改進(jìn)Minix 3進(jìn)程間通信

但是通過(guò)內(nèi)核緩沖的方法降低了系統(tǒng)的性能。首先內(nèi)核必須在內(nèi)核空間開(kāi)辟公用的消息緩沖，在很多進(jìn)程都需要消息傳遞時(shí)，緩沖區(qū)將出現(xiàn)溢出情況，并且不同進(jìn)程改變緩沖區(qū)的消息時(shí)，使得進(jìn)程地址空間相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)思想被變相的破壞了，進(jìn)程可以通過(guò)改變緩沖區(qū)中的消息來(lái)實(shí)現(xiàn)改變其他進(jìn)程地址空間的內(nèi)容，這使得微內(nèi)核Minix 3原本的高可靠性和高安全性設(shè)計(jì)思想被破壞。其次，消息必須被復(fù)制兩次，這兩次數(shù)據(jù)拷貝可能耗時(shí)很大，拷貝消息n字節(jié)的消息必須消耗20+0.75n次CPU指令周期[2]，并且還會(huì)導(dǎo)致TLB和cache的未命中。

在這里我們提出一種新的設(shè)計(jì)思路。內(nèi)核通過(guò)將進(jìn)程A地址空間中的消息映射給B通過(guò)這種快速映射來(lái)實(shí)現(xiàn)消息的傳遞（見(jiàn)圖3）。在映射過(guò)程為了防止進(jìn)程B對(duì)進(jìn)程A中的該頁(yè)面進(jìn)行修改而產(chǎn)生的不可靠性，在映射過(guò)程中采用了寫(xiě)時(shí)拷貝技術(shù)。資源的復(fù)制是在進(jìn)程B需要寫(xiě)入時(shí)才會(huì)進(jìn)行，在此之前，頁(yè)面以只讀方式共享。它將地址空間上的頁(yè)的拷貝被推遲到實(shí)際發(fā)生寫(xiě)入的時(shí)候。

這種方法避免了在內(nèi)核中設(shè)置消息緩沖，這也符合了是Minix 3在消息傳遞采用的聚合原則。

Intel系列CPU的MMU可以采用兩級(jí)頁(yè)表，第一級(jí)為頁(yè)目錄，大小為4KB，存儲(chǔ)在物理頁(yè)中，每個(gè)表項(xiàng)4字節(jié)長(zhǎng)，共1024個(gè)表項(xiàng)。每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)第二級(jí)的一個(gè)頁(yè)表，第二級(jí)的每一個(gè)頁(yè)表也有1024個(gè)表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)物理頁(yè)。由于Minix 3采用了固定大小的消息通信，消息的大小隨機(jī)器的體系結(jié)構(gòu)的不同會(huì)有所不同，但消息大小肯定是在頁(yè)面大小以?xún)?nèi)的。因此，一次消息的映射只需要復(fù)制一個(gè)頁(yè)表，即4字節(jié)而已（見(jiàn)圖4）。這種方法對(duì)于消息傳遞所付出的代價(jià)是可以忽略的。

3、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

測(cè)試所使用的機(jī)器配置是：CPU：Intel Celeron 1.7GHZ；Cache：256K；內(nèi)存：1G。
我們讓改進(jìn)后的Minix 3的測(cè)試進(jìn)程重復(fù)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，以此來(lái)達(dá)到頻繁切換地址空間與進(jìn)程間通信的目的。例如getpid系統(tǒng)調(diào)用就是一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程到進(jìn)程管理器的一次進(jìn)程通信。測(cè)試結(jié)果如表1。


可以看到，在加入分頁(yè)機(jī)制，對(duì)進(jìn)程間通信和地址空間的切換進(jìn)行改進(jìn)后，性能的犧牲僅僅是5-10%左右，但在保證Minix 3原有的穩(wěn)定性與可靠性的基礎(chǔ)上，再次提高了穩(wěn)定性和可靠性，這是非常值得的。

4、結(jié)論

微內(nèi)核中困擾性能的兩大因素主要是進(jìn)程間通信以及任務(wù)切換。除了對(duì)進(jìn)程間通信做出改進(jìn)以外，也需要對(duì)任務(wù)切換進(jìn)行優(yōu)化。大量的任務(wù)切換直接導(dǎo)致了地址空間的轉(zhuǎn)換，而地址空間的切換必然伴隨著TLB的刷新，隨著TLB容量的增加，TLB的刷新也為地址空間切換的帶來(lái)了很大的開(kāi)銷(xiāo)，可以設(shè)計(jì)一種能有效避免TLB刷新的方法。