x86/fpu: Change fpu->fpregs_active from 'int' to 'char', add lazy switching comments
authorIngo Molnar <mingo@kernel.org>
Fri, 1 May 2015 07:59:04 +0000 (09:59 +0200)
committerIngo Molnar <mingo@kernel.org>
Tue, 19 May 2015 13:48:09 +0000 (15:48 +0200)
Improve the memory layout of 'struct fpu':

 - change ->fpregs_active from 'int' to 'char' - it's just a single flag
   and modern x86 CPUs can do efficient byte accesses.

 - pack related fields closer to each other: often 'fpu->state' will not be
   touched, while the other fields will - so pack them into a group.

Also add comments to each field, describing their purpose, and add
some background information about lazy restores.

Also fix an obsolete, lazy switching related comment in fpu_copy()'s description.

Cc: Andy Lutomirski <luto@amacapital.net>
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Signed-off-by: Ingo Molnar <mingo@kernel.org>
arch/x86/include/asm/fpu/types.h
arch/x86/kernel/fpu/core.c
arch/x86/kernel/fpu/xstate.c

index fe2ce3276a38e85a0e556adafb21874bdd5bf02e..261cfb76065f673d6d37f992a102a87879bc9bc4 100644 (file)
@@ -159,8 +159,44 @@ union fpregs_state {
 
 struct fpu {
        /*
+        * @state:
+        *
+        * In-memory copy of all FPU registers that we save/restore
+        * over context switches. If the task is using the FPU then
+        * the registers in the FPU are more recent than this state
+        * copy. If the task context-switches away then they get
+        * saved here and represent the FPU state.
+        *
+        * After context switches there may be a (short) time period
+        * during which the in-FPU hardware registers are unchanged
+        * and still perfectly match this state, if the tasks
+        * scheduled afterwards are not using the FPU.
+        *
+        * This is the 'lazy restore' window of optimization, which
+        * we track though 'fpu_fpregs_owner_ctx' and 'fpu->last_cpu'.
+        *
+        * We detect whether a subsequent task uses the FPU via setting
+        * CR0::TS to 1, which causes any FPU use to raise a #NM fault.
+        *
+        * During this window, if the task gets scheduled again, we
+        * might be able to skip having to do a restore from this
+        * memory buffer to the hardware registers - at the cost of
+        * incurring the overhead of #NM fault traps.
+        *
+        * Note that on modern CPUs that support the XSAVEOPT (or other
+        * optimized XSAVE instructions), we don't use #NM traps anymore,
+        * as the hardware can track whether FPU registers need saving
+        * or not. On such CPUs we activate the non-lazy ('eagerfpu')
+        * logic, which unconditionally saves/restores all FPU state
+        * across context switches. (if FPU state exists.)
+        */
+       union fpregs_state              state;
+
+       /*
+        * @last_cpu:
+        *
         * Records the last CPU on which this context was loaded into
-        * FPU registers. (In the lazy-switching case we might be
+        * FPU registers. (In the lazy-restore case we might be
         * able to reuse FPU registers across multiple context switches
         * this way, if no intermediate task used the FPU.)
         *
@@ -170,23 +206,49 @@ struct fpu {
         */
        unsigned int                    last_cpu;
 
-       unsigned int                    fpregs_active;
-       union fpregs_state              state;
        /*
+        * @fpstate_active:
+        *
+        * This flag indicates whether this context is active: if the task
+        * is not running then we can restore from this context, if the task
+        * is running then we should save into this context.
+        */
+       unsigned char                   fpstate_active;
+
+       /*
+        * @fpregs_active:
+        *
+        * This flag determines whether a given context is actively
+        * loaded into the FPU's registers and that those registers
+        * represent the task's current FPU state.
+        *
+        * Note the interaction with fpstate_active:
+        *
+        *   # task does not use the FPU:
+        *   fpstate_active == 0
+        *
+        *   # task uses the FPU and regs are active:
+        *   fpstate_active == 1 && fpregs_active == 1
+        *
+        *   # the regs are inactive but still match fpstate:
+        *   fpstate_active == 1 && fpregs_active == 0 && fpregs_owner == fpu
+        *
+        * The third state is what we use for the lazy restore optimization
+        * on lazy-switching CPUs.
+        */
+       unsigned char                   fpregs_active;
+
+       /*
+        * @counter:
+        *
         * This counter contains the number of consecutive context switches
         * during which the FPU stays used. If this is over a threshold, the
-        * lazy fpu saving logic becomes unlazy, to save the trap overhead.
+        * lazy FPU restore logic becomes eager, to save the trap overhead.
         * This is an unsigned char so that after 256 iterations the counter
         * wraps and the context switch behavior turns lazy again; this is to
         * deal with bursty apps that only use the FPU for a short time:
         */
        unsigned char                   counter;
-       /*
-        * This flag indicates whether this context is fpstate_active: if the task is
-        * not running then we can restore from this context, if the task
-        * is running then we should save into this context.
-        */
-       unsigned char                   fpstate_active;
 };
 
 #endif /* _ASM_X86_FPU_H */
index ac39616cb021b8fc74429226745ffc385db34507..97df457784aa3485db94c982bc0ce5022afae883 100644 (file)
@@ -227,10 +227,8 @@ EXPORT_SYMBOL_GPL(fpstate_init);
 /*
  * Copy the current task's FPU state to a new task's FPU context.
  *
- * In the 'eager' case we just save to the destination context.
- *
- * In the 'lazy' case we save to the source context, mark the FPU lazy
- * via stts() and copy the source context into the destination context.
+ * In both the 'eager' and the 'lazy' case we save hardware registers
+ * directly to the destination buffer.
  */
 static void fpu_copy(struct fpu *dst_fpu, struct fpu *src_fpu)
 {
index 733a8aec7bd71f421d7ed480af5a96e92a990595..cd7f1a6bd93362758bec72835a441e87974cb376 100644 (file)
@@ -76,10 +76,11 @@ int cpu_has_xfeatures(u64 xfeatures_needed, const char **feature_name)
 EXPORT_SYMBOL_GPL(cpu_has_xfeatures);
 
 /*
- * When executing XSAVEOPT (optimized XSAVE), if a processor implementation
- * detects that an FPU state component is still (or is again) in its
- * initialized state, it may clear the corresponding bit in the header.xfeatures
- * field, and can skip the writeout of registers to the corresponding memory layout.
+ * When executing XSAVEOPT (or other optimized XSAVE instructions), if
+ * a processor implementation detects that an FPU state component is still
+ * (or is again) in its initialized state, it may clear the corresponding
+ * bit in the header.xfeatures field, and can skip the writeout of registers
+ * to the corresponding memory layout.
  *
  * This means that when the bit is zero, the state component might still contain
  * some previous - non-initialized register state.