未来Eventfd的替代品 User Interrupts

近期，在Linux kernel邮件列表中看到了Intel计划在最新的硬件中支持 User Interrupts功能，并在linux kernel社区中征求意见。邮件中给出了测试的性能数据，如下图：

IPI : inter-processor interrupt （邮件中将User task间的中断称为 User IPI）

进程间通信类型	相对时间（已归一到 User IPI）
User IPI	1.0
Signal	14.8
Eventfd	9.7
Pipe	16.3
Domain	17.3

详细介绍什么是 User Interrupts

用户中断(Uintr)是一种硬件技术，可以将中断直接传递到用户空间。

今天，几乎所有跨越特权界限的交流都是通过内核。这些包括信号、管道、远程过程调用和基于硬件中断的通知。 User Interrupts提供了一个基础，通过避免通过内核的转换来实现常见的操作，以获得更高的效率(低延迟和低CPU利用率)。

在User Interrupts硬件体系结构中，接收者总是被期望用户空间任务（ user space task）。但是，一个User Interrupt 可以由另一个用户空间任务、内核或外部源(如设备)发送。

底层是如何工作的？

User Interrupts是一种中断传递机制。中断首先被发送到某个内存位置，然后再被发送到具体的接收者（要求接收者的CPL=3）。

内核管理相关的数据结构

UPID : User Posted Interrupt Descriptor — 保持接收者的中断向量信息和通知状态(如正在进行的通知、被抑制通知)；
UITT : User Interrupt Target Table — 存储UPID指针和用于发送端中断路由的向量信息 ;

每个任务的中断状态通过 MSRs 记录，并且在上下文切换期间由内核恢复。

User IPI

senduipi - 根据UITT 索引发送一个 user IPI 到目标task

当 User IPI 发送者执行’senduipi '时，硬件根据UITT和index确定中断发送目标，并将中断向量(63-0)推送到接收者的UPID中。

如果接收端正在运行(CPL=3)，发送端cpu将发送一个物理IPI到接收机的cpu。在接收端，此IPI被检测为用户中断。调用接收者的用户中断处理程序，并将中断向量(63-0)压栈。

应用接口

User Interrupts (Uintr)是一个可选择的特性(不像信号)。希望使用Uintr的应用程序需要使用与Uintr相关的系统调用来向内核注册自己。Uintr接收器总是一个用户空间任务。一个Uintr sender可以是另一个用户空间任务，内核或设备。

一个接收器可以注册/注销一个中断处理程序使用Uintr接收器相关的系统调用：
- uintr_register_handler(handler, flags)
- uintr_unregister_handler(flags)
系统调用还允许接收者注册一个vector 并创建一个用户中断文件描述符 — uintr_fd：
- uintr_fd = uintr_create_fd(vector, flags)

当eventfd或signal 用于频繁的用户空间事件通知时，Uintr是有用的。uintr_fd的语义有点类似于eventfd()或pipe的写端。

任何发送方都可以使用 uintr_fd 向接收方传递事件(例如，中断)。发送方可以使用uintr_fd 管理与接收者之间的连接：
- uipi_index = uintr_register_sender(uintr_fd, flags)
在初始设置之后，发送端可以使用 SENDUIPI 指令以及uipi_index 参数来生成 User IPI，而不需要任何内核干预：
- SENDUIPI <uipi_index>

如果接收端正在运行(CPL=3)，则直接交付用户中断，而不需要内核转换。如果接收端没有运行，那么当接收端获得上下文切换回时，中断就会被交付。如果接收者在内核中被阻塞，用户中断被传递到内核，内核然后解除阻塞，向接收者传递中断。

如果发送方是内核或设备，则可以将 uintr_fd 传递给相关的内核实体，以允许它们设置连接，然后生成用于事件传递的 user interrupt。

具体的例子

#define _GNU_SOURCE
#include <syscall.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <x86gprintrin.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>unsigned long uintr_received;
unsigned int uintr_fd;void __attribute__((interrupt))__attribute__((target("general-regs-only", "inline-all-stringops")))
uintr_handler(struct __uintr_frame *ui_frame,unsigned long long vector)
{uintr_received = 1;
}void receiver_setup_interrupt(void)
{int vector = 0;int ret;/* Register interrupt handler */if (uintr_register_handler(uintr_handler, 0)) {printf("[FAIL]\tInterrupt handler register error\n");exit(EXIT_FAILURE);}/* Create uintr_fd */ret = uintr_create_fd(vector, 0);if (ret < 0) {printf("[FAIL]\tInterrupt vector registration error\n");exit(EXIT_FAILURE);}uintr_fd = ret;
}void *sender_thread(void *arg)
{long sleep_usec = (long)arg;int uipi_index;uipi_index = uintr_register_sender(uintr_fd, 0);if (uipi_index < 0) {printf("[FAIL]\tSender register error\n");return NULL;}/* Sleep before sending IPI to allow the receiver to block in the kernel */if (sleep_usec)usleep(sleep_usec);printf("\tother thread: sending IPI\n");_senduipi(uipi_index);uintr_unregister_sender(uintr_fd, 0);return NULL;
}static inline void cpu_relax(void)
{asm volatile("rep; nop" ::: "memory");
}void test_base_ipi(void)
{pthread_t pt;uintr_received = 0;if (pthread_create(&pt, NULL, &sender_thread, NULL)) {printf("[FAIL]\tError creating sender thread\n");return;}printf("[RUN]\tSpin in userspace (waiting for interrupts)\n");// Keep spinning until interrupt receivedwhile (!uintr_received)cpu_relax();printf("[OK]\tUser interrupt received\n");
}void test_blocking_ipi(void)
{pthread_t pt;long sleep_usec;uintr_received = 0;sleep_usec = 1000;if (pthread_create(&pt, NULL, &sender_thread, (void *)sleep_usec)) {printf("[FAIL]\tError creating sender thread\n");return;}printf("[RUN]\tBlock in the kernel (waiting for interrupts)\n");uintr_wait(0);if (uintr_received)printf("[OK]\tUser interrupt received\n");elseprintf("[FAIL]\tUser interrupt not received\n");
}int main(int argc, char *argv[])
{receiver_setup_interrupt();/* Enable interrupts */_stui();test_base_ipi();test_blocking_ipi();close(uintr_fd);uintr_unregister_handler(0);exit(EXIT_SUCCESS);
}

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