操作系统基本概念实现

为了便于后续内容的讲解，先简单介绍与操作系统相关的几个概念。

1.微内核与大内核

微内核与大内核是操作系统设计中不同的两种思想，这与CPU的RISC（精简指令集）和CISC（复杂指令集）架构类似。其中，微内核的思想是，把尽量少的操作系统机制放到内核模块中进行实现，而把尽量多的操作系统功能以单独进程或线程的方式实现，这样便于操作系统体系结构的扩展。比如，一个常见的设计思路就是，把进程（或线程）调度、进程间通信机制（IPC）与同步、定时、内存管理、中断调度等功能放到内核中实现，由于这些功能需要的代码量不是很大，所以可使得内核的尺寸很小。另外，把操作系统必须实现的文件系统、设备驱动程序、网络协议栈、IO管理器等功能作为单独的进程或任务来实现，用户应用程序在需要这些功能的时候，通过核心提供的IPC机制（比如消息机制）向这些服务进程发出请求，即一种典型的客户-服务器机制。

这种微内核的实现思路有很明显的优势，比如体系结构更加清晰，扩展性强等，而且由于内核保持很小，移植性（不同CPU之间的移植）也很强。但此思路也有很大的弊端，其中最大的一个弊端就是效率相对低下，因为系统调用等服务都是通过IPC机制来间接实现的，若服务器进程繁忙，对于客户的请求可能无法及时响应。由于效率是嵌入式操作系统追求的最主要目标，因此这种微内核的设计方式不太适合嵌入式操作系统的设计。

图1-1示意了微内核操作系统的设计思路。

图1-1 微内核操作系统的设计思路

大内核的思路相反，是把尽可能多的操作系统功能拿到内核模块中实现，在操作系统加载的时候，把这些内核模块加载到系统空间中。由于这些系统功能是静态的代码，不像微内核那样作为进程实现，而且这些代码直接在调用进程的空间中运行，不存在发送消息、等待消息处理、消息处理结果返回等延迟，因此调用这些功能代码的时候，效率特别高。所以在追求效率的嵌入式操作系统开发中，这种大内核模型是合适的。

但大内核也有一些弊端，最明显的问题就是内核过于庞大，有时候会使得它的扩展性不好（这可以通过可动态加载模块来部分解决）。但在嵌入式操作系统开发中，这种弊端表现得不是很明显。图1-2示意了大内核的开发思路。

图1-2 大内核操作系统的设计思路

2.进程、线程与任务

一般情况下，描述操作系统的任务管理机制时存在三个说法。

●进程：所谓进程，是一个动态的概念。一个可执行模块（可执行文件）被操作系统加载到内存，分配资源，并加入到就绪队列后，就形成了一个进程。一般情况下，进程有独立的内存空间（比如在典型的PC操作系统中，如果目标CPU是32位，则一个进程就有独立的4GB的虚拟内存空间），如果不通过IPC机制，进程之间是无法交互任何信息的，因为进程之间的地址空间是独立的，不存在重叠的部分。

●线程：一般情况下，线程是CPU可感知的最小的执行单元，一个进程往往包含多个线程，这些线程共享进程的内存空间，线程之间可以直接通过内存访问的方式进行通信，线程之间共享同一进程的全局变量，但每个线程都有自己的堆栈和硬件寄存器。

●任务：概念同线程类似，但与线程不同的是，任务往往是针对没有进程概念的操作系统来说的，比如嵌入式操作系统。这些操作系统没有进程的概念，或者说整个操作系统就是一个进程，这种情况下，任务便成了操作系统中最直接的执行单元。另外一个说法就是，任务往往是一个无限循环，操作系统启动时，任务随之启动，然后一直运行到操作系统结束为止。

目前情况下在Hello China的实现中是没有进程概念的，但存在多个执行线索，因此，用任务来描述这些执行线索是最合适的。但考虑到这些执行线索并不一定是无限循环，而是与通用操作系统的线程概念一致，可以根据需要创建，运行结束后自动销毁，因此也用“线程”来称呼系统中的执行线索。为了区别通用操作系统中普通的用户线程（用户进程中的线程），我们把Hello China中的执行线索叫做“核心线程”（Kernel Thread），或简单称为“线程”。

