Linux时间子系统2: clock_gettime的VDSO机制分析

2024-06-13 05:12

本文主要是介绍Linux时间子系统2: clock_gettime的VDSO机制分析,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

        在之前分析clock_gettime的文章中接触到了VDSO,本篇文章是对VDSO的学习总结,借鉴了很多前人的经验。

   1. 什么是VDSO

        vDSO:virtual DSO(Dynamic Shared Object),虚拟动态共享库,内核向用户态提供了一个虚拟的动态共享库。在 Linux 众多的系统调用中,有一部分存在以下特点:

  • 系统调用本身很快,主要时间花费在 trap 过程
  • 无需高特权级别权限

        这部分系统调用如果能够直接在用户空间中执行,则能够对性能有较大的改善。gettimeofday 就是一个典型的例子,它仅仅只是读取内核中的时间信息,而且对于许多应用程序来说,读取系统时间是必要的同时也是频率很高的行为。

        例如在ARM64平台到处的接口如下:

   aarch64 functionsThe table below lists the symbols exported by the vDSO.symbol                   version──────────────────────────────────────__kernel_rt_sigreturn    LINUX_2.6.39__kernel_gettimeofday    LINUX_2.6.39__kernel_clock_gettime   LINUX_2.6.39__kernel_clock_getres    LINUX_2.6.39

vdso在不同平台的命名略有不同, 如下:

user ABI   vDSO name
─────────────────────────────
aarch64    linux-vdso.so.1
arm        linux-vdso.so.1
ia64       linux-gate.so.1
mips       linux-vdso.so.1
ppc/32     linux-vdso32.so.1
ppc/64     linux-vdso64.so.1
riscv      linux-vdso.so.1
s390       linux-vdso32.so.1
s390x      linux-vdso64.so.1
sh         linux-gate.so.1
i386       linux-gate.so.1
x86-64     linux-vdso.so.1
x86/x32    linux-vdso.so.1

         因为vdso本身是内核提供的机制,被编译进内核,所以并没有具体的文件路径,以上名称是C库访问时需要用到。

        vdso和vsyscall的对比以及vdso引入linux kernel的时间可以参考

The VDSO on arm64

2. 使用VDSO

使用VDSO的方式有三种

  • 使用 C 标准库
  • 使用 dlopen 获取函数地址
  • 使用 getauxvel 获取函数地址

具体可以参考这篇文章:articles/20220717-riscv-syscall-part3-vdso-overview.md · 泰晓科技/RISCV-Linux - Gitee.com

3. VDSO实现原理

a. vdso的编译以及如何集成到内核

        可直接参考链接:泰晓科技 / RISCV-Linux

        这里附上文章中的图片:

b. vdso的几个问题

vdso的初始化同样在上面的文章中讲得很详细了,我们按照如下思路再捋一遍。

1) vdso.so不是给内核用的,但是被内核包含,用户态如何调用到vdso中的代码呢?

2) 内核如何更新数据,数据放在哪里让用户态可以获取到呢

3)用户态通过vdso.so中的代码如何访问到内核中的数据呢?

c. vdso中的代码如何共享给用户态

        vdso被包含进内核,而不是链接进内核,这是因为vdso.so中的代码段是给用户态进程使用的,那么很显然用户态进程需要映射代码段的地址到进程的地址空间。

       首先,在vdso.S(/arch/arm64/kernel/vdso)中,vdso_start,vdso_end定义了vdso代码段的起始地址和结束地址

	.globl vdso_start, vdso_end.section .rodata.balign PAGE_SIZE
vdso_start:.incbin "arch/arm64/kernel/vdso/vdso.so".balign PAGE_SIZE
vdso_end:.previous

 vDSO 内核中代码部分地址初始化的时候,vdso_code_start和 vdso_code_end分别被赋值了 vdso_start和 vdso_end,在__vdso_init函数中,使用vdso_info[abi].cm->pages记录了代码段的物理页信息,如下:

	/* Grab the vDSO code pages. */pfn = sym_to_pfn(vdso_info[abi].vdso_code_start);for (i = 0; i < vdso_info[abi].vdso_pages; i++)vdso_pagelist[i] = pfn_to_page(pfn + i);vdso_info[abi].cm->pages = vdso_pagelist;

有了物理页信息,那么用户态进程访问代码段,只需要建立物理页与进程虚拟地址空间的映射即可,用户态进程execve解析elf文件时,在内核会调用arch_setup_additional_pages,__setup_additional_pages则会从vdso_info中取出代码段和数据段的page进行映射,从而用户进程就可以访问代码段和数据段的数据了。

	ret = _install_special_mapping(mm, vdso_base, VVAR_NR_PAGES * PAGE_SIZE,VM_READ|VM_MAYREAD|VM_PFNMAP,vdso_info[abi].dm);if (IS_ERR(ret))goto up_fail;if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_BTI_KERNEL) && system_supports_bti())gp_flags = VM_ARM64_BTI;vdso_base += VVAR_NR_PAGES * PAGE_SIZE;mm->context.vdso = (void *)vdso_base;ret = _install_special_mapping(mm, vdso_base, vdso_text_len,VM_READ|VM_EXEC|gp_flags|VM_MAYREAD|VM_MAYWRITE|VM_MAYEXEC,vdso_info[abi].cm);

