟内存递进基本单位

size_t atom_size; //PAGE_SIZE

size_t alloc_size; //要分配的percpu内存空间

size_t __ai_size; //整个pcpu_alloc_info结构体的大小

int nr_groups; //该架构下的处理器分组数目

struct pcpu_group_info groups[]; //该架构下的处理器分组信息

};

2.对于处理器的分组信息，内核使用struct pcpu_group_info结构表示

struct pcpu_group_info {

int nr_units;
//该组的处理器数目

//组的percpu内存地址起始地址，即组内处理器数目×处理器percpu虚拟内存递进基本单位

unsigned long base_offset;

unsigned int 
*cpu_map; //组内cpu对应数组，保存cpu id号

};

3.内核使用pcpu_chunk结构管理percpu内存

struct pcpu_chunk {

//用来把chunk链接起来形成链表。每一个链表又都放到pcpu_slot数组中，根据chunk中空闲空间的大小决定放到数组的哪个元素中。

struct list_head list;

int free_size;
//chunk中的空闲大小

int contig_hint;
//该chunk中最大的可用空间的map项的size

void *base_addr;
//percpu内存开始基地值

int map_used;
//该chunk中使用了多少个map项

int map_alloc;
//记录map数组的项数，为PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS=128

//若map项>0,表示该map中记录的size是可以用来分配percpu空间的。

//若map项<0,表示该map项中的size已经被分配使用。

int *map;
//map数组，记录该chunk的空间使用情况

void *data;
//chunk data

bool immutable; 
/* no [de]population allowed
*/

unsigned long populated[];
/* populated bitmap
*/

};

三、per-cpu初始化

在系统初始化期间，start_kernel()函数中调用setup_per_cpu_areas()函数，用于为每个cpu的per-cpu变量副本分配空间，注意这时alloc内存分配器还没建立起来，该函数调用alloc_bootmem函数为初始化期间的这些变量副本分配物理空间。

在建立percpu内存管理机制之前要整理出该架构下的处理器信息，包括处理器如何分组、每组对应的处理器位图、静态定义的percpu变量占用内存区域、每颗处理器percpu虚拟内存递进基本单位等信息。

1.setup_per_cpu_areas()函数，用于为每个cpu的per-cpu变量副本分配空间

void __init setup_per_cpu_areas(void)

{

unsigned long delta;

unsigned int cpu;

int rc;

//为percpu建立第一个chunk

rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,

PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE,
NULL,

pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);

if (rc
< 0)

panic("Failed to initialize percpu areas.");

//内核为percpu分配了一大段空间，在整个percpu空间中根据cpu个数将percpu的空间分为不同的unit。

//而pcpu_base_addr表示整个系统中percpu的起始内存地址.

//__per_cpu_start表示静态分配的percpu起始地址。即节区".data..percpu"中起始地址。

//函数首先算出副本空间首地址(pcpu_base_addr)与".data..percpu"section首地址(__per_cpu_start)之间的偏移量delta

delta = (unsigned long)pcpu_base_addr
- (unsigned long)__per_cpu_start;

//遍历系统中的cpu，设置每个cpu的__per_cpu_offset指针

//pcpu_unit_offsets[cpu]保存对应cpu所在副本空间相对于pcpu_base_addr的偏移量

//加上delta，这样就可以得到每个cpu的per-cpu变量副本的偏移量, 放在__per_cpu_offset数组中.

for_each_possible_cpu(cpu)

__per_cpu_offset[cpu]
= delta + pcpu_unit_offsets[cpu];

}

1.1 为percpu建立第一个chunk

int __init pcpu_embed_first_chunk(size_t reserved_size, size_t dyn_size,

size_t atom_size,

pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn,

pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,

pcpu_fc_free_fn_t free_fn)

{

void *base 
= (void *)ULONG_MAX;

void **areas
= NULL;

struct pcpu_alloc_info *ai;

size_t size_sum, areas_size, max_distance;

int group, i, rc;

//收集整理该架构下的percpu信息，结果放在struct pcpu_alloc_info结构中

ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, dyn_size, atom_size,cpu_distance_fn);

if (IS_ERR(ai))

return PTR_ERR(ai);

//计算每个cpu占用的percpu内存空间大小，包括静态定义变量占用空间+reserved空间+动态分配空间

size_sum = ai->static_size
+ ai->reserved_size
+ ai->dyn_size;

//areas用来保存每个group的percpu内存起始地址，为其分配空间，做临时存储使用，用完释放掉

areas_size = PFN_ALIGN(ai->nr_groups
* sizeof(void
*));

areas = memblock_virt_alloc_nopanic(areas_size, 0);

if (!areas)
{

rc = -ENOMEM;

goto out_free;

}

//针对该系统下的每个group操作，为每个group分配percpu内存区域，前边只是计算出percpu信息，并没有分配percpu的内存空间。

for (group
= 0; group 
< ai->nr_groups; group++)
{

struct pcpu_group_info *gi 
= &ai->groups[group];//取出该group下的组信息

unsigned int cpu 
= NR_CPUS;

void *ptr;

//检查cpu_map数组

for (i
= 0; i 
< gi->nr_units
&& cpu 
== NR_CPUS; i++)

cpu = gi->cpu_map[i];

BUG_ON(cpu 
== NR_CPUS);

