Osv

Posted by Maxul's Technical Notes on April 28, 2018

题目： OSv - Optimizing the Operating System for Virtual Machines

作者： Avi Kivity, Dor Laor, Glauber Costa, Pekka Enberg, Nadav Har’El, Don Marti, Vlad Zolotarov

单位： Cloudius Systems

出版： USENIX ATC 2014

解决问题：

  1. 本文旨在解决云计算中IaaS中因为多余的抽象和保护带来的性能问题。
  2. 多年的云计算发展，VM的系统设计者意识到，系统一定要小、快且容易配置/管理，适合大规模部署。（除了最后一点，简直是嵌入式系统）
  3. 云上系统N宗罪：进程模型带来切换开销；HPC应用无法更快地处理数据；Guest的HAL（硬件抽象层）为鸡肋。

本文探索了未来云OS的发展可能，目标如下：

1. 能兼容运行Linux可执行文件；
2. 比Linux上运行快；
3. 启动快；
4. 提供更高效的API抽象；
5. 允许原生Java程序直接运行（移植了JVM）；
6. 成为VM操作系统持续研究的平台，已经开源，社区鼓励实验和创新。

当前支持KVM、Xen、VMWare和VirtualBox；支持x86和ARM。

设计与实现：

遵循Exokernel中关于Library OS的设计原则：Hypervisor作为Exokernel，VM作为应用程序；每个VM有自己的LibOS，主要解决性能问题；将资源管理交给程序，并硬件直接暴露给应用，减小了软件层次，并用虚拟化隔离保证安全。

  • OSv中，如果程序互不可信，那么请运行在不同VM中。
  • 用户线程和内核使用同一个页表，避免模式切换。
  • 使用ELF动态链接器，支持Linux ABI，使系统调用作为普通的函数调用，同时避免用户到内核的参数拷贝。
  • 由于面向单个应用模型，因此不支持fork和exec语义。
  • 内核core完全是用c++11新写的，包括加载/链接器、内存管理、线程调度和同步机制，以及虚拟设备的驱动。
  • 虚拟设备包括：键盘、VGA、串口、SATA、IDE和HPET时钟。另支持半虚拟化设备如kvm-clock、virtio网卡和vmxnet3、virtio块设备和pvscsi。（注：半虚拟化本质上没有虚拟化，这些驱动是以用户态线程工作的，VM程序直接把半虚化的数据交给host驱动处理，抽象层次较低，性能一般较好）
  • 文件系统：使用ZFS，强调数据完整性，支持快照和容量管理，使用Adaptative Replacement Cache来管理，对recency和frequency有较好平衡。支持内存文件系统：ramfs和devfs、procfs。
  • stdio和math库来自musl libc，VFS来自Prex，ZFS来自FreeBSD，ACPI驱动来自ACPICA。

内存管理：

  • 使用虚拟内存管理，因为可以支持long模式寻址，同时现有POSIX应用喜欢用mmap语义来修改页权限。
  • 支持按需分页和mmap API，允许JNI直接管理物理内存。
  • 对于大块内存映射，使用巨页（2MB）满足需求，减小TLB misses。
  • 学习Linux，支持将小而离散的页组成巨页（即物理不连续），构成Transparent Huge Pages机制。
  • 因为面向单个应用，不提供换页（page eviction），直接使用host内存管理。

