簡介

　　上個世紀，研發人員投入了大量精力提高 Linux 實時性能和行為，最著名的是 PREEMPT_RT Linux 實時擴展。最近，研發人員致力于研究適用于多核設備的 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硬件，從而可避免因將 Linux 內核引入用戶空間應用而帶來的額外系統開銷。這些用戶空間擴展(有多個)已首先由電信/網絡高性能 IP 數據包處理系統進行驅動，以實現所謂的“裸金屬”實施，其中，多核設備中的 Linux 用戶空間應用可以模擬“無操作系統”解決方案的執行過程，即在每個內核上進行簡單“運行到完成”、輪詢循環，以便進行數據包處理。在從根本上實現該目標的同時，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，是否可應用更完善的 Linux 實時改進?答案是肯定的，采用 Linux 用戶空間輕型線程 (light-weight threading, LWT) 即可。我們來研究一下實時 Linux，以及輕型線程如何能成為適用于某些應用的解決方案。研究的重點受電信、網絡或常用通信應用的影響，Enea 側重于這些應用中采用的技術。但總體上來說，對輕型線程的重點應用會使多方受益。

　　實時 Linux 及其解決的問題

　　在過去的 10 年中，Linux 已在實時性能和行為方面取得了顯著的進步，滿足了大量應用的需求。具體歸納如下：

　　PREEMPT_RT
　　PREEMPT_RT 也許是 Linux 實時擴展取得的最顯著的成就，PREEMPT_RT 數據包解決了多核設備 Linux 中存在的特別棘手的問題，即“中斷延遲”問題。將事件/數據傳送到真實用戶空間應用之前，處理Linux內核中的中斷占用的系統開銷非常高 - 該系統開銷往往會延遲其他中斷，從而增大發生中斷時測得的中斷信息接收方進行處理的總體延遲。同樣，Linux 內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。標準Linux 內核的總體中斷延遲與許多實時應用的最重要的中斷延遲要求不符，特別是無線接入網(移動)和移動核心基礎設施，這兩者要求最差情況下的中斷延遲應在 20-30 微秒范圍內。這一點也適用于許多其他市場應用。在快速“nutshell”PREEMPT_RT 中，這一問題是通過以下方式解決的：

• 將全部設備驅動器中斷句柄傳遞到可調度線程中，這樣可最大程度地減少 Linux 內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，中斷處理會變為受優先級驅動，根據用戶需求，會先完成優先級最高的中斷處理。
• 將 Linux 內核中的所有死空間自旋鎖傳遞到互斥量中，從而允許其他內核線程代替內核空間自旋鎖運行。

　　基本上，PREEMPT_RT 已根據非常高性能的實時標準將總體中斷延遲成功縮短，這樣對大量 Linux 應用都非常有幫助。要了解具體應用?請繼續往下讀。

　　用戶空間 Linux 調整

　　如上文所述，近年來，研發人員對 Linux 用戶空間應用投入了大量精力。目的是避免用戶空間應用(Linux 用戶對其附加價值投入了大量精力)占用 Linux 內核本身的系統開銷來處理某些特定的設備/中斷交互。Linux 采用的模型可極大程度地防止用戶空間應用受到內核的影響，在該模型中，所有用戶空間操作(包括線程)始終會映射到 Linux 內核，以便處理其 I/O 請求。這樣便使 Linux 具有強大的行為和特性。但是，對于數據處理性能非常高的應用來說，即使采用 PREEMPT_RT，Linux 也會有短時故障，這是因為，總是需要進行 Linux 內核上下文切換才能直接訪問硬件。用戶空間 Linux 實施允許應用在不涉及 Linux 內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 密度極高的環境中實現。大部分 Linux 用戶空間調整都側重于單線程應用(如高性能數據包處理)，其中，Linux 下只有一個線程用于模擬多核設備中的“無操作系統”性能。

　　多線程問題

　　實時 Linux 解決方案調查中缺少的是認真檢查多線程在實時嵌入式應用中的有效性。實際上，早在 20 世紀 80 年代 Linux 出現之前，人們就提出了需要采用嵌入式實時操作系統 (RTOS) 來實現低延遲、高吞吐量、極具實時特點的應用。操作系統的結構發生了變化，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 一直嘗試達到的。這并不意味著傾向于恢復使用 RTOS，而是要達到 RTOS 所具有的功能。就便攜性、應用的廣闊生態系統以及設備支持和常規支持來講，Linux 在實時嵌入式解決方案中的總體價值是任何 RTOS 都無法比擬的。存在兩個實際問題：

• 多線程為何重要?
• 如果多線程很重要，那么我們應如何將 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?關鍵問題是了解 Linux 多線程實施與 RTOS，然后考慮可以進行哪些改進。

　　多線程為何重要?

　　30 多年前，當計算機解決方案軟件設計人員碰到單線程解決方案無法解決的復雜問題時，便已提出了對多線程實時性方面的需求。所需解決方案要求單個應用具有多個任務，也許一些是計算任務，一些是受 I/O 驅動的任務，但是，就任務的總體執行而言，所有任務均密切相關。但多個任務密切相關意味著這些任務應共享一部分 CPU 時間才能達到 CPU 的有效總體利用率。在很多此類應用中，必須禁止執行某些操作、等待某些 I/O 事件或另一應用發出的其他通信。因此出現了簡單的可執行程序，這些可執行程序可以處理多個線程，同時可禁用線程，并可在各線程之間進行低延遲通信。

　　并非所有實時應用都需要支持重要的多線程處理功能。本文并未對相關應用進行分類。但很顯然，需要使用多線程處理功能的應用是那些需要在協議中設定“等待狀態”的任何類型的復雜協議，即等待允許應用繼續進行的響應或事件。之后，應用應放棄對 CPU 的控制權，允許運行其他類似的線程，來代替該響應或事件。

　　也許上述教程對于許多人來說很簡單。請注意，很多移動基礎設施和核心網絡設備供應商得出的結論是，雖然 Linux 是當前或未來系統的首選，但目前構建的 Linux 還不足以滿足業界的全部要求。原因是什么?

　　采用 PTHREADS 的 Linux 多線程

　　Pthreads 是由 IEEE 規劃的可移植操作系統接口 (POSIX) 創建的，目的是為了解決 Unix 中存在的高性能、多線程問題，之后被 Linux 用在最早的版本中，用于為企業實施可移植 Unix，目前用于嵌入式應用中。

　　創建 pthreads 模型是為了解決原始 Unix Fork/Join 模型創建 Unix“子”進程時出現的問題。由于該模型涉及到創建(還可能涉及刪除)整個受內存保護的環境及執行模式，因此Unix 進程模型非常龐大。需要在 Unix 下采用適用于多線程的較輕型模型，因此pthreads應運而生。

　　但 Unix(也包括 Linux)模型是專為將內核與用戶空間應用完全分離而設計的，其優勢之一在于提供的保護、安全性和可靠性遠勝于其他實施方案(包括過去 10 幾年間使用的 RTOS)。實質上，這意味著 Linux 用戶空間中的每個 pthread 都會由 Linux 內核線程表示，因此，全部或大部分 Linux 系統調用(特別是設備驅動器)均可通過用戶空間進行訪問。但是，由于 OEM 制造的產品并不具備 GPL，因此用戶空間中實際存儲了所有嵌入式 Linux 實時應用。因此，在每種情況下，使用 pthreads 都涉及到調用 Linux 內核，從而為本可以在本地實施的應用帶來了額外的系統開銷。