Documentation/translations/zh_CN/core-api/this_cpu_ops.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
   2
   3 .. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst
   4
   5 :Original: Documentation/core-api/this_cpu_ops.rst
   6
   7 :翻译:
   8
   9  周彬彬 Binbin Zhou <zhoubinbin@loongson.cn>
  10
  11 :校译:
  12
  13  吴想成 Wu Xiangcheng <bobwxc@email.cn>
  14
  15 ============
  16 this_cpu操作
  17 ============
  18
  19 :作者: Christoph Lameter, 2014年8月4日
  20 :作者: Pranith Kumar, 2014年8月2日
  21
  22 this_cpu操作是一种优化访问与当前执行处理器相关的每CPU变量的方法。这是通过使用段寄
  23 存器（或专用寄存器，cpu在其中永久存储特定处理器的每CPU区域的起始）来完成的。
  24
  25 this_cpu操作将每CPU变量的偏移量添加到处理器特定的每CPU基址上，并将该操作编码到对
  26 每CPU变量进行操作的指令中。
  27
  28 这意味着在偏移量的计算和对数据的操作之间不存在原子性问题。因此，没有必要禁用抢占
  29 或中断来确保处理器在计算地址和数据操作之间不被改变。
  30
  31 读取-修改-写入操作特别值得关注。通常处理器具有特殊的低延迟指令，可以在没有典型同
  32 步开销的情况下运行，但仍提供某种宽松的原子性保证。例如，x86可以执行RMW（读取，
  33 修改，写入）指令，如同inc/dec/cmpxchg，而无需锁前缀和相关的延迟损失。
  34
  35 对没有锁前缀的变量的访问是不同步的，也不需要同步，因为我们处理的是当前执行的处理
  36 器所特有的每CPU数据。只有当前的处理器可以访问该变量，因此系统中的其他处理器不存在
  37 并发性问题。
  38
  39 请注意，远程处理器对每CPU区域的访问是特殊情况，可能会影响通过 ``this_cpu_*`` 的本
  40 地RMW操作的性能和正确性（远程写操作）。
  41
  42 this_cpu操作的主要用途是优化计数器操作。
  43
  44 定义了以下具有隐含抢占保护的this_cpu()操作。可以使用这些操作而不用担心抢占和中断::
  45
  46         this_cpu_read(pcp)
  47         this_cpu_write(pcp, val)
  48         this_cpu_add(pcp, val)
  49         this_cpu_and(pcp, val)
  50         this_cpu_or(pcp, val)
  51         this_cpu_add_return(pcp, val)
  52         this_cpu_xchg(pcp, nval)
  53         this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
  54         this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
  55         this_cpu_sub(pcp, val)
  56         this_cpu_inc(pcp)
  57         this_cpu_dec(pcp)
  58         this_cpu_sub_return(pcp, val)
  59         this_cpu_inc_return(pcp)
  60         this_cpu_dec_return(pcp)
  61
  62
  63 this_cpu操作的内部工作
  64 ----------------------
  65
  66 在x86上，fs:或gs:段寄存器包含每CPU区域的基址。这样就可以简单地使用段覆盖，将每CPU
  67 相对地址重定位到处理器适当的每CPU区域。所以对每CPU基址的重定位是通过段寄存器前缀
  68 在指令中编码完成的。
  69
  70 例如::
  71
  72         DEFINE_PER_CPU(int, x);
  73         int z;
  74
  75         z = this_cpu_read(x);
  76
  77 产生的单指令为::
  78
  79         mov ax, gs:[x]
  80
  81 而不是像每CPU操作那样，先是一系列的地址计算，然后从该地址获取。在this_cpu_ops之前，
  82 这样的序列还需要先禁用/启用抢占功能，以防止内核在计算过程中将线程移动到不同的处理
  83 器上。
  84
  85 请思考下面this_cpu操作::
  86
  87         this_cpu_inc(x)
  88
  89 这将产生如下单指令（无锁前缀！）::
  90
