性能為王，系統(tǒng)的性能提升是每一個工程師的追求。目前，性能優(yōu)化主要集中在消除系統(tǒng)軟件堆棧中的低效率上或繞過高開銷的系統(tǒng)操作。例如，內(nèi)核旁路通過在用戶空間中移動多個操作來實現(xiàn)這個目標，還有就是為某些類別的應用程序重構底層操作系統(tǒng).

在許多領域中，專有化似乎是追求更好性能的答案，集中在應用程序和內(nèi)核，甚至是在不同的內(nèi)核子系統(tǒng)之間。特別地，專有化可以構建應用程序向系統(tǒng)請求某些功能的上下文。雖然，應用程序專有化和內(nèi)核繞過了存儲、網(wǎng)絡化和加速器，但是，內(nèi)核中的并發(fā)控制可能是整體性能的關鍵。

1. 操作系統(tǒng)的性能：內(nèi)核鎖

內(nèi)核鎖是一種用于控制進程訪問共享資源的機制。在Linux內(nèi)核中，內(nèi)核鎖是通過在進程創(chuàng)建時分配一個特殊的鎖來實現(xiàn)的。當一個進程需要訪問共享資源時，內(nèi)核會檢查該進程是否已經(jīng)持有該鎖，如果沒有，則將該進程加入到等待鎖定的隊列中，等待其他進程釋放該鎖。

內(nèi)核鎖對于實現(xiàn)應用程序的良好性能和可伸縮性至關重要.然而，內(nèi)核同步原語通常是不可見的，并且是應用程序開發(fā)人員無法觸及的。設計鎖定算法并驗證它們的正確性已經(jīng)具有挑戰(zhàn)性，而增加硬件的異構性使其更加具有挑戰(zhàn)性。開發(fā)人員缺乏對鎖正在操作的環(huán)境的認識，如優(yōu)先級倒置和鎖持有人優(yōu)先等問題，本質(zhì)上是缺乏上下文。

能否有一種方法能讓用戶空間的應用程序可以調(diào)優(yōu)內(nèi)核中的并發(fā)控制呢？

例如，用戶可以對持有一組鎖的特定任務或系統(tǒng)調(diào)用進行優(yōu)先級排序。用戶可以強制執(zhí)行特定于硬件的策略，例如非對稱多處理感知鎖定，并且可以根據(jù)給定的工作負載決定對讀寫的優(yōu)先級。如果允許開發(fā)人員調(diào)優(yōu)內(nèi)核中的各種鎖，更改它們的參數(shù)和行為，甚至在不同的鎖實現(xiàn)之間進行更改，或許可以進一步提升系統(tǒng)的性能。

軟件堆棧專有化是提高應用程序性能的新方式，提出為了性能目的將代碼推送到內(nèi)核，通過避免增加內(nèi)核數(shù)量瓶頸來提高應用程序的可伸縮性。隨著時間的推移，即使是像Linux這樣的宏內(nèi)核，也已經(jīng)開始允許用戶空間的應用程序自定義內(nèi)核行為。開發(fā)人員可以使用eBPF為跟蹤、安全甚至性能目的定制內(nèi)核。

除了eBPF，Linux的開發(fā)人員也在使用io_uring，一個在用戶空間和內(nèi)核之間的共享內(nèi)存環(huán)緩沖區(qū)，以加快異步IO操作。此外，如今的應用程序可以完全在用戶空間中處理按需分頁。

應用程序來控制底層內(nèi)核的并發(fā)機制，這為鎖的設計者和應用程序開發(fā)人員提供了各種機會。

2. 鎖：過去、現(xiàn)在和未來

硬件是決定鎖的可伸縮性的主要因素，從而影響應用程序的可伸縮性。例如，對于基于隊列的鎖，當多個線程同時獲得鎖時，可以減少過多流量。同時，分層鎖使用批處理來使高速緩存線抖動的問題最小化。

