静态键
警告
- 已弃用的API：
直接使用'struct static_key'现在已经被弃用。此外，static_key_{true,false}()也已经被弃用。请勿使用以下内容：
struct static_key false = STATIC_KEY_INIT_FALSE; struct static_key true = STATIC_KEY_INIT_TRUE; static_key_true() static_key_false()
- 更新后的API替代方案如下：
DEFINE_STATIC_KEY_TRUE(key); DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(key); DEFINE_STATIC_KEY_ARRAY_TRUE(keys, count); DEFINE_STATIC_KEY_ARRAY_FALSE(keys, count); static_branch_likely() static_branch_unlikely()
摘要
静态键允许在性能敏感的快速路径内核代码中包含很少使用的功能，通过GCC特性和代码修补技术实现。以下是一个快速示例：
DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(key); ... if (static_branch_unlikely(&key)) 执行不太可能的代码 else 执行可能的代码 ... static_branch_enable(&key); ... static_branch_disable(&key); ...
static_branch_unlikely()分支将以对可能代码路径的最小影响生成到代码中。
动机
目前，跟踪点是使用条件分支实现的。条件检查需要为每个跟踪点检查一个全局变量。尽管此检查的开销很小，但当内存缓存承受压力时（这些全局变量的内存缓存行可能与其他内存访问共享），开销会增加。随着内核中跟踪点数量的增加，这种开销可能变得更加严重。此外，跟踪点通常处于休眠状态（禁用），并且不提供直接的内核功能。因此，尽量减少它们的影响是非常可取的。虽然跟踪点是这项工作的最初动机，但其他内核代码路径应该能够利用静态键功能。
解决方案
gcc（v4.5）添加了一个新的'asm goto'语句，允许跳转到一个标签：
https://gcc.gnu.org/ml/gcc-patches/2009-07/msg01556.html
使用'asm goto'，我们可以创建默认情况下被执行或不被执行的分支，而无需检查内存。然后，在运行时，我们可以修补分支位置以改变分支方向。
例如，如果我们有一个默认情况下被禁用的简单分支：
if (static_branch_unlikely(&key)) printk("I am the true branch\n");
因此，默认情况下不会发出'printk'。生成的代码将由一个单独的原子'no-op'指令（在x86上为5个字节）组成，位于直线代码路径中。当分支被'翻转'时，我们将在直线代码路径中的'no-op'修补为一个'jump'指令，以跳转到离线的真分支。因此，改变分支方向是昂贵的，但分支选择基本上是'免费'的。这是这种优化的基本权衡。
这种低级修补机制称为'跳转标签修补'，它为静态键功能提供了基础。
静态键标签API、用法和示例
为了利用这种优化，您首先必须定义一个键：
DEFINE_STATIC_KEY_TRUE(key);
或者：
DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(key);
键必须是全局的，即不能在堆栈上分配或在运行时动态分配。
然后，在代码中使用该键：
if (static_branch_unlikely(&key)) 执行不太可能的代码 else 执行可能的代码
或者：
if (static_branch_likely(&key)) 执行可能的代码 else 执行不太可能的代码
通过DEFINE_STATIC_KEY_TRUE()或DEFINE_STATIC_KEY_FALSE定义的键可以在static_branch_likely()或static_branch_unlikely()语句中使用。
可以通过以下方式将分支设置为true：
static_branch_enable(&key);
或通过以下方式将分支设置为false：
static_branch_disable(&key);
然后，可以通过引用计数切换分支：
static_branch_inc(&key); ... static_branch_dec(&key);
因此，'static_branch_inc()'表示'使分支为true'，'static_branch_dec()'表示'使分支为false'，并进行适当的引用计数。例如，如果键初始化为true，则static_branch_dec()将将分支切换为false。然后，随后的static_branch_inc()将分支改回true。同样，如果键初始化为false，则'static_branch_inc()'将分支改为true。然后，'static_branch_dec()'将再次使分支为false。
可以使用'static_key_enabled()'和'static_key_count()'获取状态和引用计数。通常情况下，如果使用这些函数，应该使用与启用/禁用或增加/减少函数相同的互斥锁进行保护。
请注意，切换分支会导致一些锁被获取，特别是CPU热插拔锁（为了避免内核在修补期间引入CPU时发生竞争）。因此，在热插拔通知器中调用静态键API肯定会导致死锁。为了仍然允许使用该功能，提供了以下函数：
static_key_enable_cpuslocked() static_key_disable_cpuslocked() static_branch_enable_cpuslocked() static_branch_disable_cpuslocked()
