Введение

В состав дистрибутива Astra Linux Special Edition РУСБ.10015-01 (очередное обновление 1.7) начиная с обновления БЮЛЛЕТЕНЬ № 2022-1110SE17 (оперативное обновление 1.7.3) в дополнение к вариантам сборки ядра generic (сборка общего назначения) и hardened (сборка с усиленными внутренними проверками) включен вариант сборки ядра lowlatency.

Современные компьютеры являются многозадачными, т. е., с точки зрения пользователя компьютер одновременно выполняет несколько задач. В самом деле задачи выполняются не одновременно, а по очереди некоторыми "квантами", но переключения между задачами происходят с человеческой точки зрения "очень быстро" и "незаметно". Операция переключения задач сама является квантом задачи и, как любой квант, требует некоторого времени и энергозатрат. В какой момент происходит переключение задач решает ядро операционной системы (планировщик ядра), и, если выполняемая задача не совпадает с ожидаемой пользователем, то пользователь замечает "задержку" (нажата клавиша, но символ на экране появился не сразу). Ядро lowlatency предназначено для снижения подобных задержек (снижения "латентности").

"Латентность" (latency) в широком смысле представляет собой временную задержку между причиной и следствием. Применительно к теме данной статье, например, временной интервал между действием пользователя и реакцией компьютера на него. Синонимом термина латентность можно считать термин "время реакции". Понятие латентности применяется к операциям, которые оцениваются субъективно, т.е. пользователями, и неприменимо к оценке производительности информационных систем. Например, объективной оценкой производительности сервера СУБД могут быть различные варианты показателя TPC (количество транзакций в секунду), а объективной оценкой мультимедийного компьютера — FPS (кадровая частота, количество кадров в секунду).

С субъективным восприятием качества работы компьютера также связано понятие "джиттер" (jitter) — разброс значений задержек для одного и того же события. Например, с точки зрения пользователя, некоторые нажатия клавиш отображаются на экране мгновенно, а некоторые - с видимой задержкой, или в воспроизведении мультимедиа появляются заметные сбои. Снижение латентности ведет к снижению значений джиттера. Важность значений джиттера зависит от применения компьютера: для сервера СУБД джиттер неважен, для мультимедийного компьютера - критичен.

Латентность и джиттер зависят от частоты переключения задач в системе. Частота измеряется в Герцах (Гц) - количество переключений в секунду. В ядрах общего назначения частота переключения задач 250 Гц, в ядре lowlatency - 1000 Гц.

Пояснительные примеры

Пользовательские компьютеры

Рассмотрим условно маломощный пользовательский компьютер, на котором пользователь выполняет редактирование и последующее сохранение файла, одновременно слушая музыку.

При использовании сборки generic выполнение операции редактирования происходят с некоторой заметной и неприятной для пользователя задержкой (а что еще неприятнее - с разной задержкой из-за высокого значения джиттера) или сопровождается сбоями воспроизведения мультимедиа (следствие высокого значения джиттера). Сохранение файла выполняется, условно, за одну секунду, при этом нарушается воспроизведение музыки и компьютер не реагирует на нажатия клавиш. Субъективно, с точки зрения пользователя, "компьютер работает плохо". 

При использовании сборки lowlatency выполнение каждой отдельной операции редактирования происходит субъективно быстрее, а музыка воспроизводится без помех как при редактировании, так и при сохранении.  Однако, сохранение файла при этом выполняется не за одну, а за две секунды, что на фоне музыки не заметно пользователю, т.е. субъективно "компьютер работает хорошо".

Вне субъективного восприятия пользователя остается повышенное энергопотребление: при низкой нагрузке (условное редактирование файла) компьютер, работая в режиме lowlatency, выполняет больше операция переключения, что повышает расход энергии.

Серверы

Сервер СУБД, в отличие от пользовательского компьютера, не обрабатывает "нажатия клавиш" и не воспроизводит мультимедийный контент. Оценкой работы сервера СУБД является показатель производительности, например, 1000 TPC, при этом на больших выборках высокие значения джиттера усредняются и нивелируются. Использование ядра lowlatency не принесет никаких полезных изменений, но, из-за увеличения затрат на переключение задач, превратит 1000 TPC в 900 TPC, т.е. в целом объективно ухудшит работу сервера.

Рекомендации по применению ядра lowlatency

1. Предпочтительными всегда являются стандартные решения. Поэтому, если нет веских причин заменить стандартное ядро (generic), то использовать следует стандартное ядро.
2. Производительность современных компьютеров более чем достаточна для качественного решения задачи из приведенного выше примера "пользователь редактирует файл и слушает музыку" или даже "пользователь редактирует файл и смотрит кино в FullHD",  и замена стандартного ядра generic на ядро lowlatency субъективных улучшений не принесет.
3. На высокозагруженных пользовательских компьютерах (игровых, маломощных, планшетах, мобильных устройствах) применение ядра lowlatency вероятно улучшит субъективное впечатление пользователей от работы с устройством. Однако, следует помнить, что снижение латентности происходит за повышения вычислительной нагрузки, что, в итоге, может привести к заметному ухудшению работы (например, критическому снижению показателя FPS в мультимедийных приложениях). В случае применения ядра lowlatency для портативных устройств следует также помнить про повышенное энергопотребление.
4. На серверах в общем случае ядро lowlatency применять не следует. Для сервера важнее общая производительность, чем латентность. Отдельным случаем являются игровые и мультимедийные серверы, оценка качества работы которых определяется субъективным восприятием пользователей (полнота отрисовки игровых сцен, качество воспроизведения мультимедиа). В таких серверах стабильность воспроизведения мультимедийного контента (низкое значение джиттера) становится важным требованием, и применение ядра lowlatency может улучшить субъективные показатели работы. 
5. Ядро lowlatency не является ядром реального времени, однако низкая латентность и низкий джиттер могут быть полезны для применений в системах автоматизации и управления оборудованием. В этом случае применимость определяется характеристиками аппаратной платформы и требованиями к параметрам управления и энергопотребления.

Проверка текущих параметров установленных ядер

Параметры, с которыми собрано ядро, установленное в системе, доступны в каталоге /boot/ в фалах /boot/config-*. Проверить, с какими параметрами задержек (точнее, с какой частотой переключения задач) собраны установленные в системе ядра можно командой:

/boot/config-5.15.0-33-lowlatency:CONFIG_HZ=1000
/boot/config-5.4.0-110-generic:CONFIG_HZ=250
/boot/config-5.4.0-54-generic:CONFIG_HZ=250

Пояснение: в системе установлено 3 ядра (5.15.0-33-lowlatency, 5.4.0-110-generic, 5.4.0-54-generic), первое ядро lowlatency с частотой переключения задач 1000 Гц, второе и третье - ядра общего назначения (generic) с частотой переключения 250 Гц.

Проверить, какое ядро загружено в системе, можно командой:

Установка ядра lowlatency

Ядро lowlatency может быть установлено из основного репозитория Astra Linux Special Edition РУСБ.10015-01 (очередное обновление 1.7) начиная с обновления БЮЛЛЕТЕНЬ № 2022-1110SE17 (оперативное обновление 1.7.3). Рекомендованная команда для установки: