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RISC-V jump_label 详解，第 5 部分：优化案例
Wu Zhangjin 创作于 2022/08/18
Author: Falcon falcon@tinylab.org Date: 2022/03/28 Project: RISC-V Linux 内核剖析 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS
背景简介
该系列已经连载 4 篇文章，旨在分析 RISC-V 架构上的 jump_label 实现。前面 4 篇已经系统地分析了其原理和实现，该篇继续结合 RISC-V 架构介绍实际使用 jump_label 的优化案例。
最近观察到，在 RISC-V Linux 邮件列表中，有一位名叫 Jisheng Zhang 的内核开发者提交了多笔采用 Static Branch 优化 RISC-V Linux 热点路径上的条件判断的 patch，本文直接基于相关 patch 进行介绍。
如果没有特别说明，本文以 Linux v5.17 为例。
RISC-V 处理器扩展
RISC-V 作为一种采用精简指令集的处理器架构，其特征是围绕核心指令集 RV32I/RV64I，通过一系列扩展来增强处理器的功能，不同厂家可以根据自身需要选择是否实现这些扩展。
这类 RISC-V 扩展要么存在要么不存在，这个状态其实是确定的，这种情况就特别适合用 Jump Label 来做优化，也就是把扩展存在与否的判断进行静态处理，转变为 Static Branch 的方式。
这类 RISC-V 扩展在很多路径上会存在，根据我们前期的 测试数据，优化的效果一定是可以预期的，当扩展数增加到一定程度，这种优化的效果会更为可观。
单独优化与统一优化
RISC-V 的扩展非常多，并且可能会以 “爆炸性” 的方式增长。早期 Jisheng Zhang 仅仅对 FPU 扩展的条件判断代码做了优化（已经合并进主线），他后面考虑复用性，重新改造了代码，以便轻松追加对其他扩展的支持，这部分目前已经通过了 Review，但是截止到 v5.19-rc6，还没有被合并进主线。
早期的 FPU 条件判断优化
通过早期的 FPU 优化能够非常直观明了的学习如何使用 Static Branch 来优化一个条件判断：
commit 37a7a2a10ec525a79d733008bc7fe4ebbca34382
Author: Jisheng Zhang <jszhang@kernel.org>
Date: Wed May 12 22:55:45 2021 +0800
riscv: Turn has_fpu into a static key if FPU=y
The has_fpu check sits at hot code path: switch_to(). Currently, has_fpu
is a bool variable if FPU=y, switch_to() checks it each time, we can
optimize out this check by turning the has_fpu into a static key.
Signed-off-by: Jisheng Zhang <jszhang@kernel.org>
Signed-off-by: Palmer Dabbelt <palmerdabbelt@google.com>
在优化之前，定义了一个 has_fpu 变量，默认为 0，并在检测到该扩展存在时置 true：
// arch/riscv/kernel/cpufeature.c
#ifdef CONFIG_FPU
bool has_fpu __read_mostly;
#endif
void riscv_fill_hwcap(void) {
...
#ifdef CONFIG_FPU
if (elf_hwcap & (COMPAT_HWCAP_ISA_F | COMPAT_HWCAP_ISA_D))
has_fpu = true;
#endif
}
然后在进程启动、进程切换、信号处理等位置都涉及对 FPU 扩展的判断，从而确定是否需要初始化、保存或恢复 FPU 寄存器，这些路径都是比较频繁执行的。
// arch/riscv/include/asm/switch_to.h
extern struct task_struct *__switch_to(struct task_struct *,
do { \
struct task_struct *__prev = (prev); \
struct task_struct *__next = (next); \
if (has_fpu) \
__switch_to_aux(__prev, __next); \
((last) = __switch_to(__prev, __next)); \
} while (0)
// arch/riscv/kernel/process.c
void start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long pc,
unsigned long sp)
{
regs->status = SR_PIE;
if (has_fpu) {
regs->status |= SR_FS_INITIAL;
/*
* Restore the initial value to the FP register
// arch/riscv/kernel/signal.c
static long restore_sigcontext(struct pt_regs *regs,
/* sc_regs is structured the same as the start of pt_regs */
err = __copy_from_user(regs, &sc->sc_regs, sizeof(sc->sc_regs));
/* Restore the floating-point state. */
if (has_fpu)
err |= restore_fp_state(regs, &sc->sc_fpregs);
return err;
}
static long setup_sigcontext(struct rt_sigframe __user *frame,
/* sc_regs is structured the same as the start of pt_regs */
err = __copy_to_user(&sc->sc_regs, regs, sizeof(sc->sc_regs));
/* Save the floating-point state. */
if (has_fpu)
err |= save_fp_state(regs, &sc->sc_fpregs);
return err;
}
通过上面的代码，可以看到 has_fpu 的判断都在进程切换、任务启动和信号处理这样的热点路径上，所以优化的必要性是很明显的。
接下来，看看如何做这块的优化。
首先是，把 has_fpu 替换为一个 Static Key 变量：
// arch/riscv/kernel/cpufeature.c: 21
#ifdef CONFIG_FPU
__ro_after_init DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(cpu_hwcap_fpu);
#endif
// arch/riscv/kernel/cpufeature.c: 62
void riscv_fill_hwcap(void) {
...
