組件機(jī)制與操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1、組件機(jī)制與操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)摘要本文介紹了一個(gè)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)-OSKit,它提供了一套用于架構(gòu)操作系統(tǒng)內(nèi)核的庫(kù)函數(shù)和一些組件。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低進(jìn)入操作系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的門坎。OSKit在設(shè)計(jì)時(shí)借用了COM的思想，把操作系統(tǒng)的各個(gè)部份設(shè)計(jì)成盡可能獨(dú)立的組件，使開(kāi)發(fā)者能夠很方便地利用或替換這些組件來(lái)構(gòu)造自己的操作系統(tǒng)。關(guān)鍵字組件重用操作系統(tǒng)OSKit1引言當(dāng)前，操作系統(tǒng)的功能不斷擴(kuò)展，操作系統(tǒng)的類型呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。一個(gè)小規(guī)模的開(kāi)發(fā)小組已經(jīng)不可能完全從頭開(kāi)始實(shí)現(xiàn)一個(gè)有效的操作系統(tǒng)，而一樣情形下，研究人員只對(duì)操作系統(tǒng)的一些特定領(lǐng)域感愛(ài)好，而關(guān)于另外一些元素，如啟動(dòng)加載代碼、核心啟動(dòng)代碼、設(shè)備驅(qū)動(dòng)

2、程序和內(nèi)存分派代碼等往往不感愛(ài)好，可是一個(gè)可運(yùn)行的原型系統(tǒng)又必需包括這些內(nèi)容。編寫這些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)延緩了操作系統(tǒng)研究項(xiàng)目的進(jìn)度，同時(shí)也增加了進(jìn)行操作系統(tǒng)研究的代價(jià)。為了解決這一問(wèn)題，猶他大學(xué)的FLUX研究小組開(kāi)發(fā)了OSKit,它提供了一個(gè)框架和一組模塊化的、具有簡(jiǎn)單接口的庫(kù)和一組清楚的、可重用的OS組件。OSKit能夠用來(lái)構(gòu)建操作系統(tǒng)內(nèi)核、外層效勞和其他核心OS功能模塊。OSKit提供了各類功能模塊，諸如簡(jiǎn)單自舉，一個(gè)可用于內(nèi)核的最小化POSIX環(huán)境、與物理內(nèi)存和其約束一致的內(nèi)存治理、普遍的調(diào)試支持，和高層子系統(tǒng)如協(xié)議棧和文件系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)者能夠依照自己的研究愛(ài)好或所要考慮的性能來(lái)利用這些模塊，或用他

3、們自己的模塊來(lái)替代標(biāo)準(zhǔn)的OSKit模塊。OSKit公布了它內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，許諾用戶從成熟的操作系統(tǒng)中不加修改地提取代碼，然后通過(guò)一小部份通過(guò)認(rèn)真設(shè)計(jì)的粘接代碼將它們歸并到一路，隔離它們的依托性，并輸出良好概念的接口。OSKit利用這一技術(shù)整合了許多穩(wěn)固而成熟的源代碼，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等等。實(shí)踐說(shuō)明，利用組件軟件架構(gòu)和重用技術(shù)會(huì)給操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域帶來(lái)大的阻礙。2組件技術(shù)簡(jiǎn)介組件技術(shù)是一種較新的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。到目前為止，還難以確信組件技術(shù)的明肯概念。比如，對(duì)組件技術(shù)的常見(jiàn)說(shuō)法有以下這些：“二進(jìn)制軟件單元”、“任意場(chǎng)合可部署的軟件”、“專門適合第三方開(kāi)發(fā)”和“標(biāo)準(zhǔn)概念的接口”等等。大

4、致上能夠如此明白得：所謂組件，其實(shí)確實(shí)是一種可部署軟件的代碼包，其中包括某些可執(zhí)行模塊。組件單獨(dú)開(kāi)發(fā)并作為軟件單元利用，它具有明確的接口，軟件確實(shí)是通過(guò)這些接口挪用組件所能提供的效勞，多種組件能夠聯(lián)合起來(lái)組成更大型的組件乃至直接成立整個(gè)系統(tǒng)。組件的實(shí)現(xiàn)必需支持一種或多種其用戶所希望取得的接口。實(shí)現(xiàn)組件并非必然需要采納面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。為了構(gòu)造新應(yīng)用程序，軟件開(kāi)發(fā)人員找出適當(dāng)?shù)慕M件，將這些組件加入到正在開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用程序，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試并保證應(yīng)用程序的組裝工作依照預(yù)定的計(jì)劃正常進(jìn)行。采納組件技術(shù)能降低開(kāi)發(fā)、測(cè)試和保護(hù)本錢,提高靠得住性和穩(wěn)固性。3Oskit組件綜述OSKIT的組件庫(kù)提供了一樣情

