高效輕型線程助力提高Linux實(shí)時(shí)性能

簡介

　　上個(gè)世紀(jì)，研發(fā)人員投入了大量精力提高Linux實(shí)時(shí)性能和行為，最著名的是PREEMPT_RT Linux實(shí)時(shí)擴(kuò)展。最近，研發(fā)人員致力于研究適用于多核設(shè)備的Linux用戶空間解決方案，該解決方案允許從用戶空間中直接訪問基礎(chǔ)硬件，從而可避免因?qū)inux內(nèi)核引入用戶空間應(yīng)用而帶來的額外系統(tǒng)開銷。這些用戶空間擴(kuò)展（有多個(gè)）已首先由電信/網(wǎng)絡(luò)高性能 IP 數(shù)據(jù)包處理系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)所謂的裸金屬實(shí)施，其中，多核設(shè)備中的Linux用戶空間應(yīng)用可以模擬無操作系統(tǒng)解決方案的執(zhí)行過程，即在每個(gè)內(nèi)核上進(jìn)行簡單運(yùn)行到完成、輪詢循環(huán)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)包處理。在從根本上實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的同時(shí)，該解決方案仍可用于非常特殊的用例。還有其他需要提高性能的用例無法通過以上解決方案完全解決嗎？如果有的話，請列舉出來，是否可應(yīng)用更完善的Linux實(shí)時(shí)改進(jìn)？答案是肯定的，采用Linux用戶空間輕型線程 （light-weight threading, LWT） 即可。我們來研究一下實(shí)時(shí) Linux,以及輕型線程如何能成為適用于某些應(yīng)用的解決方案。研究的重點(diǎn)受電信、網(wǎng)絡(luò)或常用通信應(yīng)用的影響，Enea側(cè)重于這些應(yīng)用中采用的技術(shù)。但總體上來說，對輕型線程的重點(diǎn)應(yīng)用會使多方受益。

　　實(shí)時(shí)Linux及其解決的問題

　　在過去的10 年中，Linux 已在實(shí)時(shí)性能和行為方面取得了顯著的進(jìn)步，滿足了大量應(yīng)用的需求。具體歸納如下：

　　PREEMPT_RT

　　PREEMPT_RT也許是Linux實(shí)時(shí)擴(kuò)展取得的最顯著的成就，PREEMPT_RT數(shù)據(jù)包解決了多核設(shè)備Linux中存在的特別棘手的問題，即中斷延遲問題。將事件/數(shù)據(jù)傳送到真實(shí)用戶空間應(yīng)用之前，處理Linux內(nèi)核中的中斷占用的系統(tǒng)開銷非常高 - 該系統(tǒng)開銷往往會延遲其他中斷，從而增大發(fā)生中斷時(shí)測得的中斷信息接收方進(jìn)行處理的總體延遲。同樣，Linux內(nèi)核中還有許多所謂的重要部分,可在其中通過自旋鎖禁用中斷。標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的總體中斷延遲與許多實(shí)時(shí)應(yīng)用的最重要的中斷延遲要求不符，特別是無線接入網(wǎng)（移動）和移動核心基礎(chǔ)設(shè)施，這兩者要求最差情況下的中斷延遲應(yīng)在20-30微秒范圍內(nèi)。這一點(diǎn)也適用于許多其他市場應(yīng)用。在快速nutshellPREEMPT_RT中，這一問題是通過以下方式解決的：

　　●將全部設(shè)備驅(qū)動器中斷句柄傳遞到可調(diào)度線程中，這樣可最大程度地減少Linux內(nèi)核對中斷的處理工作，因此，無需等待前一中斷處理完成便可處理新中斷。之后，中斷處理會變?yōu)槭軆?yōu)先級驅(qū)動，根據(jù)用戶需求，會先完成優(yōu)先級最高的中斷處理。

　　●將Linux內(nèi)核中的所有死空間自旋鎖傳遞到互斥量中，從而允許其他內(nèi)核線程代替內(nèi)核空間自旋鎖運(yùn)行。

　　基本上，PREEMPT_RT已根據(jù)非常高性能的實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)將總體中斷延遲成功縮短，這樣對大量Linux應(yīng)用都非常有幫助。要了解具體應(yīng)用？請繼續(xù)往下讀。

