（金融学专业论文）对MINIX进程管理的分析.pdf

摘要 操作系统是直接建立在硬件平台上，为用户软件提供扩展虚拟机 和管理系统资源的系统软件。从上世纪五十年代以来，操作系统经历 了由低级到高级、由简单到复杂的发展过程。现代操作系统种类繁多， 既有用于p c 机上的u n i x 、w i n d o w s 、l i n u x 等系统，也有应用于大型 机、图像处理、军事等领域的系统。虽然它们千差万别，但作为现代 操作系统它们都具有一个共同的特点，就是对多任务的支持。多任务 要求计算机在同一时间内能处理多个不同的任务。为了实现多任务的 要求，计算机科学家们在操作系统中引进了进程机制，进程机制是多 任务操作系统的核心和基石，也可以这样的说，没有进程机制，就没 有多任务。对操作系统进程管理的分析与探讨既有利于我们对操作系 统有个完整、清晰的理解，也为我们将来开发自己的操作系统打下 坚实的基础。 m i n i x 是a n d r e ws t a n e n b a u m 教授在上世纪八十年代初期参照 u n i x 早期公开版本开发的运行于p c 机上的多任务、多用户操作系统。 笔者为何要选用m i n i x 作为本论文的分析对象呢? 。这主要是因为 m i n i x 具有以下特点： 1 m i n i x 的结构先进。虽然m i n i x 是参照u n i x 发展而来，但 t a n e n b a u m 教授却在编写m i n i x 时，采用了与u n i x 单一结构不 同的c 1ie n t s e r v e r 结构，c 1le n t s e r v e r 结构使m i n i x 各部分 封装性好，极易扩充和移植，同时也使m i n i x 能够采用成熟的 网络协议，如t c p i p ，将其发展为分布式操作系统。 2 可以利用m i n i x 开发出实用的操作系统。虽然t a n e n b a u m 教授 一直坚持m i n i x 的简单和非实用性，以满足学生的学习要求， 但这并不能说明m i n i x 仅仅是一实验室的温室之花。前一段风 靡全球的l i n u x ，就是根据m i n i x 发展而来的。 3 m i n i x 的开放性。m i n i x 的作者t a n e n b a u m 教授并不是为了商业 目的而开发这一系统的。从它诞生之日起，它的源代码就是开 放的。这使得全球的计算机爱好者，都可以通过对m i n i x 源代 码的分析，了解到操作系统实现的真谛。今天被广泛用的 w i n d o w s 、u n i x 等系统，软件厂家只提供了目标代码，而未提供 相应的源代码，这使得分析无从下手。 4 m i n i x 能够在p c 机上运行。如果它是只能运行于象i b m 3 7 0 这样 的大型机上的操作系统，笔者根本无条件分析之，因为大型机 的价格大大高于普通的p c 机。 5 m i n i x 是一多任务、多用户的操作系统。多任务、多用户是现代 操作系统应具有的基本特征。 m i n i x 并不偏爱i n t e l 处理器，它除支持i n t e l 公司自8 0 8 6 以来 的所有处理器外，还支持象m o t o r o l a 的m 6 8 0 0 0 、s u n 的s p a r c 、a p p l e 的m a c i n t o s h 等非主流处理器。为何笔者要选用建立在i n t e l 处理器 上的m i n i x 进行分析呢? 这里有以下原因： 1 i n t e l 的事实垄断地位。在今天的微处理器市场上，i n t e l 的产 品无可争议地处于事实上的垄断地位，并代表了该行业的标准， 这使得用户几乎只有选择它的产品。虽然市场上有象a m d 等少数 公司的产品，但这些公司为了产品的通用性，在处理器的系统设 计上基本与i n t e l 公司的产品一样。笔者的机器用的就是i n t e l p e n t i u m3 处理器。 2 容易找到i n t e l 处理器的资料。i n t e l 的事实垄断地位也使得关 于它的资料堆积如山，而有关象m 6 8 0 0 0 等非主流处理器的资料 廖若星辰。 本论文将采取循序渐进的原则，一步一步地展开对m i n i x 进程管理系 统的分析。依照进程管理本身的特性，笔者将本文分为三章： 1 第一章主要讨论的是m i n i x 的结构。操作系统结构不但是操作系 统设计中应首先考虑的问题，而且它还决定了操作系统进程管理 的具体实现机制。在本章中，笔者首先通过对u n i x 与m i n i x 的 结构比较分析，介绍了m i n i x 的c l i e n t s e r v e r 结构；然后通过 对两操作系统中由于进程管理实现机制的不同，所带来的系统调 用实现的不同的具体比较分析，详细的说明了两种结构的优缺 点，并表达了笔者对c 1 i e n t s e r v e r 结构青睐的理由。 2 第二章主要讨论的是系统初始化过程。系统初始化过程就是为系 统正常运行作准备的c p u 执行流。按照系统初始化先后经历的两 个阶段，笔者将本章依次分为两部分。第一部分是引导，引导是 每个操作系统必不可少的，但它本身与进程管理并无直接关系， 为何笔者要花很大的篇幅分析它昵? 