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cpu_hotplug.md

File metadata and controls

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CPU 热插拔

命令行开关

  • maxcpus=n 限制启动时的 CPU 为 n 个。例如,如果你有四个CPU,使用 maxcpus=2 将只能启动两个。你可以选择稍后让其他 CPU 上线。
  • nr_cpus=n 限制内核将支持的 CPU 总量。如果这里提供的数量低于实际可用的 CPU 数量,那么其他 CPU 以后就不能上线了。
  • possible_cpus=n 这个选项设置 cpu_possible_mask 中的 possible_cpus 位。这个选项只限于 X86 和 S390 架构。
  • cpu0_hotplug 允许关闭 CPU0。这个选项只限于 X86 架构。

CPU 位图

  • 不需要操作任何系统的 CPU 映射。在大多数情况下,它们应该是只读的。
  • 当设置每个 CPU 资源时,几乎总是使用 cpu_possible_maskfor_each_possible_cpu() 来进行迭代。
  • for_each_cpu() 可以用来迭代一个自定义的 CPU 掩码。
  • 不要使用 cpumask_t 以外的任何东西来表示 CPU 的位图。

cpu_possible_mask

  • 系统中可能可用 CPU 的位图。
  • 这是用来为 per_cpu 变量分配一些启动时的内存,这些变量不会随着 CPU 的可用或移除而增加/减少。
  • 一旦在启动时的发现阶段被设置,该映射就是静态的,也就是说,任何时候都不会增加或删除任何位。根据你的系统需求提前准确地调整它可以节省一些启动时的内存。

cpu_online_mask

  • 当前在线的所有 CPU 的位图。
  • 在一个 CPU 可用于内核调度并准备接收设备的中断后,它在 __cpu_up() 中被设置。
  • 当使用 __cpu_disable() 关闭一个 CPU 时,它被清空,在此之前,所有的操作系统服务包括中断都被迁移到另一个目标 CPU。

cpu_present_mask

  • 系统中当前存在的 CPU 的位图。它们并非全部在线。
  • 当物理热插拔被相关的子系统 (如ACPI)处理时,可以改变和添加新的位或从位图中删除,这取决于事件是 hot-add/hot-remove。目前还没有定死规定。
  • 典型的用法是在启动时启动拓扑结构,这时热插拔被禁用。

使用 CPU 热插拔

  • 内核选项 CONFIG_HOTPLUG_CPU 需要被启用。它目前可用于多种架构,包括ARM、MIPS、 PowerPC和X86。配置是通过 sysfs 接口完成的:
$ ls -lh /sys/devices/system/cpu
total 0
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu0
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu1
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu2
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu3
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu4
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu5
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu6
drwxr-xr-x  9 root root    0 Dec 21 16:33 cpu7
drwxr-xr-x  2 root root    0 Dec 21 16:33 hotplug
-r--r--r--  1 root root 4.0K Dec 21 16:33 offline
-r--r--r--  1 root root 4.0K Dec 21 16:33 online
-r--r--r--  1 root root 4.0K Dec 21 16:33 possible
-r--r--r--  1 root root 4.0K Dec 21 16:33 present
  • 文件 offlineonlinepossiblepresent 代表 CPU 掩码。
  • 每个 CPU 文件夹包含一个 online 文件,控制逻辑上的开(1)和关(0)状态。
  • 例如,要在逻辑上关闭 CPU4:
$ echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu4/online
 smpboot: CPU 4 is now offline
  • 一旦 CPU 被关闭,它将从 /proc/interrupts/proc/cpuinfo 中被删除,也不应该被 top 命令显示出来。
  • 例如,要让 CPU4 重新上线:
$ echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu4/online
smpboot: Booting Node 0 Processor 4 APIC 0x1
  • CPU4 又可以使用了。
  • 这应该对所有的 CPU 都有效。CPU0 通常比较特殊,被排除在 CPU 热插拔之外。
  • 在 X86 上,内核选项 CONFIG_BOOTPARAM_HOTPLUG_CPU0 必须被启用,以便能够关闭 CPU0。或者,可以使用内核命令选项 cpu0_hotplug
  • CPU0 的一些已知的依赖性:
    • 从休眠/暂停中恢复。如果 CPU0 处于离线状态,休眠/暂停将失败。
    • PIC 中断。如果检测到 PIC 中断,CPU0 就不能被移除。

