Per-cpu 变量
Per-cpu 变量是一项内核特性。从它的名字你就可以理解这项特性的意义了。我们可以创建一个变量，然后每个 CPU 上都会有一个此变量的拷贝。本节我们来看下这个特性，并试着去理解它是如何实现以及工作的。
内核提供了一个创建 per-cpu 变量的 API - DEFINE_PER_CPU 宏：
#define DEFINE_PER_CPU(type, name) \
DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, "")
正如其它许多处理 per-cpu 变量的宏一样，这个宏定义在 include/linux/percpu-defs.h 中。现在我们来看下这个特性是如何实现的。
看下 DECLARE_PER_CPU 的定义，可以看到它使用了 2 个参数：type 和 name，因此我们可以这样创建 per-cpu 变量：
DEFINE_PER_CPU(int, per_cpu_n)
我们传入要创建变量的类型和名字，DEFINE_PER_CPU 调用 DEFINE_PER_CPU_SECTION，将两个参数和空字符串传递给后者。让我们来看下 DEFINE_PER_CPU_SECTION 的定义：
#define DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec) \
__PCPU_ATTRS(sec) PER_CPU_DEF_ATTRIBUTES \
__typeof__(type) name
#define __PCPU_ATTRS(sec) \
__percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec))) \
PER_CPU_ATTRIBUTES
其中 section 是:
#define PER_CPU_BASE_SECTION ".data..percpu"
当所有的宏展开之后，我们得到一个全局的 per-cpu 变量：
__attribute__((section(".data..percpu"))) int per_cpu_n
这意味着我们在 .data..percpu 段有了一个 per_cpu_n 变量，可以在 vmlinux 中找到它：
.data..percpu 00013a58 0000000000000000 0000000001a5c000 00e00000 2**12
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
好，现在我们知道了，当我们使用 DEFINE_PER_CPU 宏时，一个在 .data..percpu 段中的 per-cpu 变量就被创建了。内核初始化时，调用 setup_per_cpu_areas 函数多次加载 .data..percpu 段，每个 CPU 一次。
让我们来看下 per-cpu 区域初始化流程。它从 init/main.c 中调用 setup_per_cpu_areas 函数开始，这个函数定义在 arch/x86/kernel/setup_percpu.c 中。
pr_info("NR_CPUS:%d nr_cpumask_bits:%d nr_cpu_ids:%d nr_node_ids:%d\n",
NR_CPUS, nr_cpumask_bits, nr_cpu_ids, nr_node_ids);
setup_per_cpu_areas 开始输出在内核配置中以 CONFIG_NR_CPUS 配置项设置的最大 CPUs 数，实际的 CPU 个数，nr_cpumask_bits（对于新的 cpumask 操作来说和 NR_CPUS 是一样的），还有 NUMA 节点个数。
我们可以在 dmesg 中看到这些输出：
$ dmesg | grep percpu
[ 0.000000] setup_percpu: NR_CPUS:8 nr_cpumask_bits:8 nr_cpu_ids:8 nr_node_ids:1
然后我们检查 per-cpu 第一个块分配器。所有的 per-cpu 区域都是以块进行分配的。第一个块用于静态 per-cpu 变量。Linux 内核提供了决定第一个块分配器类型的命令行：percpu_alloc 。我们可以在内核文档中读到它的说明。
percpu_alloc= 选择要使用哪个 per-cpu 第一个块分配器。
当前支持的类型是 "embed" 和 "page"。
不同架构支持这些类型的子集或不支持。
更多分配器的细节参考 mm/percpu.c 中的注释。
这个参数主要是为了调试和性能比较的。
mm/percpu.c 包含了这个命令行选项的处理函数：
early_param("percpu_alloc", percpu_alloc_setup);
其中 percpu_alloc_setup 函数根据 percpu_alloc 参数值设置 pcpu_chosen_fc 变量。默认第一个块分配器是 auto：
enum pcpu_fc pcpu_chosen_fc __initdata = PCPU_FC_AUTO;
如果内核命令行中没有设置 percpu_alloc 参数，就会使用 embed 分配器，将第一个 per-cpu 块嵌入进带 memblock 的 bootmem。最后一个分配器和第一个块 page 分配器一样，只是将第一个块使用 PAGE_SIZE 页进行了映射。
如我上面所写，首先我们在 setup_per_cpu_areas 中对第一个块分配器检查，检查到第一个块分配器不是 page 分配器：
if (pcpu_chosen_fc != PCPU_FC_PAGE) {
...
...
...
