Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核問題的探討

段文超

摘要：Linux操作系統(tǒng)具有其他操作系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢，但是，在系統(tǒng)內(nèi)核方面還存在一定的不足，其中包括系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度算法問題和系統(tǒng)內(nèi)核中基于優(yōu)先級的可搶占式調(diào)度策略問題。針對這兩個問題，該文提出了一些個人的建議。

關(guān)鍵詞：Linux操作系統(tǒng)；內(nèi)核；調(diào)度

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0071-02

Linux操作系統(tǒng)在某些因素上面優(yōu)越于其他的操作系統(tǒng)，例如Linux操作系統(tǒng)能夠被免費試用。這些都給了用戶很大的便利性，同時，也為賦予了自身很大的提升空間。為了能夠?qū)inux操作系統(tǒng)內(nèi)核問題有一個清晰的了解，本文主要是以黃義文的《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核裁剪的分析》和楊瑞的《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析與研究》為基礎(chǔ)，在兩篇文獻當中，都對Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核問題進行了探討，下邊將以此為基礎(chǔ)，本文將會對Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核問題做一些探討。

根據(jù)兩篇文獻來看，在這個操作系統(tǒng)當中，其最為核心的部分其實就是內(nèi)核部分，從Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核構(gòu)成來看，主要是包括CPU、網(wǎng)絡(luò)通信、文件系統(tǒng)等多個部分的內(nèi)容。Linux操作系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)，而且，所有子系統(tǒng)的運作，都與Linux操作系統(tǒng)中的內(nèi)核有一定的聯(lián)系。因此，內(nèi)核是整個Linux操作系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的組成部分。Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核與其他的微內(nèi)核系統(tǒng)有著很多的差異性，用戶服務(wù)是微內(nèi)核最為關(guān)注的內(nèi)容，用戶服務(wù)要求內(nèi)核能夠提供更加簡潔和更高頻率的服務(wù)，但是，這些服務(wù)的完成都需要微內(nèi)核的支持。在Linux操作系統(tǒng)不斷發(fā)展的情況下，微內(nèi)核也隨之不斷地發(fā)展，從實際效果來看，Linux操作系統(tǒng)得到了不斷地完善，在這樣的情況下，微內(nèi)核的應(yīng)用效率得到了有效的提升。另外，Linux操作系統(tǒng)易于移植是其一個重要的特性，將Linux操作系統(tǒng)進行不同的內(nèi)核編譯，然后其就能夠被用于各類系統(tǒng)當中，而且能夠正常的運行。

目前來講，Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核主要有四個部分的內(nèi)容：1）用戶應(yīng)用程序。這是Linux操作系統(tǒng)當中所有軟件的一種集合。2）系統(tǒng)調(diào)用庫，這是用戶應(yīng)用程序能夠?qū)崿F(xiàn)的唯一途徑。3）Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核。內(nèi)核是一個系統(tǒng)的核心，主要是對硬件資源的訪問，在系統(tǒng)啟動并且運行的時候，可以對磁盤和內(nèi)存中的文件進行有效的處理；4）硬件。這主要是指系統(tǒng)當中的物理設(shè)備。Linux操作系統(tǒng)能否被正常的運行，其實與系統(tǒng)本身有著重要的聯(lián)系，而內(nèi)核的擴展，系統(tǒng)調(diào)用接口的擴展等都是系統(tǒng)內(nèi)核生存的重要內(nèi)容。

從分析研究來看，Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核有這個幾個方面的優(yōu)勢：1）搶占內(nèi)核；2）能夠更加有效的調(diào)度程序，在Linux2.6版本當中，就采用了O（1）算法，能夠滿足在高負荷工作條件下完成程序的調(diào)度。3）同步原型與共享內(nèi)存。Linux系統(tǒng)內(nèi)核采用互斥方法來實現(xiàn)資源任務(wù)的針對性，線程在繼續(xù)執(zhí)行時，就會丟掉消耗時間的系統(tǒng)程序調(diào)用。

