林玉哲, 蔣金虎, 張為華

1(復(fù)旦大學(xué) 軟件學(xué)院, 上海 200438)

2(復(fù)旦大學(xué) 上海市數(shù)據(jù)科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200438)

1 引言

操作系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用越來越廣泛, 其發(fā)展主要面對(duì)著來自兩方面的壓力: 一是多樣化的硬件,二是復(fù)雜多樣的上層應(yīng)用. 操作系統(tǒng), 對(duì)上, 需要能為不同的應(yīng)用提供相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)服務(wù), 對(duì)下, 需要能夠支持各種硬件, 發(fā)揮出它們的性能, 這些都給操作系統(tǒng)的擴(kuò)展性, 靈活性, 性能提出了不同程度的挑戰(zhàn). 從擴(kuò)展性的角度來說, 操作系統(tǒng)需要能夠支持不同種類的物理核心, 從靈活性的角度來說, 操作系統(tǒng)需要能夠針對(duì)不同的應(yīng)用提供合適的系統(tǒng)服務(wù), 從性能角度說, 操作系統(tǒng)的性能直接影響到用戶的使用, 因此操作系統(tǒng)必須在保證一定程度性能的前提下完成各種功能.

針對(duì)這些問題, 多內(nèi)核(multikernel)操作系統(tǒng)是一種可行的設(shè)計(jì)理念. 多內(nèi)核操作系統(tǒng)是一種在底層硬件上運(yùn)行多個(gè)內(nèi)核, 每個(gè)內(nèi)核(kernel)各自維護(hù)一組內(nèi)核數(shù)據(jù)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案. 在諸如Linux 等單內(nèi)核操作系統(tǒng)中, 盡管每個(gè)核心(core)都運(yùn)行自己的執(zhí)行流, 但是它們操作的是同一組內(nèi)核數(shù)據(jù), 因此稱之為單內(nèi)核. 相較而言, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)則是分布式地運(yùn)行了多個(gè)內(nèi)核, 機(jī)器中的一部分核心運(yùn)行其中一個(gè)內(nèi)核, 維護(hù)該內(nèi)核的內(nèi)核數(shù)據(jù). 內(nèi)核之間不直接共享內(nèi)核數(shù)據(jù),而是通過其他的方式進(jìn)行必要的同步.

多內(nèi)核操作系統(tǒng)相比一般的單內(nèi)核操作系統(tǒng)有著諸多的優(yōu)勢(shì). 首先, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)可以為不同的核心選擇不同的內(nèi)核, 所以可以更容易地針對(duì)不同體系結(jié)構(gòu)的核心進(jìn)行擴(kuò)展. 其次, 在特定的場(chǎng)景下, 分布式的設(shè)計(jì)也可以作為虛擬機(jī)的代替方案, 將整組機(jī)器中某一個(gè)核心, 分配給一個(gè)新的內(nèi)核, 作為一個(gè)單獨(dú)的操作系統(tǒng)或客戶機(jī)進(jìn)行使用. 最后, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)中內(nèi)核之間盡量少地保留共享數(shù)據(jù), 因此避免了在多核心之間進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)同步, 避免了復(fù)雜的鎖的設(shè)計(jì), 在特定的情況下可以獲得更高的性能.

與此同時(shí), 多內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也存在諸多的策略與考慮. 其中包括, 設(shè)計(jì)多內(nèi)核操作系統(tǒng)的整體架構(gòu), 界定和規(guī)范一個(gè)內(nèi)核中的數(shù)據(jù), 配置每個(gè)內(nèi)核所負(fù)責(zé)的物理資源, 設(shè)計(jì)內(nèi)核與內(nèi)核之間必要的通信與同步規(guī)則, 以及對(duì)新的硬件設(shè)備進(jìn)行熱啟動(dòng)和支持.

本文接下來首先對(duì)多內(nèi)核操作系統(tǒng)進(jìn)行介紹, 說明其出現(xiàn)的背景與應(yīng)用場(chǎng)景. 然后介紹多內(nèi)核操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的考慮和難點(diǎn). 接著, 本文將對(duì)現(xiàn)有的多內(nèi)核操作系統(tǒng)進(jìn)行分析. 而后對(duì)多內(nèi)核操作系統(tǒng)與相關(guān)技術(shù)進(jìn)行比對(duì)分析其優(yōu)劣所在. 最后對(duì)多內(nèi)核操作系統(tǒng)的研究和未來做總結(jié).

2 研究背景與介紹

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)發(fā)展飛速, 多核以及異構(gòu)架構(gòu)的硬件日新月異. 相對(duì)地, 其上運(yùn)行的軟件卻很難完美地跟上硬件更新的速度. 因此軟件設(shè)計(jì)中適配性和可擴(kuò)展性是十分重要的. 操作系統(tǒng)作為軟件極為重要的一環(huán)也是如此. 操作系統(tǒng)的更新與擴(kuò)展主要面臨來自于兩方面的壓力: 越來越復(fù)雜的硬件與越來越復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景.

從硬件的角度來說, 多核/眾核體系結(jié)構(gòu)逐漸流行起來, 隨著核心數(shù)目的增加, 操作系統(tǒng)中核心間數(shù)據(jù)同步的問題也越來越嚴(yán)重. 由于不同核心共同維護(hù)同一組內(nèi)核數(shù)據(jù), 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者往往需要利用鎖等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步與保護(hù), 這往往會(huì)帶來很高的性能開銷. 除了多核/眾核架構(gòu)下數(shù)據(jù)同步的問題, 硬件的多樣性也會(huì)增加操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的難度. 在不同的硬件上, 不同配置或設(shè)計(jì)策略的內(nèi)核會(huì)產(chǎn)生不同的性能. 例如, 在一些ARM 架構(gòu)[1]的硬件上, 同時(shí)存在多種不同性能的核心. 針對(duì)這些核心的不同, 在調(diào)度算法上面,設(shè)計(jì)者會(huì)傾向于讓計(jì)算能力更強(qiáng)的核心來負(fù)載需求高性能的任務(wù), 而讓計(jì)算能力稍弱的核心負(fù)責(zé)一些輕量型的任務(wù). 對(duì)于一般的操作系統(tǒng)來說, 為了達(dá)到這樣的目的, 需要在自身的代碼里對(duì)各種硬件進(jìn)行判斷, 這樣會(huì)增加內(nèi)核的復(fù)雜度, 使內(nèi)核的擴(kuò)展越來越復(fù)雜.

