Solaris、Linux和FreeBSD的內(nèi)核比較

compnik

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

1。我個(gè)人認(rèn)為作者M(jìn)AX對(duì)Linux的了解不像他對(duì)Solaris那樣深入，我不知道也沒法知道他的下列關(guān)于Linux的內(nèi)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(jīng)自己實(shí)地驗(yàn)證；
　　2。我已經(jīng)盡量符合原意地翻譯了，當(dāng)然中間實(shí)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(nèi)容包括Solaris內(nèi)部組織，設(shè)備驅(qū)動(dòng)，內(nèi)核和應(yīng)用的crash分析及調(diào)試，網(wǎng)絡(luò)組織和其他一些特定科目（他的 blog在blogspot，不費(fèi)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的時(shí)候，他的學(xué)生們總會(huì)問“Linux里它是怎么工作的？”或者“FreeBSD里是這樣，Solaris里呢？”這種經(jīng)歷最終讓Max在OpenSolaris網(wǎng)站寫了這篇A Comparison of Solaris, Linux, and FreeBSD Kernels。

　　文章里討論了調(diào)度，內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)架構(gòu)－－這3個(gè)子系統(tǒng)在任何操作系統(tǒng)中都有普遍應(yīng)用，而且他們是最well-understood 的組件。

　　目前很多分析或?qū)Ρ任恼滤�引用的材料及代碼都比較老，與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)，Max推薦如下幾個(gè)多少比較up to date的網(wǎng)站：
Solaris Vs. Linux
Comparing MySQL Performance
Fast Track to Solaris 10 Adoption
Solaris 10 Heads for Linux Territory

　　其實(shí)拋開3個(gè)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(xí)慣，這些OS在實(shí)現(xiàn)不同概念的時(shí)候采用了非常相似的方法。他們都支持線程的分時(shí)調(diào)度，支持最近未使用頁面替換算法實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求調(diào)頁，支持虛擬文件系統(tǒng)層允許不同文件系統(tǒng)架構(gòu)。這個(gè)系統(tǒng)里的一個(gè)好概念在另一個(gè)系統(tǒng)里也會(huì)采用。比如 Linux也接受并實(shí)現(xiàn)了 Solaris slab 內(nèi)存分配算法的概念。FreeBSD 代碼里的很多術(shù)語在Solaris里也出現(xiàn)了（快去看看代碼。。。）�？紤]到這3個(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)很多有趣的地方。

　　好了，溫情默默的套近乎結(jié)束，進(jìn)入正題。

　　調(diào)度和調(diào)度器
　　Solaris的調(diào)度單位是kthread_t，F(xiàn)reeBSd是thread，Linux是task_struct。抬高一級(jí)，Solaris的進(jìn)程是proc_t，當(dāng)然每個(gè)進(jìn)程里的線程就是kthread_t；Linux的進(jìn)程和線程都由task_struct 表示，單線程的進(jìn)程在Linux里是一個(gè)task_struct。單線程的進(jìn)程在Solaris里有一個(gè)proc_t，一個(gè)kthread_t，還有一個(gè)klwp_t表示。klwp_t提供了用戶和內(nèi)核模式線程切換的存儲(chǔ)區(qū)。FreeBSD里的單線程進(jìn)程有一個(gè)proc ，一個(gè)thread 和一個(gè)ksegrp 。ksegrp 是“內(nèi)核調(diào)度的實(shí)體組kernel scheduling entity group”。三個(gè)系統(tǒng)的線程表示結(jié)構(gòu)不同，不過都支持調(diào)度線程。

compnik

和大家熟悉的基本一樣，調(diào)度是基于優(yōu)先級(jí)的。小小的數(shù)學(xué)問題是，在Linux和FreeBSD里，數(shù)字越小，優(yōu)先級(jí)越高；而SUN的寶貝卻喜歡數(shù)字越大，優(yōu)先級(jí)越高。參考下表


　　三個(gè)系統(tǒng)都更推崇interactive 線程/進(jìn)程（下面會(huì)提到interactive怎么回事）。Interactive 線程比compute-bound 線程優(yōu)先級(jí)要高，不過得到的時(shí)間片要少一些。Solaris，F(xiàn)reeBSD和Linux都使用每CPU的“運(yùn)行隊(duì)列 runqueue”。FreeBSD和Linux有一個(gè)active隊(duì)列和一個(gè)expired隊(duì)列。名字說得很清楚了－－系統(tǒng)從active上按照優(yōu)先級(jí)選擇線程進(jìn)行調(diào)度。用完自己時(shí)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(nèi)核交換 active和expired。FreeBSD還多一個(gè)idle 隊(duì)列－－其他兩個(gè)queue都空的時(shí)候才輪到這個(gè)。Solaris的概念是每CPU“調(diào)度隊(duì)列 dispatch queue”。線程用完時(shí)間片后，內(nèi)核給其一個(gè)新優(yōu)先級(jí)然后放回調(diào)度隊(duì)列。所有3個(gè)系統(tǒng)的runqueue，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的可運(yùn)行線程都分別有鏈表。

