CachyOS to jedna z najciekawszych dystrybucji Linuxa ostatnich lat. Projekt zdobył popularność głównie dzięki agresywnej optymalizacji wydajności – zarówno na poziomie pakietów użytkownika, jak i samego jądra systemu. Sercem całego projektu jest linux-cachyos – zmodyfikowane jądro Linux zawierające zestaw patchy, własnych konfiguracji i eksperymentalnych schedulerów CPU.

W tym artykule przeanalizujemy techniczne szczegóły optymalizacji CachyOS i wyjaśnimy, co faktycznie wpływa na wydajność systemu, responsywność desktopu i gaming.
Źródła projektu oraz dokumentacja znajdują się tutaj:

• Repozytorium linux-cachyos
• Dokumentacja kernela CachyOS

Filozofia CachyOS

Klasyczne dystrybucje Linuxa kompilują pakiety dla maksymalnej kompatybilności – zwykle dla architektury x86-64-v1. Oznacza to brak wykorzystania nowoczesnych instrukcji CPU dostępnych w procesorach Ryzen czy Intel Core 12/13/14 gen.

CachyOS robi odwrotnie:

• optymalizuje pakiety pod nowoczesne CPU,
• stosuje agresywne flagi kompilacji,
• używa niestandardowych schedulerów,
• eksperymentuje z sched-ext,
• dodaje poprawki z innych projektów kernelowych,
• stroi kernel głównie pod desktop, gaming i latency.

Projekt sam określa to jako „performance-first Linux”.

Optymalizacja kompilacji jądra

Jednym z najważniejszych elementów CachyOS jest sposób budowania kernela.

ThinLTO (Link Time Optimization)

Kernel CachyOS jest domyślnie budowany z użyciem LLVM/Clang oraz ThinLTO.

ThinLTO pozwala kompilatorowi analizować cały kernel jako jedną całość. Dzięki temu możliwe jest:

• inline funkcji między modułami,
• lepsze rozmieszczenie kodu,
• redukcja branch misprediction,
• mniejszy narzut wywołań funkcji.

W praktyce poprawia to:

• responsywność desktopu,
• wydajność syscalli,
• throughput I/O,
• gaming CPU-bound.

CachyOS używa głównie ThinLTO zamiast pełnego LTO, ponieważ:

• jest szybsze podczas kompilacji,
• wymaga mniej RAM,
• daje podobne zyski wydajnościowe.

AutoFDO + Propeller

To najbardziej zaawansowana część optymalizacji CachyOS.

AutoFDO

AutoFDO (Automatic Feedback Directed Optimization) działa podobnie do klasycznego PGO, ale wykorzystuje profile wydajności zbierane z działającego kernela.

Kernel jest profilowany podczas rzeczywistego użycia systemu:

• gaming,
• desktop,
• kompilacja,
• I/O,
• multitasking.

Następnie kompilator reorganizuje kod według rzeczywistych ścieżek wykonania.

Efekty:

• lepsze locality cache,
• mniej missów branch predictor,
• szybsze hot pathy kernela.

Propeller

Google Propeller reorganizuje layout funkcji w binarce.

Nowoczesne CPU tracą ogrom czasu na:

• I-cache misses,
• instruction TLB misses,
• błędne przewidywanie branchy.

Propeller minimalizuje te problemy przez fizyczne grupowanie często wykonywanych funkcji obok siebie w pamięci.

To szczególnie pomaga:

• schedulerowi,
• memory management,
• syscallom,
• sterownikom GPU,
• networkingowi.

Scheduler CPU – najważniejszy element CachyOS

Linux scheduler ma gigantyczny wpływ na:

• latency,
• frametime,
• responsywność GUI,
• interaktywność systemu.

CachyOS eksperymentuje z kilkoma schedulerami.

EEVDF – obecny domyślny scheduler

Nowoczesne wersje CachyOS używają zmodyfikowanego scheduler’a EEVDF jako domyślnego rozwiązania.

EEVDF oznacza:

Earliest Eligible Virtual Deadline First

Scheduler stara się:

• minimalizować latency,
• szybciej reagować na interaktywne taski,
• poprawiać fairness.

W przeciwieństwie do starszego CFS:

• lepiej radzi sobie z burst workload,
• szybciej wybudza taski desktopowe,
• poprawia frametime stability.

To szczególnie ważne dla:

• Wayland,
• KDE Plasma,
• GNOME,
• gamingu,
• audio realtime.

BORE Scheduler

BORE był wcześniej bardzo popularny w CachyOS.

BORE:

• agresywnie premiuje taski interaktywne,
• zmniejsza latency desktopu,
• poprawia responsiveness podczas obciążenia CPU.

Problem:

• czasami pogarsza throughput,
• może powodować regresje w niektórych workloadach,
• nie zawsze daje lepsze FPS.

