本系列是針對 Systems Performance: Enterprise and the Cloud, 2nd Edition (2020) 書籍的讀書筆記，加入了一些個人理解以及拓展，並且針對一些難以理解的地方提供了一些額外的參考
內核（Kernel）
經典模型中，內核在操作系統結構中的位置如圖所示： 
從裏到外分別是：
- 硬件（Hardware）：操作系統運行在的硬件設備。
- 內核（Kernel）：操作系統的核心軟件，內核管理着 CPU 調度、內存、文件系統、網絡協議以及各種系統設備（磁盤 IO、網絡 IO 等等）。通過系統調用提供服務。
- 系統調用（System Calls）：提供訪問硬件設備或者內核服務的程序接口。例如
open,close,read,write,ioctl等，需包含頭文件unistd.h。 - 系統庫（System Libraries）：直接用系統調用可能不太方便，我們可以使用封裝好的庫函數進行編程使用。從圖上可以看出，這裏其實有個缺口，因爲應用也可以不使用系統庫而是直接使用系統調用。例如像是 Go 語言運行環境，他就使用了自己封裝的系統調用層而不是標準庫
libc。
目前很多操作系統都在這個模型的基礎上做了變種，之後我們會詳細分析。
內核執行
經過不斷地迭代，內核目前已經非常龐大，有上百萬的代碼。內核的執行是按需的，例如當用戶級別的應用程序發起了系統調用，或者設備發送了一個中斷（interrupt）的時候。另外，某些內核線程回異步執行一些維護性的工作，可能包含內核時鐘程序以及內存管理任務，但是這些任務都會盡量保持輕量級並只佔用很少的 CPU 資源。
像 Web 服務器這種 I/O 密集型的應用（不斷的接受請求返回響應），會經常在內核上下文中執行。計算密集型的應用則會盡量不打擾內核，可以不中斷地在 CPU 上執行。內核調度器會決定那個線程會運行，哪個會等待，以及調度到哪個 CPU 上。內核會選擇硬件緩存更熱或者對於這個進程本地性更好的 CPU，來提高性能。
內核態以及用戶態
內核態（kernel mode）：運行內核程序的時候，CPU 處於的模式即內核態，在這一狀態下，設備的一切訪問以及各種特權命令執行都是被允許的。內核控制對於設備的訪問來實現多進程處理。除非明確指定，否則進程之間或者用戶之間的數據是無法互相訪問的
用戶態（user mode）:運行用戶程序的時候，CPU 處於的模式。通過系統調用，會從用戶態切換到內核態用更高的權限級別執行：
用戶態切換到內核態是一種模式切換（mode switch），所有的系統調用都會模式切換，某些系統調用還會上下文切換：遇到硬盤 IO 或者網絡 IO 的線程會上下文切換到可以運行的線程。這種切換都是有性能損耗的，一般通過如下幾種優化來避免：
- 用戶模式系統調用（User-mode syscalls）:可以在用戶模式庫實現一些系統調用。Linux 通過暴露 virtual dynamic shared object （vDSO）來實現，可以參考：https://man7.org/linux/man-pages/man7/vdso.7.html
- 內存映射（Memory mappings）：用於按需裝載內存頁（缺頁中斷），後面還會提到。這樣能避免直接訪問 IO 造成系統調用。
- 內核繞開（Kernel bypass）：可以讓用戶態程序直接訪問設備，例如 DPDK（Data Plane Development Kit），這裏推薦一篇關於 DPDK 的文章
- 內核態應用：例如運行在內核的 TUX 服務器，以及 BPF(Berkeley Packet Filter). 關於 BPF，有一個著名的基於 BPF 實現的工具集合是：https://github.com/iovisor/bcc
