内核必须懂(五): per-CPU变量


前言

之前内核必须懂(四): 撰写内核驱动说到了基础的驱动模块写法. 这次目标就是计算进入驱动ioctl或者其他某个驱动函数的次数. 当然, 你可能会觉得, 这弄个全局变量计数不就完了吗? 但是这里的要求是要并行进行访问, 所以统计的是多核多线程的访问次数. 是不是感觉没有那么简单了? 你可能会回答, 上锁, 那基本等于串行, 太low, 这里展示真正的并行访问与计数.


用户态代码

先来看下用户态代码:

#include <iostream>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <string>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 20 

// 文件描述符
int fd = 0;

// 多线程调用函数
void *pthread_fx( void *args ) {
    ioctl( fd, 1, 0 );
}

int main() {
    int ret = 0;
    
    // 打开文件
    if((fd = open("/dev/hellodr", O_RDWR)) < 0) {
        cerr << strerror(errno) << endl;
        return -1;
    }

    // 开启多线程
    pthread_t tids[NUM_THREADS];
    for ( int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i ) {
        ret = pthread_create( &tids[i], NULL, pthread_fx, NULL );
        if ( ret != 0 ) {
            printf( "pthread_create error: error_code = %d\n", ret );
        }
    }

    // 回收线程资源
    for ( int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i ) {
        pthread_join(tids[i], NULL);
    }

    // 关闭文件
    close( fd );
    
    return 0;
}

这里就是开20个线程调用驱动的ioctl函数. 没什么要说的.


驱动代码

是依据上一次的内容内核必须懂(四): 撰写内核驱动扩展的, 变化基本在DriverCloseDriverIOControl两个函数中.

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>

#define    MAJOR_NUM    231
#define    DEVICE_NAME  "hellodr"

DEFINE_PER_CPU( long, gUsage ) = 0;

int DriverOpen( struct inode *pslINode, struct file *pslFileStruct )
{
    printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME " hello open.\n" );
    return(0);
}


ssize_t DriverWrite( struct file *pslFileStruct, const char __user *pBuffer, size_t nCount, loff_t *pOffset )
{
    printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME " hello write.\n" );
    return(0);
}


int DriverClose( struct inode *pslINode, struct file *pslFileStruct )
{
    int     i       = 0;
    unsigned long   ulBaseAddr  = 0;
    unsigned long   ulOffset    = 0;
    long        *pUsage     = NULL;
    long        usageSum    = 0;

    ulOffset = (unsigned long) (&gUsage);
    for_each_online_cpu( i )
    {
        ulBaseAddr  = __per_cpu_offset[i];
        pUsage      = (long *) (ulBaseAddr + ulOffset);
        usageSum    += (*pUsage);
        printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME " pUsage = %lx, *pUsage = %ld\n", (unsigned long) pUsage, *pUsage );
    }
    printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME " %ld\n", usageSum );

    return(0);
}


long DriverIOControl( struct file *pslFileStruct, unsigned int uiCmd, unsigned long ulArg )
{
    long *pUsage = NULL;
    /* printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME ": pUsage = 0x%lx %lx %ld", (unsigned long) pUsage, (unsigned long) (&gUsage), (*pUsage) ); */
    preempt_disable();
    pUsage = this_cpu_ptr( (long *) (&gUsage) );
    (*pUsage)++;
    preempt_enable();
    return(0);
}


struct file_operations hello_flops = {
    .owner      = THIS_MODULE,
    .open       = DriverOpen,
    .write      = DriverWrite,
    .release    = DriverClose,
    .unlocked_ioctl = DriverIOControl
};

static int __init hello_init( void )
{
    int ret;

    ret = register_chrdev( MAJOR_NUM, DEVICE_NAME, &hello_flops );
    if ( ret < 0 )
    {
        printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME " can't register major number.\n" );
        return(ret);
    }
    printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME " initialized.\n" );
    return(0);
}


static void __exit hello_exit( void )
{
    printk( KERN_ALERT DEVICE_NAME " removed.\n" );
    unregister_chrdev( MAJOR_NUM, DEVICE_NAME );
}


module_init( hello_init );
module_exit( hello_exit );
MODULE_LICENSE( "GPL" );
MODULE_AUTHOR( "Sean Depp" );

per-CPU变量

但是在说代码之前, 要说一下per-CPU变量 变量, 也就是DEFINE_PER_CPU( long, gUsage ) = 0;这一行. 可以先看看这篇文章这篇文章, 简单来说就是在单cpu环境下生效的变量. 那你可能会说, 我就一个核啊, 岂不是没用了, 但是这是相对于虚拟cpu来说的, 也就是说, 如果你是4核8线程, 就可以同时有8个这样的per-CPU变量生效. 正因为有这样的变量, 计数变得非常简单, 只需要统计每个cpu中的这个变量即可. 还有个问题需要解决, 那就是获取每个cpu的基地址, 这里又有一个宏for_each_online_cpu(), 只需要给个变量即可循环输出活跃的cpu了. 宏真是好东西哦~


关闭抢占

多核情况下, 就还有一个问题, 抢占. 当然了, 这里的代码简单, 不关闭抢占大多数情况下也不会出错, 但是情况复杂的话, 出错概率就会大大提高, 甚至你不知道怎么错的. 而且这可是内核, 错了往往十分致命.

preempt_disable();
pUsage = this_cpu_ptr( (long *) (&gUsage) );
(*pUsage)++;
preempt_enable();

这里还有一个宏this_cpu_ptr, 获取per cpu变量的线性地址. 这是操作系统的知识了, 我就不多说了, 自行google咯. 那我来说一下, 为什么要关闭抢占. 试想一下, 获取到地址之后, 正打算++操作, 结果中断抢占, 到了另一个核, 之前的地址就对不上了, 这时候进行++操作就完全不对了. 所以为了不发生这样的问题, 就需要关闭抢占, 当然, 关闭中断也行, 但是中断对操作系统影响太大了, 不推荐.


演示

说了这么多, 万一演示不出来, 就没有任何意义, 所以跑下程序. 编译生成.ko, .out这些不多说了, mknod上篇文章内核必须懂(四): 撰写内核驱动也说了. 这里补充一下, 看到了警告, 这是缺了个库, 最直接的解决方案就是, 安装这个库之后, 重编译内核. 否则其他方案都过于麻烦.

image.png

这里看到有8个cpu, 因为这是4核8线程的cpu, 然后一共跑了20次, 每个核跑的次数也可以看到. 所以, 实验成功.

image.png


最后

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