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Linux 内核的五大创新

 阮鹏
发布于 10/21 23:49
字数 1973
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在科技行业,创新这个词几乎和革命一样到处泛滥,所以很难将那些夸张的东西与真正令人振奋的东西区分开来。Linux内核被称为创新,但它又被称为现代计算中最大的奇迹,一个微观世界中的庞然大物。
撇开营销和模式不谈,Linux 可以说是开源世界中最受欢迎的内核,它在近 30 年的生命时光当中引入了一些真正的规则改变者。

Linux 内核的五大创新Linux 内核的五大创新

Cgroups(2.6.24)

早在 2007 年,Paul Menage 和 Rohit Seth 就在内核中添加了深奥的控制组(cgroups)功能(cgroups 的当前实现是由 Tejun Heo 重写的)。这种新技术最初被用作一种方法,从本质上来说,是为了确保一组特定任务的服务质量。

例如,你可以为与你的 WEB 服务相关联的所有任务创建一个控制组定义(cgroup),为例行备份创建另一个 cgroup ,再为一般操作系统需求创建另一个 cgroup。然后,你可以控制每个组的资源百分比,这样你的操作系统和 WEB 服务就可以获得大部分系统资源,而你的备份进程可以访问剩余的资源。

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然而,cgroups 如今变得这么著名是因其作为驱动云技术的角色:容器。事实上,cgroups 最初被命名为进程容器。当它们被 LXC、CoreOS 和 Docker 等项目采用时,这并不奇怪。

就像闸门打开后一样,“容器” 一词就像成为了 Linux 的同义词一样,微服务风格的基于云的“应用”概念很快成为了规范。如今,已经很难摆脱 cgroups 了,它们是如此普遍。每一个大规模的基础设施(如果你运行 Linux 的话,可能还有你的笔记本电脑)都以一种合理的方式使用了 cgroups,这使得你的计算体验比以往任何时候都更加易于管理和灵活。

例如,你可能已经在电脑上安装了 Flathub 或 Flatpak,或者你已经在工作中使用 Kubernetes和/或 OpenShift。不管怎样,如果“容器”这个术语对你来说仍然模糊不清,则可以 通过 Linux 容器从背后获得对容器的实际理解。

LKMM(4.17)

2018 年,Jade Alglave、Alan Stern、Andrea Parri、Luc Maranget、Paul McKenney 以及其他几个人的辛勤工作的成果被合并到主线 Linux 内核中,以提供正式的内存模型。Linux 内核内存[一致性]模型(LKMM)子系统是一套描述 Linux 内存一致性模型的工具,同时也产生用于测试的用例(特别命名为 klitmus)。

随着系统在物理设计上变得越来越复杂(增加了更多的中央处理器内核,高速缓存和内存增长,等等),它们就越难知道哪个中央处理器需要哪个地址空间,以及何时需要。例如,如果 CPU0 需要将数据写入内存中的共享变量,并且 CPU1 需要读取该值,那么 CPU0 必须在 CPU1 尝试读取之前写入。类似地,如果值是以一种顺序方式写入内存的,那么期望它们也以同样的顺序被读取,而不管哪个或哪些 CPU 正在读取。

即使在单个处理器上,内存管理也需要特定的任务顺序。像 x = y 这样的简单操作需要处理器从内存中加载 y 的值,然后将该值存储在 x 中。在处理器从内存中读取值之前,是不能将存储在 y 中的值放入 x 变量的。此外还有地址依赖:x[n] = 6 要求在处理器能够存储值 6 之前加载 n。

LKMM 可以帮助识别和跟踪代码中的这些内存模式。它部分是通过一个名为 herd 的工具来实现的,该工具(以逻辑公式的形式)定义了内存模型施加的约束,然后列举了与这些约束一致性的所有可能的结果。

低延迟补丁(2.6.38)

很久以前,在 2011 年之前,如果你想在 Linux 上进行多媒体工作,你必须得有一个低延迟内核。这主要适用于录音时添加了许多实时效果(如对着麦克风唱歌和添加混音,以及在耳机中无延迟地听到你的声音)。有些发行版,如 Ubuntu Studio,可靠地提供了这样一个内核,所以实际上这没有什么障碍,这只不过是当艺术家选择发行版时的一个重要提醒。

然而,如果你没有使用 Ubuntu Studio,或者你需要在你的发行版提供之前更新你的内核,你必须跳转到 rt-patches 网页,下载内核补丁,将它们应用到你的内核源代码,编译,然后手动安装。

后来,随着内核版本 2.6.38 的发布,这个过程结束了。Linux 内核突然像变魔术一样默认内置了低延迟代码(根据基准测试,延迟至少降低了 10 倍)。不再需要下载补丁,不用编译。一切都很顺利,这都是因为 Mike Galbraith 编写了一个 200 行的小补丁。

对于全世界的开源多媒体艺术家来说,这是一个规则改变者。从 2011 年开始事情变得如此美好,到 2016 年我自己做了一个挑战,在树莓派 v1(型号 B)上建造一个数字音频工作站(DAW),结果发现它运行得出奇地好。

RCU(2.5)

RCU,即读-拷贝-更新Read-Copy-Update,是计算机科学中定义的一个系统,它允许多个处理器线程从共享内存中读取数据。它通过延迟更新但也将它们标记为已更新来做到这一点,以确保数据读取为最新内容。实际上,这意味着读取与更新同时发生。

典型的 RCU 循环有点像这样:

1.删除指向数据的指针,以防止其他读操作引用它。

2. 等待读操作完成它们的关键处理。

3. 回收内存空间。

将更新阶段划分为删除和回收阶段意味着更新程序会立即执行删除,同时推迟回收直到所有活动读取完成(通过阻止它们或注册一个回调以便在完成时调用)。

虽然 RCU 的概念不是为 Linux 内核发明的,但它在 Linux 中的实现是该技术的一个定义性的例子。

合作(0.01)

对于 Linux 内核创新的问题的最终答案永远是协作。你可以说这是一个好时机,也可以称之为技术优势,称之为黑客能力,或者仅仅称之为开源,但 Linux 内核及其支持的许多项目是协作与合作的光辉范例。

它远远超出了内核范畴。各行各业的人都对开源做出了贡献,可以说都是因为 Linux 内核。Linux 曾经是,现在仍然是自由软件的主要力量,激励人们把他们的代码、艺术、想法或者仅仅是他们自己带到一个全球化的、有生产力的、多样化的人类社区中。

© 著作权归作者所有

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