这里有以下三个理由，( 1 ) 引导把操作系统从外设装入内存中，并启动操作系统内核运行： ( 2 ) 引导为系统当然包括进程管理部分建立了必要的环境，同 时它还为内核进程环境初始化部分建立并传递了必要的系统环 境参数；( 3 ) 对操作系统的一些改造工作，离不开对引导部分的 改造。如：希望目前仅支持i s a 总线的m i n i x 能够支持p c i 总线， 就离不开对引导部分的修改。在这部分中，笔者还分析了m i n i x 引导所特有的引导命令及其相应的词法处理机制。第二部分是内 核进程环境的初始化过程，当引导结束时，它使c p u 从内核迸程 环境初始化部分的第一条指令( 也可以认为是操作系统的第一条 指令) 处开始执行。内核进程环境初始化部分是m i n i x 进程管理 系统的一部分。在其执行过程中，为了操作系统的正常运行，它 建立并安装了g d t ( g l o b a ld e s c r i p t o rt a b l e ) 、i d t ( i n t e r r u p t d e s c r i p t o rt a b l e ) 和系统中唯一的任务，并初始化内核进程控 制表，另外它还在c p u 执行流进入内核进程调度与切换部分之 前，建立相应的c p u 环境，如屏蔽外部硬中断等。笔者通过对 g d t 、i d t 中的每一个描述符与系统中唯一的任务的分析，讨论 了m i n i x 对硬件提供的机制的取舍及其利弊，同时在分析中还可 看出m i n i x 为了系统正常而高效的运行所建立的物理段、中断门 和任务。在这部分对内核进程控制表的初始化的分析中，可以看 到进程在内存中的组织结构、进程对消息处理的能力等有关进程 的基本信息。 3 第三章主要讨论的是进程的调度与切换。笔者首先讨论了m i n i x 的调度机制，并分析了这种机制的利弊及适用环境。由于进程的 调度与切换融入到对系统中断的处理过程中，故按照m i n i x 中的 中断特性，笔者分三部分来讨论m i n i x 的进程调度与切换。第一 部分足外部硬中断的处理；第二部分是系统定义的软中断的处 理；第三部分是引发时间片调度的外部时钟中断的处理。在以上 的分析与讨论中，笔者分析了以下内容：( 1 ) m i n i x 在中断处理 中的进程调度与切换的具体实现过程；( 2 ) m i n i x 对中断嵌套的 判断与处理，及其反映的思想；( 3 ) 外部硬中断转换为中断消息 的过程，并由此体现出的m i n i x 所采用的m e c h a n i s m p o l i c y 指 导思想；( 4 ) 系统软中断处理的过程。系统软中断主要是为系统 提供陷入的具体实现，在软中断处理中包含了系统对大量消息的 处理，所以笔者详细讨论了消息和由此带来的问题，如：进程的 组织结构、消息的死锁等；( 5 ) 外部时钟中断的处理过程。外部 时钟中断引发了系统时间片调度，笔者讨论了m i n i x 为实现时间 片调度所采用的算法与数据结构，并对其时间片调度存在的精度 不高和欠失公平问题进行了分析，同时提出了自己的解决方案。 在本论文中，窃认为进行了以下创新工作： 1 为了解决m i n i x 时间片调度精度不高和欠失公平的问题，笔者通 过在内核进程控制结构中建立一个表示时间片调度的项。该项在 一进程被选为当前进程的处理中，被赋予系统规定的进程一次可 占用的外部时钟震荡数，当进程运行时，时钟中断处理程序在每 次外部时钟震荡处理中，将该项值减l 。这样就达到提高进程时 间片调度精确和兼顾公平的目的。 2 在m i n x 三层进程调度中，位于任务与服务层上的进程不受时间 片调度的约束。这样安排虽然减少了进程的切换数，但却为了照 顾低配置机器牺牲了系统的分时处理能力。笔者通过对相应进程 调度程序的修改，使m i n i x 三层上的进程都受到时间片调度的约 束，以达到提高系统分时处理能力的目的。 操作系统的研究与开发终究是为实际应用服务的，本论文的一个 遗憾之处就是对m i n i x 的分析并未放在一定的应用环境中，这使得很 多分析只停留在形而上的范畴，未能根据具体的应用进行分析。如： 存在多种进程的调度算法，仅从理论上很难判断哪一种好，或那一种 不好，只有在一定的环境下，根据用户提出的服务要求，才能选择到 高效的调度算法。另一个遗憾之处是，虽然m i n i x 提供了其c 编译器 的源代码，但由于时间上的限制，并未分析这个对操作系统实现有重 要意义的系统软件。 今天，随着i n t e r n e t 的触角伸向了世界的每一个角落，网络安全 显得越来越重要。一方面，作为搭载网络系统的操作系统本身的安全 与保密性也显得越来越重要。另一方面，软件最终是依赖硬件来完成 任务的，所以芯片技术的安全与保密决定了软件的安全与保密。为了 在真正意义上为网络安全提供保障，政府应大力支持从事具有民族知 识产权的操作系统、芯片、编译器等计算机核心技术的研究与开发工 作。 