//为该group分配percpu内存区域。长度为该group里的cpu数目X每颗处理器的percpu递进单位。

//函数pcpu_dfl_fc_alloc是从bootmem里取得内存，得到的是物理内存，返回物理地址的内存虚拟地址ptr

ptr = alloc_fn(cpu, gi->nr_units
* ai->unit_size, atom_size);

if (!ptr)
{

rc = 
-ENOMEM;

goto out_free_areas;

}

/* kmemleak tracks the percpu allocations separately
*/

kmemleak_free(ptr);

//将分配到的改组percpu内存虚拟起始地址保存在areas数组中

areas[group]
= ptr;

//比较每个group的percpu内存地址，保存最小的内存地址，即percpu内存的起始地址

//为后边计算group的percpu内存地址的偏移量

base = min(ptr, base);

}

//为每个group中的每个cpu建立其percpu区域

for (group
= 0; group 
< ai->nr_groups; group++)
{

//取出该group下的组信息

struct pcpu_group_info *gi 
= &ai->groups[group];

void *ptr 
= areas[group];//得到该group的percpu内存起始地址

//遍历该组中的cpu，并得到每个cpu对应的percpu内存地址

for (i
= 0; i 
< gi->nr_units; i++, ptr
+= ai->unit_size)
{

if 
(gi->cpu_map[i]
== NR_CPUS)
{

free_fn(ptr, ai->unit_size);//释放掉未使用的unit

continue;

}

//将静态定义的percpu变量拷贝到每个cpu的percpu内存起始地址

memcpy(ptr, __per_cpu_load, ai->static_size);

//为每个cpu释放掉多余的空间，多余的空间是指ai->unit_size减去静态定义变量占用空间+reserved空间+动态分配空间

free_fn(ptr 
+ size_sum, ai->unit_size
- size_sum);

}

}

//计算group的percpu内存地址的偏移量

max_distance = 0;

for (group
= 0; group 
< ai->nr_groups; group++)
{

ai->groups[group].base_offset
= areas[group]
- base;

max_distance = max_t(size_t, max_distance,ai->groups[group].base_offset);

}

//检查最大偏移量是否超过vmalloc空间的75%

max_distance += ai->unit_size;

if (max_distance
> VMALLOC_TOTAL * 3
/ 4) 
{

pr_warning("PERCPU: max_distance=0x%zx too large for vmalloc "

"space 0x%lx\n", max_distance,VMALLOC_TOTAL);

}

pr_info("PERCPU: Embedded %zu pages/cpu @%p s%zu r%zu d%zu u%zu\n",

PFN_DOWN(size_sum), base, ai->static_size,
ai->reserved_size,

ai->dyn_size, ai->unit_size);

//为percpu建立第一个chunk

rc = pcpu_setup_first_chunk(ai, base);

goto out_free;

out_free_areas:

for (group
= 0; group 
< ai->nr_groups; group++)

if (areas[group])

free_fn(areas[group],ai->groups[group].nr_units
* ai->unit_size);

out_free:

pcpu_free_alloc_info(ai);

if (areas)

memblock_free_early(__pa(areas), areas_size);

return rc;

}

1.1.1 收集整理该架构下的percpu信息

static struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_build_alloc_info(size_t reserved_size, size_t dyn_size,

size_t atom_size,pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn)

{

static int group_map[NR_CPUS] __initdata;

static int group_cnt[NR_CPUS] __initdata;

const size_t static_size 
= __per_cpu_end - __per_cpu_start;

int nr_groups 
= 1, nr_units 
= 0;

size_t size_sum, min_unit_size, alloc_size;

int upa, max_upa, uninitialized_var(best_upa);
/* units_per_alloc
*/

int last_allocs, group, unit;

unsigned int cpu, tcpu;

struct pcpu_alloc_info *ai;

unsigned int 
*cpu_map;

/* this
function may be called multiple times 
*/

memset(group_map, 0, sizeof(group_map));

memset(group_cnt, 0, sizeof(group_cnt));

//计算每个cpu所占有的percpu空间大小，包括静态空间+保留空间+动态空间

size_sum = PFN_ALIGN(static_size
+ reserved_size +

max_t(size_t, dyn_size, PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE));

//重新计算动态分配的percpu空间大小

dyn_size = size_sum 
- static_size - reserved_size;

//计算每个unit的大小，即每个group中的每个cpu占用的percpu内存大小为一个unit

min_unit_size = max_t(size_t, size_sum, PCPU_MIN_UNIT_SIZE);

//atom_size为PAGE_SIZE，即4K.将min_unit_size按4K向上舍入，例如min_unit_size=5k，则alloc_size为两个页面大小即8K，若min_unit_size=9k，则alloc_size为三个页面大小即12K

alloc_size = roundup(min_unit_size, atom_size);

upa = alloc_size 
/ min_unit_size;

while (alloc_size
% upa ||
((alloc_size
/ upa) 
& ~PAGE_MASK))

upa--;

max_upa = upa;

//为cpu分组，将接近的cpu分到一组中，因为没有定义cpu_distance_fn函数体，所以所有的cpu分到一个组中。

//可以得到所有的cpu都是group=0，group_cnt[0]即是该组中的cpu个数

for_each_possible_cpu(cpu)
{

group = 0;

next_group:

for_each_possible_cpu(tcpu)
{

if 
(cpu == tcpu)

break;

//cpu_distance_fn=NULL

if 
(group_map[tcpu]
== group 
&& cpu_distance_fn 
&&

(cpu_distance_fn(cpu, tcpu)
> LOCAL_DISTANCE ||

cpu_distance_fn(tcpu, cpu)
> LOCAL_DISTANCE))
{

group++;

nr_groups = max(nr_groups, group
+ 1);

goto next_group;

}

}

group_map[cpu]
= group;

group_cnt[group]++;

}

/*

* Expand unit size 
until address space usage goes over 75%

* and
then as much as possible without using more address

* space.