SHFLLock提出了一種通過解耦鎖策略與實現(xiàn)來設計鎖算法的新思想，實現(xiàn)較少的內(nèi)核內(nèi)存開銷和性能下降。主要引入了一個shuffler程序的概念，它重新排序隊列或修改等待線程的狀態(tài)。盡管ShflLocks提供了一種強制執(zhí)行策略的方法，但還可以試圖將重點放在一組簡單的鎖獲取/發(fā)布API上的通用策略上。為了迎合應用的需求，通過分析影響給定工作負載的特定內(nèi)核鎖，應用程序的開發(fā)人員應該以受控和安全的方式定義他們的策略，并動態(tài)地更新鎖獲取策略，使用shuffler執(zhí)行政策。

3 典型場景：調(diào)度等待鎖的線程

等待鎖的線程可以以兩種不同的方式進行調(diào)度：基于鎖的獲取順序的獲取感知調(diào)度，以及基于線程在關鍵段內(nèi)花費的時間的占用感知調(diào)度。

3.1采集感知的調(diào)度

鎖開關，使開發(fā)人員能夠在各種鎖的算法之間進行切換。有三種突出的情況：

從中性的讀寫器鎖設計切換到每個cpu或基于numa的閱讀器設計，以滿足讀密集型工作負載.例如，頁面錯誤和枚舉一個目錄中的文件.另一種情況是從中立的讀寫鎖切換到純粹的寫鎖；一個例子是在一個目錄中創(chuàng)建多個文件。

從基于Numa的鎖設計切換到具有Numa感知的組合方法，其中鎖持有人代表等待線程執(zhí)行操作.這種方法具有更好的性能，因為它至少刪除了一個高速緩存的傳輸。

之間的開關阻塞和非阻塞鎖，反之亦然，例如，通過關閉SHFLLock的shuffler功能的停止/喚醒策略，將阻塞讀切換為非阻塞讀寫鎖（rwlock）。

這種方法帶來了兩個好處：首先，開發(fā)人員可以刪除臨時同步，例如使用非阻塞鎖和使用等待事件實現(xiàn)停止/喚醒策略，這在Btrfs文件系統(tǒng)中是常用的。第二，允許開發(fā)人員通過動態(tài)地多路復用多個策略來統(tǒng)一鎖的設計。

3.1.1 鎖繼承

一個進程可能會獲取多個鎖來執(zhí)行一個操作。例如，Linux中的一個進程最多可以獲得12個鎖（例如，重命名操作），或者平均獲得4個鎖來執(zhí)行內(nèi)存或文件元數(shù)據(jù)管理操作。

不幸的是，這種鎖的模式引發(fā)了基于隊列的鎖問題，一些線程必須等待更長的時間才能獲得頂級鎖，這是由另一個線程等待另一個鎖。例如，假設線程t1想要獲得兩個鎖，L1，然后L2作為一個操作，而t2只想收回L1的操作。由于這些鎖定協(xié)議是基于fifo的，所以t1可能在隊列的最后獲得L2，而t2正在等待獲得L1。開發(fā)人員可以為內(nèi)核提供更多的上下文：要么是t1獲取所有鎖在一起，或t1聲明它已經(jīng)持有的鎖，可以給它一個更高的優(yōu)先級來獲得下一個鎖L2。

應用程序可能希望優(yōu)先考慮系統(tǒng)調(diào)用路徑或一組任務，以獲得更好的性能。開發(fā)人員可以通過對任務優(yōu)先級上下文進行編碼，并將此信息傳遞給受影響的鎖。對于系統(tǒng)調(diào)用，開發(fā)人員可以共享關于一組鎖和關鍵路徑上的優(yōu)先級線程的信息。然后，shuffler程序將優(yōu)先考慮這些線程，而不是等待指定應用程序的鎖的其他線程。

3.1.2 公開調(diào)度程序的語義

通常，超額訂閱硬件資源，如CPU或內(nèi)存，可以得到更好的資源利用率，對于兩個用戶空間運行時系統(tǒng)，以及虛擬機。雖然超額訂閱提高了硬件利用率，但它也引入了雙重調(diào)度問題。系統(tǒng)監(jiān)控程序可以安排一個vCPU作為鎖持有人或VM中的下一個鎖服務。管理程序可以將vCPU調(diào)度信息公開給shuffler程序，以根據(jù)服務的運行時間配額對其進行優(yōu)先排序。

