如何提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

對(duì)于一個(gè)好的操作系統(tǒng)，需要兼顧功能強(qiáng)大，用戶易用性，可靠性，實(shí)時(shí)性，可維護(hù)性， 很多時(shí)候最后的設(shè)計(jì)是這些要求達(dá)成的一個(gè)平衡，今天我們討論如何提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)分為軟實(shí)時(shí)與硬實(shí)時(shí)， 軟實(shí)時(shí)要求平均響應(yīng)時(shí)間要小于某一個(gè)值，硬實(shí)時(shí)要求最壞響應(yīng)時(shí)間要小于某一個(gè)值，很多應(yīng)用場(chǎng)景任務(wù)的實(shí)時(shí)要求非常高，比如汽車防抱死系統(tǒng)，差10毫秒就是人命關(guān)天，時(shí)間就是生命。 電信中主管網(wǎng)絡(luò)損壞，我們需要在50毫秒之內(nèi)倒換到備份網(wǎng)絡(luò)之中，否則可能有成千上萬(wàn)個(gè)通話中斷， 損失重大， 至于航天系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的重要性要求不言而喻。其他的系統(tǒng)，如手機(jī)，太慢了用戶感覺(jué)肯定不爽，我不希望按接電話鍵2秒鐘都沒(méi)反應(yīng)，那樣對(duì)方可能掛機(jī)了。我在華清遠(yuǎn)見(jiàn)從事講師工作期間，參加培訓(xùn)的學(xué)員經(jīng)常會(huì)聊到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的話題。

如何提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性呢。

1. 縮短中斷響應(yīng)時(shí)間。幾乎所有的實(shí)時(shí)事件都是通過(guò)中斷上報(bào)的，當(dāng)中斷來(lái)臨時(shí)，我們必須停止當(dāng)前的一切任務(wù)，響應(yīng)中斷，我們把中斷分成兩部分：上半部分與下半部分，或者快中斷部分與慢中斷部分。上半部分屏蔽其他中斷，處理那些緊急任務(wù)，如清除某些寄存器，保存中斷現(xiàn)場(chǎng)，給相應(yīng)進(jìn)程發(fā)送消息等， 其他不太緊急的部分放在下半部分，此時(shí)所有中斷打開(kāi)，不影響其他任務(wù)的完成。

2. 縮短進(jìn)程上下文切換時(shí)間。當(dāng)CPU在執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)，實(shí)時(shí)任務(wù)到來(lái)，需要馬上執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，我們不能等到當(dāng)前任務(wù)時(shí)間片用完才去執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，那樣黃花菜都涼了，必須在中斷來(lái)臨之時(shí)馬上能過(guò)切換過(guò)去，保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文如寄存器，內(nèi)存，文件，信號(hào)等上下文，恢復(fù)實(shí)時(shí)任務(wù)的上下文。保存恢復(fù)上下文越快越好，這就要求兩個(gè)進(jìn)程的上下文共享的資源越少越好，如每個(gè)任務(wù)的內(nèi)存是獨(dú)立的，甚至寄存器也是獨(dú)立的，這樣互不干擾，切換最快了。

3. 縮短實(shí)時(shí)進(jìn)程調(diào)度時(shí)間。一般進(jìn)程都是按照優(yōu)先級(jí)調(diào)度的，實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)當(dāng)然要比非實(shí)時(shí)的高， 不同實(shí)時(shí)進(jìn)程按緊急度不同優(yōu)先級(jí)也不同，實(shí)時(shí)進(jìn)程調(diào)度算法最好與非實(shí)時(shí)部分有所區(qū)別，算法復(fù)雜度最好是O(1).

4. 縮短進(jìn)程資源分配等待時(shí)間。對(duì)于一個(gè)多進(jìn)程操作系統(tǒng)，很多資源是大家共享的，如果實(shí)時(shí)進(jìn)程需要某個(gè)資源，發(fā)現(xiàn)那個(gè)資源被別的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程占用，非要等人家執(zhí)行完才行，而此低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程級(jí)別實(shí)在太低，其它的進(jìn)程趁機(jī)搶占了CPU, 導(dǎo)致這個(gè)低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程遲遲得不到執(zhí)行，連累苦了我們的實(shí)時(shí)進(jìn)程。這樣就造成了優(yōu)先級(jí)的反轉(zhuǎn)， 解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)也有很多辦法：主要有優(yōu)先級(jí)繼承與優(yōu)先級(jí)極限兩種， 原理都相同：此時(shí)迅速提高占有資源的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，使其優(yōu)先級(jí)至少與等待資源的實(shí)時(shí)進(jìn)程相同。

5. 以空間換時(shí)間，減少資源的延遲分配。減少虛資源的分配， 要給就給實(shí)的，甚至可以預(yù)分配資源。通常進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)得到的內(nèi)存都是虛的，適用malloc得到的資源也是虛擬內(nèi)存，真正的內(nèi)存只有當(dāng)你讀些到這個(gè)頁(yè)時(shí)才分配，先產(chǎn)生缺頁(yè)中斷，在缺頁(yè)中斷里調(diào)用物理頁(yè)面分配函數(shù)，不過(guò)這需要一定的時(shí)間，硬實(shí)時(shí)任務(wù)是等不及的，所以開(kāi)始不能跟他玩虛的，狠狠心，開(kāi)始就把它需要的物理資源備好，所以如果需要寄存器就不要拿Cache敷衍，

如果需要Cache就不要拿內(nèi)存敷衍，如果需要內(nèi)存就不要拿硬盤空間敷衍， 傳統(tǒng)的以時(shí)間換空間的方法在這兒行不通的。在價(jià)格能夠承受的情況下，盡量分配多級(jí)存貯系統(tǒng)的高速部分。

6. 盡量使操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單，甚至定制，為了實(shí)時(shí)性，我們不得不犧牲他的其他功能，也減少用戶易用性，如去掉圖形界面部分，去掉虛擬內(nèi)存管理，甚至去掉多進(jìn)程，專注于一個(gè)任務(wù)效率當(dāng)然最高， 理論證明，如果有多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，要保證他們都不會(huì) miss deadline, 流出來(lái)的緩沖時(shí)間至少要達(dá)到30%, 這里還沒(méi)考慮到上下文切換時(shí)間，實(shí)際需要的緩沖時(shí)間更多。

當(dāng)前實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有DOS, Windows mobile, Windows CE, VxWorks, 各種實(shí)時(shí)Linux, Qnux等。 我國(guó)我們的通用操作系統(tǒng)要考慮到實(shí)時(shí)性，必須在其設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到可裁減性，可配置性，這樣到實(shí)時(shí)場(chǎng)合下，可以很方便的拋棄一切不必要的負(fù)擔(dān)，全身的投入到實(shí)時(shí)任務(wù)之中。而這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的要求。