Linux 片面报告：从 4.0 到 4.2

by Chen Jie of TinyLab.org 2015/6/28

前言

Linux 4.1 刚刚发布。近期的 Linux 4.0，4.1 和（开发中的）4.2，似与 TinyLab 诸文有些缘分。且让我们从这角度，带着“偏见”来看看。

4.0

『Linux 技术报告：从 3.10 到 4.0』 从电源管理、性能、稳定性和安全性几个方面回顾了此间版本，其中 4.0 版本亮点：

Live patching

无需重启给内核代码打补丁，大量用到了 ftrace 技术，且是独立的代码 － 无需更改其他子系统。泰晓尚未有文章细细道来，@TinyLab，不来一篇吗？

DAX

我们都知道文件访问先读到内存，然后再访问。某些情况下，例如欲来的 持续性非易失内存（persistent non-volatile memory，断电内容不丢失）作磁盘用时，还要拷贝到内存再去读，就属脱裤子放屁 —— 多此一举了。于是有了 DAX —— Direct Access, the X is for eXciting。

『Clear Containers 介绍』了 Intel 轻量级虚拟机的实现 —— 如此“轻量”，以至于开销可比拟容器（同时有着硬件隔离更安全）：

• 更少的启动开销。分别优化启动过程中的三阶段： Hypervisor、Kernel 和 Userspace。
• 更少的内存开销。其中 DAX 便是内存开销减少的第一功臣，其次为 KSM。

KASan 内存访问检查工具

利用编译器特性，动态地检查内核地址错误：

• 访问已释放的内存地址
• 访问越界

特点是比 kmemcheck 快一大截。

Linux 内核作为最成功的开源项目之一，坐拥许多先进特性，这些特性能否共享给用户空间呢？

比如我们在做 memcpy 优化时，发现加入少数宏开关，就能将内核 memcpy 实现移到用户空间来。

想像一下，若内核的 C 库、C Utils（比如 User-space RCU） 以及 KASan 为代表的基础设施，共享给用户空间？不仅代码复用降低了维护工作量，更能将社区最优秀的成果推广开来，进而使得代码、APIs 风格统一，使 Linux 呈现更好的整体性。

甚至 Linux 内核通过 VDSO 机制，将内核例程映射给用户态？这样两者没准还能共享例程代码所在物理内存页，从而进一步减少内存占用！（也许不能？此处仅 YY）

新挂载项 “lazytime” 与 overlayfs 增强

如果留意下手机的挂载信息，例如 adb shell；cat /proc/self/mountinfo，大概能看到其中 “relatime” 样字出没。“relatime” 有益性能却不符合 POSIX 规范所约定的行为。有了 “lazytime”，就能既符合规范又不损性能。

overlayfs 能将多个文件系统内容合并、层叠起来，是实现桌面应用容器化的核心技术。

4.1

最热闹的论战 – KDBUS 终未合并

KDBus 是用户态 DBus 服务（高级别的 IPC 服务）在内核中的实现。由 systemd、Tizen 以及 Linux 车载系统等社区推动。然而引起了剧烈论战，『KDBUS 合入 Linux Kernel：激烈论战，目前暂歇』 一文回顾了期间来来往往的邮枪邮战。

最新消息：

• Linus 表示 Greg 是个好同志，相信他的判断，在合适的时候进行合并。
• KDBUS 作者 Greg Kroah-Hartman（似乎已是 Linux 内核社区的二号人物？），表示将进行更多调整和测试，期望在 4.3 时候进行合并。

改动汇总

• 调度器：重新实现了 CPU 的负载计算方法，计算出的负载与当前 CPU 速度无关。其改善了 CPU 变频情形下的负载均衡，并更好地支持 big.LITTLE。

• perf：能在 KProbe 上附加 BPF 程序；新增支持 Intel （即将到来） cache QoS 状态监视；新增支持处理器硬件 Tracer 功能（貌似是可编程的）。

  BPF 是种伪汇编，由用户态提供给内核，内核检查后 JIT 执行。用户程序从而能够向内核安全地注入代码，用于包过滤、内核性能剖析、调试等等。啧啧，又是个大杀器。

• zram：可以压缩块数据了。

• 多用户模式成为可选。对于“小”的嵌入式设备非常有用。『Linux 在谋求安全与统一』提到了物联网应用中，“小”的硬件对 Linux 内核带来的挑战。
• KVM：支持 MIPS 的浮点单元和 SIMD 模式；支持 ARM 的中断注入（irqfd()）。
• 新增“简单持续性内存”驱动：改善内核对“大型非易失性内存设备”的支持。
• ext4 文件系统：现在支持文件和文件夹加密了。
• DRM：支持虚拟的 GEM，用作虚拟显卡的内存管理。
• MIPS：支持 XPA 寻址模式，32 位系统上访问 40 位内存地址。
• ARM64：支持 ACPI 接口啦。
• 新增 tracefs：从 debugfs 中独立出来。现在可以只进行性能剖析，而不用同时暴露内核调试接口。
• aio_read/write 被移走，由 read_iter/write_iter 所替代。

MIPS：csum 优化补丁并入

对于超标量的 MIPS 处理器而言，IP 校验和性能将翻一倍。通过证明校验算法的结合律，并用结合律破了指令硬相关，从而提升指令并发度。其中细节详见『IP 校验和计算优化：四两拨千斤』。

该优化本质上是对算法优化，故可以推广到其他体系架构上，同时也适于 C 的参考实现版本。

4.2

4.2 尚在代码合并期间，以下特性也许不会体现在最终版本上：

• Libnvdimm 子系统引入。又是非易失内存设备，目测要火了～
• IO 调度器 CFQ 针对 SSD 优化。IO 调度器 CFQ 启发自 CPU 调度器 CFS，其公平性体现在时间占用公平。优化后公平性体现在 IOPS（Input/Output Operations Per Second）数公平。约有 12% 性能提升。顺便说一句，NCQ TRIM 也有改善，4.2 的 SSD IO 性能改善，值得期待。
• F2FS 支持加密单个文件。F2FS（Flash-Friendly File-System）是目前 SSD 介质上性能最好的文件系统。
• Crypto 子系统：新的公钥加/解密 API 引入，同时支持支持硬件和软件实现的公钥加/解密。

• Crypto 子系统：新的 Jitter Entropy 随机数生成器引入。以 CPU 执行时间的抖动，作为随机源。生成的随机数，可作为其他随机数生成器的种子。

  本站『/dev/urandom 不得不说的故事』 讲述了内核随机数的故事。其中提到由于启动早期熵缺乏，而需要注入存于磁盘的种子文件，来确保启动时刻随机数的质量。到了 4.2，可以从“Jitter Entropy RNG” 得到种子，无需用户态代码来加载种子了。

• KVM：x86 上支持写合并、SMM（System Management Mode）

• 排队自旋锁合并。非竞态下轻微提升，重度竞态（4 槽以上的 NUMA 系统）下明显提升。

  本站『实用同步原语伸缩技术：如何设计高性能的锁定原语』系统介绍了这些年来，Linux 在多核多线程、各种竞态下锁的改进。顺便说个小花絮，该文中特别鸣谢了惠普的 Linux 性能工作组。而本次补丁也由惠普所提交。可见惠普在此领域的积攒，由此对 The Machine 项目期待值++。