3.1.3 可適應的停止/喚醒策略

所有的封閉鎖都遵循旋轉后停車的策略，即它們在旋轉一段時間后自己停車。這個旋轉時間主要是特別的，也就是說，服務員要么根據(jù)時間配額旋轉一定時間，要么在沒有任務要執(zhí)行的情況下繼續(xù)旋轉。現(xiàn)在，應用程序開發(fā)人員可以在分析關鍵部分的長度后公開時間上下文，以最小化能源消耗和喚醒信息，以按時安排下一個服務員，以最小化喚醒延遲。此外，開發(fā)人員可以進一步對睡眠信息進行編碼，在鎖定之前喚醒服務員，以減少長時間的喚醒延遲。該方法也適用于副虛擬化的自旋鎖以避免護航效應.

3.2 占用調(diào)度

3.2.1 優(yōu)先級繼承

當持有鎖的低優(yōu)先級任務被正常優(yōu)先級任務調(diào)度出去，等待同一鎖時，就會發(fā)生優(yōu)先級反轉。在Linux IO堆棧中說明了這個問題：當調(diào)度IO請求時，一個想要獲得一個鎖的正常任務可以調(diào)度一個持有相同鎖的較低優(yōu)先級的后臺任務。鎖的調(diào)度即后臺任務，導致IO性能下降。

3.2.2 任務公平的合作調(diào)度

這引入了一類新的問題，稱為調(diào)度器顛覆問題，其中兩個任務在不同的時間內(nèi)獲得鎖。保持時間較長的任務顛覆了操作系統(tǒng)的調(diào)度目標。操作系統(tǒng)通過跟蹤關鍵區(qū)域大小和懲罰長時間的任務來解決這個問題。盡管這個解決方案解決了這個問題，但即使對于可能不會從中受益的應用程序，它也加強了調(diào)度的公平性。

3.2.3 在非對稱多核處理器（AMP）機器上的任務公平鎖定

在一個處理器中具有不同的計算能力核心，這種體系結構上使用的基本鎖原語存在一種調(diào)度程序顛覆問題，應用程序吞吐量可能由于較弱內(nèi)核的計算能力較慢而崩潰。為了實現(xiàn)更快的進程，開發(fā)人員可以在更快的核心上分配關鍵鎖，也可以重新排序等待獲得鎖的線程隊列，以改進整個鎖。

3.2.4 實時調(diào)度

與實時系統(tǒng)中的調(diào)度類似，應用程序開發(fā)人員可以創(chuàng)建鎖策略，總是調(diào)度線程以保證SLO。在這里，鎖可以設計為一個基于階段公平的算法.這種方法還允許消除抖動，并保證延遲關鍵應用程序的尾部延遲的上限。

3.3 動態(tài)鎖的分析

應用程序開發(fā)人員可以配置文件有關任何內(nèi)核鎖的信息。選擇要配置的鎖使開發(fā)人員能夠在不同的粒度級別上配置。例如，它們可以配置在內(nèi)核中運行的所有自旋鎖、特定函數(shù)中的鎖、代碼路徑或名稱空間，甚至是單個鎖實例。這種方法使應用程序開發(fā)人員受益，能夠通過只分析感興趣的部分來更好地理解底層同步。

開發(fā)者也可以對性能合約進行推理，基于各種shuffler策略甚至是一組策略提供的某些擔保，這些性能合約會影響應用程序的性能。

4.一種內(nèi)核鎖的優(yōu)化框架

重新定義內(nèi)核鎖所使用的決策和行為，并公開為API，用戶定義的代碼替換這些公開的API，用戶可以根據(jù)自己的需要定制鎖定功能。例如，在加入等待隊列之前是否要旋轉可以是一個API，這樣用戶就可以做出決定。用戶首先編寫自己的代碼來根據(jù)用例修改內(nèi)核中的鎖協(xié)議，然后操作系統(tǒng)替換內(nèi)核內(nèi)部帶注釋的鎖函數(shù)，流程示意如下：

用戶指定了一個鎖策略（1），eBPF驗證者在編譯后驗證它，同時考慮到eBPF限制和互斥安全屬性（2,3）。然后，驗證者將通知用戶驗證結果(4)，如果成功，則將編譯后的eBPF代碼存儲在文件系統(tǒng)（5）中。最后，使用現(xiàn)場補丁模塊替換指定鎖（6）的注釋函數(shù)。