3.可抢占与不可抢占

在操作系统对进程（或线程）的调度策略中存在两种调度方式：可抢占方式和不可抢占方式。在可抢占方式下，操作系统以时间片（Time Slice）为单位来完成进程调度。针对每个进程，一次只能运行一个或几个时间片，一旦时间片消耗完毕，操作系统就会强行暂停其运行，而选择其他重新获得时间片的进程投入运行。在不可抢占方式下，进程会一直运行，操作系统不会强行剥夺其运行权，而是等待其自行放弃运行为止（或者是发生系统调用）。一般情况下，系统调用时，操作系统才进行新一轮调度。(www.xing528.com)

这两种方式在嵌入式操作系统中都被大规模地应用。但很显然，可抢占调度机制具备更好的实时性，因此在一些对实时性要求很高的场合，一般采用可抢占调度方式。但可抢占调度方式会引发另外一个问题，即多个进程之间对共享资源访问的同步问题。因此，在实现可抢占调度的同时，必须实现互斥机制、同步机制等操作系统机制来解决可抢占性带来的问题。不可抢占操作系统不存在“资源竞争”的问题，但也存在同步问题。Hello China操作系统的调度机制是基于可抢占方式进行的。

4.同步机制

有的情况下，线程之间的运行是相互影响的，比如对共享资源的访问就需要访问共享资源的线程相互同步，以免破坏共享资源的连续性。下列线程同步机制可被操作系统实现，用来完成线程的同步和共享资源的互斥访问。

（1）事件（Event）

事件对象是一个最基础的同步对象，事件对象一般处于两种状态：空闲状态和占用状态。一个内核线程可以等待一个事件对象，如果一个事件对象处于空闲状态，那么任何等待该事件对象的线程都不会阻塞。相反，如果一个事件对象处于占用状态，那么任何等待该对象的线程都进入阻塞状态（Blocked）。

一旦事件对象的状态由占用变为空闲，那么所有等待该事件对象的线程都被激活（状态由Blocked变为Ready，并被插入Ready队列），这一点与下面讲述的互斥体不同。

（2）信号量（Semaphore）

信号量也是最基础的同步对象之一，一般情况下，信号量维护一个计数器，假设为N，每当一个内核线程调用WaitForThisObject等待该信号量对象时，N就减1，如果N小于0，那么等待的线程将被阻塞，否则继续执行。

（3）互斥体（Mutex）

互斥体是一个二元信号量，即N的值为1，这样最多只有一个内核线程占有该互斥体对象，当这个占有该互斥体对象的线程释放该对象时，只能唤醒另外一个内核线程，其他的内核线程将继续等待。

注意互斥体对象与Event对象的不同，在Event对象中，当一个占有Event对象的线程释放该对象时，所有等待该Event对象的线程都将被激活，而对于Mutex对象，则只有一个内核线程被激活。

（4）内核线程对象（KernelThreadObject）

内核线程对象本身也是一个互斥对象，即其他内核线程可以等待该对象，从而实现线程执行的同步。但与普通的互斥对象不同的是，内核线程对象只有当状态是Terminal时才是空闲状态，即如果任何一个线程等待一个非Terminal状态的内核线程对象，那么将一直阻塞，直到等待的线程运行结束（状态修改为Terminal）。

（5）睡眠

一个运行的线程可以调用Sleep函数而进入睡眠状态（Sleeping），进入睡眠状态的线程将被加入Sleeping队列。

当睡眠时间（由Sleep函数指定）到达时，系统将唤醒该睡眠线程（修改状态为Ready，并插入Ready队列）。

（6）定时器

另外一个内核线程同步对象是定时器。定时器是操作系统提供的最基础服务之一，比如线程可以调用SetTimer函数设置一个定时器，当设置的定时器到时，系统会给设置定时器的线程发送一个消息。与Sleep函数不同的是，内核线程调用Sleep函数后将进入阻塞状态，而调用SetTimer之后，线程将继续运行。