從應(yīng)用場(chǎng)景的角度來說, 不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要操作系統(tǒng)提供不同程度的系統(tǒng)服務(wù). 如, 一些實(shí)時(shí)性任務(wù)會(huì)要求對(duì)任務(wù)時(shí)間進(jìn)行精確的控制, 這要求操作系統(tǒng)不但能夠支持普通的應(yīng)用, 同時(shí)還需要為這些實(shí)時(shí)性任務(wù)提供更加高效且實(shí)時(shí)性的服務(wù). 再比如, 數(shù)據(jù)中心廠商需要將眾多硬件以不同的方式分配給不同的用戶,這就需要服務(wù)器的操作系統(tǒng)或管理系統(tǒng)能夠利用諸如虛擬化等技術(shù)為不同的用戶提供不同操作系統(tǒng)的客戶虛擬機(jī).

多內(nèi)核操作系統(tǒng)的研究從某種角度上來說就是為了更好地解決以上這些問題. 多內(nèi)核操作系統(tǒng)一般應(yīng)用于多核/眾核的硬件系統(tǒng). 一般的單內(nèi)核操作系統(tǒng), 所有核心上的執(zhí)行流維護(hù)的都是同一組內(nèi)核的數(shù)據(jù). 為了正確地維護(hù)這些數(shù)據(jù), 以及并行執(zhí)行某些系統(tǒng)服務(wù),會(huì)利用鎖等機(jī)制來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步, 這種同步會(huì)帶來額外的性能開銷. 另外, 面對(duì)不同物理硬件, 單內(nèi)核操作系統(tǒng)雖然可以針對(duì)不同的核心進(jìn)行專門的優(yōu)化, 但隨著硬件種類的增多, 系統(tǒng)會(huì)變得越來越臃腫. 相較而言, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)允許在一組機(jī)器中運(yùn)行多個(gè)內(nèi)核,選擇其中的某一個(gè)或某幾個(gè)核心作為一組來運(yùn)行一個(gè)特定的內(nèi)核, 維護(hù)一組特定的內(nèi)核數(shù)據(jù), 而其他的核心以類似的方式負(fù)責(zé)另外的幾個(gè)內(nèi)核, 維護(hù)另外幾組內(nèi)核的內(nèi)核數(shù)據(jù). 在這樣一種分布式的設(shè)計(jì)中, 由于每個(gè)內(nèi)核是各自獨(dú)立的, 因此可以大大減少不同內(nèi)核間數(shù)據(jù)的同步, 并且可以為不同硬件上的內(nèi)核專門準(zhǔn)備獨(dú)有的策略, 在進(jìn)行擴(kuò)展的時(shí)候也不會(huì)影響到其他內(nèi)核的內(nèi)部邏輯. 因此多內(nèi)核操作系統(tǒng)擁有相比單內(nèi)核操作系統(tǒng)更好的擴(kuò)展性.

除擴(kuò)展性以外, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)在應(yīng)用上也具有很高的靈活性. 多內(nèi)核操作系統(tǒng)可以作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一種解決方案, 諸如RT Linux[2-5], Xenomai[6,7]等操作系統(tǒng)選擇一種近似于多內(nèi)核操作系統(tǒng)的雙內(nèi)核模式, 一個(gè)Linux 內(nèi)核用于一般的任務(wù), 一個(gè)實(shí)時(shí)性內(nèi)核用于實(shí)時(shí)性任務(wù). 除了用于實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng), 多內(nèi)核操作系統(tǒng)也可以作為虛擬化技術(shù)的一種替代方案. 虛擬化技術(shù)[8-13]是一類利用硬件或軟件模擬計(jì)算機(jī) 硬件系統(tǒng)的技術(shù), 用戶可以將其模擬的硬件系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的機(jī)器進(jìn)行使用. 相對(duì)的, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)中的一個(gè)內(nèi)核由于具有較高的獨(dú)立性, 因此也可以被客戶視為一個(gè)單獨(dú)的機(jī)器. 相比于虛擬化技術(shù), 多內(nèi)核操作系統(tǒng)中用戶的內(nèi)核直接運(yùn)行在真實(shí)存在的硬件上, 而不是模擬出的硬件環(huán)境上, 并且多內(nèi)核操作系統(tǒng)也避免了虛擬化技術(shù)中必要的中間層的設(shè)計(jì), 減少了整體性能的損耗. 多內(nèi)核操作系統(tǒng)在啟動(dòng), 遷移和更新上也擁有很大的靈活性. 經(jīng)過設(shè)計(jì)的多內(nèi)核操作系統(tǒng)允許內(nèi)核進(jìn)行動(dòng)態(tài)啟動(dòng), 遷移和更新. 系統(tǒng)可以選擇在不影響其他核心的前提下將一個(gè)核心上的內(nèi)核遷移到新的核心上, 可以選擇將空余核心分配給一個(gè)新的內(nèi)核, 也可以對(duì)其上運(yùn)行的內(nèi)核進(jìn)行更新. 在某個(gè)內(nèi)核出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候, 可以避免影響到其他的內(nèi)核而只對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的內(nèi)核進(jìn)行重啟或替換的操作.

除了靈活性和擴(kuò)展性, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)的不同也可以增加整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的性能. 在單內(nèi)核系統(tǒng)中, 因?yàn)橐⑿刑幚硗唤M內(nèi)核數(shù)據(jù), 往往會(huì)涉及到數(shù)據(jù)的同步問題. 一般來說, 由于存儲(chǔ)層次的不同, 核心之間, 共享緩存層次越高, 數(shù)據(jù)同步代價(jià)就越小, 而共享緩存層次較低甚至只能直接通過內(nèi)存進(jìn)行同步數(shù)據(jù)的兩個(gè)核心, 數(shù)據(jù)同步開銷的代價(jià)就很大. 多內(nèi)核操作系統(tǒng)可以選擇讓擁有更高層次共享緩存的核心負(fù)責(zé)處理一個(gè)內(nèi)核, 擁有較低甚至沒有共享緩存的核心負(fù)責(zé)不同的內(nèi)核, 通過這樣的方式, 就可以盡量減少受緩存一致性影響較大的核心之間的交互, 從而規(guī)避開銷過大的數(shù)據(jù)同步.

3 多內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到諸多方面, 接下來本文會(huì)從幾個(gè)方面討論多內(nèi)核操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的考慮和策略. 多內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括幾個(gè)方面, 首先,設(shè)計(jì)與規(guī)劃每一個(gè)內(nèi)核的數(shù)據(jù), 其次, 確定物理硬件的資源分配與管理的方式, 接著, 考慮不同內(nèi)核上的核心之間, 同一個(gè)內(nèi)核上的核心之間, 以及運(yùn)行在這些核心之上的用戶線程應(yīng)當(dāng)以什么樣的方式進(jìn)行通信, 最后應(yīng)當(dāng)討論內(nèi)核的熱啟動(dòng), 遷移, 和更新.

