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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擴充，並且針對一些難以理解的地方提供了一些額外的參考
核心（Kernel）
經典模型中，核心在作業系統結構中的位置如圖所示：
從裡到外分別是：
- 硬體（Hardware）：作業系統執行在的硬體裝置。
- 核心（Kernel）：作業系統的核心軟體，核心管理著 CPU 排程、記憶體、檔案系統、網路協議以及各種系統裝置（磁碟 IO、網路 IO 等等）。透過系統呼叫提供服務。
- 系統呼叫（System Calls）：提供訪問硬體裝置或者核心服務的程式介面。例如
open,close,read,write,ioctl等，需包含標頭檔案unistd.h。 - 系統庫（System Libraries）：直接用系統呼叫可能不太方便，我們可以使用封裝好的庫函式進行程式設計使用。從圖上可以看出，這裡其實有個缺口，因為應用也可以不使用系統庫而是直接使用系統呼叫。例如像是 Go 語言執行環境，他就使用了自己封裝的系統呼叫層而不是標準庫
libc。
目前很多作業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。
核心執行
經過不斷地迭代，核心目前已經非常龐大，有上百萬的程式碼。核心的執行是按需的，例如當使用者級別的應用程式發起了系統呼叫，或者裝置傳送了一個中斷（interrupt）的時候。另外，某些核心執行緒回非同步執行一些維護性的工作，可能包含核心時鐘程式以及記憶體管理任務，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 伺服器這種 I/O 密集型的應用（不斷的接受請求返回響應），會經常在核心上下文中執行。計算密集型的應用則會盡量不打擾核心，可以不中斷地在 CPU 上執行。核心排程器會決定那個執行緒會執行，哪個會等待，以及排程到哪個 CPU 上。核心會選擇硬體快取更熱或者對於這個程序本地性更好的 CPU，來提高效能。
核心態以及使用者態
核心態（kernel mode）：執行核心程式的時候，CPU 處於的模式即核心態，在這一狀態下，裝置的一切訪問以及各種特權命令執行都是被允許的。核心控制對於裝置的訪問來實現多程序處理。除非明確指定，否則程序之間或者使用者之間的資料是無法互相訪問的
使用者態（user mode）:執行使用者程式的時候，CPU 處於的模式。透過系統呼叫，會從使用者態切換到核心態用更高的許可權級別執行：
使用者態切換到核心態是一種模式切換（mode switch），所有的系統呼叫都會模式切換，某些系統呼叫還會上下文切換：遇到硬碟 IO 或者網路 IO 的執行緒會上下文切換到可以執行的執行緒。這種切換都是有效能損耗的，一般透過如下幾種最佳化來避免：
- 使用者模式系統呼叫（User-mode syscalls）:可以在使用者模式庫實現一些系統呼叫。Linux 透過暴露 virtual dynamic shared object （vDSO）來實現，可以參考：https://man7.org/linux/man-pages/man7/vdso.7.html
- 記憶體對映（Memory mappings）：用於按需裝載記憶體頁（缺頁中斷），後面還會提到。這樣能避免直接訪問 IO 造成系統呼叫。
- 核心繞開（Kernel bypass）：可以讓使用者態程式直接訪問裝置，例如 DPDK（Data Plane Development Kit），這裡推薦一篇關於 DPDK 的文章
- 核心態應用：例如執行在核心的 TUX 伺服器，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