#ifdef CONFIG_FPU
if (elf_hwcap & (COMPAT_HWCAP_ISA_F | COMPAT_HWCAP_ISA_D))
static_branch_enable(&cpu_hwcap_fpu);
#endif
然后在 has_fpu 判断的地方全部用 static_branch_likely() 替代，变量 has_fpu 也被转为了宏：
// arch/riscv/include/asm/switch_to.h: 59
extern struct static_key_false cpu_hwcap_fpu;
static __always_inline bool has_fpu(void)
{
return static_branch_likely(&cpu_hwcap_fpu);
}
#else
static __always_inline bool has_fpu(void) { return false; }
这里用 static_branch_likely() 表示如果开启了 CONFIG_FPU 则大概率是存在 fpu 扩展的，好让编译器优化选取 fpu 存在时的那路分支。
最后一部分就是把所有的 has_fpu 变量判断替换为宏 has_fpu()变量：
$ grep "has_fpu()" -nur arch/riscv/
arch/riscv/include/asm/switch_to.h:78: if (has_fpu()) \
arch/riscv/kernel/process.c:90: if (has_fpu()) {
arch/riscv/kernel/signal.c:93: if (has_fpu())
arch/riscv/kernel/signal.c:146: if (has_fpu())
所有扩展通用的优化
考虑到 RISC-V 存在大量扩展的因素，Jisheng Zhang 又提交了一笔新的 riscv: introduce unified static key mechanism for ISA extensions，这笔 patchset 考虑了统一支持所有的扩展，并把 FPU 也纳入了新的 patchset，替换掉了早期的变更。
这个思路比较清晰，主要是在上一节的基础上把 Static key 扩充为了数组：
--- a/arch/riscv/kernel/cpufeature.c
+++ b/arch/riscv/kernel/cpufeature.c
@@ -24,6 +24,8 @@ static DECLARE_BITMAP(riscv_isa, RISCV_ISA_EXT_MAX) __read_mostly;
#ifdef CONFIG_FPU
__ro_after_init DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(cpu_hwcap_fpu);
#endif
+__ro_after_init DEFINE_STATIC_KEY_ARRAY_FALSE(riscv_isa_ext_keys, RISCV_ISA_EXT_KEY_MAX);
+EXPORT_SYMBOL(riscv_isa_ext_keys);
可以看到，主要是用到了 DEFINE_STATIC_KEY_ARRAY_FALSE，注意与之前的 DEFINE_STATIC_KEY_FALSE 的不同之处是，这里可以传入一个范围值 RISCV_ISA_EXT_KEY_MAX。
其中，RISCV_ISA_EXT_KEY_MAX 是一个枚举值：
--- a/arch/riscv/include/asm/hwcap.h
+++ b/arch/riscv/include/asm/hwcap.h
@@ -12,6 +12,7 @@
#include <uapi/asm/hwcap.h>
#ifndef __ASSEMBLY__
+#include <linux/jump_label.h>
/*
* This yields a mask that user programs can use to figure out what
* instruction set this cpu supports.