  91         inc gs:[x]
  92
  93 而不是在没有段寄存器的情况下所需要的以下操作::
  94
  95         int *y;
  96         int cpu;
  97
  98         cpu = get_cpu();
  99         y = per_cpu_ptr(&x, cpu);
 100         (*y)++;
 101         put_cpu();
 102
 103 请注意，这些操作只能用于为特定处理器保留的每CPU数据。如果不在上下文代码中禁用抢占，
 104 ``this_cpu_inc()`` 将仅保证每CPU的某一个计数器被正确地递增，但不能保证操作系统不
 105 会在this_cpu指令执行的前后直接移动该进程。一般来说，这意味着每个处理器的单个计数
 106 器的值是没有意义的。所有每CPU计数器的总和才是唯一有意义的值。
 107
 108 每CPU变量的使用是出于性能的考虑。如果多个处理器同时处理相同的代码路径，可以避免缓
 109 存行跳转。每个处理器都有自己的每CPU变量，因此不会发生并发缓存行更新。为这种优化必
 110 须付出的代价是，当需要计数器的值时要将每CPU计数器相加。
 111
 112
 113 特殊的操作
 114 ----------
 115
 116 ::
 117
 118         y = this_cpu_ptr(&x)
 119
 120 使用每CPU变量的偏移量(&x!)，并返回属于当前执行处理器的每CPU变量的地址。
 121 ``this_cpu_ptr`` 避免了通用 ``get_cpu``/``put_cpu`` 序列所需的多个步骤。没有可用
 122 的处理器编号。相反，本地每CPU区域的偏移量只是简单地添加到每CPU偏移量上。
 123
 124 请注意，这个操作通常是在抢占被禁用后再在代码段中使用。然后该指针用来访问临界区中
 125 的本地每CPU数据。当重新启用抢占时，此指针通常不再有用，因为它可能不再指向当前处理
 126 器的每CPU数据。
 127
 128 每CPU变量和偏移量
 129 -----------------
 130
 131 每CPU变量相对于每CPU区域的起始点是有偏移的。它们没有地址，尽管代码里看起来像有一
 132 样。不能直接对偏移量解引用，必须用处理器每CPU区域基指针加上偏移量，以构成有效地址。
 133
 134 因此，在每CPU操作的上下文之外使用x或&x是无效的，这种行为通常会被当作一个空指针的
 135 解引用来处理。
 136
 137 ::
 138
 139         DEFINE_PER_CPU(int, x);
 140
 141 在每CPU操作的上下文中，上面表达式说明x是一个每CPU变量。大多数this_cpu操作都需要一
 142 个cpu变量。
 143
 144 ::
 145
 146         int __percpu *p = &x;
 147
 148 &x和p是每CPU变量的偏移量。 ``this_cpu_ptr()`` 使用每CPU变量的偏移量，这让它看起来
 149 有点奇怪。
 150
 151
 152 每CPU结构体字段的操作
 153 ---------------------
 154
 155 假设我们有一个每CPU结构::
 156
 157         struct s {
 158                 int n,m;
 159         };
 160
 161         DEFINE_PER_CPU(struct s, p);
 162
 163
 164 这些字段的操作非常简单::
 165
 166         this_cpu_inc(p.m)
 167
 168         z = this_cpu_cmpxchg(p.m, 0, 1);
 169
 170
 171 如果我们有一个相对于结构体s的偏移量::
 172
 173         struct s __percpu *ps = &p;
 174
 175         this_cpu_dec(ps->m);
 176
 177         z = this_cpu_inc_return(ps->n);
 178
 179
 180 如果我们后面不使用 ``this_cpu ops`` 来操作字段，则指针的计算可能需要使用
 181 ``this_cpu_ptr()``::
 182
 183         struct s *pp;
 184
 185         pp = this_cpu_ptr(&p);
 186
 187         pp->m--;
 188
 189         z = pp->n++;
 190
 191
 192 this_cpu ops的变体
 193 ------------------
 194
 195 this_cpu的操作是中断安全的。一些架构不支持这些每CPU的本地操作。在这种情况下，该操
 196 作必须被禁用中断的代码所取代，然后做那些保证是原子的操作，再重新启用中断。当然这
 197 样做是很昂贵的。如果有其他原因导致调度器不能改变我们正在执行的处理器，那么就没有
 198 理由禁用中断了。为此，我们提供了以下__this_cpu操作。
 199
 200 这些操作不能保证并发中断或抢占。如果在中断上下文中不使用每CPU变量并且调度程序无法