CPU 热拔插 API

CPU 热插拔状态机

  • CPU 热插拔使用一个从 CPUHP_OFFLINECPUHP_ONLINE 的线性状态空间的普通状态机。每个状态都有一个 startupteardown 回调。
  • 当一个 CPU 上线时,将按顺序调用 startup 回调,直到达到 CPUHP_ONLINE 状态。
    • 当设置状态的回调或将实例添加到多实例状态时,也可以调用它们。
  • 当一个 CPU 下线时,将按相反的顺序依次调用 teardown 回调,直到达到 CPUHP_OFFLINE 状态。
    • 当删除状态的回调或从多实例状态中删除实例时,也可以调用它们。
  • 如果某个使用场景只需要一个方向的热插拔操作回调(CPU 上线或 CPU 下线),则在设置状态时,可以将另一个不需要的回调设置为 NULL
  • 状态空间被划分成三个阶段:

PREPARE 阶段

  • PREPARE 阶段涵盖了从 CPUHP_OFFLINECPUHP_BRINGUP_CPU 之间的状态空间。
  • 在该阶段中,startup 回调在 CPU 上线操作启动 CPU 之前被调用,teardown 回调在 CPU 下线操作使 CPU 功能失效之后被调用。
  • 这些回调是在 控制 CPU 上调用的,因为它们显然不能在热插拔的 CPU 上运行,此时热插拔的 CPU 要么还没有启动,要么已经功能失效。
  • startup 回调用于设置 CPU 成功上线所需要的资源。teardown 回调用于释放资源或在热插拔的 CPU 功能失效后,将待处理的工作转移到在线的 CPU 上。
  • 允许 startup 回调失败。如果回调失败,CPU 上线操作被中止,CPU 将再次被降到之前的状态(通常是 CPUHP_OFFLINE)。
  • 本阶段中的 teardown 回调不允许失败。

STARTING 阶段

  • STARTING 阶段涵盖了 CPUHP_BRINGUP_CPU + 1CPUHP_AP_ONLINE 之间的状态空间。
  • 该阶段中的 startup 回调是在早期 CPU 设置代码中的 CPU 上线操作期间,禁用中断的情况下在热插拔的 CPU 上被调用。
  • teardown 回调是在 CPU 完全关闭前不久的 CPU 下线操作期间,禁用中断的情况下在热插拔的 CPU 上被调用。
  • 该阶段中的回调不允许失败。
  • 回调用于低级别的硬件初始化/关机和核心子系统。

ONLINE 阶段

  • ONLINE 阶段涵盖了 CPUHP_AP_ONLINE + 1CPUHP_ONLINE 之间的状态空间。
  • 该阶段中的 startup 回调是在 CPU 上线时在热插拔的 CPU上调用的。
  • teardown 回调是在 CPU 下线操作时在热插拔 CPU 上调用的。
  • 回调是在每个 CPU 热插拔线程的上下文中调用的,该线程绑定在热插拔的CPU上。
  • 回调是在启用中断和抢占的情况下调用的。
  • 允许回调失败。如果回调失败,CPU 热插拔操作被中止,CPU 将恢复到之前的状态。

分配一个状态

  • 有两种方式分配一个 CPU 热插拔状态:

静态分配

  • 当子系统或驱动程序有相对于其他 CPU 热插拔状态的排序要求时,必须使用静态分配。例如,
    • 在 CPU 上线操作期间,PERF 核心 startup 回调必须在 PERF 驱动 startup 回调之前被调用。
    • 在 CPU 下线操作中,驱动 teardown 回调必须在核心 teardown 回调之前调用。
  • 静态分配的状态由 cpuhp_state 枚举中的常量描述,可以在 include/linux/cpuhotplug.h 中找到。
enum cpuhp_state {
    CPUHP_INVALID = -1,

    /* PREPARE section invoked on a control CPU */
    CPUHP_OFFLINE = 0,
    CPUHP_CREATE_THREADS,
    CPUHP_PERF_PREPARE,
...
    CPUHP_BRINGUP_CPU,

    /*
     * STARTING section invoked on the hotplugged CPU in low level
     * bringup and teardown code.
     */
    CPUHP_AP_IDLE_DEAD,
    CPUHP_AP_OFFLINE,
...
    CPUHP_AP_ONLINE,
    CPUHP_TEARDOWN_CPU,