　　FreeBSD四個(gè)優(yōu)先級(jí)共享一個(gè)鏈表，Solaris和Linux則每個(gè)優(yōu)先級(jí)一個(gè)鏈表Linux和FreeBSD結(jié)合運(yùn)行時(shí)間和睡眠時(shí)間計(jì)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(jì)算上的調(diào)度算法，大白話說就是一組任務(wù)一把disptach到各個(gè)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(gè)OS都調(diào)度下一個(gè)線程而不是N個(gè)線程開始運(yùn)行。這3個(gè)OS都有利用CACHE （warm affinity）和負(fù)載均衡的機(jī)制。對(duì)超線程CPU，F(xiàn)reeBSD能盡量將多個(gè)線程保持在一個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)上（當(dāng)然可能是不同的CPU超線程上）。 Solaris也有類似機(jī)制，不過是在用戶和應(yīng)用的控制下，而且并不限于CPU的超線程，他們的術(shù)語是processor sets，F(xiàn)reeBSD的叫法是processor groups和其他2個(gè)OS最大的不同是，Solaris同時(shí)支持多個(gè)“scheduling classes”。3個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)線程都支持了內(nèi)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(yùn)行窗口環(huán)境的線程，還有一個(gè)Fair Share Scheduler 用于資源管理。具體可以參考Solaris資料。FreeBSD的調(diào)度器是在編譯時(shí)決定的，Linux的調(diào)度？－－要看版本了。
支持在系統(tǒng)中加入新的調(diào)度類是要付出代價(jià)的。內(nèi)核中每個(gè)可能決定調(diào)度的地方都得有一個(gè)間接得函數(shù)調(diào)用去call調(diào)度類相關(guān)的代碼。比如，當(dāng)一個(gè)線程將要 sleep時(shí)，內(nèi)核調(diào)用調(diào)度類相關(guān)代碼，完成該類中線程sleep需要完成工作。在Linux和FreeBSD上，調(diào)度已經(jīng)完成了所有工作。不需要再來一個(gè)間接調(diào)用。額外的層次，就意味著Solaris的調(diào)度要占用稍微多一點(diǎn)的系統(tǒng)開銷－－不過提供了更多的功能。

　　內(nèi)存管理和分頁

　　Solaris的進(jìn)程地址空間由邏輯段segment組成。進(jìn)程地址中的這些段可以通過pmap訪問。Solaris將其內(nèi)存管理代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為平臺(tái)無關(guān)和平臺(tái)相關(guān)部分（這不跟沒說一樣嘛。。。）。平臺(tái)相關(guān)部分位于HAT（hardware address translation）層。FreeBSD用vmspace描述進(jìn)程地址空間，將其劃分為邏輯塊region。硬件相關(guān)部分在pmap （physical map）模塊，而vmap 例程處理硬件無關(guān)部分和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Linux使用內(nèi)存描述符劃分進(jìn)程地址空間，邏輯單位是memory areas。Linux也由pmap來examine 進(jìn)程地址空間。
Linux將機(jī)器相關(guān)層從更高層次的機(jī)器無關(guān)層中劃分出來。Solaris 和FreeBSD中大多數(shù)類似代碼比如page fault處理是機(jī)器無關(guān)的，而Linux處理page fault的代碼則非常機(jī)器相關(guān)－－從fault處理開始就是這樣了。由此下來的結(jié)果是，Linux能很快地完成大多數(shù)分頁相關(guān)代碼－－因?yàn)閿?shù)據(jù)抽象更少。不過，代價(jià)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(quán)限map的大小
例如，程序的text（text段，即代碼）在一個(gè)segmetn/region/memory area中，OS管理地址空間的機(jī)制是類似的，不過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)名字完全不同。
分頁3個(gè)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(gè)守護(hù)daemon進(jìn)程/線程完成頁替換。FreeBSD的是vm_pageout daemon，它周期性地，或者當(dāng)free的內(nèi)存不多時(shí)，被喚醒。當(dāng)可用內(nèi)存低于某個(gè)限制時(shí)，vm_pageout 運(yùn)行例程vm_pageout_scan掃描內(nèi)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(gè)這樣的daemon。Solaris的是pageout daemon，它也周期性地運(yùn)行，處理空閑內(nèi)存不多的情況。Solaris中的分頁限制值在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)，這樣可以避免該守護(hù)進(jìn)程過渡占用CPU或者向磁盤發(fā)出洪水般的換頁請(qǐng)求（嗯，flood這么翻正好 ; P ）。