3.1 內(nèi)核數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)

單內(nèi)核操作系統(tǒng)和多內(nèi)核操作系統(tǒng), 一個(gè)很重要的區(qū)別在于運(yùn)行在核心上的各個(gè)執(zhí)行流, 處理和維護(hù)的是否是同一組內(nèi)核數(shù)據(jù). 內(nèi)核的數(shù)據(jù)一般包括核心的數(shù)據(jù)流自身運(yùn)行需要的數(shù)據(jù), 如每個(gè)核心擁有的棧,用于維護(hù)整個(gè)內(nèi)核運(yùn)行或?yàn)橛脩籼峁┓?wù)的數(shù)據(jù), 如頁表, 文件表等. 單內(nèi)核操作系統(tǒng)的內(nèi)核數(shù)據(jù)只有一組,而多內(nèi)核操作系統(tǒng)則是其中的每一個(gè)內(nèi)核都單獨(dú)維護(hù)一組數(shù)據(jù). 盡管如此, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)中一個(gè)內(nèi)核維護(hù)的內(nèi)核數(shù)據(jù)與單內(nèi)核操作系統(tǒng)維護(hù)的數(shù)據(jù)沒有什么本質(zhì)上的不同. 圖1 和圖2 分別展示了單內(nèi)核操作系統(tǒng)和多內(nèi)核系統(tǒng)在物理硬件, 內(nèi)核數(shù)據(jù)以及其上運(yùn)行的應(yīng)用的結(jié)構(gòu). 在單內(nèi)核操作系統(tǒng)中, 所有物理核心維護(hù)同一組內(nèi)核數(shù)據(jù), 這些核心的執(zhí)行流為同一個(gè)內(nèi)核服務(wù), 這個(gè)內(nèi)核則利用這唯一的一組內(nèi)核數(shù)據(jù)為其上運(yùn)行的不同線程服務(wù). 在多內(nèi)核系統(tǒng)中, 核心被分成多個(gè)組, 每個(gè)組的核心維護(hù)一組內(nèi)核數(shù)據(jù), 形成一個(gè)內(nèi)核,這個(gè)內(nèi)核為其上運(yùn)行的線程提供服務(wù). 不同組之間, 內(nèi)核之間或其上運(yùn)行的線程之間, 使用額外的設(shè)計(jì)來保證互相之間能夠進(jìn)行一定程度的通信.

圖1 單內(nèi)核操作系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 多內(nèi)核操作系統(tǒng)架構(gòu)

一般來說, 不論是單內(nèi)核操作系統(tǒng)亦或是多內(nèi)核操作系統(tǒng), 在其中的一個(gè)內(nèi)核中, 各個(gè)核心上執(zhí)行流使用同一個(gè)內(nèi)核頁表, 擁有同一個(gè)地址空間, 因此也維護(hù)同一組內(nèi)核數(shù)據(jù). 在面對(duì)自然而然會(huì)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)同步問題時(shí), 內(nèi)核會(huì)使用鎖來進(jìn)行保護(hù), 對(duì)這方面的優(yōu)化有很多, 包括但不局限于對(duì)于各種鎖的使用以及將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的分布式處理[14]. 但是總體上來說, 各個(gè)核心維護(hù)的依然是同一組數(shù)據(jù). 這樣做的結(jié)果, 就是在一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行的用戶態(tài)的程序, 他們所能夠看到的內(nèi)核狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是一致的.

盡管多內(nèi)核操作系統(tǒng)上不同內(nèi)核在使用時(shí)可以被用戶視為完全獨(dú)立, 互不影響. 但是多內(nèi)核操作系統(tǒng)依然要保障不同內(nèi)核之間通信的功能. 首先, 幾個(gè)內(nèi)核很可能要共同使用同一組硬件, 諸如內(nèi)存, 中斷等, 那么它們之間就必須有某種程度上的同步, 使得他們能夠共同使用這些硬件或是對(duì)這些硬件的使用權(quán)利進(jìn)行協(xié)商. 一般的處理方案是, 維護(hù)一組專門的數(shù)據(jù), 然后設(shè)計(jì)專門的通信方案來進(jìn)行同步和更新. 例如, 可以選擇每個(gè)內(nèi)核保存一個(gè)副本, 然后通過設(shè)計(jì)一個(gè)共享的消息管道來進(jìn)行同步, 或是選擇將數(shù)據(jù)保存在一個(gè)共享的空間, 然后通過鎖來訪問和更新. 盡管這樣的一段數(shù)據(jù)的維護(hù)是必要的, 但是多內(nèi)核操作系統(tǒng)中, 這一部分被設(shè)計(jì)得盡可能的少, 以保證內(nèi)核之間的獨(dú)立性.

3.2 內(nèi)核配置與資源管理

多內(nèi)核操作系統(tǒng)的內(nèi)核雖然是獨(dú)立的, 但它們依然共同使用同一臺(tái)機(jī)器上的硬件. 盡管理論上使用者可以按照自身意愿對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置和資源分配, 但是為了整個(gè)系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定, 依然需要一套專門的指導(dǎo)性方案.

首先需要考慮的是內(nèi)核及其中數(shù)據(jù)的配置方式.在一個(gè)內(nèi)核的內(nèi)部, 數(shù)據(jù)往往是通過鎖來進(jìn)行維護(hù)并在不同的核心之間同步的. 同步所需要的時(shí)間往往會(huì)影響到系統(tǒng)的性能, 常見的鎖的方案包括大鎖和細(xì)粒度鎖, 前者使用一個(gè)全局的鎖來維護(hù)所有共享的數(shù)據(jù),后者則會(huì)使用更細(xì)粒度的鎖來進(jìn)行維護(hù). 從時(shí)間效率上說, 細(xì)粒度鎖能達(dá)到更好的并行性, 但是設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜. 大鎖設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單, 但是其相當(dāng)于讓不同的核心串行執(zhí)行, 并行性較差. 多內(nèi)核, 作為第3 種方案, 選擇每一個(gè)內(nèi)核維護(hù)一組內(nèi)核數(shù)據(jù), 不同內(nèi)核數(shù)據(jù)之間只在少數(shù)時(shí)間的時(shí)候通過諸如消息隊(duì)列等方式進(jìn)行同步, 既擁有良好的并行性, 設(shè)計(jì)上也不會(huì)過于復(fù)雜, 因此是一種相對(duì)合理的方案. 所以, 一個(gè)多內(nèi)核操作系統(tǒng)應(yīng)該是這樣的: 其上的核心被劃分到幾個(gè)內(nèi)核之中, 內(nèi)核內(nèi)部的核心通過大鎖或細(xì)粒度維護(hù)數(shù)據(jù), 內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)則只在需要的時(shí)候通過消息進(jìn)行同步.