5、形下更高層的功能，它通常只對(duì)外開(kāi)放一些相關(guān)的公用挪用接口。目標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)OSKit的面向?qū)ο蟮腃OM接口來(lái)與這些組件進(jìn)行交互。以下幾節(jié)概述了OSKit所提供的組件。3. 1引導(dǎo)程序大多數(shù)操作系統(tǒng)多有自身的啟動(dòng)加載機(jī)制，彼此互不兼容。這種加載機(jī)制的多樣性并非是由于每一個(gè)OS所要求的自舉效勞不同而引發(fā)，而是由于構(gòu)建啟動(dòng)加載器的特定方式造成的。因?yàn)閺牟僮飨到y(tǒng)研究的立場(chǎng)來(lái)看，啟動(dòng)加載器是一個(gè)令人不敢愛(ài)好的領(lǐng)域，因此OS開(kāi)發(fā)者通常進(jìn)行一個(gè)最小化、快捷的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)理念和要求的輕微不同，每一個(gè)啟動(dòng)加載器都不適用于下一個(gè)OS。為了解決那個(gè)問(wèn)題，OSKit直接支持多啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)是由幾個(gè)OS項(xiàng)目的成員一起

6、設(shè)計(jì)的，它的目的是提供一個(gè)簡(jiǎn)單而通用的啟動(dòng)加載器與OS內(nèi)核間的接口，從而許諾一個(gè)啟動(dòng)加載器加載任何兼容的OSo在進(jìn)行操作系統(tǒng)研究時(shí)，多啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)有效，這其中的要緊緣故是啟動(dòng)加載器在加載內(nèi)核自身的同時(shí)還具有加載附加文件或啟動(dòng)模塊的能力。那個(gè)地址的一個(gè)啟動(dòng)模塊只是一個(gè)一般文件，啟動(dòng)加載器不以任何方式說(shuō)明它，而僅僅把它隨同內(nèi)核映像一路加載到保留物理內(nèi)存塊中。在啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)，啟動(dòng)加載器提供給內(nèi)核以下內(nèi)容：物理地址的列表、所有已加載的啟動(dòng)模塊的大小，和與每一個(gè)模塊相聯(lián)系的由用戶概念的字符串。這些啟動(dòng)模塊和與它們相聯(lián)系的用戶概念的字符串由內(nèi)核說(shuō)明。如此做的目的是為了通過(guò)提供內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)需要的數(shù)據(jù)，諸如初始化

7、程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)效勞器，來(lái)減輕內(nèi)核啟動(dòng)的負(fù)擔(dān)。3.2核心支持庫(kù)OSKit核心支持庫(kù)的要緊用途是讓客戶OS更易訪問(wèn)硬件設(shè)施。它包括了一個(gè)較大的有效函數(shù)和符號(hào)概念的集合，該集合關(guān)于治理模式代碼是超級(jí)具體的。與此相對(duì)應(yīng)，OSKit的大多數(shù)其他庫(kù)在用戶模式代碼中通常很有效。和OSKit的其余部份所不同的是，多數(shù)核心支持代碼必需是針對(duì)特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的，而這些特定機(jī)械的細(xì)節(jié)對(duì)客戶OS也是有效的。例如，在x86機(jī)械上，核心支持庫(kù)包括一些函數(shù)，用來(lái)創(chuàng)建和操縱x86頁(yè)表和段寄放器。其他OSKit組件通常提供成立在這些低層機(jī)制上的與體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)施，可是為了提供最大的靈活性，與特定結(jié)構(gòu)相關(guān)的接口始終能夠被

