關(guān)于服務(wù)體模型與操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)技術(shù)的研究

操作系統(tǒng)通常分為微內(nèi)核和宏內(nèi)核，現(xiàn)代操作系統(tǒng)的研究非常熱烈，綜合利用宏內(nèi)核和微內(nèi)核優(yōu)勢，根據(jù)不同的應(yīng)用和設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，本文介紹了一種新的操作系統(tǒng)構(gòu)造模型：服務(wù)體模型。
1、服務(wù)體模型基本涵義
服務(wù)體模型將系統(tǒng)抽象為服務(wù)體和執(zhí)行流兩個(gè)概念，其基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示，操作系統(tǒng)的功能部件包括內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。其中，核心服務(wù)體提供服務(wù)和執(zhí)行流程管理和溝通機(jī)制等基本服務(wù)，所以是核心部分。
執(zhí)行流代表CPU對機(jī)器碼執(zhí)行的抽象，系統(tǒng)中的CPU提供一個(gè)執(zhí)行，若系統(tǒng)采用超線程技則每個(gè)CPU可以提供多個(gè)執(zhí)行流，由于執(zhí)行流不與固定的存儲(chǔ)空間綁定，從而可直接跨越系統(tǒng)組件推動(dòng)服務(wù)體完成服務(wù)而不必使用其他的線程，因此執(zhí)行流是比線程更加基本的概念。
服務(wù)器通過小通信端口，包括消息處理例程的入口以及優(yōu)先級運(yùn)行棧使用的地址空間，設(shè)置好處理器的特權(quán)級和其他信息執(zhí)行流程，只有根據(jù)記錄的信息資源并從接口進(jìn)入服務(wù)器，核心服務(wù)器管理設(shè)備，每個(gè)服務(wù)有1-3個(gè)插座：鏈接異常命令廣播，用戶應(yīng)首先與服務(wù)器建立連接，核心服務(wù)器提供一個(gè)連接的命令來完成這個(gè)功能，如果核心服務(wù)器發(fā)生錯(cuò)誤，錯(cuò)誤源服務(wù)器通過訂閱服務(wù)的按需加載。
服務(wù)體主要依靠執(zhí)行流的推動(dòng)來處理消息，這種推動(dòng)有2個(gè)來源：1.來自核心服務(wù)體。服務(wù)體可把自己的小端口注冊到核心服務(wù)體中以申請執(zhí)行流，也可根據(jù)系統(tǒng)的配置情況，同時(shí)申請向服務(wù)體中心申請多個(gè)執(zhí)行流以便利用多處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)加速處理，2.來自其他服務(wù)體。當(dāng)服務(wù)體A向B通信時(shí)，將消息從A的地址空間中推入B的地址空間中，就是把執(zhí)行流推入服務(wù)體B以完成消息處理。
2、服務(wù)體模型實(shí)現(xiàn)內(nèi)核模型的統(tǒng)一
服務(wù)體模型蘊(yùn)含了微內(nèi)核、宏內(nèi)核模型的優(yōu)點(diǎn)，從而使操作系統(tǒng)在可擴(kuò)展性、處理效率等方面更為靈活，本文通過論述怎樣將服務(wù)體模型演變?yōu)閱渭兊暮晡?nèi)核、內(nèi)核模型模型，以說明服務(wù)體模型的本源性。
系統(tǒng)的所有組件服務(wù)只使用基本的空間，其數(shù)據(jù)、代碼、均存在于基本空間，基本空間對應(yīng)的宏內(nèi)核在內(nèi)核空間，由于基本空間是共享的，執(zhí)行流程和宏內(nèi)核模式不需要空間開關(guān)，如果系統(tǒng)的所有服務(wù)都使用信息內(nèi)存管理機(jī)制，服務(wù)模型及退化為宏內(nèi)核模式。但由于模型的運(yùn)用新聞促進(jìn)交流，所以是一個(gè)模塊化，可擴(kuò)展的分布式計(jì)算支持等方面均優(yōu)于宏內(nèi)核系統(tǒng)。延遲型的消息處理方法不使用客戶服務(wù)體的執(zhí)行流處理，它只是把消息掛在等待隊(duì)列上，然后使客戶服務(wù)體的執(zhí)行流進(jìn)入休眠狀態(tài)，在這個(gè)過程中等待其他執(zhí)行流處理，當(dāng)消息處理完畢后喚醒休眠中的消息請求執(zhí)行流，其過程如圖：
從邏輯上看，核心服務(wù)體對應(yīng)的是微內(nèi)核模型的核心，服務(wù)數(shù)據(jù)可以通過內(nèi)存映射和共享，從而避免內(nèi)存拷貝。在這種模式下，進(jìn)入微內(nèi)核模式，執(zhí)行流程地址空間交換核心服務(wù)。執(zhí)行流程的核心層，進(jìn)入用戶服務(wù)機(jī)構(gòu)等級的用戶，當(dāng)執(zhí)行從用戶模式的服務(wù)時(shí)再次回到了核心狀態(tài)。
3、實(shí)例研究：MiniCoreV3
我們依據(jù)上述的服務(wù)體模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)操作系統(tǒng)原型MiniCoreV3，在可擴(kuò)展、計(jì)算能力、可剪裁可配置和可靠性等方面結(jié)合了宏內(nèi)核、微內(nèi)核模型的優(yōu)點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)技術(shù)如下：(1)從整體結(jié)構(gòu)上考慮，將不同的功能模塊組織成各服務(wù)體，對于那些使用頻繁、傳輸大量數(shù)據(jù)并且對系統(tǒng)效率影響大的組件（如圖形管理器等）都采用以上所述的技術(shù)，目的是減少內(nèi)存拷貝和上下文切換的開銷，而非關(guān)鍵硬件驅(qū)動(dòng)程序、安全策略等需要靈活定制的部分則使用隔離的地址空間以提高系統(tǒng)可靠性。(2)使用用戶態(tài)、內(nèi)核態(tài)混合的服務(wù)體，實(shí)現(xiàn)胖微內(nèi)核模型、瘦微內(nèi)核模型的融合，以兼顧系統(tǒng)的運(yùn)行效率、靈活性、健壯性。(3)對于那些數(shù)據(jù)交換量大并且要求開銷小的系統(tǒng)組件(例如cache管理器)則根據(jù)需要交替地使用立即型或延遲型消息處理模式。
當(dāng)前PC操作系統(tǒng)體系內(nèi)核設(shè)計(jì)的研究方向之一是融合宏內(nèi)核模型、微內(nèi)核模型兩者的優(yōu)點(diǎn)而力求避免其缺點(diǎn)，本文中描述了我們所提出的一種新的內(nèi)核設(shè)計(jì)方法：服務(wù)體模型，并重點(diǎn)介紹了如何利用它來融合微內(nèi)核模型和宏內(nèi)核模型，最終使操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)能勻滑地介于這兩種內(nèi)核模式之間。