Peters 等人的研究[15]指出, 對(duì)于一些特定的內(nèi)核運(yùn)行時(shí)間較少的內(nèi)核, 如微內(nèi)核[16,17]等, 大鎖相比于細(xì)粒度鎖會(huì)擁有更好的性能. 其原因在于鎖本身帶來的代價(jià)甚至超出了并行帶來的收益. 對(duì)于多內(nèi)核操作系統(tǒng)來說, 其中一個(gè)內(nèi)核對(duì)于大鎖或者細(xì)粒度鎖的選擇可以是隨意的, 微內(nèi)核可以選擇大鎖, 而對(duì)并行性有更高要求的則可以選擇細(xì)粒度鎖.

確定了內(nèi)核數(shù)據(jù)的配置方式后, 需要確定的是, 內(nèi)核到物理核心的分配問題. 現(xiàn)代的多核硬件中, 往往會(huì)有不同層次的緩存, 對(duì)這些緩存的合理使用可以直接加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度. 在一個(gè)內(nèi)核中, 當(dāng)其中一個(gè)核心向內(nèi)存中更新數(shù)據(jù), 會(huì)通過緩存一層層寫回到內(nèi)存, 此時(shí), 如果另一個(gè)核心和這個(gè)核心沒有共享緩存的話, 想要獲得更新后的數(shù)據(jù)就需要再?gòu)膬?nèi)存中將其讀到自己的緩存中, 這會(huì)產(chǎn)生很大的開銷. 而如果兩個(gè)核心之間存在共享緩存, 那么就可以在數(shù)據(jù)真正寫回到內(nèi)存之前就通過共享緩存將其獲取. 因此, 擁有共享緩存的核心能夠在相對(duì)少的執(zhí)行時(shí)間中完成數(shù)據(jù)的同步. 因此,一個(gè)內(nèi)核中核心數(shù)目的上限應(yīng)當(dāng)盡量由擁有共享緩存的核心數(shù)目來決定, 即, 有共享緩存的核心負(fù)責(zé)同一個(gè)內(nèi)核, 沒有共享緩存的核心負(fù)責(zé)不同內(nèi)核.

至于一個(gè)內(nèi)核核心數(shù)目的下限, 存在這樣的方案:每一個(gè)核心都為一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)核服務(wù). 在這種方案中,每一個(gè)核心對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核, 那么核心維護(hù)數(shù)據(jù)的時(shí)候就不再需要鎖. 從某種角度來說, 這種方案并行度很高而且避免了鎖和數(shù)據(jù)同步的代價(jià). 但是, 在實(shí)際使用中,有大量的用戶應(yīng)用是有多核運(yùn)行的需求的, 單核心內(nèi)核的模式會(huì)導(dǎo)致這類的應(yīng)用頻繁地使用多內(nèi)核提供的跨內(nèi)核通信的功能, 從而增加用戶使用系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜程度并增加內(nèi)核間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的次數(shù).

對(duì)于其他的硬件, 諸如內(nèi)存, 硬盤, 中斷控制器等,只要各個(gè)內(nèi)核之間可以事前商定這些資源的使用, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)一般來說可以給予內(nèi)核較大的自由.

3.3 多內(nèi)核系統(tǒng)中的通信

多內(nèi)核操作系統(tǒng)中的通信涉及到多個(gè)方面. 根據(jù)使用者可以分為內(nèi)核層的通信和用戶層的通信.

內(nèi)核層的通信是指內(nèi)核在維護(hù)內(nèi)核數(shù)據(jù)時(shí)所做的通信. 具體來說, 內(nèi)核層的通信包括內(nèi)核內(nèi)的通信與內(nèi)核間的通信. 內(nèi)核內(nèi)的通信指的是同一個(gè)內(nèi)核中不同核心之間的通信, 這種通信理論上不能稱之為通信, 僅是在需要時(shí)用鎖等方式實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)的共享. 內(nèi)核間的通信是指在不同內(nèi)核之中的兩個(gè)核心的通信, 這種通信一般用于處理一些內(nèi)核之間需要共享的數(shù)據(jù).一種簡(jiǎn)單的方案是通過為兩個(gè)內(nèi)核設(shè)置相同的頁表項(xiàng),從而設(shè)置一段共享的地址空間, 然后把這些共享的數(shù)據(jù)直接放到這個(gè)區(qū)間中, 通過鎖的方式進(jìn)行讀取和更新, 或是在這段共享的區(qū)間中設(shè)計(jì)一個(gè)消息通道, 通過這種方式來進(jìn)行消息通信. 總之, 內(nèi)核層的通信只是為了滿足在內(nèi)核層進(jìn)行一定程度的數(shù)據(jù)共享, 這種通信本質(zhì)上只是一種代碼上實(shí)現(xiàn), 而不會(huì)體現(xiàn)成一組面向用戶的規(guī)范的接口.

多內(nèi)核操作系統(tǒng)不僅需要支持在其中某一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行的用戶程序, 也需要支持同時(shí)運(yùn)行在幾個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行的用戶程序, 這就需要為用戶提供一整套的用戶層的通信方式. 用戶層的通信一般是基于內(nèi)核提供給用戶的接口來完成. 以不共享地址空間的兩個(gè)線程為例, 這樣的兩個(gè)線程由于不共享地址空間, 因此無法直接訪問對(duì)方的數(shù)據(jù). 因此需要調(diào)用一定的系統(tǒng)調(diào)用來進(jìn)行通信. 此時(shí), 分為兩種情況, 兩個(gè)線程在同一個(gè)內(nèi)核上或在不同內(nèi)核上.