    /* Online section invoked on the hotplugged CPU from the hotplug thread */
    CPUHP_AP_ONLINE_IDLE,
...
    CPUHP_AP_ONLINE_DYN,
    CPUHP_AP_ONLINE_DYN_END     = CPUHP_AP_ONLINE_DYN + 30,
    /* Must be after CPUHP_AP_ONLINE_DYN for node_states[N_CPU] update */
    CPUHP_AP_MM_DEMOTION_ONLINE,
    CPUHP_AP_X86_HPET_ONLINE,
    CPUHP_AP_X86_KVM_CLK_ONLINE,
    CPUHP_AP_ACTIVE,
    CPUHP_ONLINE,
};
  • 在适当的位置将状态插入枚举中,这样就满足了排序要求。状态常量必须被用于状态的设置和移除。
  • 当状态回调不是在运行时设置的,并且是 kernel/cpu.c 中 CPU 热插拔状态数组初始化的一部分时,也需要静态分配。
/* Boot processor state steps */
static struct cpuhp_step cpuhp_hp_states[] = {
    [CPUHP_OFFLINE] = {
        .name           = "offline",
        .startup.single     = NULL,
        .teardown.single    = NULL,
    },
...
    /* Entry state on starting. Interrupts enabled from here on. Transient
     * state for synchronsization */
    [CPUHP_AP_ONLINE] = {
        .name           = "ap:online",
    },
    /*
     * Handled on control processor until the plugged processor manages
     * this itself.
     */
    [CPUHP_TEARDOWN_CPU] = {
        .name           = "cpu:teardown",
        .startup.single     = NULL,
        .teardown.single    = takedown_cpu,
        .cant_stop      = true,
    },

    [CPUHP_AP_SCHED_WAIT_EMPTY] = {
        .name           = "sched:waitempty",
        .startup.single     = NULL,
        .teardown.single    = sched_cpu_wait_empty,
    },
...
    /*
     * The dynamically registered state space is here
     */

#ifdef CONFIG_SMP
    /* Last state is scheduler control setting the cpu active */
    [CPUHP_AP_ACTIVE] = {
        .name           = "sched:active",
        .startup.single     = sched_cpu_activate,
        .teardown.single    = sched_cpu_deactivate,
    },
#endif

    /* CPU is fully up and running. */
    [CPUHP_ONLINE] = {
        .name           = "online",
        .startup.single     = NULL,
        .teardown.single    = NULL,
    },
};

动态分配

  • 当对状态回调没有排序要求时,动态分配是首选方法。
  • 状态编号由 setup 函数分配,并在成功后返回给调用者。
  • 只有 PREPARE 和 ONLINE 阶段提供了一个动态分配范围。STARTING 阶段则没有,因为该部分的大多数回调都有明确的排序要求。

CPU 热插拔状态的设置

  • 常见的 mode 名称有:
Mode 名称 解释
prepare 对应 PREPARE 阶段中的状态
dead 对应 PREPARE 阶段中不提供 startup 回调的状态
starting 对应 STARTING 阶段中的状态
dying 对应 STARTING 阶段中不提供 startup 回调的状态
online 对应 ONLINE 阶段中的状态
offline 对应 ONLINE 阶段中不提供 startup 回调的状态

测试热拔插状态

  • 验证自定义状态是否按预期工作的一个方法是关闭一个CPU,然后再把它上线。
  • 也可以把 CPU 放到某些状态(例如 CPUHP_AP_ONLINE),然后再回到 CPUHP_ONLINE。这将模拟在 CPUHP_AP_ONLINE 之后的一个状态出现错误,从而导致回滚到在线状态。
  • 所有注册的状态都被列举在 /sys/devices/system/cpu/hotplug/states
$ tail /sys/devices/system/cpu/hotplug/states
138: mm/vmscan:online
139: mm/vmstat:online
140: lib/percpu_cnt:online
141: acpi/cpu-drv:online
142: base/cacheinfo:online
143: virtio/net:online
144: x86/mce:online
145: printk:online
168: sched:active
169: online

