Solaris、Linux和FreeBSD的內核比較

compnik

轉自：
http://tech.ccidnet.com/art/322/20060321/485291_1.html

1。我個人認為作者MAX對Linux的了解不像他對Solaris那樣深入，我不知道也沒法知道他的下列關于Linux的內容來自自己的代碼閱讀分析還是只是來自第三方的文檔資料而未經自己實地驗證；
　　2。我已經盡量符合原意地翻譯了，當然中間實在忍不住的地方也插兩句自己的話；
　　3。無論是只閱讀這一篇文章，還是看其他東西，我都覺得，保持自己頭腦清醒很重要；
　　4。謝謝

　　Max Bruning 是一名教師/資訊專家，他的教授內容包括Solaris內部組織，設備驅動，內核和應用的crash分析及調試，網絡組織和其他一些特定科目（他的 blog在blogspot，不費點勁可能訪問不了，所以也可以看看www.bruningsystems.com）。

　　在解釋這些子系統(tǒng)在Solaris中是如何實現的時候，他的學生們總會問“Linux里它是怎么工作的？”或者“FreeBSD里是這樣，Solaris里呢？”這種經歷最終讓Max在OpenSolaris網站寫了這篇A Comparison of Solaris, Linux, and FreeBSD Kernels。

　　文章里討論了調度，內存管理和文件系統(tǒng)架構－－這3個子系統(tǒng)在任何操作系統(tǒng)中都有普遍應用，而且他們是最well-understood 的組件。

　　目前很多分析或對比文章所引用的材料及代碼都比較老，與現實脫節(jié)，Max推薦如下幾個多少比較up to date的網站：
Solaris Vs. Linux
Comparing MySQL Performance
Fast Track to Solaris 10 Adoption
Solaris 10 Heads for Linux Territory

　　其實拋開3個系統(tǒng)之間的差別，他們也有很多相似之處。除了那些不同的命名習慣，這些OS在實現不同概念的時候采用了非常相似的方法。他們都支持線程的分時調度，支持最近未使用頁面替換算法實現請求調頁，支持虛擬文件系統(tǒng)層允許不同文件系統(tǒng)架構。這個系統(tǒng)里的一個好概念在另一個系統(tǒng)里也會采用。比如 Linux也接受并實現了 Solaris slab 內存分配算法的概念。FreeBSD 代碼里的很多術語在Solaris里也出現了（快去看看代碼。。。）�？紤]到這3個系統(tǒng)的源代碼都能得到了， fxr.watson.org提供了系統(tǒng)源碼的交叉閱讀瀏覽，可能會發(fā)現很多有趣的地方。

　　好了，溫情默默的套近乎結束，進入正題。

　　調度和調度器
　　Solaris的調度單位是kthread_t，FreeBSd是thread，Linux是task_struct。抬高一級，Solaris的進程是proc_t，當然每個進程里的線程就是kthread_t；Linux的進程和線程都由task_struct 表示，單線程的進程在Linux里是一個task_struct。單線程的進程在Solaris里有一個proc_t，一個kthread_t，還有一個klwp_t表示。klwp_t提供了用戶和內核模式線程切換的存儲區(qū)。FreeBSD里的單線程進程有一個proc ，一個thread 和一個ksegrp 。ksegrp 是“內核調度的實體組kernel scheduling entity group”。三個系統(tǒng)的線程表示結構不同，不過都支持調度線程。

compnik

和大家熟悉的基本一樣，調度是基于優(yōu)先級的。小小的數學問題是，在Linux和FreeBSD里，數字越小，優(yōu)先級越高；而SUN的寶貝卻喜歡數字越大，優(yōu)先級越高。參考下表


