Linux 内核的发展

介绍 2.6.28 和 2.6.29 版本中的新特性

生命的必然不仅包括死亡和纳税，还包括 GNU/Linux? 操作系统的发展，最新的两个内核发布的确没有让人失望。2.6.28 和 2.6.29 版本包含了大量新的功能，比如先进的企业存储协议、两个新的文件系统、WiMAX 宽带网络支持以及存储完整性检查。通过本文了解为何现在就应该升级 Linux 内核。

2008 年底，2.6.28 版本的内核出现。随后，通向下一版本 —2.6.29— 的通道也打开了。由于 Linux 内核采用的是一种分布式的开发过程，所以它并不总能清楚一个特定内核发布中会有什么（或集成了什么），但是这两个最新发布不管是从短期还是从长期来看都是很有意思的。2.6.28 中一个有趣的里程碑是该版本的 Linux 的源代码首次超过 1000 万行（参见图 1，它使用了来自 Heise Online 的源代码行计数数据）。

图 1. 最新 2.6 内核内的源代码行数

这两个发布引入了新的文件系统（一个已经稳定，一个尚在实验中）、对图形和可视化的新支持，以及新的企业存储特性。接下来，我先大致介绍 2.6.28 中的一些主要新特性，然后再介绍 2.6.29 带来的新特性。

2.6.28 中的新特性

Linux 内核 2.6.28 在 2008 年 12 月 24 日发布（2009 年 2 月已经是第 5 个发布版）。2.6.28 第一个的发布版包括大量更改，以至于它自身的更改日志文件大小已接近 6MB。最新的这个发布版很稳定，被用作 Ubuntu 9.04 Jaunty Jackalope 的内核。

第 4 扩展文件系统

第 4 扩展文件系统（The fourth extended file system）的名字 ext4 是由 ext4dev 改变而来的，这意味着它已经足够稳定，可以常规使用。Ext4 源自第 3 扩展文件系统（ext3），并具有更好的性能、特性和可靠性。Ext4 允许使用 exabyte 文件系统，这种系统支持的文件数量更多、体积更大、目录结构更深。它还包括多块和延迟块分配，以提升性能。Ext4 既具有前向兼容性又具有后向兼容性（这意味着根据所使用的特性，ext4 文件系统可挂载在 ext3 磁盘格式之上，反之亦然）。通过大规模的改变可以逐渐将文件系统从 ext3 迁移到 ext4。有关 ext4 文件系统的更多信息，请参见 参考资料。

虽然 ext4 能够成为未来新的标准 Linux 文件系统，但是其他的文件系统也在不断出现，甚至能够提供更好的伸缩性和特性。Btrfs 就是这类文件系统之一，它现在已经成为了 2.6.29 内核中的一种试验文件系统。Btrfs 是一种兼容 Linux 的文件系统（参阅 GNU Public License [GPL]），它的特性与知名的 ZFS 不相上下。

Graphics Execution Manager 内存管理

过去一年的时间内，Linux 在图形堆栈领域取得了实质性进展。毫不奇怪，正是在该领域内，图形处理器（GPU）为呈现提供了有用协助。在很多情况下，GPU 比它们所协助的中央处理器（CPU）更为强大。

为了支持当前以及未来的 GPU，Linux 图形堆栈有一个领域需要提高，即内存管理，包括缓冲管理、页影射、放置和缓存。这一点极为必要，因为图形应用程序（尤其是三维应用程序）能够消耗大量内存。而借助 Graphics Execution Manager (GEM)，就能够使用现有的内核子系统（比如使用共享内存文件系统或 shmfs 来管理图形对象）管理混入内核的图形数据。

引导跟踪器

虽然引导 Linux 所需的时间已经逐渐缩减，但是还是有人认为引导时间过长。因此，引导时间还需要不断地监查。此内核包含了这样一个新特性，即可以测量和记录 init 调用的时间。然后可以使用它们可视化引导的流程和性能。该过程是可配置的（要求必须启用收集数据的功能），但是一旦数据收集完毕，就可以使用离线脚本（包括图形描述）对这些数据进行分析，而这最终会导致更短的引导时间和更为优化的引导过程。此更新还融入了调用线程的过程标识符（PID）以便可以平行查看引导过程。

冻结器

为了在暂停操作系统期间将其迁移到一个新的主机（比如虚拟机 [VM]），我们专门设计了一个称为冻结（和解冻）的新功能。这个新特性能够让任务组或文件系统冻结并保持在冻结时状态，然后再解冻并重新引入这个任务组或文件系统。

任务在容器 的上下文中被冻结，这个模式能在用户空间级别（一个内核支持多个用户空间）虚拟化操作系统。这种新功能能够在主机之间迁移一组过程，这对均衡负载非常有用。也可以冻结文件系统来支持文件系统备份的快照。目前，文件系统冻结是通过具有参数 FIFREEZE 或 FITHAW 的 ioctl 来实现的。

在容器的外面，这个新冻结/解冻模式还可以用于检查点。在这种应用中，可以以特定的间隔（检查点）冻结一组相关的进程，然后解冻特定的时间点以回到某个已知状态。

虚拟内存伸缩性的改进

由于 Linux 在虚拟系统中应用的增加 — 尤其是具有多处理器和大量内存的系统 — 扩展内存的使用对性能非常重要。Kernel 2.6.28 包含了与内存有关的大量的伸缩性改进。例如，这个内核维护分开的 Least Recently Used (LRU) 列表，一个用于文件支持的页，另一个用于交换支持的页。这就使得内核能够更多地集中于交互支持的页，而不是文件支持的页，因为前者更有可能被写入到磁盘。

另一项更改分离了可收回的页和不可收回的页（比如通过 mlock 锁定的页）。以这种方式，分页代码就无需迭代 LRU 内不可收回的页，这使具有大量页的系统的性能得到提高。