CPU Offline 时的任务迁移

CPU Hotplug - Offlie

  • CPU offline 是个复杂的过程,流程一共需要四个线程和周期性调度器参与,其中四个线程分别为:
  1. 启动 CPU 热插拔命令的线程,以下将其称为 发起线程
  2. 用于执行热插拔状态机的 per-CPU 线程 cpuhp/%u,以下将其称为 热插拔线程
  3. 最高优先级的 per-CPU stop 类型的线程 migration/%u,以下将其称为 stop machine
  4. Per-CPU 的 idle 线程
  • 由于 CPU 下线流程各部分相互之间具有依赖关系,因此需要对它们的执行流程进行同步操作。
  1. 发起线程运行 CPU offline 命令,并在内核中唤醒 per-CPU 热插拔线程,执行实际的状态机处理流程,然后等待热插拔线程执行完成后再唤醒自己
  2. 热插拔线程将 CPU 设置为 inactive 状态,使负载均衡模块不再向该 CPU 均衡负载。并且使能 balance push 机制,使得该 CPU 上的进程在 scheduler 流程中执行 balance_push 操作,将自身迁移到其它 CPU 上
    • 由于 balance push 操作由 tick 中断触发的周期性调度器执行,因此在进程迁移过程中,该线程可继续执行其后的状态机回调函数。
    • CPUHP_TEARDOWN_CPU 状态对应的回调函数 takedown_cpu() 需要执行 CPU 中断迁移,tick 时钟关闭等工作,故必须要等进程迁移完成后才能执行这部分操作。
      • 因为周期性调度器依赖于 tick 时钟和中断驱动,因此热插拔线程需要在该状态执行之前等待进程迁移完成。
  3. 当进程迁移完成后,scheduler 将唤醒热插拔线程,使其继续执行。
    • 由于接下来需要执行 takedown_cpu() 函数,且该函数最终会触发 CPU 的下电操作。
    • 而热插拔线程是 per-CPU 的,此时 CPU 本身都要撂挑子了,显然与该 CPU 绑定的线程也应该要完成其使命。
      • 因此该线程会唤醒 CPU offline 发起进程完成状态机后面的回调,然后其自身将退出执行并被设置为 park 状态
  4. 发起进程被唤醒后,如果之前是运行在将要被下线的 CPU,现在将会运行在其它的 CPU 上(进程唤醒后会执行选核操作,而待关闭的 CPU 已经为 inactive 状态,因此不会被选中),并开始执行 takedown_cpu 流程
    • 由于进程已完成迁移,故它给 offline CPU 安排一个 stop machine 的 take_cpu_down() 流程,完成第二阶段的 offline:
      • 将该 CPU 从 CPU 拓扑结构和 NUMA 节点中移除,
      • 将其自身状态设置为 offline
      • 且将其中断迁移到其它 CPU 上。
    • 当完成以上流程之后,take_cpu_down() 将其 stop machine 线程自身设置为 park 状态,此时该 CPU 上将只剩下 idle 进程,因此 idle 进程开始执行。
  5. 当 idle 进程检测到 CPU 已经为 offline 状态,就开始执行 CPU 假死流程。
    • 它首先关闭 idle 进程自身的 nohz tick 时钟,
    • 然后通过发起一个异步的 IPI CALL_FUNCTION_SINGLE_VECTOR 去唤醒阻塞在 takedown_cpu() 处的发起进程
      cpuhp_report_idle_dead()
      -> cpuhp_report_idle_dead()
         -> cpuhp_complete_idle_dead()
            -> smp_call_function_single(cpuhp_complete_idle_dead)
      ···-> complete_ap_thread(st, false)
    • 随后调用 arch_cpu_idle_dead() 进入假死状态。
  6. CPU offline 发起进程被唤醒后,继续执行 CPU 下电后的一些遗留工作,比如 __cpu_die(cpu),并最终完成整个 CPU offline 流程。

触发 CPU Offline

  • 了解一下 DEVICE_ATTR_RW() 宏,通过 static DEVICE_ATTR_RW(online) 定义了 /sys/devices/system/cpu/cpu*/online 文件操作回调函数
    • online_store() 是它的 回调函数
    • 往该文件写 0 会让指定 CPU 的 cpuhp_state 目标为 CPUHP_OFFLINE
  • 首先,因为当前 st->stateCPUHP_OFFLINE,条件 if (st->state > CPUHP_TEARDOWN_CPU) 是满足的,表明如果当前 CPU 状态在 AP 热插拔线程的范围内,那么我们需要踢一下(唤醒)该线程。
    • 不要着急一步到位至目标 CPUHP_OFFLINE,先将目标设为 CPUHP_TEARDOWN_CPU
    • 调用 cpuhp_kick_ap_work() 触发 offline CPU 的调度
    • 恢复目标状态 st->targetCPUHP_OFFLINE,继续往前
  • 如果以上操作成功,AP 自身已降至 CPUHP_TEARDOWN_CPU 状态了。发起 CPU 上需要进行进一步清理,调用 cpuhp_down_callbacks()
//kernel/cpu.c
_cpu_down(target=target@entry=CPUHP_OFFLINE)
   if (st->state > CPUHP_TEARDOWN_CPU)
      st->target = max((int)target, CPUHP_TEARDOWN_CPU); //不要着急一步到位至目标 CPUHP_OFFLINE,先将目标设为 CPUHP_TEARDOWN_CPU
   -> cpuhp_kick_ap_work()
         struct cpuhp_cpu_state *st = per_cpu_ptr(&cpuhp_state, cpu) //在发起 CPU 上得到要 offline 的 CPU 的 cpuhp_state
      -> cpuhp_kick_ap(cpu, st, st->target)
         -> __cpuhp_kick_ap(st)
            -> wake_up_process(st->thread) //唤醒 offline 的 CPU 的 cpuhp_state 任务
            -> wait_for_ap_thread(st, st->bringup) //发起 CPU 等待 offline CPU 执行完 cpuhp_state 的任务
   -> st->target = target;
   -> cpuhp_down_callbacks(cpu, st, target) //发起 CPU 继续其他 offline 操作

