【华为云技术分享】Linux内核补丁源码分析(1)

在上一期中，我们介绍了Linux内核编程环境，在这一期中，我们将通过实例来介绍如何分析Linux内核的补丁。

一、Linux内核补丁

在“Linux内核发展史”中，我们简要介绍了Linux内核发展中各个版本的主要更新内容。内核的更新主要是通过补丁（patch）来实现的，社区开发人员向内核代码的git仓库提交补丁文件，补丁文件中包含了对内核代码的增加、删除和修改情况，记录了内核更新的历史信息。有许多新特性和新功能都是通过补丁文件而添加的。以Linux 4.19版内核为例，在“Linux发展史”一节中我们提到，Linux 4.19版内核的主要新特性有：

1. 增加CAKE network queue management功能，这项更新主要用于解决家庭网关性能问题；

2. 保证cGroup的最小I/O延迟；

3. 对未来Wi-Fi 6（802.11ax-drafts）的实验性支持；

4. 改进overlayfs的内存使用；

5. 实验性文件系统EROFS的优化；

6. 一个新的异步I/O轮询接口；

7. 支持一个intel特性，可以为应用锁定部分CPU 缓存；

8. 其他安全和驱动特性。

有关Linux内核4.19版本更新的详细信息，可以在相关网站[1]（见文末参考文献）中找到。该网站列举了Linux内核2.5.1版本至今的主要更新历史，并且还在持续更新，例如对于Linux 内核4.x我们可以看到：

进入Linux 4.19之后，我们就能看到Linux 4.19版所具有的新特性，对于每一个特性都有补丁代码和文档的介绍。以第一个主要特性为例，这个特性主要介绍了一个叫CAKE（Common Applications Kept Enhanced）的综合队列管理系统，这个系统主要用于提升家庭网关的性能，解决网络边缘的bufferbloat问题，在该网站[1]中，我们可以看到对于CAKE的特性有如下详细介绍：

从上图可以看出，特性介绍的内容包含了一个对于该特性的简介、对于CAKE的介绍文献（包括一篇已发表的论文）和补丁文件的代码（Code项）。如果读者不清楚bufferbloat的含义，可以点击蓝色的bufferbloat关键字，于是我们了解到：bufferbloat是指由于路由器或其他网络设备缓存了过多的数据，从而产生了用户不期望的延迟。为解决这一问题，CAKE和它之前的解决方案主要是从队列管理入手的，这些方案被广泛用于数百万台计算机上，并将瓶颈链路上由于竞争导致的延迟降低到了20ms的量级（由此我们可以看出，被广泛应用的开源项目中所蕴含的创新力量）。

从论文和其他介绍文档中我们可以看出，CAKE这个系统主要包含以下几层：

1. Shaper：使用一个虚拟时钟来调整包的传输时机（是否延迟传输），从而实现bandwidth shaping。

2. Priority Queue:设置了四个传输类，每一类设置了不同的带宽上界值。如果一个传输类使用的带宽超过了其规定的带宽上界，那么该传输类的优先级就会被降级。

3. Flow Isolation：主要功能是用hash 函数将不同的包分配给不同的队列，并且选择一个队列来服务。CAKE的创新点在于使用了一个8路组相联的hash函数来代替fq_codel中原有的plainhash function，从而解决了原hash函数可能会有的“生日问题”，即当表项占用超过表大小的平方根时hash冲突的概率可能达到50%。

4. Active Queue Management：CAKE修改了原来的CoDel AQM框架，提升了性能。

5. Packet Management：除了以上四个主要层之外对队列和包处理的其它功能。

到这一步为止，我们可以对Linux 4.19内核的CAKE特性有一个初步的了解，但是这个了解是浅层的，还不涉及源码，而且[1]中并没有提供长期维护版本实时更新的所有补丁文件。

二、结语

本期我们通过一个实例介绍了一种Linux补丁文件更新的初步分析方法，下一小节中，我们继续根据CAKE的实例来介绍补丁文件的源码分析方法。

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参考文献

[1]https://kernelnewbies.org/LinuxVersions