System Performance 读书笔记 - 操作系统（1）

本系列是针对 Systems Performance: Enterprise and the Cloud, 2nd Edition (2020) 书籍的读书笔记，加入了一些个人理解以及拓展，并且针对一些难以理解的地方提供了一些额外的参考

内核（Kernel）

经典模型中，内核在操作系统结构中的位置如图所示：

从里到外分别是：

• 硬件（Hardware）：操作系统运行在的硬件设备。
• 内核（Kernel）：操作系统的核心软件，内核管理着 CPU 调度、内存、文件系统、网络协议以及各种系统设备（磁盘 IO、网络 IO 等等）。通过系统调用提供服务。
• 系统调用（System Calls）：提供访问硬件设备或者内核服务的程序接口。例如 open, close, read, write, ioctl等，需包含头文件unistd.h。
• 系统库（System Libraries）：直接用系统调用可能不太方便，我们可以使用封装好的库函数进行编程使用。从图上可以看出，这里其实有个缺口，因为应用也可以不使用系统库而是直接使用系统调用。例如像是 Go 语言运行环境，他就使用了自己封装的系统调用层而不是标准库 libc。

目前很多操作系统都在这个模型的基础上做了变种，之后我们会详细分析。

内核执行

经过不断地迭代，内核目前已经非常庞大，有上百万的代码。内核的执行是按需的，例如当用户级别的应用程序发起了系统调用，或者设备发送了一个中断（interrupt）的时候。另外，某些内核线程回异步执行一些维护性的工作，可能包含内核时钟程序以及内存管理任务，但是这些任务都会尽量保持轻量级并只占用很少的 CPU 资源。

像 Web 服务器这种 I/O 密集型的应用（不断的接受请求返回响应），会经常在内核上下文中执行。计算密集型的应用则会尽量不打扰内核，可以不中断地在 CPU 上执行。内核调度器会决定那个线程会运行，哪个会等待，以及调度到哪个 CPU 上。内核会选择硬件缓存更热或者对于这个进程本地性更好的 CPU，来提高性能。

内核态以及用户态

内核态（kernel mode）：运行内核程序的时候，CPU 处于的模式即内核态，在这一状态下，设备的一切访问以及各种特权命令执行都是被允许的。内核控制对于设备的访问来实现多进程处理。除非明确指定，否则进程之间或者用户之间的数据是无法互相访问的

用户态（user mode）:运行用户程序的时候，CPU 处于的模式。通过系统调用，会从用户态切换到内核态用更高的权限级别执行：

用户态切换到内核态是一种模式切换（mode switch），所有的系统调用都会模式切换，某些系统调用还会上下文切换：遇到硬盘 IO 或者网络 IO 的线程会上下文切换到可以运行的线程。这种切换都是有性能损耗的，一般通过如下几种优化来避免：

• 用户模式系统调用（User-mode syscalls）:可以在用户模式库实现一些系统调用。Linux 通过暴露 virtual dynamic shared object （vDSO）来实现，可以参考：https://man7.org/linux/man-pages/man7/vdso.7.html
• 内存映射（Memory mappings）：用于按需装载内存页（缺页中断），后面还会提到。这样能避免直接访问 IO 造成系统调用。
• 内核绕开（Kernel bypass）：可以让用户态程序直接访问设备，例如 DPDK（Data Plane Development Kit），这里推荐一篇关于 DPDK 的文章
• 内核态应用：例如运行在内核的 TUX 服务器，以及 BPF(Berkeley Packet Filter). 关于 BPF，有一个著名的基于 BPF 实现的工具集合是：https://github.com/iovisor/bcc