PCID patchset explained in LWN style

作者按：这篇文章并不是来自 LWN 的，只是作者作为 LWN 的老粉丝，很喜欢 Jonathan 的写作风格，因此做了个拙劣的风格模仿而已，东施效颦，大家见笑哈。

我们都知道 Linus Torvalds 对 x86 架构一向颇有微词，在2024年香港的 Open Source Summit 上，Linus 就直接指出，相对于新的 ARM 和 RISC-V 架构的处理器们，各 x86 处理器厂商都应该增加多 CPU 之间的用于 TLB 管理的信息带宽，让 TLB 管理的时候可以不再需要 TLB Shootdown，不要发这些不必要的 IPI 。似乎是在响应 Linus，AMD 开始为他们的处理器增加 TLB Broadcast 机制，然而，在他们的内核支持代码中也引入了不少 Bug。最近，蚂蚁集团的内核开发者侯文龙发出了一个 Patchset ，旨在修正 AMD TLB Broadcast 机制的 PCID （Process Context IDentity）管理相关的 bug，并在邮件列表里引起了一些讨论，按照蚂蚁集团的资深内核维护者赖江山的说法，这个 Patchset 可能也揭露了关于 PCID 管理的更深远的问题。

回顾：Meltdown 侧信道攻击与 KPTI

PCID 是 Intel 在 2010 年的 Westmere 微架构处理器中开始引入的，用于标识不同的地址空间，从而可以在不同的地址空间之间切换的时候，保持 TLB，优化性能。不过，之前这个字段并未被广泛使用过，直到 2017 年，著名的 Meltdown 侧信道攻击 让人们意识到，即使代码里做了进程间的逻辑保护，利用 CPU 分支优化产生的细微性能变化，当缓存保护不严密的时候，仍然可以向狡猾的攻击者泄漏出内核地址空间里的信息。于是，为了抵御侧信道攻击，4.15-rc6 和 4.14 稳定内核正式引入了 KPTI （Kernel Page-Table Isolation），隔离用户空间和内核空间。KPTI 机制最大的争议在于，为了保护安全，对代码执行性能有普遍的严重的损失，而使用 PCID 来区分不同地址空间，可以显著减少 KPTI 带来的性能损失，大部分开发者也是在这个时候才关注到了这个标识的。

Linux 内核中使用 ASID （Address Space Identity）作为内存管理子系统中的核心部分，在 x86 架构下，ASID 直接对应到了 PCID，不过，在过去这个字段的使用却是比较有限的，因此最近也是暴露出不少问题，比如这次侯文龙试图修复的三个。

这个 Patchset 修复了什么

这组补丁修复了什么（修复内容是大模型总结的，具体可以参考上文相关链接）：

1. ** 修正可用 ASID 数量的计算**第一个补丁调整了 global_asid_available 的计算方式，该变量表示可用于分配的 ASID 数量。此前，该值被设置为 MAX_ASID_AVAILABLE - TLB_NR_DYN_ASIDS - 1，导致丢失了一个有效的 ASID。侯文龙的修复移除了多余的减法运算，确保使用了正确的数量。
2. 修复 allocate_global_asid() 中的逻辑错误第二个补丁修复了 allocate_global_asid() 函数中的逻辑错误。原始代码中包含了一个多余的检查，用于判断 global_asid_available 是否为零，但由于此前已在 use_global_asid() 中进行了验证，因此该检查是不必要的。移除这个检查可以简化代码，并避免不必要的警告。
3. 重新定义 MAX_ASID_AVAILABLE第三个补丁重新定义了 MAX_ASID_AVAILABLE，使其表示可用 ASID 的数量，而不是最大 ASID 值。这一变更确保了用于跟踪已分配 ASID 的位图包含所有有效的条目，避免了排除最高的 ASID。

目前，这组补丁已经引起了一番讨论，Rik van Riel 总体肯定了这些补丁，并给出了一些他的 Review 意见，并且，侯文龙也表示愿意根据意见做出新一版的修订。

未来：PCID 管理的更多问题

这组补丁让我们注意到，即使是在内存管理这么重要的子系统里，也有一些比较隐秘的角落，甚至有这样的 off-by-one 错误来浪费资源。当然，这个补丁本身也说明了 PCID 正在逐渐被更多场合应用，比如蚂蚁内核团队在去年 Linux Plumber Conference 介绍的 PVM （Pagetable based Virtual Machine），也使用了 PCID 来加速页表的切换。随着 PCID 被越来越多地使用，更有效地管理 PCID 也将在不久的将来成为一个新的关注点。