@@ -55,6 +56,16 @@ enum riscv_isa_ext_id {
RISCV_ISA_EXT_ID_MAX = RISCV_ISA_EXT_MAX,
};
+/*
+ * This enum represents the logical ID for each RISC-V ISA extension static
+ * keys. We can use static key to optimize code path if some ISA extensions
+ * are available.
+ */
+enum riscv_isa_ext_key {
+ RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU, /* For 'F' and 'D' */
+ RISCV_ISA_EXT_KEY_MAX,
+};
+
这个值会随着未来新引入的扩展自动递增，下一节我们会再看一个引入新的 RISC-V 扩展的例子。
之后就是如何根据 RISC-V 扩展来使能 Static Branch，即当某个 RISC-V 扩展存在时就使能 riscv_isa_ext_keys 数组中相应的元素。
这里有一个映射动作需要做，就是从 RISC-V 扩展对应的标志位（目前一般是直接从 dts 的 riscv,isa 节中读取出来并赋值到 riscv_isa bitmap 中）映射到 riscv_isa_ext_keys[] 数组的下标，即 riscv_isa_ext_key 类型的枚举值。
考虑到不同的 RISC-V 扩展可能会共享代码，这个映射存在多个 RISC-V 扩展共享同一个 Static Branch Key 的情况。比如说，如果检测到硬件有 F 或 D 扩展，都是对应到 RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU。
+extern struct static_key_false riscv_isa_ext_keys[RISCV_ISA_EXT_KEY_MAX];
+
+static __always_inline int riscv_isa_ext2key(int num)
+{
+ switch (num) {
+ case RISCV_ISA_EXT_f:
+ return RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU;
+ case RISCV_ISA_EXT_d:
+ return RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU;
+ default:
+ return -EINVAL;
+ }
+}
+
有了这个映射关系，就是去使能相关的 Static Branch 了：
index 1b2d42d7f589..89f886b35357 100644
--- a/arch/riscv/kernel/cpufeature.c
+++ b/arch/riscv/kernel/cpufeature.c
/**
* riscv_isa_extension_base() - Get base extension word
@@ -232,6 +234,11 @@ void __init riscv_fill_hwcap(void)
print_str[j++] = (char)('a' + i);
pr_info("riscv: ELF capabilities %s\n", print_str);
+ for_each_set_bit(i, riscv_isa, RISCV_ISA_EXT_MAX) {
+ j = riscv_isa_ext2key(i);
+ if (j >= 0)
+ static_branch_enable(&riscv_isa_ext_keys[j]);
+ }
j >= 0 表示找到了 RISC-V 扩展对应的枚举值（最小的是 0），如果相应的扩展还不支持，则返回的是 -EINVAL，就不会启用 Static Branch。
最后一部分，就是把早期的 FPU 优化替换为所有扩展通用的方式：
--- a/arch/riscv/include/asm/switch_to.h
+++ b/arch/riscv/include/asm/switch_to.h
@@ -8,6 +8,7 @@
#include <linux/jump_label.h>
#include <linux/sched/task_stack.h>
+#include <asm/hwcap.h>
#include <asm/processor.h>
#include <asm/ptrace.h>
#include <asm/csr.h>
@@ -56,10 +57,9 @@ static inline void __switch_to_aux(struct task_struct *prev,
fstate_restore(next, task_pt_regs(next));
}
-extern struct static_key_false cpu_hwcap_fpu;
static __always_inline bool has_fpu(void)
{
- return static_branch_likely(&cpu_hwcap_fpu);
+ return static_branch_likely(&riscv_isa_ext_keys[RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU]);
}
#else
最主要就是这个 has_fpu() 的判断改成对 &riscv_isa_ext_keys[RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU] 数组中元素的判断。另外一个是，把早期对 cpu_hwcap_fpu 的设定删除掉：
--- a/arch/riscv/kernel/cpufeature.c
