等了 20 年，實(shí)時(shí) Linux 進(jìn)主線了

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本文源：
https://www.zdnet.com/article/20-years-later-real-time-linux-makes-it-to-the-kernel-really/

多年來，在實(shí)時(shí)Linux上所做的工作使開源操作系統(tǒng)受益匪淺，但直到本周，Linus Torvalds才將其最后一部分納入主流內(nèi)核。到底是什么花了這么長時(shí)間？


高級(jí)實(shí)時(shí)Linux開發(fā)人員Steven Rosedt和Steven Vaughan Nichols在維也納舉行的Linux歐洲峰會(huì)上合影---sjvn/ZDNET

維也納——20年后，實(shí)時(shí)Linux（PREEMPT_RT）終于——終于——進(jìn)入了主流內(nèi)核。Linus Torvalds在歐洲開源峰會(huì)上為代碼祈福。為什么這是一件大事？讓我們從解釋實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是什么以及它有什么好處開始。

▎1. 什么是RTOS？
RTOS是一種專門的操作系統(tǒng)，旨在精確可靠地處理時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)。與Windows或macOS等通用操作系統(tǒng)不同，RTOS的構(gòu)建是為了在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)響應(yīng)事件和處理數(shù)據(jù)，通常以毫秒或微秒為單位。正如著名的實(shí)時(shí)Linux開發(fā)人員和谷歌工程師Steven Rosedt所說，“實(shí)時(shí)是最快的最壞情況(Real-time is the fastest worst-case scenario.)。”

他的意思是RTOS的本質(zhì)特征是它的確定性行為。RTOS保證關(guān)鍵任務(wù)將在指定的截止日期內(nèi)完成。許多人認(rèn)為RTOS是用于快速流程的。他們不是。速度不是RTOS的重點(diǎn)，可靠性才是。這種可預(yù)測性在計(jì)時(shí)至關(guān)重要的應(yīng)用中至關(guān)重要，如工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和航空航天設(shè)備。

目前使用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)例子是VxWorks，它被用于美國國家航空航天局的火星探測車，以引導(dǎo)它們，并被用于波音787夢想飛機(jī)，以控制航空電子系統(tǒng)，確保飛行控制的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。另一個(gè)例子是QNX Neutrino，它廣泛應(yīng)用于汽車的信息娛樂和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)，如防抱死制動(dòng)器。


▎2. 實(shí)時(shí)Linux的歷史
從即將推出的 Linux 6.12 內(nèi)核開始，所有發(fā)行版都將包含實(shí)時(shí) Linux 代碼。這意味著 Linux 將很快開始運(yùn)行在更多的任務(wù)關(guān)鍵設(shè)備和工業(yè)硬件上。這標(biāo)志著它經(jīng)歷了很長時(shí)間的發(fā)展才走到今天這一步。

實(shí)時(shí)Linux的故事始于20世紀(jì)90年代末，當(dāng)時(shí)對Linux支持實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的需求日益增長。最初的工作重點(diǎn)是創(chuàng)建與Linux內(nèi)核一起運(yùn)行的獨(dú)立實(shí)時(shí)內(nèi)核。這包括堪薩斯大學(xué)的KURT等學(xué)術(shù)項(xiàng)目；來自米蘭大學(xué)RTAI；以及新墨西哥礦業(yè)與技術(shù)學(xué)院的RTLinux。

Linux內(nèi)核高級(jí)開發(fā)人員Ingo Molnar于2004年開始收集和重塑這些技術(shù)，為實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁集PREEMPT_RT奠定基礎(chǔ)。

這種方法與早期的實(shí)時(shí)Linux解決方案不同，因?yàn)樗�修改了現(xiàn)有的Linux內(nèi)核，而不是創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的實(shí)時(shí)內(nèi)核。到2006年，它已經(jīng)獲得了足夠的吸引力，Linus Torvalds觀察到，“用Linux控制激光器是瘋狂的，但這個(gè)房間里的每個(gè)人都以自己的方式瘋狂。所以如果你想用Linux來控制工業(yè)焊接激光器，我不反對你使用PREEMPT_RT。”

到2009年，包括Thomas Gleixner、Peter Ziljstra和Rosedt在內(nèi)的一個(gè)內(nèi)核開發(fā)小組已經(jīng)完成了將之前的原型開發(fā)整合到一個(gè)單獨(dú)的樹外補(bǔ)丁集中的工作。就在那時(shí)，許多公司開始使用這個(gè)補(bǔ)丁集來構(gòu)建需要毫秒精度的硬實(shí)時(shí)特性的工業(yè)系統(tǒng)。

隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，它的許多元素都轉(zhuǎn)移到了內(nèi)核中。Rosedt告訴我，在某種程度上，說實(shí)時(shí)性現(xiàn)在才出現(xiàn)在Linux中是錯(cuò)誤的。多年來，它的許多功能已被引入主流Linux。事實(shí)上，其中一些對于你每天使用的Linux來說是必不可少的。

例如，您可能從未聽說過“NO_HZ”，它可以降低空閑系統(tǒng)的功耗。NO_HZ使Linux能夠在具有數(shù)千個(gè)CPU的機(jī)器上高效運(yùn)行。Rostedt強(qiáng)調(diào)：“你沒有意識(shí)到Linux因?yàn)閷?shí)時(shí)補(bǔ)丁而得到了多大的改進(jìn)�！薄！癓inux今天在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的唯一原因是我們所做的工作。”