　　用戶空間Linux調(diào)整

　　如上文所述，近年來，研發(fā)人員對Linux用戶空間應(yīng)用投入了大量精力。目的是避免用戶空間應(yīng)用（Linux 用戶對其附加價(jià)值投入了大量精力）占用Linux內(nèi)核本身的系統(tǒng)開銷來處理某些特定的設(shè)備/中斷交互。Linux采用的模型可極大程度地防止用戶空間應(yīng)用受到內(nèi)核的影響，在該模型中，所有用戶空間操作（包括線程）始終會映射到Linux內(nèi)核，以便處理其I/O請求。這樣便Linux具有強(qiáng)大的行為和特性。但是，對于數(shù)據(jù)處理性能非常高的應(yīng)用來說，即使采用PREEMPT_RT,Linux也會有短時(shí)故障，這是因?yàn)?，總是需要進(jìn)行Linux內(nèi)核上下文切換才能直接訪問硬件。用戶空間Linux實(shí)施允許應(yīng)用在不涉及Linux內(nèi)核的情況下直接訪問硬件和中斷，并可極大程度地提高性能。但這種性能提升只能在I/O密度極高的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。大部分Linux用戶空間調(diào)整都側(cè)重于單線程應(yīng)用（如高性能數(shù)據(jù)包處理），其中，Linux下只有一個(gè)線程用于模擬多核設(shè)備中的無操作系統(tǒng)性能。

　　多線程問題

　　實(shí)時(shí)Linux解決方案調(diào)查中缺少的是認(rèn)真檢查多線程在實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用中的有效性。實(shí)際上，早在20世紀(jì)80年代Linux出現(xiàn)之前，人們就提出了需要采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 來實(shí)現(xiàn)低延遲、高吞吐量、極具實(shí)時(shí)特點(diǎn)的應(yīng)用。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但對這方面的需求卻沒有改變。此類RTOS解決方案所具有的各種性能、行為和特性是過去十多年中Linux一直嘗試達(dá)到的。這并不意味著傾向于恢復(fù)使用RTOS,而是要達(dá)到RTOS所具有的功能。就便攜性、應(yīng)用的廣闊生態(tài)系統(tǒng)以及設(shè)備支持和常規(guī)支持來講，Linux在實(shí)時(shí)嵌入式解決方案中的總體價(jià)值是任何RTOS都無法比擬的。存在兩個(gè)實(shí)際問題：

　　●多線程為何重要？

　　●如果多線程很重要，那么我們應(yīng)如何將RTOS多線程性能、行為和特性添加到Linux中，以便取得更大的成功？關(guān)鍵問題是了解Linux多線程實(shí)施與RTOS,然后考慮可以進(jìn)行哪些改進(jìn)。

　　多線程為何重要？

　　30多年前，當(dāng)計(jì)算機(jī)解決方案軟件設(shè)計(jì)人員碰到單線程解決方案無法解決的復(fù)雜問題時(shí)，便已提出了對多線程實(shí)時(shí)性方面的需求。所需解決方案要求單個(gè)應(yīng)用具有多個(gè)任務(wù)，也許一些是計(jì)算任務(wù)，一些是受I/O驅(qū)動的任務(wù)，但是，就任務(wù)的總體執(zhí)行而言，所有任務(wù)均密切相關(guān)。但多個(gè)任務(wù)密切相關(guān)意味著這些任務(wù)應(yīng)共享一部分CPU時(shí)間才能達(dá)到CPU的有效總體利用率。在很多此類應(yīng)用中，必須禁止執(zhí)行某些操作、等待某些I/O事件或另一應(yīng)用發(fā)出的其他通信。因此出現(xiàn)了簡單的可執(zhí)行程序，這些可執(zhí)行程序可以處理多個(gè)線程，同時(shí)可禁用線程，并可在各線程之間進(jìn)行低延遲通信。

　　并非所有實(shí)時(shí)應(yīng)用都需要支持重要的多線程處理功能。本文并未對相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行分類。但很顯然，需要使用多線程處理功能的應(yīng)用是那些需要在協(xié)議中設(shè)定等待狀態(tài)的任何類型的復(fù)雜協(xié)議，即等待允許應(yīng)用繼續(xù)進(jìn)行的響應(yīng)或事件。之后，應(yīng)用應(yīng)放棄對CPU的控制權(quán)，允許運(yùn)行其他類似的線程，來代替該響應(yīng)或事件。

　　也許上述教程對于許多人來說很簡單。請注意，很多移動基礎(chǔ)設(shè)施和核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商得出的結(jié)論是，雖然Linux是當(dāng)前或未來系統(tǒng)的首選，但目前構(gòu)建的Linux還不足以滿足業(yè)界的全部要求。原因是什么？