+++ b/arch/riscv/kernel/cpufeature.c
@@ -21,9 +21,6 @@ unsigned long elf_hwcap __read_mostly;
/* Host ISA bitmap */
static DECLARE_BITMAP(riscv_isa, RISCV_ISA_EXT_MAX) __read_mostly;
-#ifdef CONFIG_FPU
-__ro_after_init DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(cpu_hwcap_fpu);
-#endif
__ro_after_init DEFINE_STATIC_KEY_ARRAY_FALSE(riscv_isa_ext_keys, RISCV_ISA_EXT_KEY_MAX);
EXPORT_SYMBOL(riscv_isa_ext_keys);
@@ -239,8 +236,4 @@ void __init riscv_fill_hwcap(void)
if (j >= 0)
static_branch_enable(&riscv_isa_ext_keys[j]);
}
-#ifdef CONFIG_FPU
- if (elf_hwcap & (COMPAT_HWCAP_ISA_F | COMPAT_HWCAP_ISA_D))
- static_branch_enable(&cpu_hwcap_fpu);
-#endif
新扩展如何直接启用优化
上面的 “统一优化” 方式已经全部通过了 Review，预计最迟会在 Linux v5.20 合入，最早可能会在 v5.19 的 rc7/rc8 合入，所以后续 RISC-V 扩展在增加内核支持时可以直接启用 Static Branch 优化。
咱们来看一个例子 arch/riscv: add Zihintpause support了。
扩展本身的支持代码咱们这里不做分析，主要是看看如何启用 Static Branch 优化。
首先是在 riscv_isa_ext_key 增加一个枚举值，以便扩充 Static Key 数组并获得一个下标。
--- a/arch/riscv/include/asm/hwcap.h
+++ b/arch/riscv/include/asm/hwcap.h
@@ -64,6 +66,7 @@ enum riscv_isa_ext_id {
*/
enum riscv_isa_ext_key {
RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU, /* For 'F' and 'D' */
+ RISCV_ISA_EXT_KEY_ZIHINTPAUSE,
RISCV_ISA_EXT_KEY_MAX,
};
接着在映射表里头，加上对应的扩展到 Static Key 数组下标的映射关系：
static __always_inline int riscv_isa_ext2key(int num)
return RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU;
case RISCV_ISA_EXT_d:
return RISCV_ISA_EXT_KEY_FPU;
+ case RISCV_ISA_EXT_ZIHINTPAUSE:
+ return RISCV_ISA_EXT_KEY_ZIHINTPAUSE;
default:
return -EINVAL;
}
最后就是在具体代码中启用 Static Branch 来做条件判断：
--- a/arch/riscv/include/asm/vdso/processor.h
+++ b/arch/riscv/include/asm/vdso/processor.h
@@ -4,15 +4,30 @@
#ifndef __ASSEMBLY__
+#include <linux/jump_label.h>
#include <asm/barrier.h>
+#include <asm/hwcap.h>
static inline void cpu_relax(void)
{
+ if (!static_branch_likely(&riscv_isa_ext_keys[RISCV_ISA_EXT_KEY_ZIHINTPAUSE])) {
如果用的地方比较多，想好看一点，可以类似 FPU 的 has_fpu()，可以定义一个 has_zihintpause() 宏，记得包含相应的头文件：jump_label.h 和 hwcap.h。
小结
本文结合 RISC-V Linux 内核中的多个实例详细分析了如何利用 Jump Label 即 Static Branch 来优化热点路径上的条件分支，非常适合内核或者驱动开发工程师作为使用 Jump Label 的必备资料。
对于 RISC-V 芯片公司的 Linux 内核开发人员，这篇文章会更具针对性，大家在为公司的处理器扩展增加代码时，一定不要忘记加几行代码顺手把低效的扩展判断代码给优化掉。
最后，我们也观察到 JiSheng 工程师还在继续针对 RISC-V Linux 内核进行 Static Branch 方面的优化，比如最近他正在优化 pgtable_l4_enabled 和 pgtable_l4_enabled。由于暂时无法确定这块相应的 SV48 and SV57 是否会作为 RISC-V 的扩展放到 dts 对应的 riscv,isa 中进行管理，所以，他是单独提交的。这份代码里头涉及一些小技巧，感兴趣可参考一下 [riscv: turn pgtable_l4 | [l5]_enabled to static key for RV64](https://lore.kernel.org/linux-riscv/20220716115059.3509-3-jszhang@kernel.org/)。 |
参考资料
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