}
如果不是 PCPU_FC_PAGE，我们就使用 embed 分配器并使用 pcpu_embed_first_chunk 函数分配第一块空间。
rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_FIRST_CHUNK_RESERVE,
dyn_size, atom_size,
pcpu_cpu_distance,
pcpu_fc_alloc, pcpu_fc_free);
如前所述，函数 pcpu_embed_first_chunk 将第一个 per-cpu 块嵌入 bootmen，因此我们传递一些参数给 pcpu_embed_first_chunk。参数如下：
PERCPU_FIRST_CHUNK_RESERVE- 为静态变量per-cpu保留空间的大小；dyn_size- 动态分配的最少空闲字节；atom_size- 所有的分配都是这个的整数倍，并以此对齐；pcpu_cpu_distance- 决定 cpus 距离的回调函数；pcpu_fc_alloc- 分配percpu页的函数；pcpu_fc_free- 释放percpu页的函数。
在调用 pcpu_embed_first_chunk 前我们计算好所有的参数：
const size_t dyn_size = PERCPU_MODULE_RESERVE + PERCPU_DYNAMIC_RESERVE - PERCPU_FIRST_CHUNK_RESERVE;
size_t atom_size;
#ifdef CONFIG_X86_64
atom_size = PMD_SIZE;
#else
atom_size = PAGE_SIZE;
#endif
如果第一个块分配器是 PCPU_FC_PAGE，我们用 pcpu_page_first_chunk 而不是 pcpu_embed_first_chunk。 per-cpu 区域准备好以后，我们用 setup_percpu_segment 函数设置 per-cpu 的偏移和段（只针对 x86 系统），并将前面的数据从数组移到 per-cpu 变量（x86_cpu_to_apicid, irq_stack_ptr 等等）。当内核完成初始化进程后，我们就有了N个 .data..percpu 段，其中 N 是 CPU 个数，bootstrap 进程使用的段将会包含用 DEFINE_PER_CPU 宏创建的未初始化的变量。
内核提供了操作 per-cpu 变量的API：
- get_cpu_var(var)
- put_cpu_var(var)
让我们来看看 get_cpu_var 的实现：
#define get_cpu_var(var) \
(*({ \
preempt_disable(); \
this_cpu_ptr(&var); \
}))
Linux 内核是抢占式的，获取 per-cpu 变量需要我们知道内核运行在哪个处理器上。因此访问 per-cpu 变量时，当前代码不能被抢占，不能移到其它的 CPU。如我们所见，这就是为什么首先调用 preempt_disable 函数然后调用 this_cpu_ptr 宏，像这样：
#define this_cpu_ptr(ptr) raw_cpu_ptr(ptr)
以及
#define raw_cpu_ptr(ptr) per_cpu_ptr(ptr, 0)
per_cpu_ptr 返回一个指向给定 CPU（第 2 个参数） per-cpu 变量的指针。当我们创建了一个 per-cpu 变量并对其进行了修改时，我们必须调用 put_cpu_var 宏通过函数 preempt_enable 使能抢占。因此典型的 per-cpu 变量的使用如下：
get_cpu_var(var);
...
//用这个 'var' 做些啥
...
put_cpu_var(var);
让我们来看下这个 per_cpu_ptr 宏：
#define per_cpu_ptr(ptr, cpu) \
({ \
__verify_pcpu_ptr(ptr); \
SHIFT_PERCPU_PTR((ptr), per_cpu_offset((cpu))); \
})
就像我们上面写的，这个宏返回了一个给定 cpu 的 per-cpu 变量。首先它调用了 __verify_pcpu_ptr：
#define __verify_pcpu_ptr(ptr)
do {
const void __percpu *__vpp_verify = (typeof((ptr) + 0))NULL;
(void)__vpp_verify;
} while (0)
该宏声明了 ptr 类型的 const void __percpu *。
之后，我们可以看到带两个参数的 SHIFT_PERCPU_PTR 宏的调用。第一个参数是我们的指针，第二个参数是传给 per_cpu_offset 宏的CPU数：
#define per_cpu_offset(x) (__per_cpu_offset[x])
该宏将 x 扩展为 __per_cpu_offset 数组：
extern unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS];
其中 NR_CPUS 是 CPU 的数目。__per_cpu_offset 数组以 CPU 变量拷贝之间的距离填充。例如，所有 per-cpu 变量是 X 字节大小，所以我们通过 __per_cpu_offset[Y] 就可以访问 X*Y。让我们来看下 SHIFT_PERCPU_PTR 的实现：
#define SHIFT_PERCPU_PTR(__p, __offset) \
RELOC_HIDE((typeof(*(__p)) __kernel __force *)(__p), (__offset))
RELOC_HIDE 只是取得偏移量 (typeof(ptr)) (__ptr + (off))，并返回一个指向该变量的指针。
就这些了！当然这不是全部的 API，只是一个大概。开头是比较艰难，但是理解 per-cpu 变量你只需理解 include/linux/percpu-defs.h 的奥秘。
让我们再看下获得 per-cpu 变量指针的算法：
- 内核在初始化流程中创建多个
.data..percpu段（一个 per-cpu 变量一个）； - 所有
DEFINE_PER_CPU宏创建的变量都将重新分配到首个扇区或者 CPU0； __per_cpu_offset数组以 (BOOT_PERCPU_OFFSET) 和.data..percpu扇区之间的距离填充；- 当
per_cpu_ptr被调用时，例如取一个 per-cpu 变量的第三个 CPU 的指针，将访问__per_cpu_offset数组，该数组的索引指向了所需 CPU。
就这么多了。