微内核是个什么鬼?华为鸿蒙OS是基于微内核的全场景分布式OS

无色 2019年8月13日18:22:36 评论 594

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微内核(英文中常译作µ-kernel或者micro kernel)。是一种能够提供必要服务的操作系统内核;其中这些必要的服务包括任务,线程,交互进程通信(IPC,Inter-Process Communication)以及内存管理等等。所有服务(包括设备驱动)在用户模式下运行,而处理这些服务同处理其他的任何一个程序一样。因为每个服务只是在自己的地址空间运行。所以这些服务之间彼此之间都受到了保护。

微内核是个什么鬼?

微内核是个什么鬼?

微内核是个什么鬼?网络上不断地出现微内核OS的概念。特别是华为的鸿蒙OS 将采用微内核,更激发了对微内核的热情。其实Google Fuchsia OS 也采用了微内核Zircon收集了一些内容,帮助自己理解什么是微内核。

术语

微内核(Microkernel)

在微内核中,大部分内核都作为单独的进程在特权状态下运行,他们通过消息传递进行通讯。在典型情况下,每个概念模块都有一个进程。因此,假如在设计中有一个系统调用模块,那么就必然有一个相应的进程来接收系统调用,并和能够执行系统调用的其他进程(或模块)通讯以完成所需任务。

微内核是个消息转发站:当系统调用模块要给文档系统模块发送消息时,消息直接通过内核转发。这种方式有助于实现模块间的隔离。

微内核设计的一个长处是在不影响系统其他部分的情况下,用更高效的实现代替现有文档系统模块的工作将会更加容易。我们甚至能够在系统运行时将研发出的新系统模块或需要替换现有模块的模块直接而且迅速的加入系统。另外一个长处是无需的模块将不会被加载到内存中,因此微内核就能够更有效的利用内存。

微内核的功能被划分为独立的过程,每个过程叫做一个服务器。理想情况下,只有强烈请求特权服务的服务器才运行在特权模式下,其他服务器都运行在用户空间。不过,所有的服务器都保持独立并运行在各自的地址空间。因此,就不可能像单模块内核那样直接调用函数,而是通过消息传递处理微内核通信:系统采用了进程间通信(IPC)机制,因此,各种服务器之间通过IPC机制互通消息,互换“服务”。服务器的各自独立有效地避免了一个服务器的失效祸及另一个。

微内核的概念是由Richard Rashid在卡内基梅隆(Carnegie-Mellon)大学开发Mach操作系统时提出的,目标是建立一个基于消息传送(message passing)机制的最小内核,以便在此基础上建造对其它操作系统的模拟层来模拟其它操作系统的特性。

微内核设计带来了良好的兼容性、扩充性、灵活性、移植性、可靠性和网络支持。但是,微内核设计有一个重要缺点:由于微内核操作系统使用进程来隔离系统组件,这些组件之间的通信使用了消息传递方式来实现一个组件对另一个组件的调用-这实际上是进行了一次RPC(例如在NT上是LPC)调用。但这种类似RPC的方式是通过进程间通信(IPC)机制实现的,其性能一般低于传统操作系统的系统调用的性能。由于微内核操作系统的类似RPC调用是通过消息传送机制实现的,而传统操作系统的系统调用一般是通过类似trap的方法实现。相比于trap方法,通过消息传送机制实现的这种类RPC调用的方式较慢-微内核完成一次这样调用的操作较慢,这是由于需要创建消息、发送消息、进程切换等更多的步骤。这些步骤使得微内核操作系统的消息传送部分成为一个瓶颈,其性能大大低于传统操作系统的系统调用部分。例如,在Mach 3上,一个基于消息传送机制的类RPC调用在486-DX50上引入了230µs的开销,而一个传统Unix系统的系统调用在同一硬件上仅仅引入了20µs的开销。这就是说,传统Unix系统的系统调用比Mach 3的类RPC调用快10倍。这个巨大的差距明显地降低了许多运行在微内核操作系统上的应用程序的性能。例如,Chen和Bershad [2]在DEC-Station 5200/200上比较了应用程序在Mach和Ultrix操作系统 (一个Unix变种)运行时的速度,发现相对于Ultrix操作系统Mach最多降低了这些应用程序66%的性能。测量表明至少73%的性能下降和RPC或RPC相关活动有关[1]。这些性能下降除了是由于消息传送机制过多的步骤引起外,还和微内核设计导致的过多用户态和核心态之间的切换以及过多的不同地址空间之间的切换有关。

微内核是个什么鬼?

 单内核(Monolithic kernel)

单内核就是把它从整体上作为一个单独的大过程来实现,并同时运行在一个单独的地址空间。因此,这样的内核通常以单个静态二进制文件的形式存放于磁盘。所有内核服务都在这样的一个大内核空间中运行。内核之间的通信是微不足道的,因为大家都运行在内核态,并身处同一地址空间:内核可以直接调用函数,这与用户空间没有什么区别。这种模式的支持者认为单模块具有简单和高性能的特点。大多数Unix系统都设计为单模块。

单内核好像一个很大的进程。它的内部又能够被分为若干模块(或是层次或其他)。但是在运行的时候,它是个单独的二进制大映象。其模块间的通讯是通过直接调用其他模块中的函数实现的,而不是消息传递。

单内核的支持者声称微内核的消息传递开销引起了效率的损失。微内核的支持者则认为因此而增加的内核设计的灵活性和可维护性能够弥补任何损失。

 