*/

last_allocs = INT_MAX;

for (upa
= max_upa; upa; upa--)
{

int allocs 
= 0, wasted 
= 0;

if (alloc_size
% upa ||
((alloc_size
/ upa) 
& ~PAGE_MASK))

continue;

for (group
= 0; group 
< nr_groups; group++)
{

int this_allocs 
= DIV_ROUND_UP(group_cnt[group], upa);

allocs += this_allocs;

wasted += this_allocs
* upa - group_cnt[group];

}

/*

* Don't accept
if wastage is over 1/3. The

* greater-than comparison ensures upa==1 always

* passes the following check.

*/

if (wasted
> num_possible_cpus()
/ 3)

continue;

/*
and then don't consume more memory
*/

if (allocs
> last_allocs)

break;

last_allocs = allocs;

best_upa = upa;

}

upa = best_upa;

//计算每个group中的cpu个数

for (group
= 0; group 
< nr_groups; group++)

nr_units += roundup(group_cnt[group],
upa);

//分配pcpu_alloc_info结构空间，并初始化

ai = pcpu_alloc_alloc_info(nr_groups, nr_units);

if (!ai)

return ERR_PTR(-ENOMEM);

//为每个group的cpu_map指针赋值为group[0]，group[0]中的cpu_map中的值初始化为NR_CPUS

cpu_map = ai->groups[0].cpu_map;

for (group
= 0; group 
< nr_groups; group++)
{

ai->groups[group].cpu_map
= cpu_map;

cpu_map += roundup(group_cnt[group],
upa);

}

ai->static_size
= static_size;
//静态percpu变量空间

ai->reserved_size
= reserved_size;//保留percpu变量空间

ai->dyn_size
= dyn_size;
//动态分配的percpu变量空间

ai->unit_size
= alloc_size / upa;
//每个cpu占用的percpu变量空间

ai->atom_size
= atom_size;
//PAGE_SIZE

ai->alloc_size
= alloc_size;
//实际分配的空间

for (group
= 0, unit 
= 0; group_cnt[group]; group++)
{

struct pcpu_group_info *gi 
= &ai->groups[group];

//设置组内的相对于0地址偏移量，后边会设置真正的对于percpu起始地址的偏移量

gi->base_offset
= unit * ai->unit_size;

//设置cpu_map数组，数组保存该组中的cpu id号。以及设置组中的cpu个数gi->nr_units

//gi->nr_units=0,cpu=0

//gi->nr_units=1,cpu=1

//gi->nr_units=2,cpu=2

//gi->nr_units=3,cpu=3

for_each_possible_cpu(cpu)

if 
(group_map[cpu]
== group)

gi->cpu_map[gi->nr_units++]
= cpu;

gi->nr_units
= roundup(gi->nr_units, upa);

unit += gi->nr_units;

}

BUG_ON(unit 
!= nr_units);

return ai;

}

1.1.1.1 分配pcpu_alloc_info结构，并初始化

struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_alloc_alloc_info(int nr_groups,int nr_units)

{

struct pcpu_alloc_info *ai;

size_t base_size, ai_size;

void *ptr;

int unit;

//根据group数以及，group[0]中cpu个数确定pcpu_alloc_info结构体大小ai_size

base_size = ALIGN(sizeof(*ai)
+ nr_groups * sizeof(ai->groups[0]),

__alignof__(ai->groups[0].cpu_map[0]));

ai_size = base_size 
+ nr_units * sizeof(ai->groups[0].cpu_map[0]);

//分配空间

ptr = memblock_virt_alloc_nopanic(PFN_ALIGN(ai_size), 0);

if (!ptr)

return NULL;

ai = ptr;

ptr += base_size;//指针指向group的cpu_map数组地址处

ai->groups[0].cpu_map
= ptr;

//初始化group[0]的cpu_map数组值为NR_CPUS

for (unit
= 0; unit 
< nr_units; unit++)

ai->groups[0].cpu_map[unit]
= NR_CPUS;

ai->nr_groups
= nr_groups;//group个数

ai->__ai_size
= PFN_ALIGN(ai_size);//整个pcpu_alloc_info结构体的大小

return ai;

}

1.1.2 为percpu建立第一个chunk

int __init pcpu_setup_first_chunk(const struct pcpu_alloc_info
*ai,void 
*base_addr)

{

static char cpus_buf[4096] __initdata;

static int smap[PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS] __initdata;

static int dmap[PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS] __initdata;

size_t dyn_size = ai->dyn_size;

size_t size_sum = ai->static_size
+ ai->reserved_size
+ dyn_size;

struct pcpu_chunk *schunk,
*dchunk = 
NULL;

unsigned long *group_offsets;

size_t *group_sizes;

unsigned long *unit_off;

unsigned int cpu;

int *unit_map;

int group, unit, i;

cpumask_scnprintf(cpus_buf, sizeof(cpus_buf), cpu_possible_mask);

#define PCPU_SETUP_BUG_ON(cond)
do { 
\

if (unlikely(cond))
{ \

pr_emerg("PERCPU: failed to initialize, %s", #cond);
\

pr_emerg("PERCPU: cpu_possible_mask=%s\n", cpus_buf);
\

pcpu_dump_alloc_info(KERN_EMERG, ai);
\

BUG();
\

} \

} while
(0)