如果這兩個(gè)線程在同一個(gè)內(nèi)核上, 那么其本質(zhì)等于單內(nèi)核操作系統(tǒng)中兩個(gè)用戶線程的通信. 這里有兩個(gè)常見的方案: (1)為兩個(gè)線程申請(qǐng)一段共享的用戶地址空間, 如Linux 提供的共享內(nèi)存的接口, 通過創(chuàng)建和修改頁表項(xiàng)來實(shí)現(xiàn). (2) 使用內(nèi)核提供的進(jìn)程間通信(inner-process communication, IPC)的接口. 進(jìn)程間通信的實(shí)現(xiàn)方式有很多相關(guān)研究, 如seL4[16]的進(jìn)程間通信,為每個(gè)線程準(zhǔn)備了一段獨(dú)有的IPC 緩存, 通信時(shí)將數(shù)據(jù)從一邊的緩存移動(dòng)到另一邊. 除此之外seL4 還專門對(duì)同核心上的兩個(gè)線程之間的進(jìn)程間通信進(jìn)行了諸多優(yōu)化, 如利用寄存器代替內(nèi)存來進(jìn)行信息傳遞.

不同內(nèi)核上的兩個(gè)線程的通信也是類似的. 對(duì)于不同內(nèi)核的兩個(gè)線程之間的通信大體上也是這兩種方案: 一是通過創(chuàng)建和修改頁表項(xiàng)來為兩個(gè)線程準(zhǔn)備一段共享的地址空間, 二是為用戶線程準(zhǔn)備一套完整的進(jìn)程間通信的接口. 與同內(nèi)核上的兩個(gè)線程通信不同的是, 內(nèi)核提供的這些功能需要能夠做到跨內(nèi)核. 如果要為兩個(gè)不同內(nèi)核的線程提供相同的地址空間, 首先要求兩個(gè)內(nèi)核都擁有分配該實(shí)際物理空間的權(quán)限, 然后兩個(gè)內(nèi)核各自將對(duì)應(yīng)的物理地址寫入到自己負(fù)責(zé)的用戶頁表的頁表項(xiàng)中. 如果是要為兩個(gè)不同內(nèi)核上的線程提供進(jìn)程間通信的接口, 可行的方案是由這兩個(gè)內(nèi)核約定一段共享區(qū)間, 然后將其實(shí)現(xiàn)為一個(gè)消息隊(duì)列, 從而提供通信的功能.

3.4 熱啟動(dòng), 遷移與更新

對(duì)于多內(nèi)核操作系統(tǒng)來說, 其內(nèi)部的一個(gè)內(nèi)核可以是現(xiàn)有的各種內(nèi)核設(shè)計(jì)之一. 只要該內(nèi)核能夠遵循整個(gè)系統(tǒng)約定好的規(guī)范, 按照約定好的范圍使用各種硬件資源, 那么它理論上就能夠作為多內(nèi)核操作系統(tǒng)的一部分, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)就能夠依照這些規(guī)范對(duì)它們進(jìn)行啟動(dòng), 遷移和更新.

在一般的單內(nèi)核操作系統(tǒng)的啟動(dòng)中, 以運(yùn)行在Intel 架構(gòu)上的為例, 在機(jī)器通電之后, 會(huì)遵循諸如多重處理器規(guī)范等[18]選擇一個(gè)核心作為BSP (bootstrap processor)進(jìn)行啟動(dòng). 之后, BSP 會(huì)執(zhí)行BIOS 等引導(dǎo)程序(bootloader), 遵循諸如multiboot 的規(guī)范, 將執(zhí)行流跳轉(zhuǎn)到支持這些規(guī)范的內(nèi)核代碼處. 接下來, 由BSP 運(yùn)行內(nèi)核代碼進(jìn)行更進(jìn)一步的內(nèi)核啟動(dòng), 包括但不限于設(shè)置頁表, 尋址模式等. 在時(shí)機(jī)成熟時(shí), 它們會(huì)向其他尚未啟動(dòng)的核心, 這些核心被稱之為AP (application processor), 發(fā)送處理器間中端(interprocessor interrupt),使其他的核心的執(zhí)行流跳轉(zhuǎn)到它們需要跳轉(zhuǎn)到的位置,使這些AP 能夠參與到內(nèi)核的啟動(dòng)之中.

多內(nèi)核操作系統(tǒng)啟動(dòng)的第一步和一般的多核機(jī)器上單內(nèi)核操作系統(tǒng)的啟動(dòng)是類似的. 具體來說, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)啟動(dòng)的第一個(gè)內(nèi)核與單內(nèi)核操作系統(tǒng)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)是類似的. 兩者都是先啟動(dòng)一個(gè)BSP, 然后啟動(dòng)其他的AP. 區(qū)別在于, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)啟動(dòng)的AP 只包括屬于這個(gè)內(nèi)核的核心. 在這樣一個(gè)初始的內(nèi)核啟動(dòng)后, 它將負(fù)責(zé)啟動(dòng)其他的內(nèi)核. 為了方便表述, 本文稱第一個(gè)啟動(dòng)的內(nèi)核為主內(nèi)核, 其他的內(nèi)核為子內(nèi)核. 在這里, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)往往會(huì)自己定義好一組規(guī)范, 定義諸多子內(nèi)核運(yùn)行所必須的內(nèi)容, 如子內(nèi)核可以使用的核心, 可以使用的內(nèi)存, 可以使用的其他硬件資源以及必要的用于交互的共享空間. 主內(nèi)核啟動(dòng)子內(nèi)核的過程與BSP 啟動(dòng)AP 是類似的, 依然以Intel 架構(gòu)為例,主內(nèi)核中的一個(gè)核心, 向子內(nèi)核中的BSP 發(fā)送一個(gè)處理器間中端, 使得子內(nèi)核的BSP 跳轉(zhuǎn)到自己內(nèi)核的入口, 而規(guī)范定義好的數(shù)據(jù)的地址則可以作為一個(gè)參數(shù)傳遞給子內(nèi)核的BSP. 主內(nèi)核和子內(nèi)核在啟動(dòng)之后本質(zhì)上并沒有什么不同, 理論上, 只要事先約定好權(quán)限,啟動(dòng)新的子內(nèi)核的可以是任何一個(gè)內(nèi)核. 因此, 啟動(dòng)一個(gè)新的子內(nèi)核, 這樣一個(gè)行為完全可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用, 交由用戶程序來決定使用.