微内核优势

能够使得不同的API,文件系统,甚至不同的操作系统的特性在一个系统中共存。
系统非常灵活。当运行一个应用程序时,只需把选定的系统服务加载到系统中即可。而修改了服务以后可以通过联机进行测试;并不需要重新构建或者启动一个新的内核,他们并不影响系统的运行。
系统服务或者设备驱动故障和与它们有关的运行任务是隔绝的。
依存关系的服务器系统可以加以限制,使为安全重要至关信赖的计算基数的应用可被削减。
这种由微内核所决定的结构(IPC,多线程)能够应用在所有的应用程序和服务上。一个精炼的微内核接口能够有演绎成更多模块的系统结构。

微内核

微内核

 

微内核结构

微内核是内核的一种精简形式。将通常与内核集成在一起的系统服务层被分离出来,变成可以根据需求加入的选件,这样就可提供更好的可扩展性和更加有效的应用环境。使用微内核设计,对系统进行升级,只要用新模块替换旧模块,不需要改变整个操作系统。
可以用商业对比来解释微内核的模块概念。考虑一个过度忙碌的商务经理。通过将工作分给其他人,这位经理可以将他的能力更有效地用于重要的商务工作中去,并集中于其他一些任务,例如开辟新的商务分支等。可以雇佣一些新人来支持增长的商务活动。经理协调这些工作,但由其他的人做好雇佣他们时说好要做的事。与此类似,微内核操作系统支持执行少量核心任务,并管理可安装模块的活动。用这种方式,微内核对于它能做的工作是非常有效的,并是可移植的,这是指它可以被设计成在不同的处理器上运行。
基于微内核的操作系统具有如下特征:
微内核提供一组“最基本”的服务,如进程调度、进程间通信、存储管理、处理I/O设备。其他服务,如文件管理、网络支持等通过接口连到微内核。与此相反,内核是集成的,比微内核更大。
微内核具有很好的扩展性,并可简化应用程序开发。用户只运行他们需要的服务,这有利于减少磁盘空间和存储器需求。
厂商可以很容易地将微内核移植到其他处理器平台,并在上面增加适合其他平台需要的模块化部件。(这指文件服务器、工程应用等等)。
微内核和硬件部件有接口,并向可安装模块提供一个接口。在微内核中,进程通过传递消息或运行“线程”来发生相互作用。线程为将一个任务分解为多个子任务提供了途径,在多处理器环境下,线程可以在不同的处理器上独立运行。
象Mach和Nucleus这样的微内核操作系统,使用户可以自己选择操作系统的接口和特性。它们十分适合可以选择多处理器和多操作系统的变化的计算机市场,开发商也可从中受益。它们能够很快地从一个系统向另一个系统移植他们的产品,使最终用户可以得到许多应用产品。这种模块化的设计也保证了可以得到大量的可选服务。

微内核操作系统

Nucleus Chorus系统公司(Beaverton,oregon)设计,该公司总部设在法国。
WindowsNT这种操作系统是围绕着Microsoft设计的微内核而设计的,它紧跟在Mach设计之后。它提供线程调度、中断和意外事件管理、多处理器同步和系统恢复(在掉电之后)。它永远不会被存储器管理程序调出内存,而且它的执行也永远不能被其它进程中断。
OSF/1MK这是开放式系统基金会的OSF/1 UNⅨ操作系统使用微内核研究的最新版本。它实现了Mach内核,并提供虚拟存储管理、进程间通信和设备驱动程序管理。
UNⅨ SVR4 UNⅨ系统实验室公司推出了一个微内核的UNⅨ SVR4(系统V版本4)。它实现了Nucleus微内核。它提供前面讨论的所有微内核特征;然而,在微内核中不管理驱动程序。
WorkPlace OS IBM的微内核是基于Mach微内核的。这种微内核在Motorola Power PC处理器上运行,它是Intel80486和Pentium处理器的直接竞争者。WorkPlace操作系统上的用户可以选择不同的运行于操作系统上的接口,如DOS、OS/2、Windows、U-NⅨ等。IBM微内核的体积很小(约40K),可处理基本的任务,如存储器管理、线程管理、中断管理和消息传递。

微内核结构由一个非常简单的硬件抽象层和一组比较关键的原语或系统调用组成;这些原语,仅仅包括了建立一个系统必需的几个部分;如线程管理,地址空间和进程间通信等。
微核的目标是将系统服务的实现和系统的基本操作规则分离开来。例如,进程的输入/输出锁定服务可以由运行在微核之外的一个服务组件来提供。这些非常模块化的用户态服务器用于完成操作系统中比较高级的操作,这样的设计使内核中最内核的部分的设计更简单。一个服务组件的失效并不会导致整个系统的崩溃,内核需要做的,仅仅是重新启动这个组件,而不必影响其它的部分
微内核将许多OS服务放入分离的进程,如文件系统,设备驱动程序,而进程通过消息传递调用OS服务.微内核结构必然是多线程的,第一代微内核,在内核提供了较多的服务,因此被称为'胖微内核',它的典型代表是MACH,它既是GNU HURD也是APPLE SERVER OS 的内核,可以说,蒸蒸日上.第二代微内核只提供最基本的OS服务,典型的OS是QNX,QNX在理论界很有名,被认为是一种先进的OS.

目前由那些微内核OS?

-L4 是J. Liedtke 和他的团队1995年开发的。
- Mach Mach最初由卡内基梅隆大学的计算机科学系在20世纪80年代中期开发。据说apple 的Mac OS X 采取了Mach 内核。
- Exokernel 是MIT 1994/1995 年研发的。
- QNX Neutrino 一个商业的微内核OS
- google 的 Fuchsia OS 采用Zircon的微内核。它是由Magenta改为Zircon。
-华为的鸿蒙 OS 也使用微内核。是否会是Zircon呢?

更多的例子:

AⅨ
BeOS
Minix
MorphOS
RadiOS
VSTa

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