| 1 微內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)度技術(shù) 與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核相比，微內(nèi)核調(diào)度系統(tǒng)中最突出的特征是增加了處理機(jī)和處理機(jī)集及線程的管理，并且向用戶提供了靈活的手段來控翩自己的程序在處理機(jī)上的運(yùn)行．這{羊，微內(nèi)核系統(tǒng)就能很好地支持多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)．同時(shí)，線程為用戶提供了細(xì)粒度的并行處理機(jī)制，使得同一個(gè)用戶任務(wù)中的不同線程可以同時(shí)在多個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行． 與進(jìn)程相比，線程中所帶的資源很少，因此，創(chuàng)建線程和撤消線程的開銷就比進(jìn)程小．線程也稱為“輕進(jìn)程．在系統(tǒng)調(diào)度中，線程的切換開銷也比進(jìn)程步，但是不同任務(wù)中的線程切換會(huì)引起任務(wù)的切換，在這種情況下，線程和進(jìn)程的調(diào)度開銷就變成一樣了．為了優(yōu)化系統(tǒng)效率，減步由于線程切換而弓I起的任務(wù)切換，在調(diào)度算法中加入了以下代碼： IF (所選中的線程和當(dāng)前運(yùn)行的城程屬于同一十任務(wù)) THEN 不做任務(wù)切換} ELSE進(jìn)行任務(wù)切換操作} 顯然，這種方法在某種情況下會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能有所幫助，但是這種方法在很大程度上屬于一種“被動(dòng)的，或者說是一種“碰運(yùn)氣”的方法．另外，單純以線程為主的調(diào)度算法對(duì)用戶任務(wù)有失公平性，以線程為主的調(diào)度算法是完全參照傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的調(diào)度算法設(shè)計(jì)而成的．當(dāng)線程投入運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)為它分配周定大小的時(shí)間片，系統(tǒng)中線程按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)．這樣，就產(chǎn)生了公平性問題：如果一個(gè)任務(wù)中有兩個(gè)線程，那么，從理論上講，它將比只用一個(gè)線程實(shí)現(xiàn)的任務(wù)多獲得近1倍的處理機(jī)時(shí)間．在傳統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度系統(tǒng)中，一個(gè)用戶可以通過創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程來獲得更多的處理機(jī)調(diào)度機(jī)會(huì)，但是，它是建立在增加了創(chuàng)建進(jìn)程和進(jìn)程間通訊的系統(tǒng)開銷代價(jià)的基礎(chǔ)上的相比之下，創(chuàng)建線程的開銷非常小，同一任務(wù)間的線程之閉通訊開銷也很小為了解決上述問題，我們提出并實(shí)現(xiàn)了一種將傳統(tǒng)的任務(wù)和新的線程調(diào)度機(jī)翩相結(jié)合的方法：以任務(wù)為單位分配時(shí)間片(這樣可以保證調(diào)度的公平性)，在線程調(diào)度時(shí)，當(dāng)一個(gè)線程不是由于任務(wù)時(shí)間片用完的原因而放棄處理機(jī)時(shí)，只要系統(tǒng)中沒有高優(yōu)先級(jí)線程，就從本任務(wù)中選取線程，從而使得由線程切換而引起的任務(wù)切換操作開銷達(dá)到最?。?從目前的發(fā)展來看，用戶任務(wù)的并行粒度越來越小，即用戶任務(wù)中的線程越來越多，而每個(gè)線程所執(zhí)行的操作會(huì)越來越步．因此，使用線程+任務(wù)的方法可以有效地減少單純的以線程為主的系統(tǒng)調(diào)度所引起的系統(tǒng)開銷． 2 微內(nèi)核虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù) 微內(nèi)核虛擬存儲(chǔ)管理系統(tǒng)弓『入了存儲(chǔ)對(duì)象(Memory Object)的概念，將物理內(nèi)存看成外部存儲(chǔ)對(duì)象的(如磁盤)高速緩存(Cache)，實(shí)現(xiàn)了虛擬存儲(chǔ)器寫時(shí)拷貝(Copy onWrite)技術(shù)，引入了lazy evaluation技術(shù)．定義了虛擬存儲(chǔ)器和硬件存儲(chǔ)管理機(jī)制的接口(Pmap)，實(shí)現(xiàn)了與機(jī)器無關(guān)的虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)． 虛擬存儲(chǔ)器寫時(shí)拷貝算法是微內(nèi)核虛擬存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的核心算法．它的弓f入使得虛擬存儲(chǔ)器管理的效率大大提高了一步．但是，它的實(shí)現(xiàn)依賴于硬件存儲(chǔ)管理機(jī)制的頁(yè)面保護(hù)機(jī)制，對(duì)于一個(gè)具有寫時(shí)拷貝共享屬性的存儲(chǔ)區(qū)，其頁(yè)面保護(hù)被設(shè)置成寫保護(hù)．