Solaris、Linux和FreeBSD的内核比较

　　1。我个人认为作者MAX对Linux的了解不像他对Solaris那样深入，我不知道也没法知道他的下列关于Linux的内容来自自己的代码阅读分析还是只是来自第三方的文档资料而未经自己实地验证；

　　2。我已经尽量符合原意地翻译了，当然中间实在忍不住的地方也插两句自己的话；

　　3。无论是只阅读这一篇文章，还是看其他东西，我都觉得，保持自己头脑清醒很重要；

　　4。谢谢

　　Max Bruning 是一名教师/资讯专家，他的教授内容包括Solaris内部组织，设备驱动，内核和应用的crash分析及调试，网络组织和其他一些特定科目（他的blog在blogspot，不费点劲可能访问不了，所以也可以看看www.bruningsystems.com）。

　　在解释这些子系统在Solaris中是如何实现的时候，他的学生们总会问“Linux里它是怎么工作的？”或者“FreeBSD里是这样，Solaris里呢？”这种经历最终让Max在OpenSolaris网站写了这篇A Comparison of Solaris, Linux, and FreeBSD Kernels。

　　文章里讨论了调度，内存管理和文件系统架构－－这3个子系统在任何操作系统中都有普遍应用，而且他们是最well-understood 的组件。

　　目前很多分析或对比文章所引用的材料及代码都比较老，与现实脱节，Max推荐如下几个多少比较up to date的网站：

　　Solaris Vs. Linux

　　Comparing MySQL Performance

　　Fast Track to Solaris 10 Adoption

　　Solaris 10 Heads for Linux Territory

　　其实抛开3个系统之间的差别，他们也有很多相似之处。除了那些不同的命名习惯，这些OS在实现不同概念的时候采用了非常相似的方法。他们都支持线程的分时调度，支持最近未使用页面替换算法实现请求调页，支持虚拟文件系统层允许不同文件系统架构。这个系统里的一个好概念在另一个系统里也会采用。比如Linux也接受并实现了 Solaris slab 内存分配算法的概念。FreeBSD 代码里的很多术语在Solaris里也出现了（快去看看代码。。。）。考虑到这3个系统的源代码都能得到了， fxr.watson.org提供了系统源码的交叉阅读浏览，可能会发现很多有趣的地方。

　　好了，温情默默的套近乎结束，进入正题。

　　

　　调度和调度器

　　Solaris的调度单位是kthread_t，FreeBSd是thread，Linux是task_struct。抬高一级，Solaris的进程是proc_t，当然每个进程里的线程就是kthread_t；Linux的进程和线程都由task_struct 表示，单线程的进程在Linux里是一个task_struct。单线程的进程在Solaris里有一个proc_t，一个kthread_t，还有一个klwp_t表示。klwp_t提供了用户和内核模式线程切换的存储区。FreeBSD里的单线程进程有一个proc ，一个thread 和一个ksegrp 。ksegrp 是“内核调度的实体组kernel sche易做图ng entity group”。三个系统的线程表示结构不同，不过都支持调度线程。

　　和大家熟悉的基本一样，调度是基于优先级的。小小的数学问题是，在Linux和FreeBSD里，数字越小，优先级越高；而SUN的宝贝却喜欢数字越大，优先级越高。参考下表

　　

　　三个系统都更推崇interactive 线程/进程（下面会提到interactive怎么回事）。Interactive 线程比compute-bound 线程优先级要高，不过得到的时间片要少一些。Solaris，FreeBSD和Linux都使用每CPU的“运行队列 runqueue”。FreeBSD和Linux有一个active队列和一个expired队列。名字说得很清楚了－－系统从active上按照优先级选择线程进行调度。用完自己时间片的线程就从active搬到expired上（或者为了避免“饿死”的其他情况），active空以后，内核交换active和expired。FreeBSD还多一个idle 队列－－其他两个queue都空的时候才轮到这个。Solaris的概念是每CPU“调度队列 dispatch queue”。线程用完时间片后，内核给其一个新优先级然后放回调度队列。所有3个系统的runqueue，对不同优先级的可运行线程都分别有链表。