关键词：结构进程内核中断消息 a b s t r a c t o p e r a t i n gs y s t e mi sak i n do fs y s t e ms o f tt h a tl o c a t e sb e t w e e nh a r d w a r e a n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，t h ef u n c t i o no fi ti s p r o v i d i n ge x t e n d e dv i r t u a l m a c h i n ef o ra p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dm a n a g i n gs y s t e mr e s o u r c e s s i n c et h e 19 5 0 s ，t h et e c h n o l o g yo fo p e r a t i n gs y s t e mh a sd e v e l o p e df r o ml o w g r a d et o a d v a n c e d ，f r o ms i m p l et oc o m p l e x a l t h o u g ht h e r ea r em a n yk i n d so f m o d e m o p e r a t i n gs y s t e m ，t h e ya l lp r o v i d em u l t i t a s k sm e c h a n i s m m u l t i t a s k s d e m a n d sc o m p u t e rh a n d l e m u l t i p l e t a s k sa tt h es a m et i m e p r o c e s s m e c h a n i s mi st h a tf o u n d a t i o no fm u l t i t a s k ss y s t e m ，i tm a k e si tp o s s i b l et o r e a l i z em u l t i t a s k s s oa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fp r o c e s sm a n a g e m e n ts y s t e m n o to n l yi sv e r ys i g n i f i c a n tf o ru n d e r s t a n d i n ga n dg r a s p i n gp r o c e d u r eo f o p e r a t i n gs y s t e mr e a l i z a t i o n ，b u ta l s oe s t a b l i s h e saf o u n d a t i o no fd e s i g n i n g a n dd e v e l o p i n go u ro w no p e r a t i n gs y s t e mi nf u t u r e m i n i xi sam u l t i t a s k sa n dm u l t i u s e ro p e r a t i n gs y s t e mt h a tc o u l dr u n o np ca n dw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db yp r o fa n d r e ws t a n e b a u mi nt h e e a r l y1 9 8 0 s a m o n gm a n yo p e r a t i n gs y s t e m s ，w h yt os e l e c tm i n i xa st h e o b j e c ta n a l y z e di nt h ep a p e r ? t h e r ea r ef i v er e a s o n sb e l o w 1 ：t h ea r c h i t e c t u r e o fm i n i xi sa d v a n c e d p r o fa n d r e ws t a n e b a u ma d o p t e dc l i e n t s e r v e r a r c h i t e c t u r ei nt h ep r o c e d u r eo fd e s i g n i n gm i n i x ，t h ek i n do fa r c h i t e c t u r e m a k e sm i n i x t a k eo nv e r yg o o de n c a p s u l a t i o nt h a tm a k e sm i n i xv e l y e a r l ye x p a n d e da n de x p l a n t e d ，a tt h es a m et i m e ，i ta l s om a k e sm i n i xa b l e t ob et r a n s f o r m e dt oad i s t r i b u t e do p e r a t i n gs y s t e ma f t e ra d o p t i n gm a t u r e n e t w o r