因此，如果沒有NO_HZ，Linux就不會(huì)在所有的數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行。這反過來解釋了為什么Linux運(yùn)行云端。我不知道如果沒有這種實(shí)時(shí)貢獻(xiàn)，世界會(huì)是什么樣子，但它肯定不會(huì)像今天這樣。

實(shí)時(shí)Linux也以一開始無人想到的方式被證明是有用的。Rostedt回憶道：“早在2005年，我收到了一個(gè)實(shí)時(shí)bug報(bào)告，我發(fā)送了一個(gè)補(bǔ)丁并說，‘嘿，這是修復(fù)程序。你能應(yīng)用它嗎?” 那家伙說，‘我不知道我在做什么�！�我回答說，‘等等，你不是內(nèi)核開發(fā)者嗎？’他回答說：‘我是個(gè)吉他手。’“

原來他使用的是早期的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，因?yàn)樗�使用的是JACK，一種用于低延遲音頻連接的聲音服務(wù)器。他使用它是因?yàn)椋�像大多�?shù)音樂家一樣，他太窮了，買不起高端設(shè)備，所以，Rostedt繼續(xù)說，“他買了一臺(tái)便宜的筆記本電腦，裝了Linux和JACK，因?yàn)橛辛藢?shí)時(shí)補(bǔ)丁，它就能很好地錄音，而不是在寫入硬盤時(shí)跳過�！�  

事實(shí)證明，許多音樂家都是早期的實(shí)時(shí)Linux用戶，因?yàn)樗�可以讓他們以低廉的價(jià)格制作高質(zhì)量的錄音。誰知道呢？這些年來進(jìn)入主流內(nèi)核的其他實(shí)時(shí)Linux特性包括：

1. 互斥鎖的引入
2. Ftrace，可以說是最重要的Linux調(diào)試工具
3. 用戶空間應(yīng)用程序的優(yōu)先級(jí)繼承


▎3. 為什么實(shí)時(shí)Linux花了這么長時(shí)間?
那么，為什么實(shí)時(shí)Linux現(xiàn)在只在內(nèi)核中得到完全的支持呢？Rostedt解釋說：”事實(shí)上，除非我們認(rèn)為它已經(jīng)準(zhǔn)備好了，否則我們不會(huì)把它推上去。“”幾乎所有內(nèi)容在進(jìn)入主流之前都要重寫至少三次，因?yàn)槲覀儗��?nèi)容的要求太高了�！�
此外，通往主線的道路不僅僅是技術(shù)挑戰(zhàn)。政治和認(rèn)知也發(fā)揮了作用。Rostedt回憶道：“一開始，我們甚至不能提到實(shí)時(shí)�！薄！懊總�(gè)人都說，‘哦，我們不在乎實(shí)時(shí)性�！�”

另一個(gè)問題是錢。多年來，實(shí)時(shí)Linux的資金一直不穩(wěn)定。2015年，Linux基金會(huì)建立了實(shí)時(shí)Linux (RTL)協(xié)作項(xiàng)目，以協(xié)調(diào)圍繞PREEMPT_RT主線的工作。
完全集成的最后一個(gè)障礙是重新編寫內(nèi)核的print_k函數(shù)，這是一個(gè)可以追溯到1991年的關(guān)鍵調(diào)試工具。Torvalds 特別保護(hù) printk ——他編寫了原始代碼，并仍將其用于調(diào)試。然而，每當(dāng)調(diào)用 printk時(shí)，它也會(huì)在 Linux 程序中產(chǎn)生硬延遲。這種減速在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不可接受的。

Rosedt 解釋說：“printk 有一千種技巧來處理一千種不同的情況。每當(dāng)我們修改 printk 時(shí)，它都會(huì)破壞其中一種情況。printk 調(diào)試的好處在于，你可以精確地知道進(jìn)程崩潰時(shí)的位置。當(dāng)我非常努力地測試系統(tǒng)時(shí)，延遲通常在 30 微秒左右，然后突然增加到 5 毫秒。”這種延遲正是 printk 消息造成的。
經(jīng)過大量的工作、多次激烈的討論和幾項(xiàng)被拒絕的提案，今年早些時(shí)候終于達(dá)成了妥協(xié)。Torvalds 很高興，實(shí)時(shí) Linux 開發(fā)人員也很高興，printk 用戶同樣感到滿意。最終，實(shí)時(shí) Linux 成為了現(xiàn)實(shí)。

經(jīng)過二十年的發(fā)展，Linux 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁終于被合并到主流內(nèi)核中。這一里程碑標(biāo)志著內(nèi)核開發(fā)人員多年來為 Linux 帶來確定性、低延遲性能的工作達(dá)到了頂峰。
有了這一補(bǔ)丁，Linux 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了完全可搶占，這使它能夠在微秒內(nèi)對事件做出響應(yīng)。這種能力對于需要精確計(jì)時(shí)的應(yīng)用至關(guān)重要，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、機(jī)器人和音頻制作。

隨著實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的合并，Linux 現(xiàn)在有望成為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）領(lǐng)域的重要參與者。這不僅是實(shí)時(shí)制造商的勝利，也是所有 Linux 用戶的勝利。
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