[發明專利]一種實現操作系統核心代碼段多副本運行的方法

無效

• 申請號: 200910016772.3
• 申請日: 2009-07-13
• 公開（公告）號: CN101604263A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 張東;吳楠;趙明;郭露
• 申請（專利權）人: 浪潮電子信息產業股份有限公司
• 主分類號: G06F9/48
• 分類號: G06F9/48;G06F9/445
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及計算機操作系統軟件技術領域，具體涉及一種在NUMA體系結構計算機上，實現操作系統核心代碼段多副本運行的方法。

技術背景

目前對于多處理器計算機系統的設計而言，通常有以下三種體系結構可以采用：對稱多處理器SMP模式、大規模并行處理器MPP模式和非一致存儲器訪問NUMA模式。

SMP模式將多個處理器與一個集中的存儲器相連。在SMP模式下，所有處理器都可以訪問同一個系統物理存儲器。SMP系統通常只運行操作系統的一個副本。因此SMP系統有時也被稱為一致存儲器訪問(UMA)結構體系，一致性意指無論在什么時候，處理器只能為內存的每個數據保持或共享唯一一個數值。SMP的缺點是可伸縮性有限，因為在存儲器接口達到飽和的時候，增加處理器并不能獲得更高的性能。SMP體系結構如附圖1所示。

MPP模式則是一種分布式存儲器模式，能夠將更多的處理器納入一個系統的存儲器。一個分布式存儲器模式具有多個節點，每個節點都有自己的存儲器，可以配置為SMP模式，也可以配置為非SMP模式。單個的節點相互連接起來就形成了一個總系統。與單一SMP模式相比，在SMP模式中，數據一致性是由硬件專門管理的，這樣做比較容易實現，但成本較高；在MPP模式中，節點之間的一致性是由軟件來管理，因此，它的速度相對較慢，但成本卻低得多。MMP體系結構如圖2所示。

NUMA模式也采用了分布式存儲器模式，不同的是所有節點中的處理器都可以訪問全部的系統物理存儲器。每個處理器訪問本節點內的存儲器所需要的時間，比訪問某些遠程節點內的存儲器所花的時間要少。即，訪問不同存儲器的時間是不一致的，因此這種模式被稱為“NUMA”(非一致存儲器訪問)。如附圖3所示，我們定義CPU和直接連接在其上的物理內存之間的關系為“親近的”，與需要經過其它CPU“間接”訪問的物理內存之間的關系是“非親近的”。相應的，我們定義CPU直接連接的物理內存為“本地內存”，或“局部內存”，其他的物理內存為“全局內存”。NUMA既保持了SMP模式單一操作系統副本、簡便的應用程序編程模式以及易于管理的特點，又繼承了MPP模式的可擴充性，可以有效地擴充系統的規模。因此，面向事務處理的大型計算機系統多采用NUMA模式。

在多CPU的計算機系統中，每個CPU都可以進入核心態執行。現在的計算機系統，包括X86、IA64、Power、SPARC等，都采用中斷、異常或者系統調用門的方式陷入核心。對于SMP架構的多CPU系統中，會按照負載均衡的原則將進程分布在不同的CPU上；當某個進程出現缺頁故障，或者系統調用時，需要從用戶態進入核心態，此時系統會選擇該進程當前運行的CPU來執行核心代碼；當出現硬件中斷時，系統會按照某種策略選擇一個CPU來執行核心中的中斷處理過程，譬如選擇當前最空閑的CPU。

選擇進程當前運行的CPU執行核心代碼，而不是固定某個CPU執行核心代碼的優點是：

●可以減少CPU之間進行切換的開銷；

●現代的操作系統核心都是支持重復陷入的，即可以并行運行。允許多個CPU陷入核心，可以有效提高CPU的利用率。

NUMA體系的計算機系統略微有所不同。由于在NUMA體系下，CPU訪問非親近的物理內存，和訪問親近的物理內存的時間是不一致的，而且這種時間延遲往往是比較大的(通常在幾倍)。因此，在NUMA體系計算機上運行的操作系統通常會將一個進程綁定在某個CPU上，并且盡量保證該進程所用的物理內存與該CPU親近。這樣可以最大程度避免進程出現跨CPU的物理內存訪問，降低訪存延遲，提高系統運行效率。而操作系統核心的情況與用戶進程不同。在傳統的NUMA計算機系統中，只運行一個操作系統核心副本。即，操作系統核心的代碼段在物理內存中只存在一個副本，而且這個副本通常只會在某個CPU親近的物理內存中。這是與傳統的UNIX類操作系統的體系結構設計相關的。

如附圖4所示，以只有兩個CPU的NUMA結構為例，說明了傳統情況下，分別在兩個CPU上運行的進程，其用戶態地址空間和核心態地址空間，與機器物理內存之間的映射關系。不同進程的用戶態空間(包括代碼和數據)被映射到了不同的物理地址(也有可能是相同的物理地址，譬如共享庫、共享內存等。實際上在NUMA體系下，為了降低訪存延遲，共享庫等也應盡量局部化)，而核心態空間則被映射到相同的物理地址，譬如，CPU1的親近物理內存中。

當系統發生中斷、異常或者系統調用，需要從用戶態陷入到核心態的時候，傳統系統有兩種方法可以選擇：