　　三個系統(tǒng)都更推崇interactive 線程/進程（下面會提到interactive怎么回事）。Interactive 線程比compute-bound 線程優(yōu)先級要高，不過得到的時間片要少一些。Solaris，FreeBSD和Linux都使用每CPU的“運行隊列 runqueue”。FreeBSD和Linux有一個active隊列和一個expired隊列。名字說得很清楚了－－系統(tǒng)從active上按照優(yōu)先級選擇線程進行調度。用完自己時間片的線程就從active搬到expired上（或者為了避免“餓死”的其他情況），active空以后，內核交換 active和expired。FreeBSD還多一個idle 隊列－－其他兩個queue都空的時候才輪到這個。Solaris的概念是每CPU“調度隊列 dispatch queue”。線程用完時間片后，內核給其一個新優(yōu)先級然后放回調度隊列。所有3個系統(tǒng)的runqueue，對不同優(yōu)先級的可運行線程都分別有鏈表。

　　FreeBSD四個優(yōu)先級共享一個鏈表，Solaris和Linux則每個優(yōu)先級一個鏈表Linux和FreeBSD結合運行時間和睡眠時間計算線程的 interactive-ness，Solaris查表。他們都不支持“gang scheduling”（有興趣查Google即知，并行計算上的調度算法，大白話說就是一組任務一把disptach到各個CPU上。勞倫斯.利弗莫爾那幫造原子彈的家伙最喜歡了，他們有世界上最昂貴的玩具，可以理解）每個OS都調度下一個線程而不是N個線程開始運行。這3個OS都有利用CACHE （warm affinity）和負載均衡的機制。對超線程CPU，FreeBSD能盡量將多個線程保持在一個CPU節(jié)點上（當然可能是不同的CPU超線程上）。 Solaris也有類似機制，不過是在用戶和應用的控制下，而且并不限于CPU的超線程，他們的術語是processor sets，FreeBSD的叫法是processor groups和其他2個OS最大的不同是，Solaris同時支持多個“scheduling classes”。3個OS都支持POSIX的SCHED_FIFO，SCHED_RR和SCHED_OTHER （或者SCHED_NORMAL）。SCHED_FIFO 和SCHED_RR通常支持實時線程（我不同意。。。但是照翻。。。）。

[ 本帖最后由 compnik 于 2006-7-1 23:25 編輯 ]

compnik

Solaris和Linux為支持實時線程都支持了內核搶占。Solaris支持fixed priority類，system class的是系統(tǒng)線程（比如換頁線程），interactive的是在X控制下運行窗口環(huán)境的線程，還有一個Fair Share Scheduler 用于資源管理。具體可以參考Solaris資料。FreeBSD的調度器是在編譯時決定的，Linux的調度？－－要看版本了。
支持在系統(tǒng)中加入新的調度類是要付出代價的。內核中每個可能決定調度的地方都得有一個間接得函數調用去call調度類相關的代碼。比如，當一個線程將要 sleep時，內核調用調度類相關代碼，完成該類中線程sleep需要完成工作。在Linux和FreeBSD上，調度已經完成了所有工作。不需要再來一個間接調用。額外的層次，就意味著Solaris的調度要占用稍微多一點的系統(tǒng)開銷－－不過提供了更多的功能。

　　內存管理和分頁

　　Solaris的進程地址空間由邏輯段segment組成。進程地址中的這些段可以通過pmap訪問。Solaris將其內存管理代碼和數據結構分為平臺無關和平臺相關部分（這不跟沒說一樣嘛。。。）。平臺相關部分位于HAT（hardware address translation）層。FreeBSD用vmspace描述進程地址空間，將其劃分為邏輯塊region。硬件相關部分在pmap （physical map）模塊，而vmap 例程處理硬件無關部分和數據結構。Linux使用內存描述符劃分進程地址空間，邏輯單位是memory areas。Linux也由pmap來examine 進程地址空間。
Linux將機器相關層從更高層次的機器無關層中劃分出來。Solaris 和FreeBSD中大多數類似代碼比如page fault處理是機器無關的，而Linux處理page fault的代碼則非常機器相關－－從fault處理開始就是這樣了。由此下來的結果是，Linux能很快地完成大多數分頁相關代碼－－因為數據抽象更少。不過，代價是，下層硬件的改變需要大量修改代碼－－Solaris和FreeBSD則分別把這樣的工作堵截在HAT和pmap層搞定。

