Linux 片面报告：从 4.0 到 4.2

Chen Jie 创作于 2015/07/02

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。

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++。

[置顶] 泰晓 RISC-V 实验箱，配套 30+ 讲嵌入式 Linux 系统开发公开课