Linux核心修補(bǔ)程序讓第五代樹(shù)莓派增速18%

Linux操作系統(tǒng)的核心（kernel）是不斷迭代精進(jìn)的，包含正式改版或若干程度的修補(bǔ)（patch，對(duì)岸稱(chēng)為補(bǔ)?。┑?，而在正式迭代前會(huì)先有人提交，提交后需要再評(píng)估確認(rèn)，有些會(huì)舍棄，有些會(huì)納入后續(xù)正式的迭代。
最近64位Arm架構(gòu)的Linux核心程序，有一家自由軟件顧問(wèn)公司Igalia嘗試在樹(shù)莓派上模擬NUMA（Non-Uniform Memory Access，翻譯成非統(tǒng)一內(nèi)存存取，但使用不普遍），如此可以讓第五代樹(shù)莓派（RPi 5）增速6%～18%，這作法已經(jīng)在Linux核心清單的相關(guān)討論中，由賬號(hào)Tvrtko Ursulin所提出。

圖一 : 第五代樹(shù)莓派單板計(jì)算機(jī)（圖片來(lái)源：Amazon）

NUMA簡(jiǎn)述
在這里要先說(shuō)明一下何謂NUMA，這其實(shí)是一種計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)，1990年代UNIX高階服務(wù)器飛速發(fā)展時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)CPU數(shù)目的增加、RAM容量的增加，但要讓多顆CPU跟過(guò)往一樣，都存取同一塊RAM內(nèi)存空間，這一段存取變成了效能瓶頸，故系統(tǒng)商開(kāi)始提倡NUMA。
NUMA把內(nèi)存分切、配發(fā)給CPU，CPU平常多數(shù)時(shí)間只存取自己所屬的內(nèi)存，必要時(shí)才與其他內(nèi)存快進(jìn)行數(shù)據(jù)同步或交換，另外NUMA也可能將內(nèi)存分層，分成CPU專(zhuān)屬層、一個(gè)群中的共享層、整體系統(tǒng)的共享等等。
雖然有這些空間切分、數(shù)據(jù)同步機(jī)制，但這些都以硬件方式實(shí)現(xiàn)，是在背地里無(wú)形中運(yùn)作，軟件執(zhí)行上感受不到差異，運(yùn)作上仍然以為是一個(gè)整體連續(xù)的內(nèi)存空間。Linux核心在2.5版后也支持NUMA。


效能提升6%～18%
雖然Linux核心支持NUMA，但如果系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上本身就沒(méi)有NUMA，Linux核心的NUMA功能一樣無(wú)法發(fā)揮，RPi 5即是如此，主要是RPi 5的主控芯片BMC2712沒(méi)有。
不過(guò)，前述的Igalia公司提出一個(gè)核心修補(bǔ)程序，讓樹(shù)莓派系統(tǒng)跑一個(gè)NUMA仿真軟件（Emulator），以軟件方式實(shí)現(xiàn)NUMA（可能搭配運(yùn)用上BMC2712內(nèi)的GPU），這個(gè)修補(bǔ)程序其實(shí)才約100行，主要的C語(yǔ)言程序代碼也不到60行。


 
圖二 : Igalia公司官網(wǎng)強(qiáng)調(diào)該公司擅長(zhǎng)的多項(xiàng)技術(shù)中，Linux核心效能提升也是其一（圖片來(lái)源：Igalia）

#include
#include "numa_emulation.h"
static unsigned int emu_nodes;
int __init numa_emu_cmdline(char *str)
{
int ret;
ret = kstrtouint(str, 10, &emu_nodes);
if (ret)
return ret;
if (emu_nodes > MAX_NUMNODES) {
pr_notice("numa=fake=%u too large, reducing to %un",
emu_nodes, MAX_NUMNODES);
emu_nodes = MAX_NUMNODES;
}
return 0;
}
int __init numa_emu_init(void)
{
phys_addr_t start, end;
unsigned long size;
unsigned int i;
int ret;
if (!emu_nodes)
return -EINVAL;
start = memblock_start_of_DRAM();
end = memblock_end_of_DRAM() - 1;
size = DIV_ROUND_DOWN_ULL(end - start + 1, emu_nodes);
size = PAGE_ALIGN_DOWN(size);
for (i = 0; i < emu_nodes; i++) {
u64 s, e;
s = start + i * size;
e = s + size - 1;
if (i == (emu_nodes - 1) && e != end)
e = end;
pr_info("Faking a node at [mem %pap-%pap]n", &s, &e);
ret = numa_add_memblk(i, s, e + 1);
if (ret) {
pr_err("Failed to add fake NUMA node %d!n", i);
break;
}
}
return ret;