　　FreeBSD的daemon在大多數(shù)情況下使用的值是固定的－－不過也可以調(diào)整。Linux的LRU算法可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，而且可以有多個(gè)kswapd daemon，每CPU最多一個(gè)。這3個(gè)系統(tǒng)都使用global working set策略，而不是per process working set。FreeBSD有多個(gè)頁面鏈表來追蹤最近使用頁。包括active，inactive，cached和feee頁。根據(jù)使用情況，頁面在這些鏈表間走來走去。經(jīng)常訪問的頁面會(huì)在active上。退出的進(jìn)程的數(shù)據(jù)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?yàn)樨?fù)載原因vm_pageout_scan 來不及掃描全部內(nèi)存的話，F(xiàn)reeBSD內(nèi)核可能將整個(gè)進(jìn)程全部換出。如果內(nèi)存短缺十分嚴(yán)重，vm_pageout_scan 可能會(huì)kill系統(tǒng)中最大的進(jìn)程。Linux也使用不同的頁面鏈表。物理內(nèi)存被分為（多個(gè)）3重zone：一個(gè)DMA頁面，一個(gè)普通頁面，一個(gè)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存頁面。zone的實(shí)現(xiàn)很像由于x86架構(gòu)限制而很產(chǎn)生的。頁面在hot，cold和free鏈表間移動(dòng)－－機(jī)制和FreeBSD的類似。經(jīng)常用的頁面在 hot上。可用頁面則在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(shí)現(xiàn)。后兩者大致相當(dāng)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(gè)對(duì)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(biāo)識(shí)，如果自此開始沒有進(jìn)程引用這個(gè)頁，后面的手就釋放這個(gè)頁面（當(dāng)然如果需要就寫回磁盤）。

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

　　文件系統(tǒng)

　　3個(gè)系統(tǒng)都使用數(shù)據(jù)抽象層向應(yīng)用隱藏文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。就是用大家熟悉的open，close，read，write，stat，等等系統(tǒng)調(diào)用訪問文件，無論下層的文件數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)和組織如何。Solaris和FreeBSD把這種機(jī)制稱為VFS（virtual file system），基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是vnode（virtual node）。Solaris和FreeBSD里每個(gè)被訪問的文件都有一個(gè)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(xì)的機(jī)制，也叫VFS（virtual file switch），文件系統(tǒng)無關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是inode。這個(gè)機(jī)構(gòu)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(shù)據(jù)）。Linux還有兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)，一個(gè)用于文件操作，另一個(gè)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(shí)現(xiàn)多種文件系統(tǒng)。這意味著他們相互訪問對(duì)方的文件系統(tǒng)沒問題。只要相關(guān)的文件系統(tǒng)例程和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被移植到VFS上。所有這3個(gè)系統(tǒng)都允許文件系統(tǒng)堆疊stacking。下表列出了每個(gè)OS實(shí)現(xiàn)的文件系統(tǒng)類型，不是全部哈。


　　結(jié)論
　　Solaris，F(xiàn)reeBSD和Linux顯然都在從對(duì)方身上獲益。隨著Solaris的開源，這種相互促進(jìn)有望更快。Max個(gè)人已經(jīng)感覺到 Linux的變化是最快的。新技術(shù)被快速地集成進(jìn)系統(tǒng)，只是文檔和健壯性可能有點(diǎn)落后。Linux有很多－－或者有時(shí)是看上去有很多－－開發(fā)者。 FreeBSD則大概是（從某種意義上）3個(gè)系統(tǒng)中歷史最長的。Solaris來自BSD Unix和AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室Unix的結(jié)合，使用了更多數(shù)據(jù)抽象層，因而一般說來能更簡便地支持更多功能。不過，內(nèi)核中大多數(shù)這樣的分層都沒有文檔描述�？赡茈S著代碼的開放這一點(diǎn)會(huì)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(shí)，代碼是從平臺(tái)相關(guān)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(huì)調(diào)用generic的as_fault例程，這個(gè)例程判斷發(fā)生page fault的segment，然后調(diào)用segment driver處理page fault。segment driver調(diào)用文件系統(tǒng)代碼，后者再調(diào)用進(jìn)驅(qū)動(dòng)程序，換入頁面。換入完成后，segment driver 調(diào)用HAT層來更新頁表項(xiàng)。在Linux上，發(fā)生page fault后，內(nèi)核調(diào)用的代碼在會(huì)馬上進(jìn)入平臺(tái)相關(guān)部分，這些處理可能更快，不過可能不太容易擴(kuò)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(duì)應(yīng)的處理過程）。

　　內(nèi)核觀察和調(diào)試工具對(duì)正確理解系統(tǒng)行為有關(guān)鍵意義。在這方面，Solaris有kmdb，mdb和DTrace 。在開源之前，Max就對(duì)Solaris做過多年“反向工程”－－他發(fā)現(xiàn)解決問題的時(shí)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(chǎng)合，大家可不要被他誤導(dǎo)。Linux嘛，我看作者M(jìn)ax不太熟，所以認(rèn)為沒有太多工具。對(duì)FreeBSD，他也認(rèn)為只是可以用GDB調(diào)試內(nèi)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
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1。我個(gè)人認(rèn)為作者M(jìn)AX對(duì)Linux的了解不像他對(duì)Solaris那樣深入，我不知道也沒法知道他的下列關(guān)于Linux的內(nèi)容來自自己的代碼閱讀分析 ...

作者M(jìn)ax今年大概都50多了吧，美國人，經(jīng)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(duì)solaris內(nèi)核的熟悉程度，簡直佩服的五體投地:

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