　　FreeBSD四个优先级共享一个链表，Solaris和Linux则每个优先级一个链表Linux和FreeBSD结合运行时间和睡眠时间计算线程的interactive-ness，Solaris查表。他们都不支持“gang sche易做图ng”（有兴趣查Google即知，并行计算上的调度算法，大白话说就是一组任务一把disptach到各个CPU上。劳伦斯.利弗莫尔那帮造原子弹的家伙最喜欢了，他们有世界上最昂贵的玩具，可以理解）每个OS都调度下一个线程而不是N个线程开始运行。这3个OS都有利用CACHE（warm affinity）和负载均衡的机制。对超线程CPU，FreeBSD能尽量将多个线程保持在一个CPU节点上（当然可能是不同的CPU超线程上）。Solaris也有类似机制，不过是在用户和应用的控制下，而且并不限于CPU的超线程，他们的术语是processor sets，FreeBSD的叫法是processor groups和其他2个OS最大的不同是，Solaris同时支持多个“sche易做图ng classes”。3个OS都支持POSIX的SCHED_FIFO，SCHED_RR和SCHED_OTHER （或者SCHED_NORMAL）。SCHED_FIFO 和SCHED_RR通常支持实时线程（我不同意。。。但是照翻。。。）。

　　Solaris和Linux为支持实时线程都支持了内核抢占。Solaris支持fixed priority类，system class的是系统线程（比如换页线程），interactive的是在X控制下运行窗口环境的线程，还有一个Fair Share Scheduler 用于资源管理。具体可以参考Solaris资料。FreeBSD的调度器是在编译时决定的，Linux的调度？－－要看版本了。

　　支持在系统中加入新的调度类是要付出代价的。内核中每个可能决定调度的地方都得有一个间接得函数调用去call调度类相关的代码。比如，当一个线程将要sleep时，内核调用调度类相关代码，完成该类中线程sleep需要完成工作。在Linux和FreeBSD上，调度已经完成了所有工作。不需要再来一个间接调用。额外的层次，就意味着Solaris的调度要占用稍微多一点的系统开销－－不过提供了更多的功能。

　　

　　内存管理和分页

　　

　　Solaris的进程地址空间由逻辑段segment组成。进程地址中的这些段可以通过pmap访问。Solaris将其内存管理代码和数据结构分为平台无关和平台相关部分（这不跟没说一样嘛。。。）。平台相关部分位于HAT（hardware address translation）层。FreeBSD用vmspace描述进程地址空间，将其划分为逻辑块region。硬件相关部分在pmap（physical map）模块，而vmap 例程处理硬件无关部分和数据结构。Linux使用内存描述符划分进程地址空间，逻辑单位是memory areas。Linux也由pmap来examine 进程地址空间。

　　Linux将机器相关层从更高层次的机器无关层中划分出来。Solaris和FreeBSD中大多数类似代码比如page fault处理是机器无关的，而Linux处理page fault的代码则非常机器相关－－从fault处理开始就是这样了。由此下来的结果是，Linux能很快地完成大多数分页相关代码－－因为数据抽象更少。不过，代价是，下层硬件的改变需要大量修改代码－－Solaris和FreeBSD则分别把这样的工作堵截在HAT和pmap层搞定。

　　Segment，region和meory area的分割是：区域的虚拟地址segmetn/region/memory area映射的object/文件的位置权限map的大小

　　例如，程序的text（text段，即代码）在一个segmetn/region/memory area中，OS管理地址空间的机制是类似的，不过数据结构名字完全不同。

　　分页3个系统都使用了最近最少使用least recently used算法的变种完成页替换。他们都有一个守护daemon进程/线程完成页替换。FreeBSD的是vm_pageout daemon，它周期性地，或者当free的内存不多时，被唤醒。当可用内存低于某个限制时，vm_pageout 运行例程vm_pageout_scan扫描内存并释放一些页面。vm_pageout_scan例程可能需要异步地将更改过的页面写回到磁盘，在释放他们之前。不论由多少颗CPU，只有一个这样的daemon。Solaris的是pageout daemon，它也周期性地运行，处理空闲内存不多的情况。Solaris中的分页限制值在系统启动时自动校准，这样可以避免该守护进程过渡占用CPU或者向磁盘发出洪水般的换页请求（嗯，flood这么翻正好 ;P ）。

　　Fr