多個(gè)用戶可以共享的方式對(duì)它進(jìn)行讀操作，但是，當(dāng)用戶試圖對(duì)這塊區(qū)域進(jìn)行寫操作時(shí)，將產(chǎn)生寫保護(hù)故障，頁(yè)面故障管理程序?qū)橛脩暨M(jìn)程復(fù)制物理頁(yè)面．從而達(dá)到寫時(shí)拷貝的目的． 在I386體系結(jié)構(gòu)下，只有用戶態(tài)頁(yè)面允許寫保護(hù)，在其他機(jī)器狀態(tài)下，硬件存取機(jī)制將繞過頁(yè)面保護(hù)機(jī)翩，直接對(duì)頁(yè)面進(jìn)行寫操作．在這種狀態(tài)下，寫時(shí)拷貝算法將失效．而在微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)中，可能有各種狀態(tài)下的服務(wù)器，如在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行的服務(wù)器．為了解決這個(gè)問題。我們引入了寫時(shí)拷貝和訪問時(shí)拷貝(Copy oil Reference)相結(jié)合的算法． 即在用戶態(tài)上使用寫時(shí)拷貝算法，在其他狀態(tài)下使用訪問時(shí)拷貝算法來替換寫時(shí)拷貝算法，以解決寫時(shí)拷周算法失效的問題．訪問時(shí)拷貝算法的實(shí)現(xiàn)依賴于頁(yè)面保護(hù)機(jī)制的映頁(yè)機(jī)制．這樣，在其他狀態(tài)下，在設(shè)置頁(yè)面保護(hù)時(shí)將寫保護(hù)改成映頁(yè)即可．新的方法在效率上比寫時(shí)拷貝算法低，但是比完全拷貝的方法高出許多，特別是與lazy evaluation技術(shù)相配合時(shí) 效率會(huì)更高．由于微內(nèi)核提供的寫時(shí)拷貝算法是對(duì)用戶透明的，即對(duì)于用戶編寫的任何狀態(tài)下的服務(wù)器都將使用寫時(shí)拷貝算法．因此，在I386體系結(jié)構(gòu)下，在非用戶態(tài)上運(yùn)行的用戶服務(wù)器有可能出錯(cuò)，新的算法解決了這個(gè)問題． 3 微內(nèi)核計(jì)時(shí)模型 在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中，為統(tǒng)計(jì)出每個(gè)進(jìn)程的處理機(jī)時(shí)間使用量的單元．系統(tǒng)計(jì)時(shí)一般是放在處理機(jī)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中．系統(tǒng) IF (當(dāng)前盎程處于用戶態(tài)) 增加當(dāng)前進(jìn)程的用戶奮處理機(jī)時(shí)間使用量 在每個(gè)進(jìn)程結(jié)構(gòu)中都沒有統(tǒng)計(jì)進(jìn)程使用處理機(jī)時(shí)間 般采用如下代碼段來進(jìn)行用戶進(jìn)程的時(shí)間統(tǒng)計(jì)． ELSE 增加當(dāng)前進(jìn)程的系統(tǒng)態(tài)處理機(jī)時(shí)聞使用量 由于在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)提供的服務(wù)完全由操作系統(tǒng)內(nèi)核來完成。用戶通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核來取得服務(wù)．因此，采用上述方法能比較準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出用戶所用的處理機(jī)時(shí)間．但是，這種計(jì)時(shí)方法是一種比較粗糙的計(jì)時(shí)方法．每次時(shí)鐘中斷時(shí)，它就將一個(gè)固定的時(shí)間片(時(shí)鐘中斷周期)加入披中斷的進(jìn)程中，而不管該進(jìn)程是否完全使用了這些處理機(jī)對(duì)向．由于這種方法實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單，系統(tǒng)開銷很小，幾乎所有的操作系繞都采用了這種方法．在新的操作系統(tǒng)中引入了細(xì)粒度的并行執(zhí)行部件—— 線程。對(duì)于線程的計(jì)時(shí)也采用了和進(jìn)程相同的方法．為了取得精確的處理機(jī)時(shí)同統(tǒng)計(jì)精度．一些新型操作系統(tǒng)弓『入了新的計(jì)時(shí)機(jī)制．如MACH 3．0中引^了基于時(shí)間戳的精確計(jì)時(shí)機(jī)制．在微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)下．傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)功能是通過服務(wù)器的方式來實(shí)現(xiàn)的．服務(wù)器和用戶任務(wù)一樣，也作為一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行．當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用操作系統(tǒng)服務(wù)時(shí)，微內(nèi)核通過消息將系統(tǒng)服務(wù)的參數(shù)傳遞給操作系統(tǒng)服務(wù)器，由操作系統(tǒng)服務(wù)器來完成用戶請(qǐng)求，并將結(jié)果通過消息傳遞給用戶進(jìn)程．這樣，如果采用傳統(tǒng)的方法來進(jìn)行進(jìn)程的處理機(jī)時(shí)問統(tǒng)十。就會(huì)將操作系統(tǒng)為用戶提供服務(wù)所用的處理機(jī)時(shí)間記入服務(wù)器中．