这些函数不是通用的，只能在确切知道自己处于上述上下文且没有其他上下文时使用。
如果需要一个键的数组，可以定义为：
DEFINE_STATIC_KEY_ARRAY_TRUE(keys, count);
或者：
DEFINE_STATIC_KEY_ARRAY_FALSE(keys, count);
架构级代码修补接口，'跳转标签'
为了利用这种优化，架构必须实现一些函数和宏。如果没有架构支持，我们将简单地回退到传统的加载、测试和跳转序列。此外，struct jump_entry表的对齐方式必须至少为4字节，因为static_key->entry字段使用了最低的两个有效位。
- 选择HAVE_ARCH_JUMP_LABEL，
参见：arch/x86/Kconfig
- define JUMP_LABEL_NOP_SIZE，
参见：arch/x86/include/asm/jump_label.h
- __always_inline bool arch_static_branch(struct static_key *key, bool branch),
参见：arch/x86/include/asm/jump_label.h
- __always_inline bool arch_static_branch_jump(struct static_key *key, bool branch),
参见：arch/x86/include/asm/jump_label.h
- void arch_jump_label_transform(struct jump_entry *entry, enum jump_label_type type),
参见：arch/x86/kernel/jump_label.c
- struct jump_entry，
参见：arch/x86/include/asm/jump_label.h
静态密钥/跳转标签分析结果（x86_64）：
举个例子，让我们给'getppid()'添加以下分支，使得系统调用看起来像这样：
SYSCALL_DEFINE0(getppid) { int pid; + if (static_branch_unlikely(&key)) + printk("我是真分支\n"); rcu_read_lock(); pid = task_tgid_vnr(rcu_dereference(current->real_parent)); rcu_read_unlock(); return pid; }
GCC生成的带有跳转标签的结果指令是：
ffffffff81044290 <sys_getppid>: ffffffff81044290: 55 push %rbp ffffffff81044291: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp ffffffff81044294: e9 00 00 00 00 jmpq ffffffff81044299 <sys_getppid+0x9> ffffffff81044299: 65 48 8b 04 25 c0 b6 mov %gs:0xb6c0,%rax ffffffff810442a0: 00 00 ffffffff810442a2: 48 8b 80 80 02 00 00 mov 0x280(%rax),%rax ffffffff810442a9: 48 8b 80 b0 02 00 00 mov 0x2b0(%rax),%rax ffffffff810442b0: 48 8b b8 e8 02 00 00 mov 0x2e8(%rax),%rdi ffffffff810442b7: e8 f4 d9 00 00 callq ffffffff81051cb0 <pid_vnr> ffffffff810442bc: 5d pop %rbp ffffffff810442bd: 48 98 cltq ffffffff810442bf: c3 retq ffffffff810442c0: 48 c7 c7 e3 54 98 81 mov $0xffffffff819854e3,%rdi ffffffff810442c7: 31 c0 xor %eax,%eax ffffffff810442c9: e8 71 13 6d 00 callq ffffffff8171563f <printk> ffffffff810442ce: eb c9 jmp ffffffff81044299 <sys_getppid+0x9>
没有跳转标签优化的情况下，看起来像：
ffffffff810441f0 <sys_getppid>: ffffffff810441f0: 8b 05 8a 52 d8 00 mov 0xd8528a(%rip),%eax # ffffffff81dc9480 <key> ffffffff810441f6: 55 push %rbp ffffffff810441f7: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp ffffffff810441fa: 85 c0 test %eax,%eax ffffffff810441fc: 75 27 jne ffffffff81044225 <sys_getppid+0x35> ffffffff810441fe: 65 48 8b 04 25 c0 b6 mov %gs:0xb6c0,%rax ffffffff81044205: 00 00 ffffffff81044207: 48 8b 80 80 02 00 00 mov 0x280(%rax),%rax ffffffff8104420e: 48 8b 80 