CPU 热插拔内核线程 cpuhp/%u

  • 上面 wake_up_process(st->thread) 唤醒 offline 的 CPU 的 cpuhp_state 任务是是什么任务呢?我们来看看
smp_init()
   //kernel/cpu.c
-> cpuhp_threads_init()
   -> cpuhp_init_state() //初始化 per-CPU 的 cpuhp_state 变量
   -> smpboot_register_percpu_thread(&cpuhp_threads) //注册 per-CPU 的 "cpuhp/%u" 内核线程
   -> kthread_unpark(this_cpu_read(cpuhp_state.thread))
  • 这就是 Per-CPU 的 cpuhp/%u AP 热插拔线程,其描述结构定义如下:
    • kernel/cpu.c
static struct smp_hotplug_thread cpuhp_threads = {
    .store          = &cpuhp_state.thread,
    .thread_should_run  = cpuhp_should_run,
    .thread_fn      = cpuhp_thread_fun,
    .thread_comm        = "cpuhp/%u",
    .selfparking        = true,
};
  • 经过 smpboot_register_percpu_thread(&cpuhp_threads) 注册后,per-CPU 的 cpuhp/%u 内核线程就会等待被调度
  • 当被调度时,cpuhp_thread_fun() 函数会通过 per-CPU 内核线程的公用入口函数 smpboot_thread_fn() 运行起来
    • 如果该函数无事可做就在 smpboot_thread_fn() 处睡眠
  • 在这个场景,它是被 _cpu_down() -> cpuhp_kick_ap_work() 唤醒的
ret_from_fork_asm -> ret_from_fork()
-> kthread()
   -> threadfn(data)
   => smpboot_thread_fn()
      while (1) {
      -> __set_current_state(TASK_RUNNING);
      -> preempt_enable()
      -> ht->thread_fn(td->cpu) //到此是 CPU 热插拔内核线程的公用路径
      => cpuhp_thread_fun() //这个函数需要展开说,它和 smpboot_thread_fn() 配合起来迁移状态机
            st->should_run = cpuhp_next_state(bringup, &state, st, st->target); //循环是否继续看这个值
         -> cpuhp_invoke_callback()
               cb = bringup ? step->startup.single : step->teardown.single;
            -> cb(cpu)
         -> complete_ap_thread(st, bringup) //任务完成后通知发起 CPU 结束等待
      if (!ht->thread_should_run(td->cpu))  //如果循环不能继续
          => cpuhp_should_run(cpu)          //AP 热插拔线程重载了这个回调函数
                return st->should_run;      //cpuhp_thread_fun() 设置的值很关键
      -> schedule() //调度出去,cpuhp/%u 内核线程完成此次任务
      }
  • CPU 热插拔的 CPUHP_TEARDOWN_CPU 之前的状态迁移由 CPU 热插拔内核线程 cpuhp/%u 来完成
  • 它通过 per-CPU 内核线程的公用入口函数 smpboot_thread_fn() 的循环和核心函数 cpuhp_thread_fun() 控制着状态的迁移和状态回调函数的调用

