關(guān)于微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)的分析

張菡

摘 ?要：微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能有效支持多處理機(jī)運(yùn)行，非常適用于分布式系統(tǒng)環(huán)境，本文主要介紹了微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念，重點分析了微內(nèi)核操作系統(tǒng)主要功能、優(yōu)點以及存在的問題。

關(guān)鍵詞：微內(nèi)核;面向?qū)ο?客戶/服務(wù)器;機(jī)制與策略分離

一、微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念

在進(jìn)行現(xiàn)代操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，即使在單計算機(jī)環(huán)境下，大多也采用基于客戶/服務(wù)器模式的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，將操作系統(tǒng)分為兩大部分：微內(nèi)核和多個服務(wù)器。至于什么是微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尚無一致公認(rèn)的定義，但可以從以下四個方面對微內(nèi)核結(jié)構(gòu)OS進(jìn)行描述。

1. 足夠小的內(nèi)核

微內(nèi)核并非是一個完整的OS，而只是將OS中最基本的部分放入微內(nèi)核，通常包含：與硬件處理緊密相關(guān)的部分;一些較基本的功能;客戶和服務(wù)器之間的通信。

2. 基于客戶/服務(wù)器模式

由于客戶/服務(wù)器模式有非常多的優(yōu)點，故在單機(jī)微內(nèi)核OS中無一例外都采用客戶/服務(wù)器模式，將操作系統(tǒng)中最基本的部分放入內(nèi)核中，把操作系統(tǒng)的絕大部分功能都放在微內(nèi)核外面的服務(wù)器中實現(xiàn)。

3. 應(yīng)用“機(jī)制與策略分離”原理

在OS機(jī)構(gòu)設(shè)計中，經(jīng)常利用“機(jī)制與策略分離”原理來構(gòu)造OS結(jié)構(gòu)。機(jī)制處于一個系統(tǒng)的基層，策略處于系統(tǒng)的高層。傳統(tǒng)OS中，將機(jī)制放在OS內(nèi)核的較低層，把策略放在內(nèi)核的較高層次。而在微內(nèi)核OS中，將機(jī)制放在OS的微內(nèi)核中。正因如此，才有可能將內(nèi)核做得很小。

4. 采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)

OS是一個極其復(fù)雜的大型軟件系統(tǒng)，不僅可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計分解OS的復(fù)雜度，還可以基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的 “抽象”和“隱蔽”原則控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，再利用“對象”、“封裝”和“繼承”等確保OS的“正確性”、“可靠性”、“易修改性”等，并提高OS設(shè)計速度。正因為面向?qū)ο蠹夹g(shù)能帶來如此多好處，故面向?qū)ο蠹夹g(shù)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代OS設(shè)計中。

二、微內(nèi)核的基本功能

1.進(jìn)程管理

大多數(shù)的微內(nèi)核OS，對于進(jìn)程管理功能的實現(xiàn)，都采用“機(jī)制與策略分離”原理。對于用戶如何進(jìn)行分類，以及其優(yōu)先級的確認(rèn)方式或原則，都是屬于策略問題?？蓪⑺鼈兎湃胛?nèi)核外的進(jìn)程管理服務(wù)器中。

2.低級存儲器管理

在微內(nèi)核中，只配置最基本的低級存儲器管理機(jī)制，如用于實現(xiàn)將用戶空間的邏輯地址變換為內(nèi)存空間的物理地址的頁表機(jī)制和地址變換機(jī)制，這一部分是依賴于硬件的，因此放入微內(nèi)核。實現(xiàn)虛擬存儲器管理的策略，則包含應(yīng)采取何種頁面置換算法、采用何種內(nèi)存分配與回收策略等，將這部分放在微內(nèi)核外的存儲器管理服務(wù)器中實現(xiàn)。

3.中斷和陷入處理

大多數(shù)微內(nèi)核OS都是將與硬件緊密相關(guān)的一小部分放入微內(nèi)核中處理，此時微內(nèi)核的主要功能是捕獲所發(fā)生的中斷和陷入事件，并進(jìn)行相應(yīng)的前期處理，將有關(guān)事件的信息轉(zhuǎn)換成消息后，把它發(fā)送給相關(guān)服務(wù)器。由于服務(wù)器根據(jù)中斷或陷入的類型調(diào)用相應(yīng)的處理程序來進(jìn)行后期處理。

三、微內(nèi)核OS的優(yōu)點

1.提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。當(dāng)開發(fā)了新的硬件和軟件時，微內(nèi)核OS只需在相應(yīng)的服務(wù)器中增加新的功能或再增加一個專門的服務(wù)器。

2.增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。一方面是由于微內(nèi)核是通過精心設(shè)計和嚴(yán)格測試的，容易保證正確性，另一方面它提供了規(guī)范而精簡的應(yīng)用程序接口，為微內(nèi)核外部的程序編制高質(zhì)量的代碼創(chuàng)造條件。

3.可移植性強(qiáng)。在微內(nèi)核OS中，所有與特定CPU和I/O設(shè)備硬件有關(guān)的代碼，均放在內(nèi)核和內(nèi)核下面的硬件隱藏層中，而OS其他絕大部分均與硬件平臺無關(guān)，因而把OS移植到另一個計算機(jī)硬件平臺上所需的修改比較小的。

4.提供了對分布式系統(tǒng)的支持。只要在分布式系統(tǒng)中賦予所有進(jìn)程和服務(wù)器唯一的標(biāo)識符，在微內(nèi)核中再配置一張系統(tǒng)映射表，在進(jìn)行客戶與服務(wù)器通信時，只需在所發(fā)送的消息中標(biāo)上發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程的標(biāo)識符，微內(nèi)核便可利用系統(tǒng)映射表將消息發(fā)往目標(biāo)。

四、微內(nèi)核OS存在的問題

由于微內(nèi)核OS采用了非常小的內(nèi)核，較之早期OS，微內(nèi)核OS的運(yùn)行效率有所降低，效率降低的主要原因是：在完成一次客戶對OS提出的服務(wù)請求時，需要利用消息實現(xiàn)多次交互和進(jìn)行用戶/內(nèi)核模式與上下文切換。

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