　　Segment，region和meory area的分割是：區(qū)域的虛擬地址segmetn/region/memory area映射的object/文件的位置權限map的大小
例如，程序的text（text段，即代碼）在一個segmetn/region/memory area中，OS管理地址空間的機制是類似的，不過數據結構名字完全不同。
分頁3個系統(tǒng)都使用了最近最少使用least recently used算法的變種完成頁替換。他們都有一個守護daemon進程/線程完成頁替換。FreeBSD的是vm_pageout daemon，它周期性地，或者當free的內存不多時，被喚醒。當可用內存低于某個限制時，vm_pageout 運行例程vm_pageout_scan掃描內存并釋放一些頁面。vm_pageout_scan例程可能需要異步地將更改過的頁面寫回到磁盤，在釋放他們之前。不論由多少顆CPU，只有一個這樣的daemon。Solaris的是pageout daemon，它也周期性地運行，處理空閑內存不多的情況。Solaris中的分頁限制值在系統(tǒng)啟動時自動校準，這樣可以避免該守護進程過渡占用CPU或者向磁盤發(fā)出洪水般的換頁請求（嗯，flood這么翻正好 ; P ）。

　　FreeBSD的daemon在大多數情況下使用的值是固定的－－不過也可以調整。Linux的LRU算法可以在運行時動態(tài)調整，而且可以有多個kswapd daemon，每CPU最多一個。這3個系統(tǒng)都使用global working set策略，而不是per process working set。FreeBSD有多個頁面鏈表來追蹤最近使用頁。包括active，inactive，cached和feee頁。根據使用情況，頁面在這些鏈表間走來走去。經常訪問的頁面會在active上。退出的進程的數據頁面將被馬上放到free上。

[ 本帖最后由 compnik 于 2006-7-1 23:26 編輯 ]

compnik

如果因為負載原因vm_pageout_scan 來不及掃描全部內存的話，FreeBSD內核可能將整個進程全部換出。如果內存短缺十分嚴重，vm_pageout_scan 可能會kill系統(tǒng)中最大的進程。Linux也使用不同的頁面鏈表。物理內存被分為（多個）3重zone：一個DMA頁面，一個普通頁面，一個動態(tài)分配內存頁面。zone的實現很像由于x86架構限制而很產生的。頁面在hot，cold和free鏈表間移動－－機制和FreeBSD的類似。經常用的頁面在 hot上�？捎庙撁鎰t在cold或者free上。

　　SUN的大佬使用free鏈，哈希鏈，vnode頁面鏈支持自己的LRU實現。后兩者大致相當于FreeBSD和Linux的active/hot鏈－－也是FreeBSD和Linux要掃描的鏈。Solaris要掃描的不是這兩個對象，它用two-handed clock算法掃描全部頁面（見Solaris Internals 或其他什么地方隨你便）。大致方法是，兩只手相隔固定舉例，前面的手將page的引用位清空以作為標識，如果自此開始沒有進程引用這個頁，后面的手就釋放這個頁面（當然如果需要就寫回磁盤）。

　　3個系統(tǒng)在分頁時都考慮了NUMA本地性。他們都把IO buffer cache和虛擬內存頁面的cache合并到一個系統(tǒng)頁cache中。系統(tǒng)頁cache用于讀寫文件已經被mmap了文件，還有應用的text段和data段。

　　文件系統(tǒng)

