per-CPU变量
为什么需要per-CPU变量
假设系统中有4个cpu， 同时有一个变量在各个CPU之间是共享的，每个cpu都有访问该变量的权限。
当cpu1在改变变量v的值的时候，cpu2也需要改变变量v的值。这时候就会导致变量v的值不正确。这时候机智的你就会说，在cpu1访问变量v的时候可以使用原子操作加锁，cpu2访问变量v的时候需要等待。可是机智的是否考虑过加锁对性能的影响，原子操作对cpu是极耗cpu的。
再考虑一种情况，现在高速的cpu都带有高速缓冲cache。它介于cpu和主存之间，主要作用是加快cpu的访问速度。因为主存的访问速度相比cpu读写比较慢，在之间引入cache之后，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。
比如cpu1对变量v操作子后，变量v的值就发生了变化。而cpu2, cpu3, cpu4的cache中的值还是以前的值，所以这时候就需要将cpu2, cpu3, cpu4的cache中的值变为无效的，当cpu2读取变量v的时候就需要从内存中读取v。所以当某一个cpu对共享数据v做操作后，比较对其余的cache做无效操作，这也是对性能有所损耗的。
所以，就引入了per-cpu变量。
什么是per-CPU变量
per-CPU变量是linux系统一个非常有趣的特性，它为系统中的每个处理器都分配了该变量的副本。这样做的好处是，在多处理器系统中，当处理器操作属于它的变量副本时，不需要考虑与其他处理器的竞争的问题，同时该副本还可以充分利用处理器本地的硬件缓冲cache来提供访问速度。
per-CPU按照存储变量的空间来源分为静态per-CPU变量和动态per-CPU变量，前者的存储空间是在代码编译时静态分配的，而后者的存储空间则是在代码的执行期间动态分配的。
静态per-CPU变量声明和定义
声明DECLARE_PER_CPU宏：
<include/linux/percpu-defs.h>
----------------------------------------------------------------
#define DECLARE_PER_CPU(type, name) \
DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")
#define DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec) \
extern __PCPU_ATTRS(sec) __typeof__(type) name
#define __PCPU_ATTRS(sec) \
__percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec))) \
PER_CPU_ATTRIBUTES<include/asm-generic/percpu.h>
-----------------------------------------------------
#ifndef PER_CPU_BASE_SECTION
#ifdef CONFIG_SMP
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
#else
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data"
#endif
#endif对上的宏定义DECLARE_PER_CPU使用例子： DECLARE_PER_CPU(int, val)来详细说明。
DECLARE_PER_CPUT(int, val)
-> DECLARE_PER_CPU_SECTION(int, val, "")
-> extern __PCPU_ATTRS("") __typeof__(int) val
-> extern __percpu __attribute__((section(".data..percpu"))) int val从上面的分析可以看出，该宏在源代码中声明了__percpu int val变量，该变量放在一个名为”.data..percpu”的section中。
定义DEFINE_PER_CPU宏：
<include/linux/percpu-defs.h>
----------------------------------------------------------------
#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
#ifndef PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES
#define PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES
#endif对以上DEFINE_PER_CPU依然使用DEFINE_PER_CPU(int, val)做举例说明：
DEFINE_PER_CPU(int, val)
-> DEFINE_PER_CPU_SECTION(int, val, "")
->__PCPU_ATTRS("") __typeof__(int) val
-> __percpu __attribute__((section(".data..percpu"))) int val可以看到，相比与DECLARE_PER_CPU，DEFINE_PER_CPU只是去掉了变量前面的extern, 所以使用DEFINE_PER_CPU(int,val)将会在源码中定义一个变量：
__percpu __attribute__((section(".data..percpu"))) int val以下是per-CPU所有的形式的声明和定义：
声明和定义 | 解释 |
|---|---|
DECALRE_PER_CPU(type, name)/DEFINE_PER_CPU(type, name) | 普通的per-CPU声明和定义 |
DECLARE_PER_CPU_FIRST(type, name)/DEFINE_PER_CPU_FIRST(type, name) | 该per-CPU变量会在整个serction的最前面，所谓的first |
DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(type, name)/DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(type, name) | 该per-CPU在SMP系统下会对齐到cache line,在UP系统下不需要对齐 |
DECLARE_PER_CPU_ALIGNED(type, name)/DEFINE_PER_CPU_ALIGNED(type, name) | 在SMP和UP系统都对齐到cache line |
DECLARE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name)/DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name) | 该per-CPU变量必须页对齐 |
DECLARE_PER_CPU_READ_MOSTLY(type, name)/DEFINE_PER_CPU_READ_MOSTLY(type, name) | 该per-CPU变量必须是read mostly |
静态per-CPU变量的链接脚本
在上一节per-CPU变量的声明和定义中，可以看到最后的变量都是存在一个”.data..percpu”段中。
. = ALIGN((1 << 12));
.data..percpu : AT(ADDR(.data..percpu) - 0)
{
__per_cpu_load = .;
__per_cpu_start = .;
*(.data..percpu..first) . = ALIGN((1 << 12));
*(.data..percpu..page_aligned) . = ALIGN(64);
*(.data..percpu..read_mostly) . = ALIGN(64);
*(.data..percpu)
*(.data..percpu..shared_aligned)
__per_cpu_end = .;
}可见，内核在编译链接的时候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两个变量表示该section的起始和结束地址。
动态分配per-CPU变量
- 分配函数
#define alloc_percpu(type) \
(typeof(type) __percpu *)__alloc_percpu(sizeof(type), \
__alignof__(type))根据类型type，分配per-CPU变量
- 释放函数
void free_percpu(void __percpu *ptr)释放ptr所指向的per-CPU变量。
使用静态per-CPU变量
因为per-CPU不能像一般的变量那样访问，必须使用内核提供的函数：
#define get_cpu_var(var) \
(*({ \
preempt_disable(); \
this_cpu_ptr(&var); \
}))
#define put_cpu_var(var) \
do { \
(void)&(var); \
preempt_enable(); \
} while (0)因为在get_cpu_var函数中关掉了抢占，所以在put_cpu_var中需要开启抢占。显然get函数和put函数需要匹配使用。 机智的你可能会问，为什么还需要关闭抢占，因为对于per-CPU来说已经是单处理器了。但是机智的你没有想到的是，在cpu访问per-CPU的时候，突然系统发生了一次紧急抢占，这时候cpu还在处理per-CPU变量，一旦被抢占了cpu资源，可能当前进程会换出处理器。所以关闭抢走还是必要的。
如果需要访问其他处理器的副本，可以使用函数per_cpu(var, cpu)
#define per_cpu(var, cpu) (*per_cpu_ptr(&(var), cpu))使用动态per-CPU变量
#define get_cpu_ptr(var) \
({ \
preempt_disable(); \
this_cpu_ptr(var); \
})
#define put_cpu_ptr(var) \
do { \
(void)(var); \
preempt_enable(); \
} while (0)
#define per_cpu_ptr(ptr, cpu) ({ (void)(cpu); VERIFY_PERCPU_PTR(ptr); })以上get_cpu_ptr和put_cpu_ptr是在有抢占的情况下，需要关闭抢占使用。 而per_cpu_ptr(ptr, cpu)是根据per cpu变量的地址和cpu number，返回指定CPU number上该per cpu变量的地址。