微內(nèi)核操作系統(tǒng)MINIX3消息機制的研究與改進.pdf

1、微內(nèi)核是與宏內(nèi)核相對應(yīng)的一個概念。由于硬件種類繁多，發(fā)展迅猛，以至于操作系統(tǒng)功能不斷膨脹，導(dǎo)致宏內(nèi)核臃腫不堪。宏內(nèi)核不但包括操作系統(tǒng)最基本的功能如中斷機制、時鐘機制、進程調(diào)度機制和通信機制等，還包括文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、各種各樣的驅(qū)動程序等。其中，驅(qū)動程度又以代碼量大，安全性差而著稱。
　　微內(nèi)核在架構(gòu)上與宏內(nèi)核有很大的差異，僅在內(nèi)核中留下必不可少的東西，而將大量的操作系統(tǒng)服務(wù)作為獨立的進程運行在用戶態(tài)，這些用戶態(tài)的系統(tǒng)服務(wù)與微內(nèi)核

2、共同組成原先宏內(nèi)核所提供的服務(wù)。
　　架構(gòu)上的不同對操作系統(tǒng)的通信機制造成了很大影響，在宏內(nèi)核中，系統(tǒng)服務(wù)處于同一地址空間，通過直接的函數(shù)調(diào)用相互通信，方便便捷，但也正因為如此，一個服務(wù)的崩潰往往對整體操作系統(tǒng)造成較大影響。在微內(nèi)核系統(tǒng)中，用戶態(tài)空間的各個服務(wù)進程需要相互配合以完成一個系統(tǒng)調(diào)用，由于這些進程擁有完全獨立的地址空間，它們需要通過微內(nèi)核提供的消息轉(zhuǎn)發(fā)機制通信。由于消息通信需要特權(quán)級的切換，因此帶來安全性的同時也帶來了大

3、量的系統(tǒng)開銷，而這正是微內(nèi)核系統(tǒng)的命門。
　　MINIX3是一個微內(nèi)核操作系統(tǒng)，其通信機制是典型的微內(nèi)核消息機制。消息通信有兩個特點，首先是無可避免的上下文切換，無論是發(fā)送消息還是接收消息，系統(tǒng)都必然陷入內(nèi)核，以便操作內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，執(zhí)行調(diào)度等；其次是消息的在不同進程空間的復(fù)制。但事實上，通過重新設(shè)計消息通信機制，可以將一部分通信放在用戶態(tài)完成，在提高效率的同時不影響安全性，并且實現(xiàn)消息的零復(fù)制。
　　1.消除不必要的上下

4、文切換
　　消息通信中，是否陷入內(nèi)核，一個決定性因素是是否需要進行進程調(diào)度，通過分析消息通信的具體場景發(fā)現(xiàn)，有些時候并不需要進行進程調(diào)度，也就是并不需要陷入內(nèi)核。在每個進程的用戶態(tài)開辟一段內(nèi)存共享區(qū)，將消息通信相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射到該內(nèi)存區(qū)，在通信主體間共享，便可去除陷入內(nèi)核的麻煩，直接在用戶態(tài)通信。
　　消息通信的主體是所有進程，如果在所有進程之間、在用戶態(tài)共享所有進程的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會有諸多缺點，考慮到系統(tǒng)服務(wù)進程個數(shù)固定，