基于协程调度器的异步系统调用研究

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操作系统内核通过系统调用向用户态应用程序提供服务,因此系统调用的开销影响了应用程序的运行速度。为了保证内核的安全性,执行系统调用前需要进行许多检查与状态切换,这些操作影响了系统调用的运行速度。执行系统调用也会影响应用程序的局部性,进一步降低程序的运行速度。
  为了提高系统调用的执行效率、降低系统调用对程序性能的影响,研究者们提出并实现了异步系统调用机制。与异步IO类似,异步系统调用的发起者不会被阻塞。系统调用的执行由专用的线程进行,因此可以通过批处理等方式提高执行效率。
  然而目前针对异步系统调用设计的应用程序较少,为了兼容现有程序,研究者们在C语言运行库中实现了用户态调度器,通过暂停线程运行模拟传统的同步系统调用。这种实现方式对线程库改动较大,不同研究者所做的修改也有所不同,难以统一比较。而近年来,随着协程的广泛应用,包括Go语言在内的许多编程语言提供了协程机制。因此一个自然的想法是使用Go语言提供的相对成熟的调度器来对异步系统调用进行更深入的研究,这也正是本文研究的动机。
  由于Go语言与之前研究中使用的C语言有较大区别,因此本文首先对Go语言的协程调度器进行详细分析。随后本文在此基础上实现了基于Go语言的异步系统调用。利用本系统,本文不仅提升了性能,还对影响异步系统调用的因素进行了实验与分析。本文的主要工作包括:
  (1)对Go语言的调度器进行分析,这是实现异步系统调用的基础。
  (2)实现了基于Go语言的异步系统调用,实验表明本系统可以提高60%的内核性能从而带来13%的整体性能提升。
  (3)以内核模块的形式实现了异步系统调用所需的内核功能。
  (4)对影响异步系统调用的关键因素进行了实验与分析。
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