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Bus Lock

Bus Lock 探测和处理

Split Lock 带来的问题

  • Split lock 是其操作数跨越两个高速缓存行的任何原子操作。由于操作数跨越两个缓存行并且操作必须是原子的，因此系统在 CPU 访问两个缓存行时锁定总线
  • Bus lock：获取 bus lock 是通过对写回 (WB) 内存的 split locked 访问或对非 WB 存储器的任何锁定的访问来实现的
    • 这通常比高速缓存行中的原子操作慢数千个周期
    • 它还会破坏其他内核的性能并使整个系统性能极大地降低

Split lock 的探测

  • Intel 处理器可能支持以下一种或两种硬件机制来检测 split lock 和 bus lock

#AC 探测 Split Lock

  • 从 Tremont Atom 开始，CPU split lock 操作可能会在尝试拆分锁定操作时引发对齐检查 (#AC) 异常
  • Split lock 产生 #AC 异常由 TEST_CTRL MSR 的第 29 位，split lock 探测位 来启用

#DB 探测 Bus Lock

  • 某些 CPU 具有在用户指令获取 bus lock 并 执行后 通过 #DB trap 通知内核的能力
  • 这允许内核终止应用程序或强制执行以达到节流的目的

软件方面的处理

  • 内核 #AC 和 #DB 处理程序根据内核参数 split_lock_detect 处理 bus lock。以下是不同选项的摘要：
split_lock_detect= split lock 引起的 #AC bus lock 导致的 #DB
off 什么都不做 什么都不做
warn（缺省） 当支持这两个功能时，每个任务警告一次内核 OOPs 并禁用未来的检查，在 #AC 中警告 每个任务警告一次并继续运行
fatal 当支持这两个功能时，内核 OOPs，并向用户态发送 SIGBUS，在 #AC 中产生 fatal 错误 向用户态发送 SIGBUS
ratelimit:N (0 < N <= 1000) 什么都不做 将系统范围内的 bus lock 速率限制为每秒 N 次总线锁定，并在总线锁定时发出警告

Bus Lock 调试异常

  • DB6 寄存器 bit 11 在 Bus Lock Trap 异常时由处理器清零

  • 当使用 DEBUGCTL（IA32_DEBUGCTL MSR 0x1D9）的第 2 位启用 Bus Lock Trap 时，任何导致总线锁定的指令（主要是使用 LOCK 前缀在不可缓存内存上执行内存原子操作的指令）将清除 DR6 的第 11 位并导致 trap 类型为 #DB 的异常

    • 注意：处理器不会以其他方式设置或清除此位
    • 为避免在辩别调试异常时出现混淆，软件调试异常处理程序应在返回被中断任务之前将此位设置为 1

  • 在不支持 Bus Lock Trap 异常的处理器上，DR6 的第 11 位是只读位，其作用与第 10:4 位相同，都是 1

  • CPU 使用 CPUID.(EAX=7, ECX=0).ECX[24] 枚举对该特性的支持，设置为 1 表示支持

  • 当 CPL > 0 时，硬件仅生成用于 bus lock 检测的#DB，以避免在处理第一个 #DB 时来自多个 bus lock 的嵌套 #DB

  • Breakpoint 和 bus lock 都可以在同一指令中触发 #DB trap，处理它们的顺序由内核 #DB 处理程序选择

  • 在 /proc/cpuinfo 中的 CPU feature 标志是 bus_lock_detect

  • 启用 split lock 的调用路径

early_identify_cpu()
-> sld_setup()
   -> split_lock_setup()
      -> __split_lock_setup() //设置 split lock 的 CPU feature
   -> sld_state_setup() //得到 split_lock_detect= 的设置
   -> sld_state_show() //在启动时打印 split lock 和 bus lock 的支持情况
  • 启用 bus lock 的调用路径
identify_cpu()
-> this_cpu->c_init(c)
=> init_intel()
   -> split_lock_init()
   -> bus_lock_init()

Bus Lock 调试异常虚拟化的支持

  • VM exit 时设置 VMCS 的 guest-state area 中的 pending debug exception 字段的第 11 位，以指示总线锁定调试异常 pending 但未交付
  • 设置此位的 VM exit 也会设置该字段的第 12 位（VM exit 还设置第 12 位以指示至少遇到一个数据或 I/O 断点并在 DR7 中启用，或者发生与 RTM transactional regions 的高级调试相关的调试异常。）
  • 启用后，如果处理器检测到一个或多个 bus lock 是在 VMX non-root operation 执行期间导致的，则处理器会生成一个 VM exit， exit reason 为 74
    • 这种 VM exit 类似于陷阱，在执行获取总线锁的指令后交付
    • 如果此 VM exit 的交付被更高优先级的 VM exit 抢占，则 VMCS 中 exit reason 字段的第 26 位设置为 1
  • VMM 可以通过设置 secondary processor-based 执行控制的第 30 位，以在 VMX non-root operation 中获取的总线锁时发生 VM exit
  • 处理器通过设置 IA32_VMX_PROCBASED_CTLS2 MSR 的第 62 位来枚举对此控制的的支持，设置为 1 表示支持

References