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

C++如何通过Qt反射机制实现数据类序列化

《C++如何通过Qt反射机制实现数据类序列化》在C++工程中经常需要使用数据类,并对数据类进行存储、打印、调试等操作,所以本文就来聊聊C++如何通过Qt反射机制实现数据类序列化吧... 目录设计预期设计思路代码实现使用方法在 C++ 工程中经常需要使用数据类,并对数据类进行存储、打印、调试等操作。由于数据类

Linux命令之firewalld的用法

《Linux命令之firewalld的用法》:本文主要介绍Linux命令之firewalld的用法,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命令之firewalld1、程序包2、启动firewalld3、配置文件4、firewalld规则定义的九大

Java程序进程起来了但是不打印日志的原因分析

《Java程序进程起来了但是不打印日志的原因分析》:本文主要介绍Java程序进程起来了但是不打印日志的原因分析,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Java程序进程起来了但是不打印日志的原因1、日志配置问题2、日志文件权限问题3、日志文件路径问题4、程序

Linux之计划任务和调度命令at/cron详解

《Linux之计划任务和调度命令at/cron详解》:本文主要介绍Linux之计划任务和调度命令at/cron的使用,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计划任务和调度命令at/cron一、计划任务二、命令{at}介绍三、命令语法及功能 :at

Linux下如何使用C++获取硬件信息

《Linux下如何使用C++获取硬件信息》这篇文章主要为大家详细介绍了如何使用C++实现获取CPU,主板,磁盘,BIOS信息等硬件信息,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以了解下... 目录方法获取CPU信息:读取"/proc/cpuinfo"文件获取磁盘信息:读取"/proc/diskstats"文

Java字符串操作技巧之语法、示例与应用场景分析

《Java字符串操作技巧之语法、示例与应用场景分析》在Java算法题和日常开发中,字符串处理是必备的核心技能,本文全面梳理Java中字符串的常用操作语法,结合代码示例、应用场景和避坑指南,可快速掌握字... 目录引言1. 基础操作1.1 创建字符串1.2 获取长度1.3 访问字符2. 字符串处理2.1 子字

Linux内核参数配置与验证详细指南

《Linux内核参数配置与验证详细指南》在Linux系统运维和性能优化中,内核参数(sysctl)的配置至关重要,本文主要来聊聊如何配置与验证这些Linux内核参数,希望对大家有一定的帮助... 目录1. 引言2. 内核参数的作用3. 如何设置内核参数3.1 临时设置(重启失效)3.2 永久设置(重启仍生效

kali linux 无法登录root的问题及解决方法

《kalilinux无法登录root的问题及解决方法》:本文主要介绍kalilinux无法登录root的问题及解决方法,本文给大家介绍的非常详细,对大家的学习或工作具有一定的参考借鉴价值,... 目录kali linux 无法登录root1、问题描述1.1、本地登录root1.2、ssh远程登录root2、

SpringRetry重试机制之@Retryable注解与重试策略详解

《SpringRetry重试机制之@Retryable注解与重试策略详解》本文将详细介绍SpringRetry的重试机制,特别是@Retryable注解的使用及各种重试策略的配置,帮助开发者构建更加健... 目录引言一、SpringRetry基础知识二、启用SpringRetry三、@Retryable注解

SpringKafka错误处理(重试机制与死信队列)

《SpringKafka错误处理(重试机制与死信队列)》SpringKafka提供了全面的错误处理机制,通过灵活的重试策略和死信队列处理,下面就来介绍一下,具有一定的参考价值,感兴趣的可以了解一下... 目录引言一、Spring Kafka错误处理基础二、配置重试机制三、死信队列实现四、特定异常的处理策略五