CPU masks

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2023-12-01

介绍

Cpumasks 是Linux内核提供的保存系统CPU信息的特殊方法。包含 Cpumasks 操作 API 相关的源码和头文件：

include/linux/cpumask.h
lib/cpumask.c
kernel/cpu.c

正如 include/linux/cpumask.h 注释：Cpumasks 提供了代表系统中 CPU 集合的位图，一位放置一个 CPU 序号。我们已经在 Kernel entry point 部分，函数 boot_cpu_init 中看到了一点 cpumask。这个函数将第一个启动的 cpu 上线、激活等等……

set_cpu_online(cpu, true);
set_cpu_active(cpu, true);
set_cpu_present(cpu, true);
set_cpu_possible(cpu, true);

set_cpu_possible 是一个在系统启动时任意时刻都可插入的 cpu ID 集合。cpu_present 代表了当前插入的 CPUs。cpu_online 是 cpu_present 的子集，表示可调度的 CPUs。这些掩码依赖于 CONFIG_HOTPLUG_CPU 配置选项，以及 possible == present 和 active == online 选项是否被禁用。这些函数的实现很相似，检测第二个参数，如果为 true，就调用 cpumask_set_cpu ，否则调用 cpumask_clear_cpu。

有两种方法创建 cpumask。第一种是用 cpumask_t。定义如下：

typedef struct cpumask { DECLARE_BITMAP(bits, NR_CPUS); } cpumask_t;

它封装了 cpumask 结构，其包含了一个位掩码 bits 字段。DECLARE_BITMAP 宏有两个参数：

bitmap name;
number of bits.

并以给定名称创建了一个 unsigned long 数组。它的实现非常简单：

#define DECLARE_BITMAP(name,bits) \
        unsigned long name[BITS_TO_LONGS(bits)]

其中 BITS_TO_LONGS：

#define BITS_TO_LONGS(nr)       DIV_ROUND_UP(nr, BITS_PER_BYTE * sizeof(long))
#define DIV_ROUND_UP(n,d) (((n) + (d) - 1) / (d))

因为我们专注于 x86_64 架构，unsigned long 是8字节大小，因此我们的数组仅包含一个元素：

(((8) + (8) - 1) / (8)) = 1

NR_CPUS 宏表示的是系统中 CPU 的数目，且依赖于在 include/linux/threads.h 中定义的 CONFIG_NR_CPUS 宏，看起来像这样：

#ifndef CONFIG_NR_CPUS
        #define CONFIG_NR_CPUS  1
#endif

#define NR_CPUS         CONFIG_NR_CPUS

第二种定义 cpumask 的方法是直接使用宏 DECLARE_BITMAP 和 to_cpumask 宏，后者将给定的位图转化为 struct cpumask *：

#define to_cpumask(bitmap)                                              \
        ((struct cpumask *)(1 ? (bitmap)                                \
                            : (void *)sizeof(__check_is_bitmap(bitmap))))

可以看到这里的三目运算符每次总是 true。__check_is_bitmap 内联函数定义为：

static inline int __check_is_bitmap(const unsigned long *bitmap)
{
        return 1;
}

每次都是返回 1。我们需要它只是因为：编译时检测一个给定的 bitmap 是一个位图，换句话说，它检测一个 bitmap 是否有 unsigned long * 类型。因此我们传递 cpu_possible_bits 给宏 to_cpumask ，将 unsigned long 数组转换为 struct cpumask *。

cpumask API

因为我们可以用其中一个方法来定义 cpumask，Linux 内核提供了 API 来处理 cpumask。我们来研究下其中一个函数，例如 set_cpu_online，这个函数有两个参数：

CPU 数目;
CPU 状态;

这个函数的实现如下所示：

void set_cpu_online(unsigned int cpu, bool online)
{
	if (online) {
		cpumask_set_cpu(cpu, to_cpumask(cpu_online_bits));
		cpumask_set_cpu(cpu, to_cpumask(cpu_active_bits));
	} else {
		cpumask_clear_cpu(cpu, to_cpumask(cpu_online_bits));
	}
}

该函数首先检测第二个 state 参数并调用依赖它的 cpumask_set_cpu 或 cpumask_clear_cpu。这里我们可以看到在中 cpumask_set_cpu 的第二个参数转换为 struct cpumask *。在我们的例子中是位图 cpu_online_bits，定义如下：

static DECLARE_BITMAP(cpu_online_bits, CONFIG_NR_CPUS) __read_mostly;

函数 cpumask_set_cpu 仅调用了一次 set_bit 函数：

static inline void cpumask_set_cpu(unsigned int cpu, struct cpumask *dstp)
{
        set_bit(cpumask_check(cpu), cpumask_bits(dstp));
}

set_bit 函数也有两个参数，设置了一个给定位（第一个参数）的内存（第二个参数或 cpu_online_bits 位图）。这儿我们可以看到在调用 set_bit 之前，它的两个参数会传递给

cpumask_check;
cpumask_bits.

