改進Minix 3進程間通信

但是通過內(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)核空間開辟公用的消息緩沖，在很多進程都需要消息傳遞時，緩沖區(qū)將出現(xiàn)溢出情況，并且不同進程改變緩沖區(qū)的消息時，使得進程地址空間相互獨立的設計思想被變相的破壞了，進程可以通過改變緩沖區(qū)中的消息來實現(xiàn)改變其他進程地址空間的內(nèi)容，這使得微內(nèi)核Minix 3原本的高可靠性和高安全性設計思想被破壞。其次，消息必須被復制兩次，這兩次數(shù)據(jù)拷貝可能耗時很大，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]，并且還會導致TLB和cache的未命中。

在這里我們提出一種新的設計思路。內(nèi)核通過將進程A地址空間中的消息映射給B通過這種快速映射來實現(xiàn)消息的傳遞（見圖3）。在映射過程為了防止進程B對進程A中的該頁面進行修改而產(chǎn)生的不可靠性，在映射過程中采用了寫時拷貝技術(shù)。資源的復制是在進程B需要寫入時才會進行，在此之前，頁面以只讀方式共享。它將地址空間上的頁的拷貝被推遲到實際發(fā)生寫入的時候。

這種方法避免了在內(nèi)核中設置消息緩沖，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可以采用兩級頁表，第一級為頁目錄，大小為4KB，存儲在物理頁中，每個表項4字節(jié)長，共1024個表項。每個表項對應第二級的一個頁表，第二級的每一個頁表也有1024個表項，每個表項對應一個物理頁。由于Minix 3采用了固定大小的消息通信，消息的大小隨機器的體系結(jié)構(gòu)的不同會有所不同，但消息大小肯定是在頁面大小以內(nèi)的。因此，一次消息的映射只需要復制一個頁表，即4字節(jié)而已（見圖4）。這種方法對于消息傳遞所付出的代價是可以忽略的。

3、實驗及結(jié)果分析

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


可以看到，在加入分頁機制，對進程間通信和地址空間的切換進行改進后，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程間通信以及任務切換。除了對進程間通信做出改進以外，也需要對任務切換進行優(yōu)化。大量的任務切換直接導致了地址空間的轉(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了很大的開銷，可以設計一種能有效避免TLB刷新的方法。