多內(nèi)核操作系統(tǒng)中內(nèi)核的遷移可能分為兩種情況:(1)將一個(gè)內(nèi)核關(guān)閉, 然后將其上的任務(wù)遷移到其他的正在運(yùn)行的內(nèi)核上. (2)將一個(gè)內(nèi)核連帶其上的任務(wù)遷移到其他的物理核心上. 這兩種情況, 都可以劃歸為,關(guān)閉一個(gè)內(nèi)核, 將其上的任務(wù)遷移到一個(gè)新的內(nèi)核上,只不過對(duì)于前者來說, 這個(gè)新的內(nèi)核是一個(gè)已經(jīng)存在了的內(nèi)核, 對(duì)于后者來說, 這個(gè)新的內(nèi)核是一個(gè)與原來內(nèi)核完全一致的內(nèi)核. 對(duì)于一個(gè)內(nèi)核來說, 關(guān)鍵的幾項(xiàng),一是內(nèi)核維護(hù)的內(nèi)核數(shù)據(jù), 二是內(nèi)核所使用的硬件資源. 當(dāng)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)核進(jìn)行遷移時(shí), 本質(zhì)上是將內(nèi)核維護(hù)的內(nèi)核數(shù)據(jù)和使用的硬件資源, 通過數(shù)據(jù)拷貝或是傳遞指針的方式, 交給一個(gè)新的內(nèi)核來維護(hù), 至于這個(gè)新的內(nèi)核, 是否使用原來的核心, 是否使用原來內(nèi)核的代碼,都可以交由用戶或操作系統(tǒng)自行決定.

內(nèi)核的更新本質(zhì)上就是對(duì)內(nèi)核遷移的一種擴(kuò)展,即首先將一個(gè)內(nèi)核上的數(shù)據(jù)遷移到其他內(nèi)核, 或是單純將其存儲(chǔ)起來, 然后對(duì)原來的內(nèi)核在內(nèi)存中的代碼進(jìn)行更新, 然后將內(nèi)核數(shù)據(jù)遷移回來.

4 現(xiàn)有的多內(nèi)核操作系統(tǒng)

在本節(jié)中, 本文將對(duì)現(xiàn)有的多內(nèi)核操作系統(tǒng)以及一些相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹和討論. 現(xiàn)有的多內(nèi)核操作系統(tǒng)的相關(guān)研究主要集中在, 多內(nèi)核針對(duì)異構(gòu)架構(gòu)的設(shè)計(jì), 多內(nèi)核的遷移管理配置等方面, 除此之外, 還有一些將多內(nèi)核系統(tǒng)的思想用于更廣泛場(chǎng)景的研究.

4.1 Barrelfish

Barrelfish[19-22]設(shè)計(jì)了一套相對(duì)完整的多內(nèi)核操作系統(tǒng). 該設(shè)計(jì)初衷主要為面向異構(gòu)的硬件, 諸如一個(gè)同時(shí)包含多個(gè)不同種類核心的機(jī)器. 在Barrelish 的設(shè)計(jì)中,每一個(gè)物理的核心負(fù)責(zé)一個(gè)內(nèi)核. 如圖3 所示, Barrelfish將操作系統(tǒng)相關(guān)的職責(zé)分為兩個(gè)部分, 位于內(nèi)核空間的特權(quán)模式(privileged-mode) 的CPU 驅(qū)動(dòng)(CPU driver), 位于用戶空間的用戶模式(user-mode)的管程(monitor), 前者相當(dāng)于一般語境下的內(nèi)核, 后者則類似于根線程.

圖3 Barrelfish 架構(gòu)圖[19]

在數(shù)據(jù)上, Barrelfish 使用了seL4 等微內(nèi)核的設(shè)計(jì)策略, 把系統(tǒng)資源分為一個(gè)個(gè)的內(nèi)核對(duì)象, 并把這些對(duì)象的引用(在微內(nèi)核里稱作capability)以樹的方式進(jìn)行維護(hù). 這樣的一組內(nèi)存數(shù)據(jù), 被稱作OS node. 內(nèi)核間的內(nèi)核數(shù)據(jù)各自獨(dú)立而不共享. 這些內(nèi)核對(duì)象包含進(jìn)程控制塊, 頁表等各種和用戶息息相關(guān)的數(shù)據(jù). 另外,由于使用的是微內(nèi)核的設(shè)計(jì)策略, 很多原本是操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)的任務(wù)都變成了用戶進(jìn)程完成的任務(wù). 例如, 用戶需要自己調(diào)用系統(tǒng)去申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存對(duì)象作為一個(gè)頁表, 而內(nèi)核會(huì)將這個(gè)頁表的capability 返回給用戶讓用戶去使用. 這種內(nèi)核的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了內(nèi)核本身, 使得內(nèi)核在維護(hù)自身的數(shù)據(jù)時(shí)更加容易, 也為之后內(nèi)核遷移的設(shè)計(jì)做下鋪墊.

在通信方面, Barrelfish 中, 通信的雙方是用戶態(tài)的兩個(gè)線程. 具體來說, 如果是同一個(gè)內(nèi)核上的兩個(gè)用戶線程的通信, 則他們會(huì)通過一般的微內(nèi)核的IPC 進(jìn)行,如果這兩個(gè)線程在不同的內(nèi)核上, 它們會(huì)建立一段共享內(nèi)存以作為跨內(nèi)核通信的通道. Barrelfish 將這種跨內(nèi)核的通信稱為URPC. 為了能夠提供完整的URPC功能, 需要底層CPU 驅(qū)動(dòng)提供一些必要的功能, 如發(fā)送IPI 的功能, 即由一個(gè)核心向另一個(gè)核心發(fā)送處理器間中斷.

Barrelfish 允許動(dòng)態(tài)地啟動(dòng)一個(gè)新的內(nèi)核, 他們?cè)O(shè)計(jì)了一組boot driver, 專門用于啟動(dòng)新的內(nèi)核. 首先Barrelfish 要求有一個(gè)已經(jīng)啟動(dòng)的主內(nèi)核, boot driver運(yùn)行在這個(gè)主內(nèi)核上. 啟動(dòng)一個(gè)新的目標(biāo)內(nèi)核的順序如下: 首先, 利用機(jī)器自身的機(jī)制(如ACPI)檢測(cè)新的核心, 然后, boot driver 為這個(gè)新的核心選擇一個(gè)合適的內(nèi)核, 按照核心啟動(dòng)的協(xié)議對(duì)核心進(jìn)行啟動(dòng), 將內(nèi)核的代碼加載到相應(yīng)的位置, 并將目標(biāo)核心的執(zhí)行流跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口, 然后目標(biāo)核心就可以繼續(xù)自己內(nèi)核的初始化等諸多事項(xiàng).

Barrelfish 同時(shí)也設(shè)計(jì)了一整套的內(nèi)核更新與遷移的算法, 其主要方式為, 將待更新內(nèi)核的OS node 轉(zhuǎn)交給其他的內(nèi)核, 然后待目標(biāo)內(nèi)核更新完畢后, 將OS node 轉(zhuǎn)移回來.