kp r o t o c o l ，f o re x a m p l e ，t c p i p ；2 ：m i n i xc a l lb et r a n s f o r m e dt oa r t a p p l i c a b l eo p e r a t i n gs y s t e m t h en o t i o ni st e s t i f i e db yp r e v a l e n c eo fl i n u x t h a tw a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fm n i x ；3 ：t h es o u r c ec o d eo fm i n i xi s o p e n i n g b e c a u s em i n i xi sa ne d u c a t i o n a lt o o l i ns t e a do fac o m m e r c i a l p r o d u c t ，s oi t s s o u r c ec o d ea l w a y sh a sb e e no p e n i n gt oe v e r y o n es i n c ep r o f t a n e b a u ms u c c e e d e di nd e v e l o p i n gi t ；4 ：m i n i xi sa no p e r a t i n gs y s t e mt h a t c o u l dr u no np c i fi tc o u l do n l yr u no nm a i n f r a m e ，f o re x a m p l e ，i b m3 7 0 ， t h es i t u a t i o nw o u l dc a u s eu s h a lc o m p u t e rf a nn o tt oh a v et h ee s s e n t i a l p h y s i c a lc o n d i t i o nt oa n a l y z ei t ；5 ：m i n i xi sam u l t i t a s k sa n dm u l t i u s e r o p e r a t i n gs y s t e m m u l t i t a s k s a n dm u l t i - u s e ra r et w oo ft h ee s s e n t i a l c h a r a c t e r st h a ts h o u l db eh e l db ym o d e m o p e r a t i n gs y s t e m a sa no p e r a t i n gs y s t e mt h a tc o u l dr u no np c ，m 1 n i xc a nn o t o n l yr u n o na l l m i c r o p r o c e s s o r so fi n t e l ，b u ta l s o r u no ns o m ee x t r a e s s e n t i a l m i c r o p r o c e s s o r s ，f o re x a m p l e ，m 6 8 0 0 0o fm o t o r o l a ，s p a r eo fs u n ， m a c i n t o s ho fa p p l e ，a n ds oo n w h yt os e l e c tm i n i xt h a tc o u l dr u no n m i c r o p r o c e s s o r so fi n t e la st h eo b j e c ta n a l y z e di nt h ep a p e r ? t h e r ea r et w o r e a s o n sa sb e l o w 1 ：t h ea c t u a lm o n o p o l i z a t i o no fp r o d u c t so fi n t e l t h i s c a u s e si th a r dt of i n dp r o d u c t so f o t h e rc o m p a n i e si nt h em a r k e t ；2 ：r e l a t i v et o p r o d u c t so fo t h e rc o m p a n i e s ，i n f o r m a t i o na b o u tm i c r o p r o c e s s o r so fi n t e la r e v e i ：ya b u n d a n ta n de a s i l yg o t t h e s i t u a t i o ni sc a u s e d b yt h e a c t u a l ， m o n o p o l i z a t i o no fi n t e l t h ep a p e rw i l la n a l y z et h ep r o c e s sm a n