____cacheline_aligned_in_smp用於linux中的結構

Question

爲什麼在Linux中，許多結構使用____cacheline_aligned_in_smp宏？它是否有助於在訪問結構時提高性能？如果是，那麼如何？

Answer 1

任何緩存（dcache或icache）中的每個緩存行都是64字節（x86）體系結構。需要高速緩存對齊以避免高速緩存行的虛假分頁。如果全局變量之間共享高速緩存行（在內核中發生更多）如果其中一個全局變量被其高速緩存中的一個處理器更改，那麼它將該高速緩存行標記爲髒。在剩餘的CPU cahce行中，它變成陳舊的條目。哪些需要刷新並從內存中重新獲取。這可能會導致緩存行未命中。這需要更多的CPU週期。這降低了系統的性能。請記住這是針對golabl變量的。大多數內核數據結構使用這種方法來避免緩存行未命中。

Answer 2

Linux以與TLB非常相似的方式管理CPU緩存。像TLB緩存一樣，CPU緩存利用了這樣一個事實，即程序往往表現出一個參考的地方。爲了避免爲每個引用從主內存中獲取數據，CPU將緩存CPU緩存中非常少量的數據。通常，有兩個級別稱爲級別1和級別2 CPU高速緩存。二級CPU緩存較大，但比一級緩存慢，但Linux只關心一級或一級緩存。

CPU高速緩存被組織成行。每行通常很小，通常是32個字節，每行對齊到它的邊界大小。換句話說，32字節的高速緩存行將在32字節地址上對齊。使用Linux時，該行的大小爲每個體系結構定義的L1_CACHE_BYTES。

地址如何映射到高速緩存行結構之間不同，但都映射在三個標題下，直接映射，關聯映射和組相聯映射。直接映射是最簡單的方法，其中每個內存塊只映射到一個可能的緩存行。通過關聯映射，任何內存塊都可以映射到任何緩存行。集合關聯映射是一種混合方法，其中任何內存塊都可映射到任何行，但只能映射到可用行的子集內。

無論映射方案如何，它們每個都有一個共同點，那些靠近在一起並與高速緩存大小對齊的地址可能使用不同的行。因此，Linux的採用簡單的技巧，試圖最大限度地提高緩存使用率

• 經常訪問的結構域是在 結構，以增加只有一行是需要 地址的共同領域的機會的開始;
• 結構中不相關的項目應該嘗試 至少爲高速緩存大小字節，以避免 CPU之間的虛假共享;
• 一般高速緩存中的對象（如mm_struct高速緩存）爲 ，與L1 CPU高速緩存對齊以避免錯誤共享。

如果CPU引用不在高速緩存中的地址，則會發生高速緩存未命中並從主內存中獲取數據。高速緩存未命中的成本相當高，因爲對高速緩存的引用通常可以在小於10ns內執行，其中對主存儲器的引用通常將花費在100ns和200ns之間。基本目標是儘可能多的緩存命中和儘可能少的緩存未命中。

正如一些體系結構不會自動管理它們的TLB一樣，有些不會自動管理它們的CPU高速緩存。掛鉤放置在虛擬到物理映射更改的位置，例如在頁面表更新期間。 CPU高速緩存刷新應始終首先發生，因爲某些CPU在虛擬地址從高速緩存刷新時需要存在虛擬物理映射。

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Answer 3

____cacheline_aligned指示編譯器實例化在對應於L1高速緩存行的開頭的地址的結構或變量，對於特定的體系結構，即，使得它是L1高速緩存線對齊。 ____cacheline_aligned_in_smp是類似的，但實際上只有在內核以SMP配置編譯時（即，使用選項CONFIG_SMP）進行L1高速緩存行對齊。這些定義在文件include/linux/cache.h中。

這些定義對於未通過某個分配器動態分配，而是通過全局編譯器分配的變量進行分配的變量（和數據結構）很有用（類似的效果可以可以通過動態內存分配器完成，這些內存分配器可以按特定的對齊方式分配內存）

緩存行對齊變量的原因是在SMP系統中通過硬件緩存一致性機制來管理這些變量的緩存到緩存傳輸，以便在移動其他變量時不會隱含地發生它們的移動。這是針對性能嚴重的代碼，其中人們期望爭用多個cpus（核心）訪問變量。在這種情況下，人們試圖避免的常見問題是虛假分享。

從緩存行開始處開始的變量內存是此目的的一半;一個也需要「包裝它」只有應該一起移動的變量。一個例子是一個變量數組，數組的每個元素是由只有一個CPU（核心）來訪問：

struct my_data { 
    long int a; 
    int b; 
} ____cacheline_aligned_in_smp cpu_data[ NR_CPUS ]; 

這種定義的將需要從編譯器（在內核的SMP配置）每個cpu的結構將從緩存線邊界開始。編譯器會隱式地在每個cpu的結構之後分配額外的空間，以便下一個cpu的結構也將從高速緩存行邊界開始。

一種替代方法是墊的數據結構與虛設的高速緩存行的大小，未使用的字節：

struct my_data { 
    long int a; 
    int b; 
    char dummy[L1_CACHE_BYTES]; 
} cpu_data[ NR_CPUS ]; 

在這種情況下，只有虛設的，未使用的數據將被無意地移動，並且那些實際上由每個CPU訪問由於緩存容量未命中，將只從緩存移到內存，反之亦然。