让我们细看下这两个宏。第一个 cpumask_check 在我们的例子里没做任何事，只是返回了给的参数。第二个 cpumask_bits 只是返回了传入 struct cpumask * 结构的 bits 域。

#define cpumask_bits(maskp) ((maskp)->bits)

现在让我们看下 set_bit 的实现：

 static __always_inline void
 set_bit(long nr, volatile unsigned long *addr)
 {
         if (IS_IMMEDIATE(nr)) {
                asm volatile(LOCK_PREFIX "orb %1,%0"
                        : CONST_MASK_ADDR(nr, addr)
                        : "iq" ((u8)CONST_MASK(nr))
                        : "memory");
        } else {
                asm volatile(LOCK_PREFIX "bts %1,%0"
                        : BITOP_ADDR(addr) : "Ir" (nr) : "memory");
        }
 }

这个函数看着吓人，但它没有看起来那么难。首先传参 nr 或者说位数给 IS_IMMEDIATE 宏，该宏调用了 GCC 内联函数 __builtin_constant_p：

#define IS_IMMEDIATE(nr)    (__builtin_constant_p(nr))

__builtin_constant_p 检查给定参数是否编译时恒定变量。因为我们的 cpu 不是编译时恒定变量，将会执行 else 分支：

asm volatile(LOCK_PREFIX "bts %1,%0" : BITOP_ADDR(addr) : "Ir" (nr) : "memory");

让我们试着一步一步来理解它如何工作的：

LOCK_PREFIX 是个 x86 lock 指令。这个指令告诉 CPU 当指令执行时占据系统总线。这允许 CPU 同步内存访问，防止多核（或多设备 - 比如 DMA 控制器）并发访问同一个内存cell。

BITOP_ADDR 转换给定参数至 (*(volatile long *) 并且加了 +m 约束。+ 意味着这个操作数对于指令是可读写的。m 显示这是一个内存操作数。BITOP_ADDR 定义如下：

#define BITOP_ADDR(x) "+m" (*(volatile long *) (x))

接下来是 memory。它告诉编译器汇编代码执行内存读或写到某些项，而不是那些输入或输出操作数（例如，访问指向输出参数的内存）。

Ir - 寄存器操作数。

bts 指令设置一个位字符串的给定位，存储给定位的值到 CF 标志位。所以我们传递 cpu 号，我们的例子中为 0，给 set_bit 并且执行后，其设置了在 cpu_online_bits cpumask 中的 0 位。这意味着第一个 cpu 此时上线了。

当然，除了 set_cpu_* API 外，cpumask 提供了其它 cpumasks 操作的 API。让我们简短看下。

附加的 cpumask API

cpumaks 提供了一系列宏来得到不同状态 CPUs 序号。例如：

#define num_online_cpus()	cpumask_weight(cpu_online_mask)

这个宏返回了 online CPUs 数量。它读取 cpu_online_mask 位图并调用了 cpumask_weight 函数。cpumask_weight 函数使用两个参数调用了一次 bitmap_weight 函数：

cpumask bitmap;
nr_cpumask_bits - 在我们的例子中就是 NR_CPUS。

static inline unsigned int cpumask_weight(const struct cpumask *srcp)
{
	return bitmap_weight(cpumask_bits(srcp), nr_cpumask_bits);
}

并计算给定位图的位数。除了 num_online_cpus，cpumask还提供了所有 CPU 状态的宏：

num_possible_cpus;
num_active_cpus;
cpu_online;
cpu_possible.

等等。

除了 Linux 内核提供的下述操作 cpumask 的 API：

for_each_cpu - 遍历一个mask的所有 cpu;
for_each_cpu_not - 遍历所有补集的 cpu;
cpumask_clear_cpu - 清除一个 cpumask 的 cpu;
cpumask_test_cpu - 测试一个 mask 中的 cpu;
cpumask_setall - 设置 mask 的所有 cpu;
cpumask_size - 返回分配 'struct cpumask' 字节数大小;

还有很多。

链接

cpumask documentation