//健康检查

PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->nr_groups
<= 0);

#ifdef CONFIG_SMP

PCPU_SETUP_BUG_ON(!ai->static_size);

PCPU_SETUP_BUG_ON((unsigned long)__per_cpu_start
& ~PAGE_MASK);

#endif

PCPU_SETUP_BUG_ON(!base_addr);

PCPU_SETUP_BUG_ON((unsigned long)base_addr
& ~PAGE_MASK);

PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size
< size_sum);

PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size
& ~PAGE_MASK);

PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size
< PCPU_MIN_UNIT_SIZE);

PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->dyn_size
< PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE);

PCPU_SETUP_BUG_ON(pcpu_verify_alloc_info(ai)
< 0);

//为group相关percpu信息保存数组分配空间

group_offsets = memblock_virt_alloc(ai->nr_groups
*sizeof(group_offsets[0]), 0);

group_sizes = memblock_virt_alloc(ai->nr_groups
*sizeof(group_sizes[0]), 0);

//为每个cpu相关percpu信息保存数组分配空间

unit_map = memblock_virt_alloc(nr_cpu_ids
* sizeof(unit_map[0]), 0);

unit_off = memblock_virt_alloc(nr_cpu_ids
* sizeof(unit_off[0]), 0);

//对unit_map、pcpu_low_unit_cpu和pcpu_high_unit_cpu变量初始化

for (cpu
= 0; cpu 
< nr_cpu_ids; cpu++)

unit_map[cpu]
= UINT_MAX;

pcpu_low_unit_cpu = NR_CPUS;

pcpu_high_unit_cpu = NR_CPUS;

//遍历每一group的每一个cpu

for (group
= 0, unit 
= 0; group 
< ai->nr_groups; group++, unit
+= i)
{

const struct pcpu_group_info 
*gi = &ai->groups[group];

//取得该组处理器的percpu内存空间的偏移量

group_offsets[group]
= gi->base_offset;

//取得该组处理器的percpu内存空间占用的虚拟地址空间大小，即包含改组中每个cpu所占的percpu空间

group_sizes[group]
= gi->nr_units
* ai->unit_size;

//遍历该group中的cpu

for (i
= 0; i 
< gi->nr_units; i++)
{

cpu = gi->cpu_map[i];//得到该group中的cpu
id号

if 
(cpu == NR_CPUS)

continue;

PCPU_SETUP_BUG_ON(cpu 
> nr_cpu_ids);

PCPU_SETUP_BUG_ON(!cpu_possible(cpu));

PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu]
!= UINT_MAX);

//计算每个cpu的跨group的编号，保存在unit_map数组中

unit_map[cpu]
= unit + i;

//计算每个cpu的在整个系统percpu内存空间中的偏移量，保存到数组unit_off中

unit_off[cpu]
= gi->base_offset
+ i * ai->unit_size;

/* determine low/high unit_cpu
*/

if 
(pcpu_low_unit_cpu == NR_CPUS
|| unit_off[cpu]
< unit_off[pcpu_low_unit_cpu])

pcpu_low_unit_cpu = cpu;

if 
(pcpu_high_unit_cpu == NR_CPUS
|| unit_off[cpu]
> unit_off[pcpu_high_unit_cpu])

pcpu_high_unit_cpu = cpu;

}

}

//pcpu_nr_units变量保存系统中有多少个cpu的percpu内存空间

pcpu_nr_units = unit;

for_each_possible_cpu(cpu)

PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu]
== UINT_MAX);

#undef PCPU_SETUP_BUG_ON

pcpu_dump_alloc_info(KERN_DEBUG, ai);

//记录下全局参数，留在pcpu_alloc时使用

pcpu_nr_groups = ai->nr_groups;//系统中group数量

pcpu_group_offsets = group_offsets;//记录每个group的percpu内存偏移量数组

pcpu_group_sizes = group_sizes;//记录每个group的percpu内存空间大小数组

pcpu_unit_map = unit_map;//整个系统中cpu(跨group)的编号数组

pcpu_unit_offsets = unit_off;//每个cpu的percpu内存空间偏移量

pcpu_unit_pages = ai->unit_size
>> PAGE_SHIFT;//每个cpu的percpu内存虚拟空间所占的页面数量

pcpu_unit_size = pcpu_unit_pages 
<< PAGE_SHIFT;//每个cpu的percpu内存虚拟空间大小

pcpu_atom_size = ai->atom_size;//PAGE_SIZE

//计算pcpu_chunk结构的大小，加上populated域的大小

pcpu_chunk_struct_size = sizeof(struct pcpu_chunk)
+

BITS_TO_LONGS(pcpu_unit_pages)
* sizeof(unsigned long);

//计算pcpu_nr_slots，即pcpu_slot数组的组项数量

pcpu_nr_slots = __pcpu_size_to_slot(pcpu_unit_size)
+ 2;

//为pcpu_slot数组分配空间，不同size的chunck挂在不同“pcpu_slot”项目中

pcpu_slot = memblock_virt_alloc(pcpu_nr_slots
* sizeof(pcpu_slot[0]), 0);

for (i
= 0; i 
< pcpu_nr_slots; i++)

INIT_LIST_HEAD(&pcpu_slot[i]);

//构建静态chunck,即pcpu_reserved_chunk

schunk = memblock_virt_alloc(pcpu_chunk_struct_size, 0);

