Linux 操作系統內核問題的探討

段文超

摘要：Linux操作系統具有其他操作系統所不具備的優勢，但是，在系統內核方面還存在一定的不足，其中包括系統內核調度算法問題和系統內核中基于優先級的可搶占式調度策略問題。針對這兩個問題，該文提出了一些個人的建議。

關鍵詞：Linux操作系統；內核；調度

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0071-02

Linux操作系統在某些因素上面優越于其他的操作系統，例如Linux操作系統能夠被免費試用。這些都給了用戶很大的便利性，同時，也為賦予了自身很大的提升空間。為了能夠對Linux操作系統內核問題有一個清晰的了解，本文主要是以黃義文的《Linux操作系統內核裁剪的分析》和楊瑞的《Linux操作系統內核分析與研究》為基礎，在兩篇文獻當中，都對Linux操作系統內核問題進行了探討，下邊將以此為基礎，本文將會對Linux操作系統的內核問題做一些探討。

根據兩篇文獻來看，在這個操作系統當中，其最為核心的部分其實就是內核部分，從Linux操作系統的內核構成來看，主要是包括CPU、網絡通信、文件系統等多個部分的內容。Linux操作系統包括多個子系統，而且，所有子系統的運作，都與Linux操作系統中的內核有一定的聯系。因此，內核是整個Linux操作系統中最為關鍵的組成部分。Linux操作系統內核與其他的微內核系統有著很多的差異性，用戶服務是微內核最為關注的內容，用戶服務要求內核能夠提供更加簡潔和更高頻率的服務，但是，這些服務的完成都需要微內核的支持。在Linux操作系統不斷發展的情況下，微內核也隨之不斷地發展，從實際效果來看，Linux操作系統得到了不斷地完善，在這樣的情況下，微內核的應用效率得到了有效的提升。另外，Linux操作系統易于移植是其一個重要的特性，將Linux操作系統進行不同的內核編譯，然后其就能夠被用于各類系統當中，而且能夠正常的運行。

目前來講，Linux操作系統的內核主要有四個部分的內容：1）用戶應用程序。這是Linux操作系統當中所有軟件的一種集合。2）系統調用庫，這是用戶應用程序能夠實現的唯一途徑。3）Linux操作系統的內核。內核是一個系統的核心，主要是對硬件資源的訪問，在系統啟動并且運行的時候，可以對磁盤和內存中的文件進行有效的處理；4）硬件。這主要是指系統當中的物理設備。Linux操作系統能否被正常的運行，其實與系統本身有著重要的聯系，而內核的擴展，系統調用接口的擴展等都是系統內核生存的重要內容。

從分析研究來看，Linux操作系統內核有這個幾個方面的優勢：1）搶占內核；2）能夠更加有效的調度程序，在Linux2.6版本當中，就采用了O（1）算法，能夠滿足在高負荷工作條件下完成程序的調度。3）同步原型與共享內存。Linux系統內核采用互斥方法來實現資源任務的針對性，線程在繼續執行時，就會丟掉消耗時間的系統程序調用。

針對Linux操作系統內核調度算法問題，在Linux2.6版當中，其采用了O（1）調度器，其的目的是為了能夠提高Linux內核的實時性能，并且擴展CPU處理器的并行性。從實際的效果來看，保留了2.4版本中的給予優先級的調度、調度的公平性等優點，而且還呈現出很多其他優點：提高了SMP可擴展性、提高了SMP親和度、優化計算密集型的批處理任務調度等。不過從實際的應用情況來看，其還存在著一定的問題。在Linux操作系統系統當中，其會將進程自動劃分為進程和普通進程兩類，然后通過多級輪轉調度的算法，按照優先級的方式，逐步的實現這些進程的運行。Linux的優先級分配根據的是進程的價值，而不是進程的響應最終期限和資源占用時間，根本不能滿足實時任務的要求。在本文的研究中，認為內核的調度算法是綜合考慮最終期限、任務頻率等在內的一種調度算法，其能夠提升Linux內核的實用性。在算法應用方面，可以以EDF算法作為基礎，其中最重要的一個環節是在相同優先級的進程當中，建立散列表，在這個表當中，可以根據程序的應用頻率，做一個降序處理，在整個散列表當中，那些在第一位的進程，就是系統當中所有程序應用頻率最高的程序，因此，在就要求在優先級層面，應當建立更多的進程。另外，在對這些優先級的程序做出處理的時候，首先就是查看是否存在這些進程，然后再根據散列表中的進程排序進行實時的調度。

針對Linux操作系統內核中基于優先級的可搶占式調度策略問題，在實際應用的調度過程中，有時可能會出現一種比較奇怪的情況：由于所有程序共用所有的資源，那些高優先級的任務可能會被低優先級的任務堵塞，反而讓中優先級任務在高優先級任務之前得到執行，從而導致許多嚴重后果。這通常被稱為優先級反轉問題。在新的Linux的內核設計當中，并沒有采用可搶占實時調度，因此，這并不能夠對優先級反轉問題進行解決，針對這個問題，可以通過優先級繼承策略來進行解決。優先級繼承的理念是：當優先級任務堵塞了另一個高優先級任務的情況下，其能夠忽略自身的優先級，并且使其他的高優先級任務能夠被執行，這樣就能夠將該任務所占據的資源釋放出來。另外，在Linux操作系統的源代碼當中，也應當做相應的修改，新增加的一個鏈表結構，保存所有對該資源表成功上鎖的進程指針和進程原有的優先級，同時增加一項一記錄，用來記錄當前對資源表上鎖的進程的最高優先級。當一個進程對資源表進行上鎖的時候，那么這個進程的指針以及原有的優先級就應當被保存在資源表的上鎖程序當中，如果這個進程的優先級高于資源表中所保存的最高優先級，那么就要更新進程記錄。當進程申請一個資源表不成功的時候，如果該進程優先級大于資源表的最高優先級，則修改所有對該資源表進行上鎖操作的進程的優先級，使它們等于該進程的優先級，同時更新資源表最高優先級記錄，然后將進程插入到資源表的等待隊列，如果不大于，則直接將進程插入到資源表的等待隊列。當進程釋放一個資源表時，若該進程的優先級小于或等于資源表記錄的最高優先級，則用在該資源表中保存的該進程的原有優先級恢復其優先級，否則不需要恢復進程的優先級。

綜上所述，在Linux操作系統內核的實際工作當中，雖然其本身具有很多的優勢，但是，仍然存在很多的問題，其中最為典型的問題就是實時調度算法問題以及優先反轉問題，針對這兩個問題，本文提出了一些解決對策，這對于Linux系統內核的進一步改善有著重要的現實意義。

參考文獻：

[1] 黃義文.Linux操作系統內核裁剪的分析[J].中國民航飛行學院學報，2010（3）.

[2] 楊瑞.Linux操作系統內核分析與研究[J].計算機光盤軟件與應用，2015（1）.