最近在操作系统部门实习，学习了一些 linux 内核追踪和调试的机制。其中 static key 机制是我认为比较精妙的一个，用来优化系统中大量的 if-else 判断性能问题。

linux 中有一套很强大的内核代码追踪机制，说白了就是在各种重要的内核事件发生的地方（trace point）加上一段调试函数，将相关的信息记录下来。比如在切换进程的时候多调用一个 trace_sched_switch 函数：

static inline void
prepare_task_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
		    struct task_struct *next)
{
    trace_sched_switch(prev, next);
    ...
}

这个 trace 功能绝大部分 linux 用户都用不到，只有在进行内核调试时才会用到，所以默认都是关闭的，需要的时候再手动操作 /sys/kernel/debug/tracing/events 下的文件打开。

但是即使我们在运行时关闭了 trace，内核运行到这里的时候也会多执行一个无用的 if 判断语句。当系统中的追踪点很多的时候，这些空判断对性能的影响是不可忽视的。于是 linux 中引入了 static key 解决这个问题。

用法

虽然 static key 最初是为了消除 trace point 的开销而设计的，但它本身是一个独立的机制，其他模块也可以随意使用。

// 定义一个 static key
// - 必须为全局变量
// - 必须初始化为 STATIC_KEY_INIT_FALSE 或 STATIC_KEY_INIT_TRUE
struct static_key key = STATIC_KEY_INIT_FALSE;

// 初始化为 false 时，判断必须使用 static_key_false 包装
if (static_key_false(&key)) {
    // 这是 true 分支，由于 key 初始化为 false，默认不会走该分支
    do_unlikely_branch();
} else {
    // 这个分支是默认走的分支
    do_likely_branch();
}

// key 的值一开始为 0，该函数把 key 的值加 1
// key 从 0 变 1 时，代码路径会更换为 do_unlikely_branch() 分支
static_key_slow_inc(&key);
// 该函数把 key 的值减 1
// key 从 1 变 0 时，代码路径会更换为 do_likely_branch() 分支
static_key_slow_dec(&key);

// 直接将 key 的值置 1
static_key_enable(&key);
// 直接将 key 的值置 0
static_key_disable(&key);

原理

linux 使用了 static key 的机制来消除 trace point 的运行时开销。其工作原理是：

  • 系统初始化时，将所有的用 static key 判断的代码地址保存到一个单独的段 jump_table 中
  • 打开 static key 时，遍历 jump_table 中所有的地址，将此处代码替换为 jmp 指令
  • 关闭 static key 时，遍历 jump_table 中所有的地址，将此处代码替换为 nop 指令

由此可见，当我们关闭 static key 后，所有本来需要判断 static key 的地方都是一条 nop 指令，尽可能减少了对系统性能的影响。需要注意的是，打开和关闭的操作是很耗时的，因为需要遍历所有出现过判断的地方，并进行代码段指令的替换。所以 static key 不适用于需要频繁开关的场景。

实现

具体的实现依赖于不同架构的汇编指令，我模拟 linux 的 API 做了一个简易版本的 x86 实现 放在 github 上以供参考。