微内核进程间通信的研究

摘要

微内核是一种只提供最基本的机制与抽象的操作系统内核。其设计思想就是在不影响操作系统的安全性与稳定性的前提之下，尽可能地将内核功能移到用户态以服务线程的方式来实现，而内核本身只实现系统必需的几个部分，比如地址空间、线程管理和进程间通信。这种设计的好处就是，内核的体积大大减小，用户态的服务线程提高了系统的灵活性和安全性。
　　 微内核在设计之初并没有关注性能问题，这导致了第一代微内核在性能上广遭诟病。高度模块化的设计使微内核对进程间通信的依赖度极高，因而进程间通信的性能直接影响到微内核的性能。虽然过去十多年间微内核进程间通信的性能有了很大提高，但在某些处理器下依然显得太慢，从而限制了微内核的进一步发展。
　　 本文在深入研究已有的提高微内核进程间通信的各种策略的基础之上，针对L4Ka：：Pistachio微内核，设计并实现了一种相同地址空间条件之下快速进程间通信的方法。本方法让满足特定条件的进程间通信不经过内核而完全在用户态进行，从而避免了进出内核带来的大量性能开销。测试表明，在较小影响一般进程间通信的前提之下，其能大幅提高相同地址空间条件之下进程间通信的性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.2.1微内核进程间通信研究现状

1.2.2存在的问题

1.3研究内容

1.4本文组织结构

1.5本章小结

第2章 微内核技术研究

2.1微内核概念

2.2微内核发展历程

2.2.1第一代微内核

2.2.2第二代微内核

2.2.3第三代微内核

2.3 L4微内核研究

2.3.1线程管理

2.3.2地址空间管理

2.3.3进程间通信管理

2.4本章小结

第3章 微内核进程间通信的研究

3.1进程间通信一般过程

3.2进程间通信与调度

3.2.1直接进程切换

3.2.2懒惰调度

3.3 L4各类型IPC的实现

3.3.1短IPC的实现

3.3.2长IPC的实现

3.3.3字符串型IPC的实现

3.4本章小结

第4章 基于L4微内核的进程间通信的优化设计

4.1用户态进程间通信的提出

4.2用户态进程间通信设计思路

4.2.1原子性问题的解决

4.2.2内核数据访问

4.2.3一致性检测及状态同步

4.2.4状态不一致的深层次问题

4.2.5浮点寄存器的同步

4.3本章小结

第5章 基于L4微内核的进程间通信的优化实现

5.1优化实现的限制

5.2相关的数据结构及改动

5.3对普通IPC操作流程的修改

5.4添加用户态IPC

5.4.1对UIPC应用场景的限制

5.4.2 UIPC的应用程序二进制接口

5.4.3 UIPC的应用程序编程接口

5.4.4 UIPC的操作流程

5.5对内核中断处理函数的修改

5.5.1中断帧修复

5.5.2中断处理函数

5.6本章小结

第6章 性能测试

6.1时间测量方法

6.2进程间通信测试方法

6.3测试过程

6.3.1测试环境

6.3.2测试结果

6.4本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