針對Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度算法問題，在Linux2.6版當中，其采用了O（1）調(diào)度器，其的目的是為了能夠提高Linux內(nèi)核的實時性能，并且擴展CPU處理器的并行性。從實際的效果來看，保留了2.4版本中的給予優(yōu)先級的調(diào)度、調(diào)度的公平性等優(yōu)點，而且還呈現(xiàn)出很多其他優(yōu)點：提高了SMP可擴展性、提高了SMP親和度、優(yōu)化計算密集型的批處理任務(wù)調(diào)度等。不過從實際的應(yīng)用情況來看，其還存在著一定的問題。在Linux操作系統(tǒng)系統(tǒng)當中，其會將進程自動劃分為進程和普通進程兩類，然后通過多級輪轉(zhuǎn)調(diào)度的算法，按照優(yōu)先級的方式，逐步的實現(xiàn)這些進程的運行。Linux的優(yōu)先級分配根據(jù)的是進程的價值，而不是進程的響應(yīng)最終期限和資源占用時間，根本不能滿足實時任務(wù)的要求。在本文的研究中，認為內(nèi)核的調(diào)度算法是綜合考慮最終期限、任務(wù)頻率等在內(nèi)的一種調(diào)度算法，其能夠提升Linux內(nèi)核的實用性。在算法應(yīng)用方面，可以以EDF算法作為基礎(chǔ)，其中最重要的一個環(huán)節(jié)是在相同優(yōu)先級的進程當中，建立散列表，在這個表當中，可以根據(jù)程序的應(yīng)用頻率，做一個降序處理，在整個散列表當中，那些在第一位的進程，就是系統(tǒng)當中所有程序應(yīng)用頻率最高的程序，因此，在就要求在優(yōu)先級層面，應(yīng)當建立更多的進程。另外，在對這些優(yōu)先級的程序做出處理的時候，首先就是查看是否存在這些進程，然后再根據(jù)散列表中的進程排序進行實時的調(diào)度。

針對Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中基于優(yōu)先級的可搶占式調(diào)度策略問題，在實際應(yīng)用的調(diào)度過程中，有時可能會出現(xiàn)一種比較奇怪的情況：由于所有程序共用所有的資源，那些高優(yōu)先級的任務(wù)可能會被低優(yōu)先級的任務(wù)堵塞，反而讓中優(yōu)先級任務(wù)在高優(yōu)先級任務(wù)之前得到執(zhí)行，從而導(dǎo)致許多嚴重后果。這通常被稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。在新的Linux的內(nèi)核設(shè)計當中，并沒有采用可搶占實時調(diào)度，因此，這并不能夠?qū)?yōu)先級反轉(zhuǎn)問題進行解決，針對這個問題，可以通過優(yōu)先級繼承策略來進行解決。優(yōu)先級繼承的理念是：當優(yōu)先級任務(wù)堵塞了另一個高優(yōu)先級任務(wù)的情況下，其能夠忽略自身的優(yōu)先級，并且使其他的高優(yōu)先級任務(wù)能夠被執(zhí)行，這樣就能夠?qū)⒃撊蝿?wù)所占據(jù)的資源釋放出來。另外，在Linux操作系統(tǒng)的源代碼當中，也應(yīng)當做相應(yīng)的修改，新增加的一個鏈表結(jié)構(gòu)，保存所有對該資源表成功上鎖的進程指針和進程原有的優(yōu)先級，同時增加一項一記錄，用來記錄當前對資源表上鎖的進程的最高優(yōu)先級。當一個進程對資源表進行上鎖的時候，那么這個進程的指針以及原有的優(yōu)先級就應(yīng)當被保存在資源表的上鎖程序當中，如果這個進程的優(yōu)先級高于資源表中所保存的最高優(yōu)先級，那么就要更新進程記錄。當進程申請一個資源表不成功的時候，如果該進程優(yōu)先級大于資源表的最高優(yōu)先級，則修改所有對該資源表進行上鎖操作的進程的優(yōu)先級，使它們等于該進程的優(yōu)先級，同時更新資源表最高優(yōu)先級記錄，然后將進程插入到資源表的等待隊列，如果不大于，則直接將進程插入到資源表的等待隊列。當進程釋放一個資源表時，若該進程的優(yōu)先級小于或等于資源表記錄的最高優(yōu)先級，則用在該資源表中保存的該進程的原有優(yōu)先級恢復(fù)其優(yōu)先級，否則不需要恢復(fù)進程的優(yōu)先級。

綜上所述，在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的實際工作當中，雖然其本身具有很多的優(yōu)勢，但是，仍然存在很多的問題，其中最為典型的問題就是實時調(diào)度算法問題以及優(yōu)先反轉(zhuǎn)問題，針對這兩個問題，本文提出了一些解決對策，這對于Linux系統(tǒng)內(nèi)核的進一步改善有著重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1] 黃義文.Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核裁剪的分析[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2010（3）.

[2] 楊瑞.Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析與研究[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2015（1）.