4.1 API

各種API支持了鎖策略的靈活實現(xiàn)，同時保障了安全，操作系統(tǒng)底層實現(xiàn)依賴于eBPF來修改內(nèi)核鎖。通過使用eBPF和鎖API，為內(nèi)核中的一組鎖實例實現(xiàn)了所需的策略。一個用戶可以編碼多個策略，它被轉換為原生代碼，并由eBPF驗證者進行安全檢查。驗證器在將本機代碼加載到內(nèi)核中之前執(zhí)行符號執(zhí)行，例如內(nèi)存訪問控制或只允許白名單的輔助函數(shù)。

4.2 安全性

除了eBPF驗證器，ShflLocks有單獨的鎖獲取階段和一個重新排序等待隊列的階段。用戶依賴API函數(shù)來比較當前節(jié)點和洗牌器節(jié)點與是否對當前節(jié)點進行重新排序，也可以設計調(diào)度器協(xié)同鎖，通過對臨界切片長度較小的節(jié)點進行優(yōu)先級排序，從而降低對節(jié)點的優(yōu)先級。

雖然不正確的用戶實現(xiàn)可能會破壞公平性保證的策略，但是可以在運行時檢查并確保互斥屬性。此外，內(nèi)核沒有任何死鎖問題，API不修改鎖行為，只返回移動節(jié)點的決定。開發(fā)人員能夠通過實現(xiàn)每個調(diào)用所需的行為，以細粒度的方式配置他們的鎖。雖然不會改變鎖函數(shù)的行為，但重量配置分析策略可能會增加關鍵部分的長度，從而導致性能下降。

此外，eBPF公開了鏈接多個eBPF程序的功能，用戶可以使用這些程序來編寫策略。最后，我們還依賴于現(xiàn)場調(diào)度的數(shù)據(jù)結構，用于修改鎖定原語所使用的數(shù)據(jù)結構。例如，可以擴展基于隊列的鎖節(jié)點數(shù)據(jù)結構，并將額外的信息用于為特定的用例編碼信息。在不執(zhí)行用戶空間代碼的最壞情況下，動態(tài)修改鎖算法可能會產(chǎn)生高達20%的開銷。

4.3 組合策略

通過調(diào)優(yōu)內(nèi)核并發(fā)控制，應用程序可以對軟件堆棧有更多的控制。應用程序開發(fā)人員提供了一組需要應用鎖的策略。組合多個策略是一項困難的任務，特別是當某些策略可能發(fā)生沖突的時候。通過利用程序合成來自動化這個過程，或許可以將安全屬性完全移動到用戶空間中的驗證，也可以提供一種安全的方式來組成相互沖突的策略。

用戶不能添加太多的策略，因為它們的執(zhí)行可能會落在關鍵路徑上。允許一個特權用戶修改內(nèi)核鎖，該模型僅適用于使用整個系統(tǒng)的一個用戶。然而，為了處理云環(huán)境中的多租戶，需要一個感知租戶的策略編寫器，它不違反用戶之間的隔離。在用戶空間中綜合策略以避免此類沖突，并在鎖算法中添加運行時檢查，這些檢查只在策略可以影響特定行為時使用。

除了鎖之外，還有其他在內(nèi)核中大量使用的同步機制，如RCU, seqlocks ，等待事件等擴展，將進一步允許應用程序提高其性能。也就是說，用戶空間應用程序還有它們自己的、本質(zhì)上是通用的鎖。相比之下，現(xiàn)有的技術，如庫插入，只允許在應用程序開始執(zhí)行時對不同的鎖實現(xiàn)進行一次更改。

5.小結

內(nèi)核鎖的同步原語對一些應用程序的性能和可伸縮性有巨大的影響，然而，控制內(nèi)核同步原語對于應用程序開發(fā)人員來說是無法實現(xiàn)的。如果使用上下文并發(fā)控制，它允許用戶空間應用程序微調(diào)內(nèi)核并發(fā)原語。這是一種思考軟件堆棧專有化的方法，在一定程度上加速了內(nèi)核同步領域的創(chuàng)新。

審核編輯：劉清