被神话的Linux, 一文带你看清Linux在多核可扩展性设计上的不足

说了这么多，也许有人会说， NO，你这两个比对的case不严谨，你只模拟了访问共享的数据，如果是真的可并行执行的代码用微内核的方案岂不是要降低性能吗?平白自废武功，将并行改成串行!确实如此，但是 内核本身就是共享的。 操作系统本身就是协调用户进程对底层共享资源访问的。

所以真并行需要程序员自己来 设计可并行的应用程序。

内核本身就是共享的。共享资源的多线程访问就应该严格串行化，并发争锁是一种最无序的方式，而最有效的方式则是统一仲裁调度。

在我们日常生活中，我们显然能看到和理解为什么排队上车比拥挤着上车更加高效。在计算机系统领域，同样的事情我们也见于交换式以太网和PCIe，相比CSMA/CD的共享式以太网，交换机就是一个仲裁调度器，PCIe的消息hub也是扮演着同样的角色。

其实，即便是宏内核，在访问共享资源时，也并不是全都是并发争锁的方式，对于敏感度比较高的资源，比如时延要求很高的硬件资源，系统底层也是仲裁调度实现的，比如网卡上层发包的队列调度程序，此外对于磁盘IO也有对应的磁盘调度程序。

然而对于宏内核，更加上层的逻辑资源，比如VFS文件对象，socket对象，各种队列等等却没有采用仲裁调度的方式去访问，当它们由多个线程并发访问时，采用了令人遗憾的并发争锁模式，这也是不得已而为之，因为没有哪个实体可以完成仲裁，毕竟访问它们的上下文是隔离的。

来个插叙。当进行Linux系统调优时，瞄准这些方面相关的热点基本就够了。大量热点问题都是这种引起的，open/close同一个文件，进程上下文和软中断同时操作同一个socket，收包时多个CPU上的软中断上下文将包排入同一个队列，诸如此类。 如果你不准备去调优Linux，或许你已经知道Linux内核在SMP环境下的根本缺陷，调它作甚。多看看外面的世界，搞不好比你眼前唯一的那个要好。

当我们评价传统UNIX以及Linux这种操作系统内核时，应该更多的去看它们缺失了什么，而不是一味的觉得它们就是对的。【你认为它是的，可能仅仅因为它是你第一个见到并且唯一见过的】

如果非要说下概念，那就有必要说说 现代操作系统 的虚拟机抽象。

对于我们经常说的 现代操作系统 而言，按照最初的冯诺伊曼结构，只有 “CPU和内存” 在 多处理(包括所有的多进程，多线程等机制) 机制中被抽象了出来，而对于文件系统，网络协议栈等等却没有进行多处理抽象。换句话说，现代操作系统为进程提供了 独占的虚拟机抽象，该虚拟机仅仅包括CPU和内存：

• 时间片调度让进程认为自己独占了CPU。虚拟内存让进程认为自己独享了内存。再无其它虚拟机抽象。

在进程使用这些抽象资源时，现代操作系统无疑采用了仲裁调度机制：

• 操作系统提供任务调度器仲裁CPU的分时复用(典型的是多级反馈优先级队列算法)，为进程/线程统一分配物理CPU的时间片资源。操作系统提供内存分配算法仲裁物理内存空间的分配(典型的是伙伴系统算法)，为进程/线程统一分配物理内存映射给虚拟内存。

显然，正如本文开头说过的，操作系统并未任由进程们去并发争抢CPU和内存资源，然而对于其它几乎所有资源，操作系统并未做任何严格的规定。操作系统以两种态度对待它们：

认为其它资源并非操作系统核心的一部分，于是微内核，用户态驱动等等就形成了概念。认为其它底层的资源也是操作系统核心的一部分，这就是宏内核比如Linux的态度。

态度如何，这并不重要，宏内核，微内核，用户态，内核态，这些也只是概念而已，没有什么大不了的。关键的问题乃是：

• 如何协调共享资源的分配。 或空间资源，或时间资源的或并发争锁，或仲裁调度的方式分配。

无疑，最大的争议就在CPU/内存之外如何协调非进程虚拟化的文件系统的访问和网络协议栈的访问。但无论它们俩的哪一个，目前无论是宏内核还是微内核都有非常非常棒的方案。遗憾的是，这些很棒的方案都不是Linux内核所采用的方案。

哦，对了Nginx便采取了类似微内核，交换机，PCIe的方法，Apache却不是。还有很多别的例子，不再一一赘述，只是想说一点，操作系统领域，核心的东西都是大象无形的，而不是那些形形色色的概念。

摘录一段王垠聊微内核时的一段话：

跟有些人聊操作系统是件闹心的事，因为我往往会抛弃一些术语和概念，从零开始讨论。我试图从“计算本质”的出发点来理解这类事物，理解它们的起因，发展，现状和可能的改进。我所关心的往往是“这个事物应该是什么样子”，“它还可以是什么(也许更好的)样子”，而不只是“它现在是什么样子”。不明白我的这一特性，又自恃懂点东西的人，往往会误以为我连基本的术语都不明白。于是天就这样被他们聊死了。

这其实也是我想说的。

so，忘掉微内核，宏内核，忘掉内核态，用户态，忘掉实模式，保护模式，这样你会更深刻地理解如何仲裁共享资源的访问的本质。

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（编辑：云计算网_泰州站长网）

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