INIT_LIST_HEAD(&schunk->list);

schunk->base_addr
= base_addr;//整个系统中percpu内存的起始地址

schunk->map
= smap;//初始化为一个静态数组

schunk->map_alloc
= ARRAY_SIZE(smap);//PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS=128

schunk->immutable
= true;

//物理内存已经分配这里标志之

//若pcpu_unit_pages=8即每个cpu占用的percpu空间为8页的空间，则populated域被设置为0xff

bitmap_fill(schunk->populated, pcpu_unit_pages);

if (ai->reserved_size)
{

//如果存在percpu保留空间，在指定reserved分配时作为空闲空间使用

schunk->free_size
= ai->reserved_size;

pcpu_reserved_chunk = schunk;

//静态chunk的大小限制包括，定义的静态变量的空间+保留的空间

pcpu_reserved_chunk_limit = ai->static_size
+ ai->reserved_size;

} else
{

//若不存在保留空间，则将动态分配空间作为空闲空间使用

schunk->free_size
= dyn_size;

dyn_size = 0;//覆盖掉动态分配空间

}

//记录静态chunk中空闲可使用的percpu空间大小

schunk->contig_hint
= schunk->free_size;

//map数组保存空间的使用情况，负数为已使用的空间，正数表示为以后可以分配的空间

//map_used记录chunk中存在几个map项

schunk->map[schunk->map_used++]
= -ai->static_size;

if (schunk->free_size)

schunk->map[schunk->map_used++]
= schunk->free_size;

//构建动态chunk分配空间

if (dyn_size)
{

dchunk = memblock_virt_alloc(pcpu_chunk_struct_size, 0);

INIT_LIST_HEAD(&dchunk->list);

dchunk->base_addr
= base_addr;//整个系统中percpu内存的起始地址

dchunk->map
= dmap;//初始化为一个静态数组

dchunk->map_alloc
= ARRAY_SIZE(dmap);//PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS=128

dchunk->immutable
= true;

//记录下来分配的物理页

bitmap_fill(dchunk->populated, pcpu_unit_pages);

//设置动态chunk中的空闲可分配空间大小

dchunk->contig_hint
= dchunk->free_size
= dyn_size;

//map数组保存空间的使用情况，负数为已使用的空间（静态变量空间和reserved空间），正数表示为以后可以分配的空间

dchunk->map[dchunk->map_used++]
= -pcpu_reserved_chunk_limit;

dchunk->map[dchunk->map_used++]
= dchunk->free_size;

}

//把第一个chunk链接进对应的slot链表，reserverd的空间有自己单独的chunk：pcpu_reserved_chunk

pcpu_first_chunk = dchunk 
?: schunk;

pcpu_chunk_relocate(pcpu_first_chunk,
-1);

//pcpu_base_addr记录整个系统中percpu内存的起始地址

pcpu_base_addr = base_addr;

return 0;

}

//fls找到size中最高的置1的位，返回该位号

//例：fls(0)
= 0, fls(1)
= 1, fls(0x80000000)
= 32.

//若size=32768=0x8000，则fls(32768)=16

//若highbit=0-4，则slot个数均为1

#define PCPU_SLOT_BASE_SHIFT 5

static int __pcpu_size_to_slot(int size)

{

int highbit 
= fls(size);

return max(highbit 
- PCPU_SLOT_BASE_SHIFT + 2, 1);

}

static void pcpu_chunk_relocate(struct pcpu_chunk
*chunk, 
int oslot)

{

//返回该chunk对应的要挂入的slot数组的下标

int nslot 
= pcpu_chunk_slot(chunk);

//静态chunk不需挂入pcpu_slot数组中

if (chunk
!= pcpu_reserved_chunk
&& oslot 
!= nslot)
{

if (oslot
< nslot)

list_move(&chunk->list,
&pcpu_slot[nslot]);

else

list_move_tail(&chunk->list,
&pcpu_slot[nslot]);

}

}

static int pcpu_chunk_slot(const struct pcpu_chunk
*chunk)

{

//该chunk中的空闲空间小于sizeof(int)，或者最大的空闲空间块小于sizeof(int)，返回0

if (chunk->free_size
< sizeof(int)
|| chunk->contig_hint
< sizeof(int))

return 0;

return pcpu_size_to_slot(chunk->free_size);

}

static int pcpu_size_to_slot(int size)

{

//若size等于每个cpu占用的percpu内存空间大小，返回最后一项pcpu_slot数组下标

if (size
== pcpu_unit_size)

return pcpu_nr_slots - 1;

//否则根据size返回在pcpu_slot数组中的下标

return __pcpu_size_to_slot(size);

}

四、每CPU变量提供的函数和宏

1.编译期间分配percpu，即分配静态percpu，函数原型:

DEFINE_PER_CPU(type, name)

#define DEFINE_PER_CPU(type, name) DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name,
"")

#define DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec)
\

__PCPU_ATTRS(sec) PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES
\

__typeof__(type) name

#define __PCPU_ATTRS(sec)
\

__percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec)))
\

PER_CPU_ATTRIBUTES

#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"

#define PER_CPU_ATTRIBUTES

#define PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES

根据以上宏定义展开之，可以得到

__attribute__((section(.data..percpu)))
__typeof__(type) name

可见宏“DEFINE_PER_CPU(type, name)”的作用就是将类型为“type”的“name”变量放到“.data..percpu”数据段。

而在/include/asm-generic/vmlinux.lds.h中定义：

链接器会把所有静态定义的per-cpu变量统一放到".data..percpu" section中, 链接器生成__per_cpu_start和__per_cpu_end两个变量来表示该section的起始和结束地址, 为了配合链接器的行为,
linux内核源码中针对以上链接脚本声明了外部变量 extern char __per_cpu_load[], __per_cpu_start[],
__per_cpu_end[];

