一张图看懂Linux内核中Percpu变量的实现

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ithorizon 6个月前 (10-15) 阅读数 23 #Linux

一张图看懂Linux内核中Percpu变量的实现

在Linux内核中，`percpu`（Per-CPU）变量是一种特殊的变量类型，它允许每个CPU核心拥有该变量的自主副本。这种设计促使每个CPU核心可以自主访问和修改自己的变量副本，从而减成本时间了多核处理器的性能和效能。本文将通过一张图和相应的解释来帮助读者领会Linux内核中`percpu`变量的实现。

什么是Percpu变量

在多核处理器系统中，不同的CPU核心大概同时执行不同的任务，这就需要每个核心能够自主地访问和操作数据。传统的全局变量或静态变量在所有CPU核心之间是共享的，这意味着当一个核心修改这些变量时，其他核心也大概同时访问它们，这大概促使数据竞争和竞态条件。为了解决这个问题，Linux内核引入了`percpu`变量。

`percpu`变量确保每个CPU核心都有一个自己的变量副本，这样每个核心就可以自主操作自己的数据，而不会彼此干扰。

实现原理

Linux内核中`percpu`变量的实现首要依赖性于两种数据结构：`percpu_head_t`和`percpu_array_t`。

- `percpu_head_t`：这是一个链表头，用于管理所有CPU核心的`percpu`变量。

- `percpu_array_t`：这是一个数组，每个元素都是一个指向CPU核心的`percpu`变量的指针。

下面是一个简化的实现示例：

struct percpu_head_t {

struct cpu_header *heads[CPU_COUNT];

};

struct percpu_array_t {

struct cpu_header *array[CPU_COUNT];

};

struct cpu_header {

struct percpu_array_t array;

// 其他CPU核心相关的信息

};

每个`cpu_header`结构体包含一个`percpu_array_t`，该数组中的每个元素都指向一个`percpu`变量。当需要为每个CPU核心创建一个`percpu`变量时，可以通过以下步骤实现：

1. 创建一个`percpu_head_t`结构体，用于管理所有CPU核心的`percpu`变量。

2. 遍历所有CPU核心，为每个核心创建一个`cpu_header`结构体，并将其添加到`percpu_head_t`的链表中。

3. 为每个`cpu_header`的`percpu_array_t`分配空间，并初始化每个元素，使其指向相应的`percpu`变量。

使用示例

以下是一个易懂的`percpu`变量使用示例：

#define CPU_COUNT 4

struct my_percpu {

int value;

};

static struct percpu_head_t my_head;

static int __init init_my_percpu(void) {

int i;

// 初始化percpu_head_t

init_percpu_head(&my_head);

// 遍历所有CPU核心

for (i = 0; i < CPU_COUNT; i++) {

// 为每个CPU核心创建一个my_percpu变量

struct my_percpu *my_pcpu = percpu_alloc(&my_head, sizeof(struct my_percpu));

if (!my_pcpu)

return -ENOMEM;

// 初始化变量

my_pcpu->value = i;

}

return 0;

}

module_init(init_my_percpu);

module_exit(cleanup_my_percpu);

在上面的示例中，我们首先定义了一个`my_percpu`结构体，它包含一个整型变量`value`。然后，我们创建了一个`percpu_head_t`结构体`my_head`，用于管理所有CPU核心的`my_percpu`变量。在`init_my_percpu`函数中，我们为每个CPU核心分配了一个`my_percpu`变量，并初始化了它的`value`。