8、訪問(wèn)。OSKit核心支持庫(kù)在x86體系結(jié)構(gòu)上尤其重要，因?yàn)樵擉w系結(jié)構(gòu)的OS級(jí)編程環(huán)境專門復(fù)雜和模糊。核心支持庫(kù)認(rèn)真地設(shè)置了一個(gè)大體的32位執(zhí)行環(huán)境（為了與MS-DOS兼容，x86處置器通常以16位模式開(kāi)始），初始化段和頁(yè)轉(zhuǎn)換表，安裝一個(gè)中斷向量表，并提供缺省的陷阱和中斷處置程序。固然，客戶OS能夠修改或重載這些行為。但是，在缺省情形下，核心支持庫(kù)自動(dòng)地做所有必要的工作，以便使處置器進(jìn)入一個(gè)方便的執(zhí)行環(huán)境，現(xiàn)在中斷、陷阱、調(diào)試和其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施己經(jīng)如預(yù)期的那樣開(kāi)始工作。該庫(kù)在缺省情形下自動(dòng)地定位所有隨內(nèi)核加載的啟動(dòng)模塊，并保留它們所在的物理內(nèi)存。接下來(lái)，應(yīng)用程序能夠很容易利用它們?？蛻鬙S只需以標(biāo)準(zhǔn)

9、C語(yǔ)言風(fēng)格提供一個(gè)mainO函數(shù)。一切都設(shè)置好以后，內(nèi)核支持庫(kù)將用所有參數(shù)和由啟動(dòng)加載器傳遞過(guò)來(lái)的環(huán)境變量來(lái)挪用它。3.3內(nèi)存治理庫(kù)猶如在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言庫(kù)中實(shí)現(xiàn)的mallocO一樣，內(nèi)存治理代碼典型地用于用戶空間。通常并非適用于內(nèi)核。設(shè)備驅(qū)動(dòng)常常需要分派特定類型的內(nèi)存，并伴隨具體的調(diào)整屬性。例如，關(guān)于內(nèi)建的DMA操縱器只能訪問(wèn)最初的16M物理內(nèi)存。為解決這些內(nèi)存治理問(wèn)題，OSKit包括了兩個(gè)簡(jiǎn)單而靈活的內(nèi)存治理庫(kù)：（1）基于隊(duì)列的內(nèi)存治理器（或稱LMM）,它提供了功能壯大且高效的原語(yǔ)來(lái)進(jìn)行分派治理，并支持在一個(gè)池中治理多種類型的內(nèi)存。（2）地址映射治理器（或稱AMM）被設(shè)計(jì)用來(lái)治理沒(méi)必要直接映

10、射到物理內(nèi)存或虛擬內(nèi)存的地址空間，它對(duì)OS的其他方面提供了類似的支持，諸如進(jìn)程地址空間、分頁(yè)、空閑塊或IPC名字空間的治理。盡管這些庫(kù)能夠很容易地應(yīng)用在用戶空間，但事實(shí)上它們是被專門設(shè)計(jì)用來(lái)知足OS內(nèi)核的需求。3.4最小C語(yǔ)言庫(kù)成熟的OS內(nèi)核一樣都包括著相當(dāng)數(shù)量的僅僅用來(lái)從頭實(shí)現(xiàn)大體的C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)如printfO和mallocO的代碼。與此形成對(duì)照的是,OSKit提供了一個(gè)最小化C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)，它圍繞著最小化依托性而不是最大化函數(shù)性和性能的原那么來(lái)設(shè)計(jì)。3.5調(diào)試支持OSKit的一個(gè)最有效的益處是：給定一個(gè)適當(dāng)?shù)挠布O(shè)置，它立刻就能夠提供給OS開(kāi)發(fā)者一個(gè)完全源代碼級(jí)的內(nèi)核調(diào)試環(huán)境。OSKit內(nèi)核

11、支持庫(kù)包括一個(gè)可用于GNU調(diào)試器（GDB）的串行存根模塊，它在客戶OS環(huán)境中處置陷阱，并利用GDB的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議通過(guò)一個(gè)串行程序與運(yùn)行在另一臺(tái)機(jī)械上的GDB通信。乃至當(dāng)客戶機(jī)OS執(zhí)行自己的陷阱處置時(shí)，OSKit的GDB存根模塊也是可用的。若是客戶OS提供適當(dāng)?shù)你^子，它乃至支持多線程調(diào)試。除大體的調(diào)試器支持，OSKit也提供了一個(gè)內(nèi)存分派調(diào)試庫(kù)，它能夠跟蹤內(nèi)存分派并檢測(cè)一樣的錯(cuò)誤，如緩沖區(qū)溢出和釋放己釋放的內(nèi)存。那個(gè)庫(kù)提供了與許多一般應(yīng)用程序調(diào)試器相似的功能性，所不同的是它運(yùn)行在由OSKit提供的最小內(nèi)核環(huán)境中3.6設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持在OS開(kāi)發(fā)和保護(hù)中最艱巨的一個(gè)任務(wù)是支持多種多樣的I/O硬件。這