a g e m e n ts y s t e mo fm i n i xs t e p b ys t e pa c c o r d i n gt ot h en a t u r eo fp r o c e s sm a n a g e m e n ti nm i n i x t h e r ea r e t h r e ec h a p t e r si nt h ep a p e r 1 t h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yd i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r eo fm i n i x t h ea r c h i t e c t u r eo ft h eo p e r a t i n gs y s t e mn o to n l yi st h ef i r s to f a l lt h a ts h o u l d b e c o n s i d e r e di nt h ep r o c e d u r eo fd e s i g n i n g o p e r a t i n gs y s t e m ，b u ta l s od e c i d e st h er e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo f p r o c e s sm a n a g e m e n t i nt h ec h a p t e r , t h 艮a u t h o ra n a l y z e st h e c l i e n t s e r v e r a r c h i t e c t u r e a d o p t e db y m i n i x t h r o u g h c o m p a r i n ga r c h i t e c t u r e so f m i n i xa n du n i x ，a n dd i s c u s s e st h e e x c e l l e n c e sa n df l a w si n s y s t e m c a l lm e c h a n i s mo ft w o o p e r a t i n gs y s t e md e c i d e db yr e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo fp r o c e s s m a n a g e m e n t f i n a l l y , t h e a u t h o r e x p l a i n sw h y h ef a v o r s c l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r e 2 t h es e c o n dc h a p t e ra n a l y z e st h es y s t e mi n i t i a l i z a t i o np r o c e d u r e o fm i n i x a c c o r d i n gt ot h en a t u r eo ft h es y s t e mi n i t i a l i z a t i o n 2 p r o c e d u r eo fm 1 n i x ，t h ec h a p t e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s ， n a m e l y ，p r o c e d u r eo fb o o t i n ga n dk e r n e lp r o c e s se n v i r o n m e n t i n i t i a l i z a t i o n a n yo p e r a t i n gs y s t e mh a si t so w nb o o t i n gp a r tt h a t w o u l di n s t a l lo p e r a t i n gs y s t e mf r o mp e r i p h e r a l st om e m o r ya n d b u i l d n e c e s s a r ys y s t e me n v i r o n m e n tf o rt h es y s t e mt or u n p r o p e r l y t h ea u t h o ra n a l y z e sn o to n l yt h er e a l i z a t i o np r o c e d u r e o fb o o t i n go fm i n i xa n dd i s c u s s e st h es y s t e me n v i r o n m e n tf o r s y s t e mb u i l tb yb o o t i n g ，b u ta l s op e c u l i a rb o o t i n gd e m a n d so f m i n