 201 抢占，那么它们是安全的。如果在操作进行时仍有中断发生，并且中断也修改了变量，则无
 202 法保证RMW操作是安全的::
 203
 204         __this_cpu_read(pcp)
 205         __this_cpu_write(pcp, val)
 206         __this_cpu_add(pcp, val)
 207         __this_cpu_and(pcp, val)
 208         __this_cpu_or(pcp, val)
 209         __this_cpu_add_return(pcp, val)
 210         __this_cpu_xchg(pcp, nval)
 211         __this_cpu_cmpxchg(pcp, oval, nval)
 212         __this_cpu_cmpxchg_double(pcp1, pcp2, oval1, oval2, nval1, nval2)
 213         __this_cpu_sub(pcp, val)
 214         __this_cpu_inc(pcp)
 215         __this_cpu_dec(pcp)
 216         __this_cpu_sub_return(pcp, val)
 217         __this_cpu_inc_return(pcp)
 218         __this_cpu_dec_return(pcp)
 219
 220
 221 将增加x，并且不会回退到在无法通过地址重定位和同一指令中的读取-修改-写入操作实现原
 222 子性的平台上禁用中断的代码。
 223
 224
 225 &this_cpu_ptr(pp)->n 对比 this_cpu_ptr(&pp->n)
 226 ----------------------------------------------
 227
 228 第一个操作使用偏移量并形成一个地址，然后再加上n字段的偏移量。这可能会导致编译器产
 229 生两条加法指令。
 230
 231 第二个操作先加上两个偏移量，然后进行重定位。恕我直言，第二种形式看起来更干净，而
 232 且更容易与 ``()`` 结合。第二种形式也与 ``this_cpu_read()`` 和大家的使用方式一致。
 233
 234
 235 远程访问每CPU数据
 236 -----------------
 237
 238 每CPU数据结构被设计为由一个CPU独占使用。如果您按预期使用变量，则 ``this_cpu_ops()``
 239 保证是 ``原子的`` ，因为没有其他CPU可以访问这些数据结构。
 240
 241 在某些特殊情况下，您可能需要远程访问每CPU数据结构。通常情况下，进行远程读访问是安
 242 全的，这经常是为了统计计数器值。远程写访问可能会出现问题，因为this_cpu操作没有锁
 243 语义。远程写可能会干扰this_cpu RMW操作。
 244
 245 除非绝对必要，否则强烈建议不要对每CPU数据结构进行远程写访问。请考虑使用IPI来唤醒
 246 远程CPU，并对其每CPU区域进行更新。
 247
 248 要远程访问每CPU数据结构，通常使用 ``per_cpu_ptr()`` 函数::
 249
 250
 251         DEFINE_PER_CPU(struct data, datap);
 252
 253         struct data *p = per_cpu_ptr(&datap, cpu);
 254
 255 这清楚地表明，我们正准备远程访问每CPU区域。
 256
 257 您还可以执行以下操作以将datap偏移量转换为地址::
 258
 259         struct data *p = this_cpu_ptr(&datap);
 260
 261 但是，将通过this_cpu_ptr计算的指针传递给其他cpu是不寻常的，应该避免。
 262
 263 远程访问通常只用于读取另一个cpu的每CPU数据状态。由于this_cpu操作宽松的同步要求，
 264 写访问可能会导致奇特的问题。
 265
 266 下面的情况说明了写入操作的一些问题，由于两个每CPU变量共享一个缓存行，但宽松的同步
 267 仅应用于更新缓存行的一个进程。
 268
 269 考虑以下示例::
 270
 271
 272         struct test {
 273                 atomic_t a;
 274                 int b;
 275         };
 276
 277         DEFINE_PER_CPU(struct test, onecacheline);
 278
 279 如果一个处理器远程更新字段 ``a`` ，而本地处理器将使用this_cpu ops来更新字段 ``b`` ，
 280 会发生什么情况，这一点值得注意。应避免在同一缓存行内同时访问数据。此外，可能还需
 281 要进行代价高昂的同步。在这种情况下，通常建议使用IPI，而不是远程写入另一个处理器的
 282 每CPU区域。
 283
 284 即使在远程写很少的情况下，请记住远程写将从最有可能访问它的处理器中逐出缓存行。如
 285 果处理器唤醒时发现每CPU区域缺少本地缓存行，其性能和唤醒时间将受到影响。