12、些復(fù)雜的設(shè)備常會(huì)含有潛在的錯(cuò)誤，而新硬件的發(fā)布又常常伴隨著不兼容的軟件接口。由于這些緣故，OSKit采納了為現(xiàn)有內(nèi)核開(kāi)發(fā)的穩(wěn)固的、通過(guò)充分測(cè)試的驅(qū)動(dòng)程序。OSKit利用了一種封裝技術(shù)，將現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)程序代碼大體上未加修改地歸并到OSKit中。這些現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)程序被一個(gè)OSKit粘結(jié)代碼層所包裝，從而使得這些驅(qū)動(dòng)程序能夠在與開(kāi)發(fā)它們的環(huán)境完全不同的環(huán)境中工作。目前，來(lái)自Linux的大多數(shù)以太網(wǎng)卡、SCSI和IDE磁盤的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被包括進(jìn)來(lái)，總數(shù)超過(guò)了五十種。用一樣的方式，來(lái)自FreeBSD的八個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也被包括了進(jìn)來(lái)，它們支持標(biāo)準(zhǔn)PC操縱臺(tái)和串口及不同的多串口板。由于OSKit把這些驅(qū)動(dòng)認(rèn)

13、真地進(jìn)行了包裝，F(xiàn)reeBSD驅(qū)動(dòng)程序能夠與Linux驅(qū)動(dòng)程序一路工作。3. 7協(xié)議棧OSKit提供了一個(gè)完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。猶如驅(qū)動(dòng)程序一樣，有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的代碼也能夠通過(guò)封裝機(jī)制被歸并進(jìn)來(lái)。OSKit當(dāng)前能夠從Linux中獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它們是PC平臺(tái)可取得的最大的免費(fèi)資源。OSKit的網(wǎng)絡(luò)組件繼承于,它通常被以為具有更多成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這顯示了利用封裝機(jī)制將現(xiàn)有軟件包裝成靈活的組件的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)：即從不同的資源中獲取最好的組件，并讓它們一路被利用。4. 8文件系統(tǒng)通過(guò)利用封裝技術(shù),OSKit吸收了NetBSD的基于磁盤的文件系統(tǒng)代碼。NetBSD之因此被選擇為首要資源庫(kù)，是因?yàn)樵?/p>

14、可用的系統(tǒng)中，它的文件系統(tǒng)代碼被最清楚地分離了出來(lái)，而FreeBSD和Linux的文件系統(tǒng)與它們的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)結(jié)合的更緊密。當(dāng)前，OSKit也把Linux文件系統(tǒng)歸并了進(jìn)來(lái)，以便能夠支持多種類型的文件系統(tǒng)格式，如Windows9五、OS/2和SystemV的文件系統(tǒng)格式等等。OSKit文件系統(tǒng)輸出的COM接口類似于許多Unix文件系統(tǒng)所利用的內(nèi)部VFS接口。這些接口具有專門好的粒度，使咱們能夠沒(méi)必要接觸OSKit文件系統(tǒng)的內(nèi)部。例如，OSKit接口只同意簡(jiǎn)單的途徑名組件,許諾平安封裝的代碼執(zhí)行適當(dāng)?shù)脑L問(wèn)許可檢查。5. OSKit的現(xiàn)狀自從在1996年6月發(fā)布了OSKit的第一個(gè)公布發(fā)行版以來(lái)，OSKit已經(jīng)更新了多次，每次更新都增加了一些算法，并修正了一些錯(cuò)誤。最新的發(fā)行版是2002年3月的版本。由此可見(jiàn)，OSKit一直處于操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的前沿，其自身也在不斷完善和進(jìn)展。5結(jié)論作為一個(gè)操作系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，OSKit大大減輕了操作系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)者的負(fù)擔(dān)。它能夠讓開(kāi)發(fā)人員躲開(kāi)復(fù)雜的底層，而把愛(ài)好集中與他們所感愛(ài)好的領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)者能夠用自己編寫的組件來(lái)取代OSKit中的部份組件，以知足自己特定的需要，從而豐碩了操作系統(tǒng)的應(yīng)用層?？傊琌SKit知足了實(shí)際客戶系統(tǒng)的