i xa n dt h ef i n i t es t a t e sa u t o m a t i o nu s e db ya c c i d e n c e a n a l y s i s w h e nb o o t i n gw o u l de n dr u n n i n g ，t h ef i r s ti n s t r u c t i o n i np a r to fp r o c e s se n v i r o n m e n ti n i t i a l i z a t i o ni nk e r n e lw o u l db e r u n t h ep a r tw o u l db u i l di m p o r t a n ts y s t e md a t as t r u c t u r e sf o r p r o c e s s e si ns y s t e mt or u np r o p e r l y , f o re x a m p l e ，g d t ( g l o b a l d e s c r i p t o rt a b l e ) ，i d t ( i n t e r r u p td e s c r i p t o rt a b l e ) ，t s s ( t a s k s t a t es e g m e n t ) ，k e r n e lp r o c e s sc o n t r o lt a b l e a c c o r d i n gt ot h e c o n t e n to ft h e s ed a t a s t r u c t u r e s ，t h e a u t h o rd i s c u s s e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa d o p t i o na n dr e j e c t i o no f h a r d w a r em e c h a n i s mp r o v i d e e db yc p u ，a n ds o m ec h a r a c t e r so f p r o c e s sm a n a g e m e n ti nm i n i x 3 t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e st h es c h e d u l i n ga n d s w i t c h i n go f p r o c e s s i nm i n i x t h ea u t h o rt h i n k s t h e s c h e d u l i n g a n d s w i t c h i n go fp r o c e s si sap a r to fi n t e r r u p th a n d l i n g ，s oa n a l y s i s o fi ti sm e l t e di n t od i s c u s s i o no fi n t e r r u p t sh a n d l i n g a c c o r d i n g t ot h en a t u r eo fi n t e r r u p t si nm i n i x ，t h ed i s c u s s i o na b o u t i n t e r r u p t sh a n d l i n g i sd i v i d e di n t ot h r e e p a r t s 1 ：e x t e r i o r h a r d w a r ei n t e r r u p t sh a n d l i n g ；2 ：s o f t w a r ei n t e r r u p t sd e f i n e db y s y s t e mh a n d l i n g ；3 ：e x t e r i o r c l o c k i n t e r r u p t t h a t a r o u s e s r o b i n r o u n ds c h e d u l i n gh a n d l i n g i np r o c e d u r eo fa n a l y s i s ，t h ea u t h o rh a st r a n s f o r m e dm 1 n i xi n s e v e r a lp l a c e s f o re x a m p l e ，b e c a u s et h er o b i n r o u n ds c h e d u l i n gi n m i n i xi sn o t p r e c i s e ，t h e a u t h o rh a se n h a n c e dt h e p r e c i s i o n o f r o b i n r o u n ds c h e d u l i n gi ni tt h r o u g hs e t t i n gn e wd a t as t r u c t u r e sa n d u t i l i z i