几个辅助函数

  1. cpuhp_get_step() 根据状态得到 CPU 热插拔状态机数组 struct cpuhp_step cpuhp_hp_states[] 的元素
static struct cpuhp_step *cpuhp_get_step(enum cpuhp_state state)
{
    return cpuhp_hp_states + state;
}
  1. cpuhp_step_empty() 根据是 bringup 以及对应状态的 startupteardown 回调是否为空返回该步骤是否有动作需要做
static bool cpuhp_step_empty(bool bringup, struct cpuhp_step *step)
{
    return bringup ? !step->startup.single : !step->teardown.single;
}
  1. cpuhp_next_state() 获取下一个要运行的状态。
    • 空步骤将会被跳过。
    • 如果该步骤必须被运行返回 true;否则返回 false
    • st->state 会被提前修改以匹配 state_to_run,就好像它已经运行过了一样。
/*
 * Get the next state to run. Empty ones will be skipped. Returns true if a
 * state must be run.
 *
 * st->state will be modified ahead of time, to match state_to_run, as if it
 * has already ran.
 */
static bool cpuhp_next_state(bool bringup,
                 enum cpuhp_state *state_to_run,
                 struct cpuhp_cpu_state *st,
                 enum cpuhp_state target)
{
    do {
        if (bringup) { //如果是 bringup,状态向前(下)迁移
            if (st->state >= target) //到达目标状态了,返回 false 让调用者停止它的循环
                return false;

            *state_to_run = ++st->state;
        } else { //否则,状态向后(上)迁移
            if (st->state <= target) //到达目标状态了,返回 false 让调用者停止它的循环
                return false;

            *state_to_run = st->state--;
        }
        //空步骤将会被跳过
        if (!cpuhp_step_empty(bringup, cpuhp_get_step(*state_to_run)))
            break;
    } while (true);
    //如果该步骤必须被运行,返回 true 让调用者继续循环
    return true;
}
  • cpuhp_next_state() 的调用者通常是一个循环,它负责迁移状态机至目标状态,调用者根据它的返回值确定是继续迁移还是停止迁移
1 kernel/cpu.c|963| <<__cpuhp_invoke_callback_range>> while (cpuhp_next_state(bringup, &state, st, target)) {
2 kernel/cpu.c|1086| <<cpuhp_thread_fun>> st->should_run = cpuhp_next_state(bringup, &state, st, st->target);
  • cpuhp_thread_fun() 这个调用者的循环比较隐蔽,它借助的是内核线程公用函数 smpboot_thread_fn() 来进行循环
  1. 循环的结束也是由 CPU 热插拔线程管理的,它重载了 SMP 线程控制结构 struct smp_hotplug_thread.thread_should_run 回调函数为 cpuhp_should_run()
/*
 * The cpu hotplug threads manage the bringup and teardown of the cpus
 */
static int cpuhp_should_run(unsigned int cpu)
{
    struct cpuhp_cpu_state *st = this_cpu_ptr(&cpuhp_state);

    return st->should_run;
}
  • 这里可以看到,per-CPU 的 cpuhp_state->should_run 域其实控制了循环的结束,它返回 false 会导致 smpboot_thread_fn()if (!ht->thread_should_run(td->cpu)) 条件返回 true 进而调用 schedule() 去睡眠

核心函数 cpuhp_thread_fun()

  • 接下来看看核心函数 cpuhp_thread_fun(),用于在插入的 CPU 上执行 teardown/startup 回调。还用于在运行时状态被 [un]installed 时调用回调。
  • smpboot 线程(即 cpuhp/%u 所属的 smpboot_thread_fn())每次调用此函数都会执行一次 AP 状态回调。
  • 它有 3 种操作模式:
  1. single:运行 st->cb_state
  2. up:运行 ++st->state,当 st->state < st->target
  3. down:运行 st->state--,当 st->state > st->target
  • 完成或出现错误时,should_run 将被清除并触发完成量 struct completion *done = bringup ? &st->done_up : &st->done_down
/*
 * Execute teardown/startup callbacks on the plugged cpu. Also used to invoke
 * callbacks when a state gets [un]installed at runtime.
 *
 * Each invocation of this function by the smpboot thread does a single AP
 * state callback.
 *
 * It has 3 modes of operation:
 *  - single: runs st->cb_state
 *  - up:     runs ++st->state, while st->state < st->target
 *  - down:   runs st->state--, while st->state > st->target
 *
 * When complete or on error, should_run is cleared and the completion is fired.
 */
static void cpuhp_thread_fun(unsigned int cpu)
{
    struct cpuhp_cpu_state *st = this_cpu_ptr(&cpuhp_state);
    bool bringup = st->bringup;
    enum cpuhp_state state;
    //不应该以“不应该运行”的标志唤醒该线程
    if (WARN_ON_ONCE(!st->should_run))
        return;