#define PERCPU_INPUT(cacheline) \

VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_start)
= .;
\

*(.data..percpu..first)
\

. = ALIGN(PAGE_SIZE);
\

*(.data..percpu..page_aligned)
\

. = ALIGN(cacheline);
\

*(.data..percpu..readmostly)
\

. = ALIGN(cacheline);
\

*(.data..percpu)
\

*(.data..percpu..shared_aligned)
\

VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_end)
= .;

#define PERCPU_VADDR(cacheline, vaddr, phdr)
\

VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_load)
= .;
\

.data..percpu vaddr
: AT(VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_load)
\

- LOAD_OFFSET)
{ \

PERCPU_INPUT(cacheline)
\

} phdr 
\

. = VMLINUX_SYMBOL(__per_cpu_load)
+ SIZEOF(.data..percpu);

我们知道在系统对percpu初始化的时候，会将静态定义的percpu变量(内核映射".data.percpu"section中的变量数据)拷贝到每个cpu的percpu内存空间中，静态定义的percpu变量的起始地址为__per_cpu_load，即

memcpy(ptr, __per_cpu_load, ai->static_size);

2. 访问percpu变量

(1) per_cpu(var, cpu)获取编号cpu的处理器上面的变量var的副本

(2) get_cpu_var(var)获取本处理器上面的变量var的副本，该函数关闭进程抢占，主要由__get_cpu_var来完成具体的访问

(3) get_cpu_ptr(var) 获取本处理器上面的变量var的副本的指针，该函数关闭进程抢占，主要由__get_cpu_var来完成具体的访问

(4) put_cpu_var(var)
& put_cpu_ptr(var)表示每CPU变量的访问结束，恢复进程抢占

(5) __get_cpu_var(var) 获取本处理器上面的变量var的副本，该函数不关闭进程抢占

注意：关闭内核抢占可确保在对per-cpu变量操作的临界区中, 当前进程不会被换出处理器, 在put_cpu_var中恢复内核调度器的可抢占性.

//详细代码解析：

(1) per_cpu

#define per_cpu(var, cpu)
(*SHIFT_PERCPU_PTR(&(var),
per_cpu_offset(cpu)))

#define per_cpu_offset(x)
(__per_cpu_offset[x])

#define SHIFT_PERCPU_PTR(__p, __offset)
({ 
\

__verify_pcpu_ptr((__p));
\

RELOC_HIDE((typeof(*(__p))
__kernel __force *)(__p),
(__offset));
\

})

#define RELOC_HIDE(ptr, off) \

({ unsigned long __ptr; \

__ptr = 
(unsigned long) 
(ptr); \

(typeof(ptr))
(__ptr + 
(off));
})

per_cpu(var,

cpu)通过以上的宏展开，就是返回*(__per_cpu_offset[cpu]+&(var))的值。__per_cpu_offset数组记录每个cpu的percpu内存空间距离内核静态percpu内存区起始地址(即".data..percpu"段的起始地址__per_cpu_start)的偏移量，加上var在内核中的内存地址(因为是静态percpu变量，所以地址肯定在".data..percpu"段中)，就得到var在该cpu下的percpu内存区的地址，取地址下的值即可得到该var变量的值。

(2) get_cpu_var/__get_cpu_var

#define get_cpu_var(var)
(*({
\

preempt_disable();
\ //关闭进程抢占

&__get_cpu_var(var);
}))

#define __get_cpu_var(var)
(*this_cpu_ptr(&(var)))

#define this_cpu_ptr(ptr) __this_cpu_ptr(ptr)

#define __this_cpu_ptr(ptr) SHIFT_PERCPU_PTR(ptr, __my_cpu_offset)

#define my_cpu_offset __my_cpu_offset

#define __my_cpu_offset per_cpu_offset(raw_smp_processor_id())

#define per_cpu_offset(x)
(__per_cpu_offset[x])

通过一系列宏调用，最终函数还是通过*(__per_cpu_offset[raw_smp_processor_id()]+&(var))来获得本地处理器上的var变量的值。

(3) get_cpu_ptr

#define get_cpu_ptr(var)
({ 
\

preempt_disable();
\

this_cpu_ptr(var);
})

获取本处理器上面的变量var的副本的指针，该函数关闭进程抢占.

(4)put_cpu_ptr/put_cpu_var,恢复进程抢占

#define put_cpu_var(var)
do { 
\

(void)&(var);
\

preempt_enable();
\

} while
(0)

#define put_cpu_ptr(var)
do { 
\

(void)(var);
\

preempt_enable();
\

} while
(0)

3.动态分配percpu空间：void 
* alloc_percpu(type)

#define alloc_percpu(type)
\

(typeof(type) __percpu
*)__alloc_percpu(sizeof(type), __alignof__(type))

void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)

{

return pcpu_alloc(size, align,
false);

}

3.1 动态分配percpu

static void __percpu *pcpu_alloc(size_t size, size_t align, bool reserved)

{

static int warn_limit 
= 10;

struct pcpu_chunk *chunk;

const char 
*err;

int slot, off, new_alloc;

unsigned long flags;

void __percpu *ptr;

if (unlikely(!size
|| size 
> PCPU_MIN_UNIT_SIZE || align
> PAGE_SIZE))
{

WARN(true,
"illegal size (%zu) or align (%zu) for "