n gn e wa r i t h m e t i c ；b e c a u s em e c h a n i s mo fp r o c e s ss c h e d u l i n g i n m i n i xc a u s e si tt ol a c kp r o v i d i n gt i m e - s h a r i n g ，t h ea u t h o rh a se n h a n c e d i t s a b i l i t yt op r o v i d et i m e - s h a r i n gt h r o u g ha m e n d i n gt h ea r i t h m e t i c o f p r o c e s ss c h e d u l i n g ，a n ds oo n w h e t h e rf o rt h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fas i n g l eh o s t ，o ro ft h e n e t w o r k ，o p e r a t i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t s og o v e r n m e n ts h o u l dt a k e s t r o n gs u p p o r tf o rt h ew o r ko fr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go fo p e r a t i n g s y s t e m k e y w o r d s ：a r c h i t e c t u r ep r o c e s sk e r n e l i n t e r r u p t m e s s a g e 4 刚晶 1 9 5 2 年由v o nn e u m a n n 领导完成的i a s 系统，奠定了现代计算机 组织结构( a r c h i t e c t u r ea n ds t r u c t u r e ) 的原型。笔者认为v o n n e u m a n n 最大的贡献是：他提出的计算机组织结构使计算机软件与硬 件实现了分离，这使得在同一硬件上可利用软件灵活而有效地实现多 种不同的服务。虽然硬件与软件实现了分离，但由于硬件本身的复杂 性及其机器指令的繁琐与不易维护性，使得软件开发与维护工作极其 低效。为了提高软件开发与维护的效率，计算机科学家们设计了一名 叫操作系统的系统软件，用它来隔离软件与硬件，达到为用户提供扩 展虚拟机和管理机器资源的目的。操作系统位于硬件和用户软件之 间，它的出现大大提高了系统和用户工作的效率，所以在五十年代以 后，操作系统技术作为计算机技术的一个重要分支被发展起来。随着 微电子技术与计算机硬件的发展，为满足用户不断提出的服务要求， 操作系统在理论与实践中得到了长足进步。当用户提出需要同时满足 多个不同服务的要求时，计算机科学家们开发了多任务操作系统 ( m u l t i t a s k so p e r a t i n gs y s t e m ) ，多任务操作系统在一个c p u 上虚 拟多个c p u ，以满足如订票这种需要同时处理多个不同任务系统提出 的服务要求，多任务性是现代操作系统的一个基本特征。 在多任务操作系统中，进程( p r o c e s s ) 机制扮演了重要的角色，它 是实现多任务、多用户的基本机制。进程就是一段抽象的执行程序， 它与执行程序不同之处在于，每一个进程都有与之相对应的进程控制 结构。进程控制结构记录了进程的状态，如进程的执行流位置、进程 的c p u 状态等，这使得在一段时间内，进程既可以被机器执行，也可 不被机器执行。当操作系统需要执行一进程时，它首先将该进程控制 结构所描述的进程状态恢复，然后执行该进程；当操作系统不需要执 行一进程时，它首先保存该进程状态入其控制结构，然后停止执行该 进程( 即恢复执行另外的进程) 。 m i n i x 是一个多任务、多用户的现代操作系统，对它的进程管理 系统的分析与研究，可以达到管窥全豹的作用。 操作系统的结构决定了系统对进程管理采用的方式与机制，所以 笔者将以对m i n i x 结构的分析开始本文，在第一章中笔者将通过比较 u n i x 与m i n i x 结构的优缺点，达到对m i n x 结构的较深理解，为以后 的分析与研究作铺垫。 在完成对m i n i x 结构的分析后，在本文的第二章，即系统初始化 过程中，笔者将按照从机器启动到引导装入m i n i x ，然后内核进程环 境初始化的过程，分析并研究m i n i x 是如何为系统正常的执行建立相 应的环境。在这章中，我们会看到m i n i x 是如何利用硬件提供的机制 以实现其系统要求，同时笔者将讨论m i n i x 的作者为何利用了硬件的 这种机制，又为何不利用另一种机制及其优缺点。同时，我们还可以 看到系统定义和处理的一些重要数据结构，如g d t 、i d t 、内核进程控 制表等。这部分的讨论与研究有助于对m i n i x 的进程管理有一初步的 理解。 第三章即进程管理系统中的进程调度与切换，这是本文的核心。 