磁盘改进

2.6.28 内核包含很多针对磁盘的改进。本小节详细介绍固态硬盘（SSD）的改进和 ATA 设备的保护。

对 SSD 支持的改进

SSD 是对传统磁盘进行性能改善的一种很好的方式。SSD 的反应时间更短、随机读取更好，而且耗电少噪音低。但是 SSD 与一般的硬盘驱动（HDD）差别悬殊，所以必须更改 Linux 才能使用 SSD。SSD 最根本的一个问题是它们必须耗损其内部闪存中的块，而耗损会缩短 SSD 的寿命。减少这种影响的一种方式是告知 SSD 一个块何时不再有效（有可能是因为文件删除）。当某个块从此 SSD 释放后，它就不再是被耗损的对象了，进而能将此设备的总体耗损降至最低。但是为了支持此操作，文件系统必须要能将此信息传递给设备。

T13 标准委员会已经创建了一种新的 ATA 协议扩展来支持在 trim 命令上下文内传递这种消息。当 SSD 收到这个新命令后，它就可以将所定义的那些块添加到其释放列表，不会再担心这些块再成为损耗的一部分。Linux 的这个块层组件称为丢弃请求，它来自于更高级别的文件系统的文件删除。一个丢弃请求是此块层的一部分，提供了丢弃块的途径，并最终会导致向提供支持的 ATA 设备发出一个 trim 命令。更进一步的改进还包括智能地调度这些丢弃请求，以便它们能够与其他请求结合来执行块请求队列的重排序操作，从而更好地处理相关的丢弃和写请求。

改进 ATA HDD

ATA HDD 的一个非常有趣的可靠性改进就是震动保护，这种突然的晃动会破坏笔记本电脑的 HDD。ATAPI 规范定义了一个名为 IDLE IMMEDIATE 的命令，它可以闲置 HDD 并收回磁头以防止它们触及盘片。内核通过一个名为 /sys/block/*/device/unload_heads 的 proc 文件提供这个命令。当一个值写入到此文件且后续的 ATA 命令被写到各自的磁盘后，磁头就被收回，并且所有输入/输出（I/O）都会根据一个计时器延迟很短的一段时间。当计时器超时后，I/O 就会恢复正常。IBM 笔记本曾经实现这个特性，用于访问加速器以测量加速度（决定笔记本是否在坠落）。图 2 是一个总体流程。

图 2. ATA 硬盘保护的总体流程

2.6.29 中的新特性

2.6.28 的一些有用的新特性在 2.6.29 中得到了进一步改善。

Btrfs

2.6.29 中最为重要的一个改进是添加了 Btrfs（或 B-tree FS），它最初是由 Oracle 开发的。Btrfs 是对应于 Sun 的 ZFS 开发的，用于构建带磁盘完整性保证的可大量伸缩的文件系统。除了 ext4 的很多先进特性之外，Btrfs 还支持对象级别的镜像和条带化、写时复制功能、 快照（及快照的快照）、完整性和内部压缩。它支持最多 16 exabyte 的卷和文件，并且每个卷内最多可以包含 264 个文件。为了协助转化，可以将文件系统从 ext3 升级到 Btrfs（反之亦然，但只能在实现转化之后）。

Btrfs 可以定义一种面向大量企业文件系统的新标准，包括具有在线修复的容错功能和简化的管理功能。虽然还处于测试阶段（还不适合用于查看之外的其他用途），但是 Btrfs 的确包括了一个特性集合，可让它更适合于未来可伸缩的 Linux 存储。

联网改进

除了对各种网络设备进行了大量改进之外，还有其他的几个改进很值得一提。第一个就是 Generic Receive Offload 架构，它卸载网络发送（类似于 Large Receive Offload，但独立于协议）。

还可以找到对后向堵塞通知（BCN）的支持，这以消息的方式加紧控制循环，从而改进了堵塞管理。在新数据中心部署以太网时，这个特性是必须具备的。

最后值得一提的是，2.6.29 在 Linux 中引入了一种 WiMAX 无线宽带网络堆栈（目前基于 i2400m USB 驱动程序）。请注意，它不同于 Wi-Fi，因为 WiMAX 的点对点连接使用的是得到许可的频段，而且服务质量更高。

内核模式设置

对内核引导过程和图像模式的一个有趣更改是基于内核的模式设置（KMS）。此特性允许在所需组件初始化后由内核控制图形硬件（比如 PCI 总线和显卡）。通过这种方式，内核能够在引导过程的更早时期输入理想的屏幕分辨率，这就减少了屏幕闪动和显示失败（由于重置图像芯片），并允许在服务器启动之前适当地设置显示器。

KMS 的另一个优势是在暂停之后能够改进重新初始化：由于初始化是在内核完成的，所以效率更高。最后，由于内核负责管理图像芯片，所以可能无需引导权限就能运行服务器。这样能够消除一组潜在的漏洞，从而加强了操作系统。

结束语

在撰写本文之时，2.6.29 已经处于稳定阶段，并在向 2.6.30 迈进。在 2.6.29 中，您可能还会发现 Squashfs（一个只读文件系统）终于出现在这个主流的内核中。该内核还多了一组能基于路径名进行强制访问控制的安全钩子。除了使用标准的 Data Integrity Field（T10-DIF）进行磁盘完整性检查之外（某些磁盘使用它进行端对端和空闲时完整性检查），该内核还添加了一种新的协议 Fibre Channel over Ethernet（FCoE）。

所以，随着 Linux 的不断进步，我们将会不断发现新的功能、改进的可伸缩性以及不断提高的安全性。像苏格兰威士忌一样，Linux 将随着时代的前进而不断进步，并且愈久弥香。