Solaris、Linux及FreeBSD三者的內(nèi)核比較
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(xí)慣，這些OS在實現(xiàn)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(diào)度，支持最近未使用頁面替換算法實現(xiàn)請求調(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(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(xiàn)很多有趣的地方。
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，Solaris的進(jìn)程是proc_t，當(dāng)然每個進(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task_struct。單線程的進(jìn)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(nèi)核模式線程切換的存儲區(qū)。FreeBSD里的單線程進(jìn)程有一個proc ，一個thread 和一個ksegrp 。ksegrp 是“內(nèi)核調(diào)度的實體組kernel scheduling entity group”。三個系統(tǒng)的線程表示結(jié)構(gòu)不同，不過都支持調(diào)度線程。
和大家熟悉的基本一樣，調(diào)度是基于優(yōu)先級的。小小的數(shù)學(xué)問題是，在Linux和FreeBSD里，數(shù)字越小，優(yōu)先級越高;而SUN的寶貝卻喜歡數(shù)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(jìn)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，F(xiàn)reeBSD和Linux都使用每CPU的“運(yùn)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(jìn)行調(diào)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(nèi)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(diào)度隊列 dispatch queue”。線程用完時間片后，內(nèi)核給其一個新優(yōu)先級然后放回調(diào)度隊列。所有3個系統(tǒng)的runqueue，對不同優(yōu)先級的可運(yùn)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(jié)合運(yùn)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(diào)度算法，大白話說就是一組任務(wù)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(diào)度下一個線程而不是N個線程開始運(yùn)行。這3個OS都有利用CACHE(warm affinity)和負(fù)載均衡的機(jī)制。對超線程CPU，F(xiàn)reeBSD能盡量將多個線程保持在一個CPU節(jié)點上(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。。。)。
Solaris和Linux為支持實時線程都支持了內(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)度類是要付出代價的。內(nèi)核中每個可能決定調(diào)度的地方都得有一個間接得函數(shù)調(diào)用去call調(diào)度類相關(guān)的代碼。比如，當(dāng)一個線程將要sleep時，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的系統(tǒng)開銷--不過提供了更多的功能。
#p#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)分為平臺無關(guān)和平臺相關(guān)部分(這不跟沒說一樣嘛。。。)。平臺相關(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--因為數(shù)據(jù)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(quán)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(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(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，被喚醒。當(dāng)可用內(nèi)存低于某個限制時，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)啟動時自動校準(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)行時動態(tài)調(diào)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(jù)使用情況，頁面在這些鏈表間走來走去。經(jīng)常訪問的頁面會在active上。退出的進(jìn)程的數(shù)據(jù)頁面將被馬上放到free上。
如果因為負(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)3重zone：一個DMA頁面，一個普通頁面，一個動態(tài)分配內(nèi)存頁面。zone的實現(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--機(jī)制和FreeBSD的類似。經(jīng)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(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(biāo)識，如果自此開始沒有進(jìn)程引用這個頁，后面的手就釋放這個頁面(當(dāng)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(nèi)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(jīng)被mmap了文件，還有應(yīng)用的text段和data段。
文件系統(tǒng)
3個系統(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(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還有兩個不同的結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(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個系統(tǒng)都允許文件系統(tǒng)堆疊stacking。下表列出了每個OS實現(xiàn)的文件系統(tǒng)類型，不是全部哈。
Solaris，F(xiàn)reeBSD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(jìn)有望更快。Max個人已經(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(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(guān)的trap handler開始執(zhí)行的(以大家的智商，這好像不用說了吧。。。)，然后會調(diào)用generic的as_fault例程，這個例程判斷發(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)動程序，換入頁面。換入完成后，segment driver 調(diào)用HAT層來更新頁表項。在Linux上，發(fā)生page fault后，內(nèi)核調(diào)用的代碼在會馬上進(jìn)入平臺相關(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下對應(yīng)的處理過程)。
內(nèi)核觀察和調(diào)試工具對正確理解系統(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Solaris做過多年“反向工程”--他發(fā)現(xiàn)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(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FreeBSD，他也認(rèn)為只是可以用GDB調(diào)試內(nèi)核的dump--Liux也可以。
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