在这章中，笔者首先介绍并分析了m i n i x 的进程调度机制及其优缺点。 笔者认为对进程调度与切换的处理，就是对系统中中断处理的一部 分。故笔者把对m i n i x 进程调度与切换的分析和研究融入到对系统中 断处理的分析中去。首先笔者分析了m i n i x 对外部硬中断处理的处理 过程，并就其中的中断嵌套的处理、中断消息的处理展开了讨论；随 后笔者分析了m i n i x 对其定义的用以提供系统陷入机制的两个软中断 处理的处理过程，在分析中，笔者讨论了在系统中扮演重要角色的消 息机制，并就其带来的问题，如：进程的组织、消息死锁的检测与处 理、由消息带来的进程状态变化的处理等展开了讨论与研究；最后笔 者分析了m i n i x 对外部时钟中断的处理过程，和由此带来的对用户进 程时间片调度的处理，在分析中，笔者对m i n i x 的时间片调度实现及 其优缺点展开了讨论。 第一章m i n i x 的结构 选择什么样的结构，笔者认为这是操作系统软件设计师们应首先 考虑的问题，从早期的单一结构( m o n o l i t h i cs t r u c t u r e ) 到今天的客 户机与服务器结构( c l i e n t s e r v e rs t r u c t u r e ) ，反映了随着计算机 技术的发展，为满足不同的需求操作系统结构的不断创新。这里笔者 不会一论述各种结构及其优缺点，而主要通过比较u n i x 与m i n i x 的结构，来阐述m i n i x 所采用的结构。 虽然m i n i x 是参照早期的u n i x 的公开版本发展而来的，但m i n i x 却采用了与u n i x 的单一结构( m o n o l i t h i cs t r u c t u r e ) 不同的客户机 与服务器结构( c l i e n t s e 王v e rs t r u c t u r e ) 。 f i i n i x 与u n i x 的结构见 图卜l ( a ) 与图卜l ( b ) 。 u n i x 把系统的所有部分都连接为一个目标文件，它在执行时依靠 机器硬件把整个机器空间分为用户和内核两个空间。按照功能的不 同，内核又分为文件子系统与进程控制子系统，文件子系统负责内存 与机器外设之间的数据交换，而进程控制子系统负责内存的管理、进 程的调度与切换、进程的同步与通讯。用户空间的进程不能直接访问 内核空间，只有通过系统调用或系统提供的陷入机制，才能转换到内 核空间。当一用户进程陷入到内核中后，该进程包含两部分：内核空 间与用户空间部分，即内核空间的代码被加入到用户进程中。 m i n i x 逻辑上分为四层，每层的权限级随着层次的增加而降低， 低层为上层服务，高层向低层请求服务。位于最低层的进程管理系统 权限最高，它拥有所有机器资源，其主要完成进程的调度与切换、内 核环境的初始化、对消息的处理、捕获陷入与中断处理；位于第二层 的i o 任务层只拥有部分的机器资源，如不能访问部分系统寄存器、 不能执行部分机器指令，但它能够访问权限级低于它的进程内存空间 ( 高权限进程不一定能访问低权限进程的所有内存空间，如m i n i x 第 二版在i n t e lc p u 的保护模式下，高权限进程只能访问低权限进程的 数据段，而无法其访问代码段) ，以为他们完成i o 请求。其主要是 完成内存与i l o 设备的数据交换；位于第三层的服务层权限小于下面 的两层，不能直接访问i o 设备，也不能访问下两层的存储空间。 用户进程4 服务进程3 i 0 1 壬务2 丑 用户空间 内核空间 l n l t i n e t 其它用户进程 文件管理系统i 存储管理系统it c p 1 p 服务器l其它服务进程 磁盈任务l 时钟任务i 系统任务i 终端任务l 其它任务进程 进程管理系统 硬件 a i 用户进程l k t| | i十 0 山 系统调用接口 l + 文件子系统 l 进程内部通 j。 工 进程 讯子系统 控制 子系 进程调度 c a c h e 缓冲统 1， 工 内存管理 字符设备块设备 设备驱动程序 硬件 b 1 1 1 1 - 1 4 它主要完成系统调用的解释、文件和逻辑设备的管理。除内核中进程 管理层与i o 任务层之间可采用函数调用机制( 即堆栈机制) 外，其余 各层以及同一层上的不同部分都只能通过消息通讯，同时也不能够越 级接发消息，如处于用户层的进程就不能直接向i o 任务层的进程发 送或要求对方发送消息，而只能通过向服务层的进程发送或要求对方 发送消息来请求i o 任务层的服务。m i n i x 的目标代码包含内核执行 文件、文件系统和存储系统等服务系统的执行文件、i n i t 等用户执行 文件。虽然作者把进程管理系统与i o 任务层放入同一执行文件，但 并不意味着他们拥有相同的权限级。依赖机器提供的物理保护机制， m i n i x 的逻辑分层的不同权限更易实现。如m i n i x 应用到i n t e l8 0 2 8 6 以后c p u 的保护模式下，进程管理系统处于0 机器权限级、i o 任务 层处于l 级，而服务层与用户层同处于3 级。i n t e lc p u 保护模式下 的机器权限级情况见图卜2 。关于i n t e lc p u 的保护机制，由于其复 杂，限于篇幅，