PCID in Linux Kernel*

PCID & 与PTI的结合 (happyseeker.github.io)

17. Page Table Isolation (PTI) — The Linux Kernel documentation

Intel SDM Volume3 4.10.1 PCID

PCID*

Process-Context IDentifiers, PCID 进程上下文标识符，12 位标识符，位于 CR3 寄存器的第 12 位。

AMD 称为 ASID，手册里并没有说 ASID 大小。而且在虚拟化方案中，AMD 仍使用 ASID 标记 VCPU，而 Intel 使用 VPID。

没有 PCID 的环境中，进程切换后要刷新所有的 TLB；引入 PCID 后，使用它作为 TLB 条目标签，进程间互不干扰。进程切换后就可以不刷新 TLB 或之刷新自身 PCID 对应的条目，提升性能。

全局页，在 PTE 的 bit-8 全局标志位置位后，相应的 TLB 条目视为全局，进程切换时不会被刷新，不关联 PCID。

why KPTI*

CPU 在很久之前就支持 PCID，而 Linux 只是在 4.15 之后才使用。主要是因为 Meltdown 的软件缓解措施 KPTI 内核页表隔离启用后，进程从用户态切换到内核态也需要切换页表，刷新 TLB，带来较大的性能开销。所以利用 PCID 减少 TLB 刷新，降低开销。

使用 PCID 存在一些问题：

• PCID 是 12 位，最多 4096 个，而如果要给每个进程分配一个 PCID，进程数超过 4096 之后就只能重新分配。
• 将 TLB 条目按 PCID 划分，而 TLB 大小有限，PCID 数越多，每个 PCID 分到的条目越少，也会增加 TLB miss 的概率。
• 引入 PCID 后，并不意味着进程切换不需要刷新，一般是刷新当前 PCID 对应的条目。

当前内核中只使用 6 个 PCID，内核记录最近使用的 PCID，控制进程切换时是否要刷新，如果是最近使用过的 PCID（说明进程刚切走不久又切换回来），就可以直接使用 TLB 条目。

Code*

初始化

start_kernel
  setup_arch
    init_mem_mapping
      setup_pcid

分配新 PCID

switch_mm
  switch_mm_irqs_off
    choose_new_asid

PCID 的分配和使用策略完全由软件控制，硬件只提供框架和机制，机制与策略分离。