而不是用戶進(jìn)程中． 為了解決這個(gè)問題，我們引^了委托線程的概念，建立了新的用戶進(jìn)程計(jì)時(shí)模型．在客戶／服務(wù)器模型中，用戶通過消息請(qǐng)求服務(wù)器的服務(wù)，服務(wù)器接收用戶的消息完成用戶的請(qǐng)求，再通過消息將結(jié)果傳給用戶．在這種體系結(jié)構(gòu)下，可看成用戶將自己的一部分工作委托給服務(wù)器完成，服務(wù)器是在為委托線程服務(wù)．當(dāng)用戶線程向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，將用戶線程標(biāo)識(shí)傳遞給服務(wù)器，當(dāng)服務(wù)器中的某個(gè)線程處理這個(gè)請(qǐng)求時(shí)，將用戶線程標(biāo)識(shí)記^服務(wù)器線程結(jié)構(gòu)中的委托線程域中．在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中增加為委托線程計(jì)時(shí)的代碼。就可將操作系統(tǒng)服務(wù)器為用戶進(jìn)程限務(wù)的時(shí)同計(jì)算到用戶進(jìn)程中． IF(當(dāng)前線程結(jié)構(gòu)中有委托線程) IF(當(dāng)前線程赴于用戶態(tài)) 增加委托線程的用戶態(tài)赴理機(jī)時(shí)間使用量 ELSE 增加委托線程的系統(tǒng)態(tài)處理機(jī)時(shí)間使用量 在多服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)下，一個(gè)用戶請(qǐng)求往往需要多個(gè)服務(wù)器的協(xié)同服務(wù)，如一個(gè)文件讀操作，需要文件服務(wù)器的服務(wù)，如果文件服務(wù)器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存放在磁盤中，它就需要請(qǐng)求設(shè)備服務(wù)器的眼務(wù)，設(shè)備服務(wù)器實(shí)際上是在為用戶線程服務(wù)．因此，在多服務(wù)器情況下，當(dāng)一個(gè)服務(wù)器向另一個(gè)服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，必須將自己的委托線程標(biāo)識(shí)號(hào)傳遞給目標(biāo)服務(wù)器．這樣，操作系統(tǒng)為一個(gè)線程提供所有服務(wù)所使用的處理機(jī)時(shí)間都將計(jì)算到用戶線程中擊．為了完成以上功能，必須對(duì)微內(nèi)核的消息傳遞機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)充，使用戶在請(qǐng)求服務(wù)時(shí)能將線程的標(biāo)識(shí)傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器在接收消息時(shí)能接收到委托線程標(biāo)識(shí)．所有這些操作必須對(duì)用戶透明．微內(nèi)核的消息傳遞機(jī)制由消息發(fā)送和消息接收兩部分組成．通過在這兩個(gè)原語(yǔ)中加入以下邏輯來實(shí)現(xiàn)委托線程標(biāo)識(shí)的發(fā)送和接收． SEND ： IF(當(dāng)前線程結(jié)構(gòu)中有委托線程標(biāo)識(shí)) 將委托線程標(biāo)識(shí)傳遞出去 ELSE 將當(dāng)前線程的標(biāo)識(shí)傳遞出擊 RECEIVE： IF(當(dāng)前線程是服務(wù)器) 將委托線程號(hào)放凡服務(wù)器線程結(jié)構(gòu) 在發(fā)送原語(yǔ)中，可將委托線程標(biāo)識(shí)從一個(gè)服務(wù)器傳遞到另一個(gè)服務(wù)器．在接收邏輯中，通過增加服務(wù)器標(biāo)識(shí)的判斷可以避免非服務(wù)器線程之間的偶發(fā)通訊而導(dǎo)致的用戶線程的計(jì)時(shí)錯(cuò)誤． 4 結(jié)論 微內(nèi)核技術(shù)是當(dāng)今操作系統(tǒng)發(fā)展的最新成果．在體系結(jié)構(gòu)方面，它采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)來描述操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)象，提出并實(shí)現(xiàn)了基于客戶服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)．在算法方面，提出了許多高教新穎的算法，如線程及處理機(jī)調(diào)度算法、寫時(shí)拷貝算法、與硬件無關(guān)的存儲(chǔ)管理算法以及精確計(jì)時(shí)算法等等．在國(guó)產(chǎn)微內(nèi)核操作系統(tǒng)COSIX2．0的研制過程中，通過對(duì)國(guó)外微內(nèi)核技術(shù)的消化和研究，提出并實(shí)現(xiàn)了一些新的算法和模型，改進(jìn)了系統(tǒng)的性能，提高了系統(tǒng)的可靠性，做到了有所繼承，有所刨新目前，我們正在進(jìn)行基于微內(nèi)核的JAVA虛擬機(jī)，支持服務(wù)質(zhì)量(Quality of Services)的調(diào)度系統(tǒng)微內(nèi)核熱重啟(Hot Restart)技術(shù)的研究．以上內(nèi)容是我們一部分研究工作的總結(jié)． |
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