    /*
     * ACQUIRE for the cpuhp_should_run() load of ->should_run. Ensures
     * that if we see ->should_run we also see the rest of the state.
     */
    smp_mb();

    /*
     * The BP holds the hotplug lock, but we're now running on the AP,
     * ensure that anybody asserting the lock is held, will actually find
     * it so.
     */
    lockdep_acquire_cpus_lock();
    cpuhp_lock_acquire(bringup);
    //mode 1,在运行时状态被 [un]installed
    if (st->single) {
        state = st->cb_state;
        st->should_run = false;
    } else { //mode 2、3,在插入的 CPU 上执行 teardown/startup 回调
        st->should_run = cpuhp_next_state(bringup, &state, st, st->target); //递进状态,并决定是否需要终止循环
        if (!st->should_run)
            goto end;
    }
    //本线程仅负责处理 CPUHP_BRINGUP_CPU 之前的状态
    WARN_ON_ONCE(!cpuhp_is_ap_state(state));
    //前面的 STARTING/DYING 状态需要在禁用 IRQ 的情况下运行,并且不得失败。
    if (cpuhp_is_atomic_state(state)) {
        local_irq_disable();
        st->result = cpuhp_invoke_callback(cpu, state, bringup, st->node, &st->last);
        local_irq_enable();

        /*
         * STARTING/DYING must not fail!
         */
        WARN_ON_ONCE(st->result);
    } else {
        st->result = cpuhp_invoke_callback(cpu, state, bringup, st->node, &st->last);
    }
    //如果出错发生了回滚,然而回滚也失败了,也不要再继续运行了,内核文档有解释过这个场景
    if (st->result) {
        /*
         * If we fail on a rollback, we're up a creek without no
         * paddle, no way forward, no way back. We loose, thanks for
         * playing.
         */
        WARN_ON_ONCE(st->rollback);
        st->should_run = false;
    }

end:
    cpuhp_lock_release(bringup);
    lockdep_release_cpus_lock();
    //结束循环,设置完成量,让 CPU offline 的发起 CPU 继续运行
    if (!st->should_run)
        complete_ap_thread(st, bringup);
}

迁移被 offlined CPU 上的任务

  • 请注意 struct cpuhp_step cpuhp_hp_states[] 状态数组的 CPUHP_AP_ACTIVECPUHP_AP_SCHED_WAIT_EMPTY 状态
    • CPUHP_AP_ACTIVE.teardown.single = sched_cpu_deactivate 就负责将任务推到其他 CPU 上
    • CPUHP_AP_SCHED_WAIT_EMPTY 状态等待调度完成的事件
  • 这两个函数会在 CPU 热插拔状态迁移的过程中分别被 cpuhp_thread_fun(),完成被 offlined CPU 上的任务迁移
    [CPUHP_AP_SCHED_WAIT_EMPTY] = {
        .name           = "sched:waitempty",
        .startup.single     = NULL,
        .teardown.single    = sched_cpu_wait_empty,
    },
...
#ifdef CONFIG_SMP
    /* Last state is scheduler control setting the cpu active */
    [CPUHP_AP_ACTIVE] = {
        .name           = "sched:active",
        .startup.single     = sched_cpu_activate,
        .teardown.single    = sched_cpu_deactivate,
    },
#endif
  • 路径如下:
(gdb) bt
#0  sched_cpu_deactivate (cpu=3) at kernel/sched/core.c:9560
#1  0xffffffff81140b39 in cpuhp_invoke_callback (cpu=cpu@entry=3, state=CPUHP_AP_ACTIVE, bringup=bringup@entry=false,
    node=0x0 <fixed_percpu_data>, lastp=0xff1100017bb9b988) at kernel/cpu.c:192
#2  0xffffffff81141b6f in cpuhp_thread_fun (cpu=3) at kernel/cpu.c:825
#3  0xffffffff81175aa3 in smpboot_thread_fn (data=0xff11000100073210) at kernel/smpboot.c:164
#4  0xffffffff8116b066 in kthread (_create=0xff110001005aab80) at kernel/kthread.c:376
#5  0xffffffff81006ff9 in ret_from_fork () at arch/x86/entry/entry_64.S:311
#6  0x0000000000000000 in ?? ()

核心函数 __cpuhp_invoke_callback_range()