用户态映射后的示意图:

图片来自:杂谈:vdso原理 - 知乎

d. 内核如何更新vdso数据,以及用户态如何访问

有了上面访问代码段的机制,用户态访问数据的机制自然不用再说了,需要注意的是dm 的初始化在 vvar_fault 函数中实现。vvar_fault 是 dm 缺页中断的回调函数。那么内核态如何更新vsdo数据呢,主要通过update_vsyscall更新vdso_data变量

用户态调用vdso函数,以 gettimeofday为例分析 vDSO 函数调用流程,libc 调用 vsdo.so 中 __kernel_gettimeofday 函数, __kernel_gettimeofday 访问 vvar 数据。除了第一次访问会触发 Page Fault (实测开销大于syscall),整个过程不会陷入内核态。

gettimeofday->__kernel_gettimeofday=> special_mapping_fault
__kernel_gettimeofday->__arch_get_vdso_data=> special_mapping_fault->vvar_fault
    __arch_get_hw_counter //从硬件 timer 读取 cntvct_el0 寄存器得到距离上次更新vdso_data的时间差,加上 vdso_data 里的时间得到最终时间

参考资料:

The vDSO on arm64

泰晓科技 / RISCV-Linux

杂谈:vdso原理 - 知乎

        

这篇关于Linux时间子系统2: clock_gettime的VDSO机制分析的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1056372

相关文章

Linux系统中卸载与安装JDK的详细教程

《Linux系统中卸载与安装JDK的详细教程》本文详细介绍了如何在Linux系统中通过Xshell和Xftp工具连接与传输文件,然后进行JDK的安装与卸载,安装步骤包括连接Linux、传输JDK安装包... 目录1、卸载1.1 linux删除自带的JDK1.2 Linux上卸载自己安装的JDK2、安装2.1

Linux卸载自带jdk并安装新jdk版本的图文教程

《Linux卸载自带jdk并安装新jdk版本的图文教程》在Linux系统中,有时需要卸载预装的OpenJDK并安装特定版本的JDK,例如JDK1.8,所以本文给大家详细介绍了Linux卸载自带jdk并... 目录Ⅰ、卸载自带jdkⅡ、安装新版jdkⅠ、卸载自带jdk1、输入命令查看旧jdkrpm -qa

Java实现时间与字符串互相转换详解

《Java实现时间与字符串互相转换详解》这篇文章主要为大家详细介绍了Java中实现时间与字符串互相转换的相关方法,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 目录一、日期格式化为字符串(一)使用预定义格式(二)自定义格式二、字符串解析为日期(一)解析ISO格式字符串(二)解析自定义

Linux samba共享慢的原因及解决方案

《Linuxsamba共享慢的原因及解决方案》:本文主要介绍Linuxsamba共享慢的原因及解决方案,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录linux samba共享慢原因及解决问题表现原因解决办法总结Linandroidux samba共享慢原因及解决

java中反射(Reflection)机制举例详解

《java中反射(Reflection)机制举例详解》Java中的反射机制是指Java程序在运行期间可以获取到一个对象的全部信息,:本文主要介绍java中反射(Reflection)机制的相关资料... 目录一、什么是反射?二、反射的用途三、获取Class对象四、Class类型的对象使用场景1五、Class

Spring事务中@Transactional注解不生效的原因分析与解决

《Spring事务中@Transactional注解不生效的原因分析与解决》在Spring框架中,@Transactional注解是管理数据库事务的核心方式,本文将深入分析事务自调用的底层原理,解释为... 目录1. 引言2. 事务自调用问题重现2.1 示例代码2.2 问题现象3. 为什么事务自调用会失效3

新特性抢先看! Ubuntu 25.04 Beta 发布:Linux 6.14 内核

《新特性抢先看!Ubuntu25.04Beta发布:Linux6.14内核》Canonical公司近日发布了Ubuntu25.04Beta版,这一版本被赋予了一个活泼的代号——“Plu... Canonical 昨日(3 月 27 日)放出了 Beta 版 Ubuntu 25.04 系统镜像,代号“Pluc

找不到Anaconda prompt终端的原因分析及解决方案

《找不到Anacondaprompt终端的原因分析及解决方案》因为anaconda还没有初始化,在安装anaconda的过程中,有一行是否要添加anaconda到菜单目录中,由于没有勾选,导致没有菜... 目录问题原因问http://www.chinasem.cn题解决安装了 Anaconda 却找不到 An

Spring定时任务只执行一次的原因分析与解决方案

《Spring定时任务只执行一次的原因分析与解决方案》在使用Spring的@Scheduled定时任务时,你是否遇到过任务只执行一次,后续不再触发的情况?这种情况可能由多种原因导致,如未启用调度、线程... 目录1. 问题背景2. Spring定时任务的基本用法3. 为什么定时任务只执行一次?3.1 未启用

Linux安装MySQL的教程

《Linux安装MySQL的教程》:本文主要介绍Linux安装MySQL的教程,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录linux安装mysql1.Mysql官网2.我的存放路径3.解压mysql文件到当前目录4.重命名一下5.创建mysql用户组和用户并修