向Spinlock说不：

  • 对单处理器平台而言，在并发访问条件下，保护数据的方法是在该上下文时段禁止中断或屏蔽调度（注：单核上的锁就是防止调度的方案）。但多核下完全不行。因此对SMP平台，大家爱用自旋锁。
  • 在虚拟化环境下，自旋锁引入了“lock-holder preemption”问题：vCPU的停滞时间不固定，因为VM是必须退出到HV来调度CPU的，而VM自身持有spinlock（注：因为这里有两层调度，而互斥都利用了硬件锁，内层嵌套获得锁后，外层调度发生时就只能等待。本质上是锁的不可见性导致的。OS的mutex对于任何进程都可见，因为调度和互斥都是OS全局的，而虚拟化中的调度分为两级，内部对外不可见，外部对内透明，互斥锁的不当使用简直就是灾难！）有文献表明，极端情况下，会导致7%~99%的性能下降。
  • 现有的方案通常要修改HV和Guest，使锁跨层可见。但本文认为根本办法就是避免Spinlock的引入：放弃基于锁的算法。使用机器的原子操作（如compare-exchange、fetch-and-add）来实现lock-free操作，同时使用RCU技术（注：lockfree不是无锁，无锁是lockless，Stack Overflow上说，lockfree是waitfree，而lockless通常实现为消息传递，安全但未必高效）。考虑OSv复用了大量代码，要想实现lockfree算法难度很大，因此：1. 将中断处理设计为线程，使用mutex让没有得到IO的IRQ Handler休眠，而非spinlock busy-wait；2. mutex不使用spinlock；3. 调度器使用per-cpu结构来避免锁的引入（注：任何SMP系统都将per-cpu设置为私有变量，防止共享带来的锁操作，同时加速了调度过程，为实时系统所采纳！）
  • 笔者注：之所以中断可以这么处理，应考虑QEMU/KVM的中断注入过程，KVM得到中断后注入VMCS，QEMU有个线程得到通知（eventfd），被唤醒再去通知Guest。所以都是异步的，同时为了提高CPU利用率，QEMU使用了coroutine来实现IO事件驱动模型。

网络通道：

  • Van Jacobson对TCP/IP协议栈做了流控优化，本文使用该设计来实现网络栈。主要问题在于，高负载下lock and cacheline contention。
  • 本文对锁做了merge，同时期待进一步的简化和改善。

调度：

  • 每个CPU有个run queue，每个任务有个fair criteria。scheduler根据这个公平值来调度。
  • 每个CPU还有个负载均衡线程，10秒唤醒一次，检查别的CPU上的队列长度，如果自己的队列比别人短，就将那个任务“偷”过来。告知对方任务“被偷”的方法是IPI处理器间中断，每个CPU维护一张bitmap（2维，和CPU总个数和队列长度有关），检查重调度的情况。
  • 支持抢占：用户甚至可以抢占内核线程
  • Tick-less：时钟中断浪费CPU周期，因为1) 虚拟中断比物理中断慢（软件模拟）；2) VM-Exit。因此不依赖时钟源来决定调度，直接高精度时钟（文章没说，我猜是TSC）；使用hysteresis（迟滞）和timer机制防止过频切换。
  • 公平：使用exponentially-decaying计算最近运行时间，不考虑更早的过去（注：0阶马尔科夫模型）。由于计算涉及浮点数，因此OSv允许在内核中使用浮点计算，和常规的内核设计指导完全相反。
  • 扩展性：调度复杂度O(lgN)，N为CPU数。
  • 效率：单地址空间，无模式切换；线程调度时不保存FPU寄存器，调用者自己保存。核间IPI开销太大，同时有VMExit，因此使用idle线程poll一段时间防止睡眠。

Beyond POSIX：

  • POSIX的抽象被公认为对性能有害。因此本文提供了新的API，并支持JVM，从而使OSv的实用性进一步增强。

评估：

实验环境：4-CPU 3.4GHz Intel Core i7，16GB RAM，SSD，Fedora 20，KVM，no iptables firewall

  • Memcached吞吐量是Linux的3.9倍

微观： 见表3-6。

相关工作：

  • Container使用OS级别的虚拟化，更为高效。但不适合IaaS平台，因为1) 隔离效果差；2) 不能使用Linux之外的OS。
  • Picoprocesses和本文工作很像，但Picoprocesses更多使用了host支持，如调度。OSv有自己的调度器。
  • MirageOS运行在Xen上，支持语言单一（OCaml）。
  • Libra运行在IBM的VM之上，使用Linux作为HV提供网络和文件系统。
  • ClickOS需要对Xen做大量修改，不支持SMP和TCP栈。

体会：

  • 本文的大量优化适合于实时系统。
  • OSv是我目前参与的体验最好的开源社区。
  • 关于移植OpenVPN到OSv中，我收到的答复是：OSv目前还没有tap设备的抽象，需要自己移植；但是BSD和GPL的许可证不同，后者的代码最好少复用。
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