修補(bǔ)程序相關(guān)的C語(yǔ)言程序代碼，一起頭即放入Linux內(nèi)存區(qū)塊的含括檔memblock.h及NUMA模擬的含括檔numa_emulation.h（數(shù)據(jù)源:CNX Software）

相關(guān)配套修改也包含在操作系統(tǒng)上要使用一個(gè)NUMA_EMULATION的新Kconfig選項(xiàng)，核心啟動(dòng)參數(shù)要加入numa=fake=，然后搭配命令行numactl –interleave=all COMMAND等，如此可以改變BMC2712內(nèi)存儲(chǔ)器控制器的存取方式，另外也要透過(guò)systemd命令來(lái)重新配置系統(tǒng)范圍政策（system-wide policy）。
既然NUMA是為了讓整體系統(tǒng)更具效能的，那就需要測(cè)試看看NUMA仿真軟件是否真的有效果，對(duì)此用效能基準(zhǔn)程序Geekbench 6來(lái)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有無(wú)安裝修補(bǔ)程序確實(shí)有效能差異。
測(cè)試的結(jié)果顯示，安裝修補(bǔ)程序后的單核效能提升約6%，多核（RPi 5有4個(gè)核心）則提升到18%，這樣的提升形同把2.4GHz的RPi 5超頻到2.83GHz。


仍待觀(guān)望
雖然測(cè)試結(jié)果不錯(cuò)，但目前還有兩個(gè)問(wèn)題，一是真的在一般運(yùn)用上能得到加速感受嗎？有時(shí)基準(zhǔn)檢驗(yàn)的跑分不錯(cuò)，實(shí)際上沒(méi)有幫助，類(lèi)似紙上成績(jī)不錯(cuò)，實(shí)際表現(xiàn)不佳，因此信息業(yè)界有時(shí)也會(huì)強(qiáng)調(diào)所謂的real application performance，而不是看benchmark。
另一個(gè)問(wèn)題是：這個(gè)修補(bǔ)程序提交出去了，但是否能正式列入成Linux核心修補(bǔ)還需要一段時(shí)間，且估計(jì)時(shí)間冗長(zhǎng)。目前提交上的相關(guān)討論似乎有不樂(lè)意的聲音出現(xiàn)，認(rèn)為這有點(diǎn)變通取巧不正規(guī)，不應(yīng)該正式列入，一旦正式列入就需要后續(xù)一連串的相關(guān)維護(hù)等。


結(jié)語(yǔ)
最后筆者覺(jué)得，無(wú)論提交能否納入正式核心修補(bǔ)，這一嘗試肯定是正向的，過(guò)往的樹(shù)莓派其實(shí)在I/O方面已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸（芯片內(nèi)的Interconnect帶寬不足），硬件規(guī)格數(shù)字雖已與過(guò)往PC相仿，效能卻仍有落差，估計(jì)這是新一代樹(shù)莓派要額外提出RP1附屬搭配芯片的原因。

既然有人提出NUMA仿真軟件，這表示開(kāi)始有人嘗試提升樹(shù)莓派的內(nèi)存存取效率，會(huì)引起各方關(guān)注此一環(huán)節(jié)的效能提升，是真的起用仿真軟件來(lái)零成本提升效能，還是考慮在下一代的樹(shù)莓派主控芯片上改善此一環(huán)節(jié)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)用戶(hù)而言都是好消息。