"percpu allocation\n", size, align);

return NULL;

}

mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);

spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);

//若指定reserved分配，则从pcpu_reserved_chunk进行

if (reserved
&& pcpu_reserved_chunk)
{

chunk = pcpu_reserved_chunk;//找到静态percpu的chunk

//检查要分配的空间size是否超出该chunk的所具有的最大的空闲size

if (size
> chunk->contig_hint)
{

err 
= "alloc from reserved chunk failed";

goto fail_unlock;

}

//检查是否要扩展chunk的的map数组，map数组默认设置为128项

while 
((new_alloc 
= pcpu_need_to_extend(chunk)))
{

spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);

//对map数组进行扩展

if 
(pcpu_extend_area_map(chunk, new_alloc)
< 0) 
{

err 
= "failed to extend area map of reserved chunk";

goto fail_unlock_mutex;

}

spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);

}

//从该chunk分配出size大小的空间，返回该size空间在chunk中的偏移量off

//然后重新将该chunk挂到slot数组对应链表中

off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align);

if (off
>= 0)

goto area_found;

err =
"alloc from reserved chunk failed";

goto fail_unlock;

}

restart:

//根据需要分配内存块的大小索引slot数组找到对应链表

for (slot
= pcpu_size_to_slot(size); slot
< pcpu_nr_slots; slot++)
{

list_for_each_entry(chunk,
&pcpu_slot[slot], list)
{

if 
(size > chunk->contig_hint)
//在该链表中进一步寻找符合尺寸要求的chunk

continue;

//chunck用数组map记录每次分配的内存块，若该数组项数用完(默认为128项)，

//但是若该chunk仍然还有空闲空间可分配，则需要增长该map数组项数来记录可分配的空间

new_alloc = pcpu_need_to_extend(chunk);

if 
(new_alloc) 
{

spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);

//扩展map数组

if 
(pcpu_extend_area_map(chunk,new_alloc)
< 0) 
{

err 
= "failed to extend area map";

goto fail_unlock_mutex;

}

spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);

goto restart;

}

//从该chunk分配出size大小的空间，返回该size空间在chunk中的偏移量off

//然后重新将该chunk挂到slot数组对应链表中

off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align);

if 
(off >= 0)

goto area_found;

}

}

//到这里表示没有找到合适的chunk，需要重新创建一个新的chunk

spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);

//创建一个新的chunk，这里进行的是虚拟地址空间的分配

chunk = pcpu_create_chunk();

if (!chunk)
{

err =
"failed to allocate new chunk";

goto fail_unlock_mutex;

}

spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);

//把一个全新的chunk挂到slot数组对应链表中

pcpu_chunk_relocate(chunk,
-1);

goto restart;

area_found:

spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);

//这里要检查该段区域对应物理页是否已经分配

if (pcpu_populate_chunk(chunk, off, size))
{

spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);

pcpu_free_area(chunk, off);

err =
"failed to populate";

goto fail_unlock;

}

mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);

/*

#define __addr_to_pcpu_ptr(addr) \

(void __percpu 
*)((unsigned long)(addr)
- \

(unsigned long)pcpu_base_addr
+ \

(unsigned long)__per_cpu_start)

*/

//chunk->base_addr
+ off表示分配该size空间的起始percpu内存地址

//最终返回的地址即__per_cpu_start+off，即得到该动态分配percpu变量在内核镜像中的一个虚拟内存地址。

//实际上该动态分配percpu变量并不在此地址上，只是为了以后通过per_cpu(var, cpu)引用该变量时，

//与静态percpu变量一致，因为静态percpu变量在内核镜像中是有分配内存虚拟地址的(在.data..percpu段中)。

//使用per_cpu(var, cpu)时，该动态分配percpu变量的内核镜像中的虚拟地址(假的地址，为了跟静态percpu变量一致)，加上本cpu所在percpu空间与.data..percpu段的偏移量，

//即得到该动态分配percpu变量在本cpu副本中的内存地址

ptr = __addr_to_pcpu_ptr(chunk->base_addr
+ off);

kmemleak_alloc_percpu(ptr, size);

return ptr;

fail_unlock:

spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);

fail_unlock_mutex:

mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);

if (warn_limit)
{

pr_warning("PERCPU: allocation failed, size=%zu align=%zu, ""%s\n", size,
align, err);

dump_stack();

if (!--warn_limit)

pr_info("PERCPU: limit reached, disable warning\n");

}

return NULL;

}

3.1.1 检查chunk的map数组是否需要扩展

//#define PCPU_DFL_MAP_ALLOC 16

static int pcpu_need_to_extend(struct pcpu_chunk
*chunk)

{

int new_alloc;

//map_alloc默认设置为128，只有map_used记录超过126时才会进行map数组扩展

if (chunk->map_alloc
>= chunk->map_used
+ 2)

return 0;

new_alloc = PCPU_DFL_MAP_ALLOC;//16

//计算该chunk的map数组新的大小，并返回

while (new_alloc
< chunk->map_used
+ 2)

new_alloc *= 2;

return new_alloc;

}

3.1.2 对map数组的大小进行扩展

static int pcpu_extend_area_map(struct pcpu_chunk
*chunk, 
int new_alloc)

{

int *old
= NULL,
*new = 
NULL;

size_t old_size = 0, new_size
= new_alloc * sizeof(new[0]);

unsigned long flags;

