[MIT 6.S081] Lec 18: OS Organization 笔记

2023-10-28 21:14:34

Lec 18: OS Organization

宏内核

Linux, Unix 和 XV6 等传统方式实现的操作系统成为宏内核.

宏内核优点

内核庞大且高度抽象.

可移植性
向应用程序隐藏复杂性
帮助管理资源.
所有内核子系统集成在一个程序中, 数据共享
内核所有代码以完整的硬件权限运行

宏内核缺点

庞大->复杂->容易有 Bug->带来安全问题
通用目的(General-Purpose)->运行变慢
太大而去掉非常复杂的抽象
缺乏可扩展性(Extensibility)

微内核

核心观点

进程间通信(Inter-Process Communication, IPC)
线程或任务
内核只需要支持进程/任务/线程, 以及 IPC 作为信息传递途径

微内核优点(动机)

微内核更小
- 美感(sense of aesthetic), 设计小而专注
- 更安全
- 可验证正确性和安全性
- 程序更易被优化, 运行速度更快
- 更具灵活性
大部分功能和函数位于用户空间
- 代码更模块化
- 更容易定制
- 系统更加健壮
模拟或运行多个操作系统

微内核的挑战

最小化系统调用 API
需要开发一些用户空间服务以支持操作系统
IPC 的性能

L4 微内核

只有 7 个系统调用
- Thread Create: 创建新线程, 若地址空间或任务不存在则会创建任务
- Send/Recv IPC
- Mapping: 映射内存页面到当前任务或其它任务的地址空间
- Dev Access: 特权任务可以将硬件控制寄存器映射到本任务的地址空间中
- 设备中断转换为 IPC 信息. 包括对 Page Fault的处理, 由每个任务关联的 Pager Task 处理
内核进行线程调度和上下文切换.
程序不大
只有任务, 线程, 地址空间, IPC 这些基础的抽象

IPC 性能

传统管道实现

异步传输
需要内核缓冲区存放信息
两个用户进程间通信需要:
4 个相同调用, 2 个 send, 2 个 write
8 次用户空间与内核空间的切换
recv 时需要 sleep 等待数据
用户进程切换时需要至少一次线程调度和上下文切换

L4 fast IPC

同步传输: P1 调用 send 时会等待 P2 调用 recv, 当两个进程都进入内核后, 直接将消息从 P1 拷贝至 P2(相当于 P1 进入内核返回到 P2)
无缓冲(Unbuffered): IPC 过程无需将数据由用户空间拷贝至内核空间
零拷贝(Zero Copy): 当消息极小时, 可以直接在寄存器中传递, 无需拷贝
Page Mapping: 对于极长消息, 可以在 IPC 中携带页面映射, 页面会再次映射到目标任务的地址空间
RPC: 使用 call 系统调用, 结合 send 和 recv 系统调用: 发送消息的同时等待其它任务的请求消息

在 L4 微内核上运行 Linux

L4 作为内核运行在底部, Linux 作为一个服务运行在用户空间(作为一个任务)
每一个 Linux 用户进程又作为一个独立的 L4 任务运行. Linux 进程执行系统调用时会转换为发送到 Linux 任务的 IPC 消息并返回.
L4 只有一个内核线程运行 Linux 内核, 而非每个用户进程对应一个 L4 内核线程. 用户进程的内核线程由 Linux 内核线程实现.
L4 控制用户进程的调度运行
缺点: 缺乏和 Linux 一样复杂的线程调度机制

微内核的影响

有关虚拟内存使用的系统调用. 导致了 mmap 等系统调用合并到 Linux 系统
将操作系统作为一个用户程序运行在另一操作系统之上
Linux 演进出了可加载的内核模块
基于 IPC 的 Client-Server 支持