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RISC-V 缺失的 Linux 内核功能-Part2

nfk 创作于 2023/03/23

Corrector: TinyCorrect v0.1 - [urls pangu autocorrect epw] Author: 牛工 - 通天塔 985400330@qq.com Date: 2022/08/28 Revisor: Falcon falcon@ruma.tech; iOSDevLog iosdevlog@iosdevlog.com Project: RISC-V Linux 内核剖析 Proposal: Missing Features/Tools for RISC-V Sponsor: PLCT Lab, ISCAS

前言

上一篇文章对 RISC-V 架构下缺失的 Linux 内核功能进行了分析,现在 Linux 内核升级到 V6.0 之后,新增了一些 RISC-V 未能加入的功能,现进一步进行缺失功能的分析,希望能够帮助大家完善 RISC-V 缺失的功能。

cBPF-JIT (Kernel Feature)

  • 功能:

    BPF 全称 Berkeley Packet Filter

    BPF is a highly flexible and efficient virtual machine-like construct in the Linux kernel allowing to execute bytecode at various hook points in a safe manner. It is used in a number of Linux kernel subsystems, most prominently networking, tracing and security (e.g. sandboxing).

    BPF 是 Linux 内核中的一种高度灵活和高效的类虚拟机结构,允许以安全的方式在各种钩子点上执行字节码。它被用于许多 Linux 内核子系统中,最突出的是网络、跟踪和安全(例如沙箱)。

    以下引自 BPF 内核实现详解 - 知乎(zhihu.com)

    本质上它是一种内核代码注入的技术:

    内核中实现了一个 cBPF/eBPF 虚拟机;

    用户态可以用 C 来写运行的代码,再通过一个 Clang&LLVM 的编译器将 C 代码编译成 BPF 目标码;

    用户态通过系统调用 bpf() 将 BPF 目标码注入到内核当中;

    内核通过 JIT(Just-In-Time) 将 BPF 目编码转换成本地指令码;如果当前架构不支持 JIT 转换内核则会使用一个解析器(interpreter)来模拟运行,这种运行效率较低;

    内核在 packet filter 和 tracing 等应用中提供了一系列的钩子来运行 BPF 代码。

    BPF 分为 cBPF(经典 BPF)和 eBPF(扩展 BPF),当前缺失的是 cBPF。Classic BPF vs eBPF — The Linux Kernel documentation 文章中讲述了关于 cBPF 和 eBPF 的区别。

    状态

    • 社区提交 [[PATCH v9 bpf-next 8/9] bpf: introduce bpf_jit_binary_pack_[allocfinalizefree] - Song Liu (kernel.org)]002
    • ok: mips, powerpc, sparc
    • TODO: alpha, arc, arm arm64, csky, hexagon, ia64, loongarch, m68k, microblaze, nios2, openrisc, parisc riscv, s390, sh, um, x86 xtensa

    资料

cmpxchg-local(Kernel Feature)

  • 功能:

    HAVE_CMPXCHG_LOCAL

    arch supports the this_cpu_cmpxchg() API

    如果开启了 HAVE_CMPXCHG_LOCAL,架构将支持 this_cpu_cmpxchg() API。

    CMPXCHG 是一条汇编指令,意思是 “Compare and Exchange”,比较并且交换。

     // version:Linux 6.1-rc1
     // arch/x86/include/asm/cmpxchg.h
     /*
     * Atomic compare and exchange.  Compare OLD with MEM, if identical,
     * store NEW in MEM.  Return the initial value in MEM.  Success is
     * indicated by comparing RETURN with OLD.
     * 原子的比较和交换,比较旧的 MEM,如果完全相同,保存新的到 MEM 中,返回 MEM 的初始化值,
     * 通过比较返回值与旧的值判断是否成功。
     */
    #define __raw_cmpxchg(ptr, old, new, size, lock)                        \
    ({                                                                      \
            __typeof__(*(ptr)) __ret;                                       \
            __typeof__(*(ptr)) __old = (old);                               \
            __typeof__(*(ptr)) __new = (new);                               \
            switch (size) {                                                 \
            case __X86_CASE_B:                                              \
            {                                                               \
                    volatile u8 *__ptr = (volatile u8 *)(ptr);              \
                    asm volatile(lock "cmpxchgb %2,%1"                      \
                                 : "=a" (__ret), "+m" (*__ptr)              \
                                 : "q" (__new), "0" (__old)                 \
                                 : "memory");                               \
                    break;                                                  \
            }
            ...
    

    cmpxchg 主要是实现原子级别的比较和切换,在 x86 架构下,主要依赖于 cmpxchgb 指令,RISC-V 架构下也有相关的代码实现。

     // version:Linux 6.1-rc1
     // mm/vmstat.c
    #ifdef CONFIG_HAVE_CMPXCHG_LOCAL
    /*
     * If we have cmpxchg_local support then we do not need to incur the overhead
     * that comes with local_irq_save/restore if we use this_cpu_cmpxchg.
     * 如果我们支持 cmpxchg_local,并且使用 this_cpu_cmpxchg,
     * 我们将不会有 local_irq_save/restore 所带来的额外开销。
     *
     * mod_state() modifies the zone counter state through atomic per cpu
     * operations.
     * mod_state()通过每个 cpu 操作对区域计数器状态进行修改。
    
     * Overstep mode specifies how overstep should handled:
     *     0       No overstepping
     *     1       Overstepping half of threshold
     *     -1      Overstepping minus half of threshold
     *
     * Overstep 模式指定如何处理:
     * 0 不超过
     * 1 超过阈值的一半
     * -1 超过负一半的阈值
    */
    static inline void mod_zone_state(struct zone *zone,
           enum zone_stat_item item, long delta, int overstep_mode)
    {
            struct per_cpu_zonestat __percpu *pcp = zone->per_cpu_zonestats;
            s8 __percpu *p = pcp->vm_stat_diff + item;
            long o, n, t, z;
    
            do {
                    z = 0;  /* overflow to zone counters */
    ...
    

    通过以上代码及注释分析可知,cmpxchg-local 是基于 cmpxchg 的功能拓展,可以在多核的情况下,减少系统开销,提高运行效率。

    具体 cmpxchg_local 是怎么基于架构进行实现的需要进一步分析,感兴趣的大佬可以继续分析一下。

  • 状态
  • 资料

Avoiding retpolines with static calls(Kernel Feature)

该功能的历史:

  • 2018 年发现漏洞 Meltdown 和 Spectre
  • 谷歌提出 Retpolines 解决了这个安全问题,但引入了 4% 的性能影响。
  • 开发者们不断寻求解决方法:Relief for retpoline pain
  • 2020 年使用 static calls 方法避免使用 retpolines,性能影响降低至 1.6%:Avoiding retpolines with static calls

通过代码查询,可知 static_call 功能是架构相关的功能,当前仅在两个架构下进行了实现。

查询结果如下:

$ find arch -name "*static*call*"
arch/powerpc/include/asm/static_call.h
arch/powerpc/kernel/static_call.c
arch/x86/include/asm/static_call.h
arch/x86/kernel/static_call.c

文件中有较多的汇编代码,要分析清楚该部分功能,需要基于理解该功能引入时解决的问题,追溯该功能的历史。

小结

本文写了 3 个在 RISC-V 架构下缺失的 Linux 内核功能,其中 cBPF-JIT 和 cmpxchg-local 是在内核的 doc 文档中明确写出来了 TODO 任务的。Avoiding retpolines with static calls 功能是吴老师关注到的 RISC-V 架构下缺失的功能,该功能意义非常大,但适配的架构还非常少,后续我也会输出一些关于该功能的一些文章。

参考资料



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