  • __cpuhp_invoke_callback_range() 则是在发起 offline CPU 上通过 cpuhp_down_callbacks() 调用的核心函数
    • 它会让 cpuhp_state 状态机发生变化,并且调用对应状态的回调函数
static int __cpuhp_invoke_callback_range(bool bringup,
                     unsigned int cpu,
                     struct cpuhp_cpu_state *st,
                     enum cpuhp_state target,
                     bool nofail)
{
    enum cpuhp_state state;
    int ret = 0;

    while (cpuhp_next_state(bringup, &state, st, target)) {
        int err;
        //调用对应状态的回调函数
        err = cpuhp_invoke_callback(cpu, state, bringup, NULL, NULL);
        if (!err)
            continue; //如果没出错,迁移到下一个状态
        //如果出错了,调用者要求不管失败,则只是打印在某个状态遇到了错误的信息
        if (nofail) {
            pr_warn("CPU %u %s state %s (%d) failed (%d)\n",
                cpu, bringup ? "UP" : "DOWN",
                cpuhp_get_step(st->state)->name,
                st->state, err);
            ret = -1;
        } else { //调用者关心失败,则停止状态迁移,返回出错码
            ret = err;
            break;
        }
    }

    return ret;
}

运行在发起 CPU Offline 进程上的 takedown_cpu()

  • 当发起 CPU Offline 的进程进入到 CPUHP_TEARDOWN_CPU 的时候就会调用其回调函数 takedown_cpu()
  • kernel/cpu.c
static int takedown_cpu(unsigned int cpu)
{
    struct cpuhp_cpu_state *st = per_cpu_ptr(&cpuhp_state, cpu);
    int err;
    //停放 "cpuhp/%u"
    /* Park the smpboot threads */
    kthread_park(st->thread);

    /*
     * Prevent irq alloc/free while the dying cpu reorganizes the
     * interrupt affinities.
     */
    irq_lock_sparse();
    //给 offline CPU 安排一个 stop machine 的 take_cpu_down() 流程,完成第二阶段的 offline
    /*
     * So now all preempt/rcu users must observe !cpu_active().
     */
    err = stop_machine_cpuslocked(take_cpu_down, NULL, cpumask_of(cpu));
    if (err) {
        /* CPU refused to die */
        irq_unlock_sparse();
        /* Unpark the hotplug thread so we can rollback there */
        kthread_unpark(st->thread);
        return err;
    }
    BUG_ON(cpu_online(cpu));
    //等待 stop machine 的 take_cpu_down() 流程走完
    /*
     * The teardown callback for CPUHP_AP_SCHED_STARTING will have removed
     * all runnable tasks from the CPU, there's only the idle task left now
     * that the migration thread is done doing the stop_machine thing.
     *
     * Wait for the stop thread to go away.
     */
    wait_for_ap_thread(st, false);
    BUG_ON(st->state != CPUHP_AP_IDLE_DEAD);

    /* Interrupts are moved away from the dying cpu, reenable alloc/free */
    irq_unlock_sparse();

    hotplug_cpu__broadcast_tick_pull(cpu);
    /* This actually kills the CPU. */
    __cpu_die(cpu);

    cpuhp_bp_sync_dead(cpu);

    tick_cleanup_dead_cpu(cpu);
    rcutree_migrate_callbacks(cpu);
    return 0;
}

运行在 Stop Machine 进程中的 take_cpu_down()

  • 这个 stop machine 的 work 是发起 CPU Offline 的进程安排进来的,完成第二阶段的 offline
  • kernel/cpu.c
static int take_cpu_down(void *_param)
{
    struct cpuhp_cpu_state *st = this_cpu_ptr(&cpuhp_state);
    enum cpuhp_state target = max((int)st->target, CPUHP_AP_OFFLINE);
    int err, cpu = smp_processor_id();

    /* Ensure this CPU doesn't handle any more interrupts. */
    err = __cpu_disable();
    if (err < 0)
        return err;

    /*
     * Must be called from CPUHP_TEARDOWN_CPU, which means, as we are going
     * down, that the current state is CPUHP_TEARDOWN_CPU - 1.
     */
    WARN_ON(st->state != (CPUHP_TEARDOWN_CPU - 1));

    /*
     * Invoke the former CPU_DYING callbacks. DYING must not fail!
     */
    cpuhp_invoke_callback_range_nofail(false, cpu, st, target);

    /* Give up timekeeping duties */
    tick_handover_do_timer();
    /* Remove CPU from timer broadcasting */
    tick_offline_cpu(cpu);
    /* Park the stopper thread */
    stop_machine_park(cpu);
    return 0;
}

References