Dlatego obecnie główny kernel CachyOS przeszedł bardziej w kierunku EEVDF + sched-ext.

sched-ext – scheduler w userspace

Jedna z najbardziej eksperymentalnych funkcji CachyOS.

sched-ext pozwala uruchamiać scheduler Linuxa jako program eBPF w userspace.
Oznacza to możliwość dynamicznej zmiany schedulerów bez rebootu systemu.

CachyOS wspiera między innymi:

• scx_lavd
• scx_rusty
• bpfland
• cosmos

Scheduler można zmieniać praktycznie „na żywo”.

To ogromna zmiana architektoniczna, ponieważ klasycznie scheduler był integralną częścią kernela.

Tickrate kernela – 1000 Hz

Domyślny kernel CachyOS działa z tickrate:

$1000\ \mathrm{Hz}$1000 Hz

Dla porównania:

• większość distro desktopowych używa 250 Hz,
• serwerowe często 100–300 Hz.

Wyższy tickrate:

• zmniejsza latency,
• poprawia responsiveness,
• redukuje input lag.

Koszt:

• większy overhead CPU,
• wyższe zużycie energii.

Dlatego CachyOS oferuje także warianty:

• 300 Hz,
• 500 Hz,
• 750 Hz,
• 1000 Hz.

Preemption i low-latency

Kernel CachyOS używa agresywniejszego modelu preemption niż standardowy Linux.

To oznacza:

• krótszy czas oczekiwania tasków,
• lepszy audio latency,
• płynniejszy desktop,
• lepsze frametime’y w grach.

Dostępny jest także wariant:

• linux-cachyos-rt-bore

czyli kernel realtime.

Realtime kernel:

• redukuje jitter,
• poprawia deterministyczność,
• pomaga w audio production,
• bywa używany w streamingu i low-latency gaming.

Zarządzanie pamięcią

CachyOS dodaje również poprawki memory management.

Zen-kernel tweaks

Projekt wykorzystuje część patchy z Zen Kernel:

• tuning compaction,
• watermark optimization,
• poprawki reclaim,
• lepsze zachowanie pod memory pressure.

Anti-thrashing patch

W dokumentacji wspomniany jest patch:

• le9uo

Jego celem jest ograniczenie page thrashing:

• sytuacji, gdy kernel nieustannie swapuje strony pamięci.

To poprawia:

• stabilność frametime,
• responsywność systemu pod obciążeniem,
• działanie systemu przy małej ilości RAM.

Optymalizacje pod gaming

CachyOS jest wyraźnie strojony pod gaming Linuxowy.

Kernel zawiera:

• patchset Steam Deck,
• wsparcie ROG Ally,
• tuning AMD P-State,
• HDR,
• poprawki AMDGPU,
• gotowe moduły NVIDIA,
• sched-ext.

W praktyce oznacza to:

• niższy input lag,
• bardziej stabilny frametime,
• szybsze wybudzanie tasków renderujących,
• lepsze wykorzystanie nowoczesnych CPU Ryzen.

Architektury CPU

CachyOS kompiluje kernel i pakiety pod:

• x86-64-v3
• x86-64-v4
• znver4

Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie:

• AVX2,
• BMI,
• FMA,
• nowych rozszerzeń SIMD.

Standardowe distro zwykle tego nie robią.

Efekt:

• szybsza kompresja,
• szybsze multimedia,
• lepsza wydajność kryptografii,
• wyższa wydajność desktopu.

Czy CachyOS naprawdę jest szybszy?

To zależy od workloadu.

Największe zyski zwykle widać w:

• desktop responsiveness,
• frametime consistency,
• gaming CPU-bound,
• kompilacji,
• I/O-heavy workloadach.

Mniejsze:

• w GPU-bound gaming,
• lekkich zadaniach,
• serwerach produkcyjnych.

W praktyce CachyOS daje bardziej „responsywne” odczucie systemu niż klasyczny Arch lub Ubuntu – głównie dzięki schedulerowi i low-latency tuningowi.

Jednocześnie część optymalizacji jest bardzo eksperymentalna:

• sched-ext,
• alternatywne schedulery,
• agresywne flagi kompilacji.

Dlatego projekt mocno balansuje między:

• wydajnością,
• stabilnością,
• kompatybilnością.

Podsumowanie

CachyOS to obecnie jeden z najbardziej ambitnych projektów optymalizacji Linux desktop.

Najważniejsze elementy:

• ThinLTO,
• AutoFDO,
• Propeller,
• EEVDF,
• sched-ext,
• tuning latency,
• nowoczesne architektury CPU,
• agresywna konfiguracja kernela.

Największa różnica względem klasycznych dystrybucji polega na tym, że CachyOS:

• traktuje kernel jako element wydajnościowy,
• eksperymentuje z schedulerami,
• stroi system pod desktop i gaming,
• wykorzystuje możliwości nowoczesnych CPU.

Dla entuzjastów Linuxa, benchmarków i low-latency desktopu jest to obecnie jeden z najciekawszych projektów w ekosystemie.