FreeBSD 8.0展望

大大狗

FreeBSD的Robert N. M. Watson在回應(yīng)一封-hackers的郵件時(shí) （Message-ID:
20071125110116.U63238@fledge.watson.org
），對(duì) FreeBSD 的 SMP 工作進(jìn)行了回顧，并對(duì) FreeBSD 8 進(jìn)行了一些展望：
目前的絕大多數(shù)操作系統(tǒng)，都是從單 CPU 的硬件開(kāi)始起家的。因此，內(nèi)核的同步模型，基本上都是針對(duì)中斷處理程序、 I/O 導(dǎo)致的阻塞所產(chǎn)生的并發(fā)，而非真正的并行處理而設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，這種模型包括了“禁止中斷”，有時(shí)還包括“中斷優(yōu)先級(jí)”以便處理不同的優(yōu)先級(jí)和選擇性搶占，以及用以處理同步操作，如使內(nèi)核線程進(jìn)入休眠狀態(tài)的 I/O 等的簡(jiǎn)單的休眠鎖。正如你已經(jīng)猜到的那樣，這也是 BSD，包括 FreeBSD 開(kāi)始這些工作的起點(diǎn)。
因此，在操作系統(tǒng)中引入 SMP 支持的第一步，往往就是引入“全局鎖（Giant lock）”，使內(nèi)核在同一時(shí)刻事實(shí)上只在一顆 CPU 上運(yùn)行。這樣做的目的是在 SMP 硬件上運(yùn)行時(shí)，能夠依然使用 UP（單處理器）內(nèi)核的那些基本假設(shè)。這使得用戶態(tài)程序能夠運(yùn)行在多個(gè) CPU 上，但內(nèi)核則不能以并行方式運(yùn)行。在內(nèi)核中引入這種變動(dòng)相對(duì)而言比較容易，因?yàn)樗�不需要改變整個(gè)內(nèi)核的同步模型，而只需簡(jiǎn)單地加入全局鎖、修改硬件探測(cè)和引導(dǎo)代碼，處理中斷傳遞、TLB shootdown等等。但是，由于內(nèi)核無(wú)法從并行處理中獲益，因此對(duì)于高度依賴內(nèi)核的操作而言，啟用 SMP 除了增加開(kāi)銷之外，意義不大。
因此，引入 SMP 支持的下一個(gè)步驟，便是修改內(nèi)核的同步模型，使得它的一些部分能夠在多個(gè) CPU 上同時(shí)運(yùn)行，并由此帶來(lái)性能提升。對(duì)于 FreeBSD 而言，全局鎖是在 FreeBSD 3 引入的，我們?cè)?FreeBSD 5 中開(kāi)始將其細(xì)化。在 FreeBSD 6 中，內(nèi)核的絕大多數(shù)子系統(tǒng)都已經(jīng)不再使用全局鎖，而在 FreeBSD 7 中，鎖的細(xì)化進(jìn)行了更進(jìn)一步的推進(jìn)�，F(xiàn)在還有一些邊角的位置上存在全局鎖，不太常用的文件系統(tǒng)、一些較舊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，等等，但多數(shù)情況下，已經(jīng)不會(huì)再看到正在運(yùn)行由全局鎖保護(hù)的代碼了。需要說(shuō)明的是，即使只是將內(nèi)核中 1/2 的部分中的全局鎖細(xì)化，也會(huì)顯著地改善全局鎖保護(hù)的代碼性能，因?yàn)殒i的沖撞機(jī)會(huì)減少了。
目前，全局鎖已經(jīng)逐漸被弱化成了保護(hù) tty、 newbus、 usb 和 msdosfs 代碼的鎖，并且，消除全局鎖的工作，已經(jīng)帶來(lái)了顯著的性能提升。在 FreeBSD 7 中，我們的工作重點(diǎn)，已經(jīng)從消除全局鎖，轉(zhuǎn)移到了優(yōu)化上鎖原語(yǔ)、調(diào)度器以及鎖粒度上。例如，在 FreeBSD 7 上 MySQL 的性能改進(jìn)，多數(shù)都?xì)w功于下面幾個(gè)有限的變動(dòng)：

由 M:N 線程轉(zhuǎn)為 1:1 線程模型。
對(duì)于 sx(9) 休眠鎖原語(yǔ)的大幅改進(jìn)。
引入了高效的非休眠 rw(9) 上鎖原語(yǔ)。
將內(nèi)核中文件描述符表的上鎖方式改為使用低開(kāi)銷的 sx(9) 原語(yǔ)，以及通過(guò)將上鎖操作細(xì)分為讀寫兩種所帶來(lái)的改善。
將 UNIX domain socket 改為細(xì)粒度上鎖模型。
由于引入 ule(4) 調(diào)度器帶來(lái)的大幅可伸縮性改善。

在 FreeBSD 8 中，我們將繼續(xù)對(duì)上鎖粒度和內(nèi)核并行性方面進(jìn)行改進(jìn)，以更好地在更多 CPU 池中分?jǐn)傌?fù)載。多核、多處理器芯片正在迅速普及，因此多處理器系統(tǒng)的性能非常值得深入挖掘。也就是說(shuō)，盡管目前我們所做的工作已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成效，我們?nèi)匀恍枰�繼續(xù)挖掘多處理器硬件，特別是在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧方面的潛能。
(本文轉(zhuǎn)自
http://wiki.freebsdchina.org/news/2007/freebsd_8_roadahead
)


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