總體而言, Barrelfish 是多內(nèi)核操作系統(tǒng)的一次很好的嘗試. 在各個(gè)方面都提出了很多值得借鑒的方法.

4.2 LegoOS

LegoOS[23]是Purdue University 開發(fā)的一種名為Splitkernel 的操作系統(tǒng), 這種設(shè)計(jì)與一般多內(nèi)核設(shè)計(jì)類似, 但是LegoOS 能夠適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景. LegoOS的研究認(rèn)為, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)針對(duì)的是單內(nèi)存的多核心機(jī)器, 雖然其中的每個(gè)內(nèi)核可以被配置于不同的物理核心上, 但是這些內(nèi)核依然使用的是同一組內(nèi)存. 而LegoOS 擴(kuò)展了使用的場(chǎng)景, 使它能夠適應(yīng)于更大型的服務(wù)器.

一般來說, 一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)包含的機(jī)器組包括多種核心, 多個(gè)不同種類的內(nèi)存, 以及多個(gè)不同種類的硬件存儲(chǔ), 這些硬件往往通過網(wǎng)絡(luò)的方式連接起來.LegoOS 將這些硬件資源分為3 種組件: 核心, 內(nèi)存, 硬盤. 在這樣的情況下, 每一個(gè)內(nèi)核的結(jié)點(diǎn)可以選擇運(yùn)行在任意的幾個(gè)組件之上, 而任意一個(gè)組件也可以同時(shí)為幾個(gè)內(nèi)核進(jìn)行服務(wù). 相比一般的多內(nèi)核有著更多的擴(kuò)展性. 為了實(shí)現(xiàn)這種分布式服務(wù)器上的多內(nèi)核系統(tǒng),LegoOS 還有專門負(fù)責(zé)管理所有資源組件的全局的管理器. 相比一般的多內(nèi)核, LegoOS 可以適用于不共享內(nèi)存的機(jī)器組, 前者內(nèi)核間的通信方式可以通過共同使用的內(nèi)存, 但是后者就只能通過網(wǎng)絡(luò)傳輸來進(jìn)行通信. 因此LegoOS 使用了諸如RDMA 等相關(guān)技術(shù)來對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行優(yōu)化.

4.3 基于雙內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一種能夠快速接受和處理任務(wù)并能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生處理結(jié)果的一類操作系統(tǒng), 其主要特點(diǎn)為擁有高實(shí)時(shí)性與可靠性. RT Linux 與Xenomai就是兩個(gè)典型的面向?qū)崟r(shí)的操作系統(tǒng), 且兩者都使用了“雙內(nèi)核”的設(shè)計(jì)思路.

RT Linux[2-5]是一種基于Linux 的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),如圖4 所示, 在RT Linux 中, 存在一個(gè)直接運(yùn)行在硬件上的RT Linux 內(nèi)核. 該內(nèi)核為面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用的內(nèi)核,直接負(fù)責(zé)管理硬件以及為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供服務(wù). 在RT Linux 內(nèi)核中, 存在有調(diào)度器, 其負(fù)責(zé)調(diào)度實(shí)時(shí)應(yīng)用和一般的Linux 內(nèi)核, 而一般的Linux 內(nèi)核則負(fù)責(zé)管理運(yùn)行非實(shí)時(shí)性的任務(wù). 在運(yùn)行時(shí), 實(shí)時(shí)應(yīng)用可以直接使用硬件的中斷并與硬件進(jìn)行IO 交互, 一般的應(yīng)用則需要首先通過Linux 內(nèi)核, Linux 內(nèi)核再通過RT Linux 內(nèi)核來與硬件進(jìn)行IO 交互. 在RT Linux 系統(tǒng)中, 盡管存在這兩個(gè)內(nèi)核, 但是一般性的Linux 內(nèi)核更類似于RT Linux 上運(yùn)行的一個(gè)額外的應(yīng)用, 與其他的實(shí)時(shí)性任務(wù)共同參與調(diào)度. 這樣的設(shè)計(jì)保證了RT Linux 能夠通過調(diào)度提高實(shí)時(shí)性應(yīng)用的優(yōu)先級(jí), 從而使系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)時(shí)任務(wù)提供精確的時(shí)間控制以及服務(wù).

圖4 RT Linux 架構(gòu)

Xenomai[6,7]是一種實(shí)現(xiàn)了雙內(nèi)核機(jī)制的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng), 與RT Linux 不同的是, 其中的用于一般應(yīng)用的Linux 內(nèi)核與用于實(shí)時(shí)任務(wù)的內(nèi)核都處在同一個(gè)級(jí)別,參與調(diào)度. 如圖5 所示, Xenomai 使用了i-pipe 的技術(shù),i-pipe 負(fù)責(zé)中斷的分發(fā)與傳遞. 通過設(shè)計(jì)中斷的分發(fā)與傳遞規(guī)則來保證不同內(nèi)核的優(yōu)先級(jí)的不同. 舉例來說,當(dāng)一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的實(shí)時(shí)內(nèi)核注冊(cè)了一個(gè)中斷時(shí), i-pipe會(huì)立刻進(jìn)行處理, 而遇到一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的Linux 內(nèi)核的中斷時(shí), 它會(huì)等到實(shí)時(shí)內(nèi)核使用完物理硬件之后才觸發(fā)中斷運(yùn)行Linux 的內(nèi)核.

圖5 Xenomai 架構(gòu)圖

RT Linux 和Xenomai 等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與Barrelfish等系統(tǒng)有比較大的區(qū)別, 首先, RT Linux 和Xenomai都僅支持雙內(nèi)核, 并不等同于一般意義上的多內(nèi)核操作系統(tǒng). 其次由于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要面向于實(shí)時(shí)應(yīng)用,因此實(shí)時(shí)內(nèi)核的部分一般占有主要的地位. 當(dāng)實(shí)時(shí)應(yīng)用需要的時(shí)候, 物理核心就會(huì)被實(shí)時(shí)內(nèi)核所搶占,Linux 內(nèi)核就會(huì)被調(diào)度出去, 換成實(shí)時(shí)內(nèi)核或應(yīng)用來運(yùn)行. 相較而言, Barrelfish 盡管也支持內(nèi)核在物理核心間的轉(zhuǎn)移, 但是其中各個(gè)內(nèi)核依然是相對(duì)平等的.

4.4 相關(guān)技術(shù)

除去上文提到的多內(nèi)核操作系統(tǒng)和與多內(nèi)核操作系統(tǒng)相近的雙內(nèi)核操作系統(tǒng), 還有一些操作系統(tǒng)相關(guān)研究, 雖然這些研究本身并不是多內(nèi)核操作系統(tǒng), 但是這些研究有的為多內(nèi)核操作系統(tǒng)的發(fā)展提供了思路,有的為多內(nèi)核操作系統(tǒng)提供了可行的技術(shù).

