[发明专利]一种实现操作系统核心代码段多副本运行的方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机操作系统软件技术领域，具体涉及一种在NUMA体系结构计算机上，实现操作系统核心代码段多副本运行的方法。

技术背景

目前对于多处理器计算机系统的设计而言，通常有以下三种体系结构可以采用：对称多处理器SMP模式、大规模并行处理器MPP模式和非一致存储器访问NUMA模式。

SMP模式将多个处理器与一个集中的存储器相连。在SMP模式下，所有处理器都可以访问同一个系统物理存储器。SMP系统通常只运行操作系统的一个副本。因此SMP系统有时也被称为一致存储器访问(UMA)结构体系，一致性意指无论在什么时候，处理器只能为内存的每个数据保持或共享唯一一个数值。SMP的缺点是可伸缩性有限，因为在存储器接口达到饱和的时候，增加处理器并不能获得更高的性能。SMP体系结构如附图1所示。

MPP模式则是一种分布式存储器模式，能够将更多的处理器纳入一个系统的存储器。一个分布式存储器模式具有多个节点，每个节点都有自己的存储器，可以配置为SMP模式，也可以配置为非SMP模式。单个的节点相互连接起来就形成了一个总系统。与单一SMP模式相比，在SMP模式中，数据一致性是由硬件专门管理的，这样做比较容易实现，但成本较高；在MPP模式中，节点之间的一致性是由软件来管理，因此，它的速度相对较慢，但成本却低得多。MMP体系结构如图2所示。

NUMA模式也采用了分布式存储器模式，不同的是所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器。每个处理器访问本节点内的存储器所需要的时间，比访问某些远程节点内的存储器所花的时间要少。即，访问不同存储器的时间是不一致的，因此这种模式被称为“NUMA”(非一致存储器访问)。如附图3所示，我们定义CPU和直接连接在其上的物理内存之间的关系为“亲近的”，与需要经过其它CPU“间接”访问的物理内存之间的关系是“非亲近的”。相应的，我们定义CPU直接连接的物理内存为“本地内存”，或“局部内存”，其他的物理内存为“全局内存”。NUMA既保持了SMP模式单一操作系统副本、简便的应用程序编程模式以及易于管理的特点，又继承了MPP模式的可扩充性，可以有效地扩充系统的规模。因此，面向事务处理的大型计算机系统多采用NUMA模式。

在多CPU的计算机系统中，每个CPU都可以进入核心态执行。现在的计算机系统，包括X86、IA64、Power、SPARC等，都采用中断、异常或者系统调用门的方式陷入核心。对于SMP架构的多CPU系统中，会按照负载均衡的原则将进程分布在不同的CPU上；当某个进程出现缺页故障，或者系统调用时，需要从用户态进入核心态，此时系统会选择该进程当前运行的CPU来执行核心代码；当出现硬件中断时，系统会按照某种策略选择一个CPU来执行核心中的中断处理过程，譬如选择当前最空闲的CPU。

选择进程当前运行的CPU执行核心代码，而不是固定某个CPU执行核心代码的优点是：

●可以减少CPU之间进行切换的开销；

●现代的操作系统核心都是支持重复陷入的，即可以并行运行。允许多个CPU陷入核心，可以有效提高CPU的利用率。

NUMA体系的计算机系统略微有所不同。由于在NUMA体系下，CPU访问非亲近的物理内存，和访问亲近的物理内存的时间是不一致的，而且这种时间延迟往往是比较大的(通常在几倍)。因此，在NUMA体系计算机上运行的操作系统通常会将一个进程绑定在某个CPU上，并且尽量保证该进程所用的物理内存与该CPU亲近。这样可以最大程度避免进程出现跨CPU的物理内存访问，降低访存延迟，提高系统运行效率。而操作系统核心的情况与用户进程不同。在传统的NUMA计算机系统中，只运行一个操作系统核心副本。即，操作系统核心的代码段在物理内存中只存在一个副本，而且这个副本通常只会在某个CPU亲近的物理内存中。这是与传统的UNIX类操作系统的体系结构设计相关的。

如附图4所示，以只有两个CPU的NUMA结构为例，说明了传统情况下，分别在两个CPU上运行的进程，其用户态地址空间和核心态地址空间，与机器物理内存之间的映射关系。不同进程的用户态空间(包括代码和数据)被映射到了不同的物理地址(也有可能是相同的物理地址，譬如共享库、共享内存等。实际上在NUMA体系下，为了降低访存延迟，共享库等也应尽量局部化)，而核心态空间则被映射到相同的物理地址，譬如，CPU1的亲近物理内存中。

当系统发生中断、异常或者系统调用，需要从用户态陷入到核心态的时候，传统系统有两种方法可以选择：