//为新的map数组大小分配内存空间

new = pcpu_mem_zalloc(new_size);

if (!new)

return -ENOMEM;

/* acquire pcpu_lock
and switch to new area map
*/

spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);

if (new_alloc
<= chunk->map_alloc)

goto out_unlock;

old_size = chunk->map_alloc
* sizeof(chunk->map[0]);

old = chunk->map;

//复制老的map数组信息到new

memcpy(new, old, old_size);

//重新设置map数组，完成map数组的扩展

chunk->map_alloc
= new_alloc;

chunk->map
= new;

new = NULL;

out_unlock:

spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);

pcpu_mem_free(old, old_size);

pcpu_mem_free(new, new_size);

return 0;

}

3.1.3 从chunk的map数组中分配size大小空间，返回该size的偏移值

static int pcpu_alloc_area(struct pcpu_chunk
*chunk, 
int size, int align)

{

int oslot 
= pcpu_chunk_slot(chunk);

int max_contig 
= 0;

int i, off;

//遍历该chunk的map中记录的空间，map中负数为已经使用的空间，正数为可以分配使用的空间

for (i
= 0, off 
= 0; i < chunk->map_used; off
+= abs(chunk->map[i++]))
{

//is_last为1表示已经扫描了chunk中所有记录的空间，并且是最后一个map组项

bool is_last = i 
+ 1 == chunk->map_used;

int head, tail;

//对map项中记录的percpu空间大小进行对齐，可能会产生的一个偏移量head

head = ALIGN(off, align)
- off;

BUG_ON(i 
== 0 && head
!= 0);

//map中记录的负数表示已经使用的percpu空间，继续下一个

if (chunk->map[i]
< 0)

continue;

//若map中的空间大小小于要分配的空间大小，继续下一个

if (chunk->map[i]
< head + size)
{

//更新该chunk中可使用的空间大小

max_contig = max(chunk->map[i],
max_contig);

continue;

}

//如果head不为0，并且head很小(小于sizeof(int))，或者前一个map的可用空间大于0(但是chunk->map[i
- 1] 
< head+size)

//如果前一个map项>0，则将head合并到前一个map中

//如果前一个map项<0,则将head合并到前一个map，并且是负数，不可用空间，当前chunk空闲size减去这head大小的空间

if (head
&& 
(head < sizeof(int)
|| chunk->map[i
- 1] 
> 0))
{

if 
(chunk->map[i
- 1] 
> 0)

chunk->map[i
- 1] 
+= head;

else 
{

chunk->map[i
- 1] 
-= head;

chunk->free_size
-= head;

}

//当前map减去已经与前一个map合并的head大小的空间

chunk->map[i]
-= head;

off += head;//偏移要加上head

head = 0;//合并之后，head清零

}

//计算要分配空间的尾部

tail = chunk->map[i]
- head - size;

if (tail
< sizeof(int))

tail = 0;

//如果head不为0，或者tail不为0，则要将当前map分割

if (head
|| tail)
{

pcpu_split_block(chunk, i, head, tail);

//如果head不为0，tail不为0，经过split之后，map[i]记录head，map[i+1]记录要分配的size，map[i+2]记录tail。

if 
(head) {

i++;
//移到记录要分配size空间的map项

off += head;//偏移要加上head，表示从head之后开始

//i-1表示head所在的那个map项，与max_contig比较大小，为下边更新chunk的最大空闲空间

max_contig = max(chunk->map[i
- 1], max_contig);

}

//i+1表示tail所在的那个map项，比较与max_contig的大小，为下边更新chunk的最大空闲空间

if 
(tail)

max_contig = max(chunk->map[i
+ 1], max_contig);

}

//更新chunk的最大空闲空间

if (is_last)

chunk->contig_hint
= max_contig;
/* fully scanned
*/

else

chunk->contig_hint
= max(chunk->contig_hint,max_contig);

chunk->free_size
-= chunk->map[i];//chunk中的空闲空间大小递减

chunk->map[i]
= -chunk->map[i];//变成负数表示该map中的size大小已分配

//重新计算chunk在slot中的位置

pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);

return off;

}

chunk->contig_hint
= max_contig;
/* fully scanned
*/

pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);

/* tell the upper layer that this chunk has no matching area
*/

return -1;

}

3.1.4 将map数组进行分割

static void pcpu_split_block(struct pcpu_chunk
*chunk, 
int i,int head,
int tail)

{

//若head、tail都不为0，则要添加两个map，有一个不为0则添加一个map

int nr_extra 
= !!head
+ !!tail;

BUG_ON(chunk->map_alloc
< chunk->map_used
+ nr_extra);

//首先将该当前要分割的map后边的数据拷贝

memmove(&chunk->map[i
+ nr_extra],
&chunk->map[i],sizeof(chunk->map[0])
* (chunk->map_used
- i));

chunk->map_used
+= nr_extra;//map数组的使用个数更新

//如果head不为0，则i+1的map项保存chunk->map[i]
- head的大小，当前的map保存head的大小

if (head)
{

chunk->map[i
+ 1] 
= chunk->map[i]
- head;

chunk->map[i++]
= head;

}

//如果tail不为0，将记录(chunk->map[i]
- head)大小的map项减去tail，即得到要分配size空间

//最后一个map保存剩余的tail大小

if (tail)
{

chunk->map[i++]
-= tail;//得到size空间大小的map项

chunk->map[i]
= tail;

}

}

五、结构图

参见附件