b0 02 00 00 mov 0x2b0(%rax),%rax ffffffff81044215: 48 8b b8 e8 02 00 00 mov 0x2e8(%rax),%rdi ffffffff8104421c: e8 2f da 00 00 callq ffffffff81051c50 <pid_vnr> ffffffff81044221: 5d pop %rbp ffffffff81044222: 48 98 cltq ffffffff81044224: c3 retq ffffffff81044225: 48 c7 c7 13 53 98 81 mov $0xffffffff81985313,%rdi ffffffff8104422c: 31 c0 xor %eax,%eax ffffffff8104422e: e8 60 0f 6d 00 callq ffffffff81715193 <printk> ffffffff81044233: eb c9 jmp ffffffff810441fe <sys_getppid+0xe> ffffffff81044235: 66 66 2e 0f 1f 84 00 data32 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1) ffffffff8104423c: 00 00 00 00
因此，禁用跳转标签的情况下，相比于使用跳转标签的情况，会增加一个'mov'、'test'和'jne'指令，而使用跳转标签的情况下只有一个'no-op'或'jmp 0'指令。（'jmp 0'在启动时被修补为一个5字节的原子no-op指令。）因此，禁用跳转标签的情况下增加了：
6（mov）+ 2（test）+ 2（jne）= 10 - 5（5字节跳转0）= 5个额外字节。
如果我们考虑填充字节，跳转标签代码节省了16个指令内存字节。在这种情况下，不使用跳转标签的函数长度为80字节。因此，我们节省了20%的指令占用空间。实际上，我们甚至可以进一步改进，因为5字节的no-op实际上可以是2字节的no-op，因为我们可以用2字节的jmp到达分支。然而，我们还没有实现最佳的no-op大小（它们目前是硬编码的）。
由于调度程序路径中存在许多静态密钥API用法，可以使用'pipe-test'（也称为'perf bench sched pipe'）来显示性能改进。在3.3.0-rc2上进行的测试如下：
禁用跳转标签：
执行'bash -c /tmp/pipe-test'的性能计数器统计（50次运行）：
Performance counter stats for 'bash -c /tmp/pipe-test' (50 runs): 855.700314 task-clock # 0.534 CPUs utilized ( +- 0.11% ) 200,003 context-switches # 0.234 M/sec ( +- 0.00% ) 0 CPU-migrations # 0.000 M/sec ( +- 39.58% ) 487 page-faults # 0.001 M/sec ( +- 0.02% ) 1,474,374,262 cycles # 1.723 GHz ( +- 0.17% ) <not supported> stalled-cycles-frontend <not supported> stalled-cycles-backend 1,178,049,567 instructions # 0.80 insns per cycle ( +- 0.06% ) 208,368,926 branches # 243.507 M/sec ( +- 0.06% ) 5,569,188 branch-misses # 2.67% of all branches ( +- 0.54% ) 1.601607384 seconds time elapsed ( +- 0.07% )
启用跳转标签：
执行'bash -c /tmp/pipe-test'的性能计数器统计（50次运行）：
Performance counter stats for 'bash -c /tmp/pipe-test' (50 runs): 841.043185 task-clock # 0.533 CPUs utilized ( +- 0.12% ) 200,004 context-switches # 0.238 M/sec ( +- 0.00% ) 0 CPU-migrations # 0.000 M/sec ( +- 40.87% ) 487 page-faults # 0.001 M/sec ( +- 0.05% ) 1,432,559,428 cycles # 1.703 GHz ( +- 0.18% ) <not supported> stalled-cycles-frontend <not supported> stalled-cycles-backend 1,175,363,994 instructions # 0.82 insns per cycle ( +- 0.04% ) 206,859,359 branches # 245.956 M/sec ( +- 0.04% ) 4,884,119 branch-misses # 2.36% of all branches ( +- 0.85% ) 1.579384366 seconds time elapsed
节省的分支百分比为0.7%，我们在'branch-misses'上节省了12%。这正是我们期望获得最大节省的地方，因为这种优化是为了减少分支的数量。此外，我们在指令上节省了0.2%，在周期上节省了2.8%，在经过时间上节省了1.4%。
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