【操作系统百科】vDSO

gettimeofday() 是调用频率最高的系统调用之一。如果每次都进内核 → 200ns 开销。vDSO 让它在用户态完成 → 20ns。

一、先看图

flowchart LR
    APP[用户程序] -->|调用| VDSO[vDSO<br/>linux-vdso.so.1]
    VDSO -->|读| VVAR[vvar 页<br/>内核维护的只读数据]
    VVAR --> TSC[读 TSC<br/>计算时间]

    APP2[传统方式] -->|syscall| KERNEL[内核<br/>sys_clock_gettime]

    classDef fast fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    classDef slow fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    class APP,VDSO,VVAR,TSC fast
    class APP2,KERNEL slow

二、什么是 vDSO

Virtual Dynamic Shared Object：内核编译的一小段共享库 → mmap 到每个进程地址空间。

cat /proc/self/maps | grep vdso
# 7fff...  r-xp  [vdso]

cat /proc/self/maps | grep vvar
# 7fff...  r--p  [vvar]

• vDSO：可执行代码（__vdso_clock_gettime 等函数）
• vvar：内核定期更新的只读数据（时间信息）

三、支持的函数

四、工作原理

4.1 时间读取

// vDSO 内部（简化）
int __vdso_clock_gettime(clockid_t clk, struct timespec *ts)
{
    struct vdso_data *vd = __arch_get_vdso_data();
    // seqcount 重试循环
    do {
        seq = vdso_read_begin(vd);
        ns = vd->clock_mode == VDSO_CLOCKMODE_TSC
             ? rdtsc() * vd->mult >> vd->shift + vd->base_ns
             : fallback_to_syscall();
    } while (vdso_read_retry(vd, seq));
    ts->tv_sec = ns / NSEC_PER_SEC;
    ts->tv_nsec = ns % NSEC_PER_SEC;
}

内核每 tick 更新 vvar 中的时间基准 → vDSO 读 TSC 计算偏移。

4.2 Fallback

如果 clocksource 不适合 vDSO（如 HPET）→ vDSO 退回 syscall。

五、vsyscall（已退役）

vsyscall 是 vDSO 的前身——固定地址（0xffffffffff600000）→ 安全风险（ASLR 无效）。

现代内核：vsyscall=emulate（陷入内核模拟）或 vsyscall=none（禁用）。

六、getrandom vDSO（6.11+）

getrandom(buf, 32, 0);  // 传统：syscall
// vDSO 版本：用户态生成随机数

内核维护 ChaCha20 状态在 vvar → vDSO 在用户态生成随机数 → 性能大幅提升。

七、time namespace

unshare(CLONE_NEWTIME);
// 写 /proc/self/timens_offsets

每个 time namespace 有独立的 vvar → vDSO 读到的时间带偏移 → 容器迁移时保持时间连续性。

八、性能对比

高频调用场景（数据库、交易系统、日志时间戳）→ 10 倍差距。

九、观察

# 查看 vDSO
ldd /bin/ls | grep vdso
# linux-vdso.so.1

# 导出 vDSO
dd if=/proc/self/mem of=vdso.so skip=$(cat /proc/self/maps | grep vdso | cut -d- -f1) bs=1 count=4096

# 验证是否走 vDSO
strace -e clock_gettime ./my_app  # 应该看不到 syscall（vDSO 不经过 syscall）
ltrace -e clock_gettime ./my_app  # ltrace 可以看到

十、小结

• vDSO = 内核编译的用户态共享库 → 零 syscall 读时间
• vvar 页内核更新、用户只读
• seqcount 保证一致性
• getrandom vDSO 是最新扩展
• vsyscall 已退役 → vDSO 是唯一正确方式

参考文献

• arch/x86/entry/vdso/
• Documentation/vDSO/
• man 7 vdso
• Jason Donenfeld, “getrandom() vDSO.” 2024

工具

• ldd
• ltrace
• /proc/self/maps

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