　　3個系統(tǒng)都使用數據抽象層向應用隱藏文件系統(tǒng)實現細節(jié)。就是用大家熟悉的open，close，read，write，stat，等等系統(tǒng)調用訪問文件，無論下層的文件數據的實現和組織如何。Solaris和FreeBSD把這種機制稱為VFS（virtual file system），基本數據結構是vnode（virtual node）。Solaris和FreeBSD里每個被訪問的文件都有一個賦給他們的vnode。除了generic 的文件信息外，vnode還包含到file-system-specific 信息的指針。Linux采用了詳細的機制，也叫VFS（virtual file switch），文件系統(tǒng)無關的數據結構是inode。這個機構和vnode類似（小心：Solaris和FreeBSD也另有自己的inode－－是 UFS文件系統(tǒng)里file-system-dependent 的數據）。Linux還有兩個不同的結構，一個用于文件操作，另一個用于inode操作。Solaris和FreeBSD將他們合并為vnode操作。
VFS允許在系統(tǒng)里實現多種文件系統(tǒng)。這意味著他們相互訪問對方的文件系統(tǒng)沒問題。只要相關的文件系統(tǒng)例程和數據結構已經被移植到VFS上。所有這3個系統(tǒng)都允許文件系統(tǒng)堆疊stacking。下表列出了每個OS實現的文件系統(tǒng)類型，不是全部哈。


　　結論
　　Solaris，FreeBSD和Linux顯然都在從對方身上獲益。隨著Solaris的開源，這種相互促進有望更快。Max個人已經感覺到 Linux的變化是最快的。新技術被快速地集成進系統(tǒng)，只是文檔和健壯性可能有點落后。Linux有很多－－或者有時是看上去有很多－－開發(fā)者。 FreeBSD則大概是（從某種意義上）3個系統(tǒng)中歷史最長的。Solaris來自BSD Unix和AT&T Bell實驗室Unix的結合，使用了更多數據抽象層，因而一般說來能更簡便地支持更多功能。不過，內核中大多數這樣的分層都沒有文檔描述。可能隨著代碼的開放這一點會有所改善。

　　至于他們的差別，最大的地方之一是page fault處理了。在Solaris中，發(fā)生page fault時，代碼是從平臺相關的trap handler開始執(zhí)行的（以大家的智商，這好像不用說了吧。。。），然后會調用generic的as_fault例程，這個例程判斷發(fā)生page fault的segment，然后調用segment driver處理page fault。segment driver調用文件系統(tǒng)代碼，后者再調用進驅動程序，換入頁面。換入完成后，segment driver 調用HAT層來更新頁表項。在Linux上，發(fā)生page fault后，內核調用的代碼在會馬上進入平臺相關部分，這些處理可能更快，不過可能不太容易擴展和移植（后半段說得太省，不知道作者有沒有真的研究過 Linux下對應的處理過程）。

　　內核觀察和調試工具對正確理解系統(tǒng)行為有關鍵意義。在這方面，Solaris有kmdb，mdb和DTrace 。在開源之前，Max就對Solaris做過多年“反向工程”－－他發(fā)現解決問題的時候使用工具總比閱讀代碼來得快－－我也知道，不過得看什么場合，大家可不要被他誤導。Linux嘛，我看作者Max不太熟，所以認為沒有太多工具。對FreeBSD，他也認為只是可以用GDB調試內核的dump－－ Liux也可以。
(e129)

[ 本帖最后由 compnik 于 2006-7-1 23:24 編輯 ]

liuzhuan23

恩，謝謝了，是篇好文章

Solaris12

原帖由 compnik 于 2006-7-1 23:17 發(fā)表
轉自：
http://tech.ccidnet.com/art/322/20060321/485291_1.html

1。我個人認為作者MAX對Linux的了解不像他對Solaris那樣深入，我不知道也沒法知道他的下列關于Linux的內容來自自己的代碼閱讀分析 ...

作者Max今年大概都50多了吧，美國人，經常穿梭于中國美國之間，下面的link是去年max來北京做的演講，題目就是這篇文章，親眼見過Max對solaris內核的熟悉程度，簡直佩服的五體投地:

http://blogs.sun.com/roller/page/JoeyGuo/20051209