操作系统的设计与实现(笔记5)——minix的结构

探索微内核操作系统的奥秘:《操作系统设计与实现 第3版》 如果你对操作系统充满好奇,或者需要为相关课程和研究寻找一本参考书籍,《操作系统设计与实现 第3版》无疑是一个很好的选择。它不仅能够提供深入的理论知识,还能够帮助你在实践中获得宝贵的经验。探索操作系统的奥秘,从这本书开始。 阅读详情

最底层捕获所有的中断和陷入,完成进程调度,并向高层提供一个采用消息进行通信的独立顺序进程模型。该
层的代码有两大主要功能。第一是捕获陷入和中断、保存和恢复寄存器、调度以及向高层提供一个独立顺序进程模
型。第二是处理消息机制:检查目标进程的合法性、定位物理内存中的发送和接收缓冲区、以及从发送方向接收方
拷贝数据。其中中断处理的最底层部分用汇编语言编写,其余部分和其他层次用C语言编写。
第二层包括I/O进程,每类设备都有一个I/O进程。为了将其与普通用户进程相区别,我们称之为任务(tasks)。
但任务与进程间的差别微乎其微。在许多系统中I/O任务被称作设备驱动程序(device driver)。这里“任务”和“设备
驱动程序”可以换用。每一类设备都需要一个任务,包括磁盘、打印机、终端、网络接口以及时钟。如果有其他I/O
设备,则它们也需要相应的任务。有一个任务 - 系统任务有些与众不同,它不对应于任何I/O设备,我们将在下一
章对这些任务进行讨论。
第二层的所有任务和第一层的代码链接成一个单一的二进制程序,称作核心(kernel)。某些任务共享公共的子
例程,但它们相互之间完全独立,分别进行调度,并采用消息进行通信。从286开始的Intel处理器为每个进程赋予
四种特权级中的一种。尽管任务与核心被编译在一起,但当核心和中断处理程序被执行时,它们被赋予较任务更高
的特权级。所以真正的核心代码可以访问任一部分内存,以及任一处理器寄存器 - 实质上,核心可以使用系统中任
何地方的数据执行任何指令。任务不能执行全部的机器指令,也不能访问所有CPU寄存器或所有的内存。但在为较低
特权级的进程执行I/O时,任务可以访问属于这些进程的内存区域。有一个任务 - 系统任务,它并不执行一般意义
的I/O,其作用提供某些特定服务,例如当进程本身不允许在不同的内存区域间进行拷贝时,由系统任务执行此操作。
当然在不提供多特权级的机器上,例如老式的Intel处理器,无法强制执行这些限制。
第三层包含向用户进程提供有用服务的进程。这些服务器进程在低于核心和任务的特权级上运行,不能直接访
问I/O端口。它们也不能访问属于自己的段以外的内存。内存管理器(Memory Manager - MM)负责执行所有牵涉到
内存管理的系统调用,如FORK、EXEC和BRK。文件系统(File System - FS)负责执行文件系统的调用,READ、MOUNT
和CHDIR。
正如我们在第一章开头所指出的,操作系统做两件事情:管理资源和通过系统调用方式提供扩展的计算机。在
MINIX中,资源管理主要在核心(第1、2层)中,系统调用的解释在第三层。文件系统被设计成一个“服务器”,并几
乎可以不加修改地移到一台远程机器上。这也适用于内存管理器,尽管远程内存管理器不如远程文件系统那样有用。
第三层也可能存在其他的服务器。图2 - 26显示出那里有一个网络服务器。尽管本书中描述的MINIX不包括网络,
但网络的源码却是标准MINIX发布软件的一部分。 系统很容易被重新编译以包括网络。
此处正适于指出尽管服务器是独立的进程,但它们和用户进程有一点不同,即它们在系统启动的同时被启动,
而且在系统活跃期间不会终止。此外,尽管从它们禁用的机器指令来看,它们与用户进程运行在相同的特权级上,
但它们的执行优先级比用户进程高。为了加入一个新的服务器,核心必须重新编译。核心的启动代码在用户进程开
始运行之前将服务器进程安装在进程表的特权表项中。
最后,第四层包含所有的用户进程 - shell、编译器、编辑器以及用户的a.out程序。一个运行系统通常有一些
进程在系统引导时启动,并一直运行,例如,一个精灵程序就是一个周期性运行或总是等待某个事件(例如网络上
一个包的到达)的后台进程。从某种意义上说,精灵进程是一个单独启动而作为一个用户进程运行的服务器。但与
装入特权进程表项的真正的服务器不同,这些程序无法象内存和文件服务器那样受到核心的特殊对待。
 

MINIX中的进程间通信
MINIX提供了三条原语来发送和接收消息,它们均通过C库例程调用。其中
send(dest,&message)
用来向进程dest发送一条消息,
receive(source,&message)
用来从进程source(或任何地方)接收一条消息,
send_rec(src_dst,&message)
用来发送一条消息,并等待同一个进程的应答。以上调用中第二个参数是消息数据的本地地址。核心中的消息
传递机制将消息从发送者拷贝到接收者。应答消息(对于send_rec)将覆盖原先的消息。原则上该核心机制可以替
换为另一套机制以实现分布式系统,即在网络上将消息从一台机器拷贝到另一台机器上。但在实践中这很复杂,因
为有时消息的内容可能是一个指向大型数据结构的指针,于是分布式系统也必须提供网络上数据本身的拷贝功能。
每个进程或任务都可以从/向同层和下一层中的进程或任务发送和接收消息,用户进程不能直接与I/O任务通信,
系统强制地执行这一限制。
当一个进程(作为特例,这里也包括任务)向一个当前未在等待消息的进程发送一条消息时,发送者将阻塞,
直到目标进程执行receive。换言之,MINIX使用会合的方法来避免对已发送而未接收到的消息进行缓冲的问题。尽
管这没有带缓冲的方案灵活,但事实证明对MINIX来说它已经足够了,而且由于不需要缓冲管理,所以简单许多。
 

MINIX 30年经验教训 作者: Andrew S. Tanenbaum,阿姆斯特丹自由大学科学学院计算机科学系名誉教授。 译者:孙薇 责编:钱曙光 本文为《程序员》文章,未经允许不得转载,更多精彩文章请订阅2016年《程序员》 Linux已经为众人所熟知,而它的直接始源——MINIX到现在也有30年历史了,如此高龄的软件却还依旧充满生机。MINIX的故事,以及它和Linux的出现历史流传并不广泛... 阅读详情

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