Corey[14]是一項(xiàng)針對(duì)Linux 系統(tǒng)的研究, 該研究分析了操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步存在的瓶頸, 并針對(duì)該問題進(jìn)行了解決. Corey 提出了分布式的設(shè)計(jì), 將內(nèi)核數(shù)據(jù)分為共享部分和非共享部分, 以此來減少同步帶來的開銷. 該理念也是多內(nèi)核操作系統(tǒng)采用的方法的核心, 區(qū)別在于多內(nèi)核操作系統(tǒng)是一種更極端的方式, 它幾乎完全摒棄了共享數(shù)據(jù)的部分.

Theseus[24]是基于Rust 語言實(shí)現(xiàn)的操作系統(tǒng), 其利用Rust 語言的特性, 將內(nèi)核數(shù)據(jù)分成一個(gè)個(gè)極小的組件, 每一個(gè)組件被對(duì)應(yīng)到Rust 的crate, 一種獨(dú)立的編程單元. Rust 在編譯時(shí)就可以對(duì)內(nèi)核數(shù)據(jù)的每個(gè)組件對(duì)應(yīng)的內(nèi)存進(jìn)行追蹤和保護(hù). 將內(nèi)核數(shù)據(jù)組件化是一種非常有效的方式, 該思路往往也會(huì)被應(yīng)用到多內(nèi)核操作系統(tǒng)中, 組件化的內(nèi)核數(shù)據(jù)將更容易進(jìn)行動(dòng)態(tài)地加載與遷移.

PTask[25]是一種針對(duì)GPU 異構(gòu)架構(gòu)的研究. PTask對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展. 使其能夠?qū)PU 也納入操作系統(tǒng)的控制范疇中. 在此之前, GPU 僅僅是一個(gè)外部設(shè)備, 用戶通過IO 與GPU 通信. PTask 將GPU 變成了操作系統(tǒng)的一部分, 相當(dāng)于一個(gè)特殊的核心, 加入到了調(diào)度之中. 多內(nèi)核操作系統(tǒng)也有類似的設(shè)計(jì)理念, 即將各種物理核心都作為一種可分配的資源提供給各個(gè)內(nèi)核,而GPU 與CPU 同樣, 也是可分配的核心資源之一.

5 多內(nèi)核操作系統(tǒng)與虛擬化技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)分析

多內(nèi)核操作系統(tǒng)與虛擬化技術(shù)都是能夠在某種層面上解決多核/眾核, 異構(gòu)架構(gòu)上擴(kuò)展性, 性能穩(wěn)定性,以及資源分配的設(shè)計(jì). 但是兩者還是有著明顯的不同.

如表1 所示, (1)多內(nèi)核操作系統(tǒng)中的每個(gè)內(nèi)核真實(shí)運(yùn)行在單獨(dú)的一部分的硬件上, 相對(duì)而言, 虛擬化技術(shù)中一個(gè)客戶操作系統(tǒng)可能運(yùn)行在一組被模擬出來的硬件上, 而模擬的硬件一般都會(huì)帶來一定程度的性能損耗. (2) 多內(nèi)核操作系統(tǒng)中的內(nèi)核由于直接運(yùn)行在硬件之上, 因此不支持跨平臺(tái)執(zhí)行. 相較而言,虛擬化技術(shù)允許跨平臺(tái)執(zhí)行, 如一些虛擬化技術(shù)允許ARM 架構(gòu)的程序運(yùn)行在x86 宿主機(jī)上, 而多內(nèi)核操作系統(tǒng)中, ARM 的程序只能在ARM 的核心上執(zhí)行.(3) 多內(nèi)核操作系統(tǒng)盡管需要一定程度的內(nèi)核管理, 但是這種管理的功能一般交由其中一個(gè)內(nèi)核來進(jìn)行, 相比而言, 虛擬化技術(shù)一般需要一層中間的管理層來負(fù)責(zé)不同虛擬機(jī)之間的切換和使用. (4) 在內(nèi)存隔離方面, 一些虛擬化技術(shù)使用了輔助頁表的方式為客戶提供一個(gè)完整的虛擬地址空間, 但是這個(gè)空間映射到真實(shí)物理地址時(shí)可能并非連續(xù), 這樣的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致緩存的性能降低. 而多內(nèi)核操作系統(tǒng)會(huì)將真實(shí)的連續(xù)的物理內(nèi)存直接分配給某個(gè)內(nèi)核, 因此不會(huì)增加緩存的開銷.

表1 多內(nèi)核操作系統(tǒng)與虛擬化技術(shù)的比較

從這些比較可以看出, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)對(duì)于虛擬化技術(shù)互有優(yōu)劣, 在技術(shù)選擇時(shí), 多內(nèi)核操作系統(tǒng)可以作為替代虛擬化技術(shù)的技術(shù)選擇.

6 總結(jié)與展望

多內(nèi)核操作系統(tǒng)是面對(duì)多核異構(gòu)系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方式, 它從某種程度上解決了異構(gòu)系統(tǒng)不同硬件的適配問題. 相比單內(nèi)核操作系統(tǒng), 多內(nèi)核操作系統(tǒng)擁有更高的靈活性, 適應(yīng)性, 容錯(cuò)性. 如果設(shè)計(jì)的足夠合理, 能夠正確地使用各項(xiàng)資源, 相比單內(nèi)核操作系統(tǒng), 也會(huì)有相近甚至較好的性能.

從未來發(fā)展的角度考慮, 為了讓多內(nèi)核操作系統(tǒng)能夠適用于更多硬件以及更多現(xiàn)有軟件, 需要為現(xiàn)有的單內(nèi)核進(jìn)行多內(nèi)核化的改進(jìn). 然而現(xiàn)有的單內(nèi)核設(shè)計(jì)各有不同的宗旨, 提供的API 也各有差異. 為了讓不同硬件, 不同的內(nèi)核, 使用不同API 的軟件都集合在一套多內(nèi)核系統(tǒng)里, 一套專門的權(quán)威的多內(nèi)核系統(tǒng)的規(guī)范是必要的, 而這樣的過程很可能是漫長(zhǎng)而充滿挑戰(zhàn)的.

總而言之, 多內(nèi)核操作系統(tǒng)還有很多路要走, 雖然研究不乏少數(shù), 但是依舊還有發(fā)展的空間.