GNU Mach
GNU Mach是GNU Hurd所使用的内核 它是一个微内核 而且是第一代的微内核. 它提供 IPC 机制 来定义接口.
IPC机制对Mach非常重要
由于内核中基本用IPC通信 所以Glibc的实现是和linux 非常不同的. Mach提供的核心不是syscall 而是一些抽象 这些抽象使得 外部分页机制成为可能:
以task形式存在的 虚拟地址(VA)空间
以thread形式的执行上下文
IPC
以port形式的功能capbility与内存对象
虚拟地址空间
虚拟地址空间就是Task可以使用的有效虚拟地址.
每个任务只有一个地址空间，每个地址空间也只属于一个任务.
Task 拥有一个 虚拟地址空间；Thread 在里面执行； 虚拟地址空间 又被划分成 Page ,Page 可以通过 Mach 的 VM 机制进行保护、共享、复制、换出.
Page
虚拟地址空间被划分为不同的Page.
每个Page都有自己的属性, 例如 访问权限 继承属性(inheritance) 以及一些其他的系统属性.
继承属性描述了: 当一个Task创建/派生出另一个Task时 ,Page的处理方式
无继承
Copy
Shared
Wired Page
固定界面
固定界面指的是 无法被换出的 界面. 这意味着 这个 Page 必须一直留在物理内存 不能被换出去.
所以 整个 Mach内核都是Wired的
Precious Page
宝贵界面
Precious Page指的是 即便被标记Clean 但不能被系统静默丢弃的Page.
在很多情况下,RAM资源紧张时 有副本的Clean的Page可能会被discard. 而Precious Page对应没有副本的Page, 它们不应被Discard 否则无法恢复.
内存对象
内存对象存放着 虚拟地址空间 中 虚拟内存区域的内容.
一个模型为:
Thread 访问虚拟地址 ----> Task的虚拟地址空间 -----> 内存对象 -----> 内存管理器/Pager -----> 磁盘/文件/网络/或者其他的
因此RAM在Mach抽象中 更像一个 Cache.
这些内存对象 由内存管理器或者叫Pagers 管理, 这些管理器可以实现为 用户空间 进程.
Pager
告诉Mach 内存对象中的Page内容应该如何 取得/保存.
Pager是可以实现为 用户空间 的. 这与传统UNIX内核完全不太一样.
Pager负责处理 Memory Object的 Page-in 与Page-Out
所以 Pager 的实现性能对 VM 系统整体性能非常重要
Task
Mach的Task是 一组资源 一个虚拟地址空间 和 一个 port 命名空间的集合, 它们依赖于 thread 来执行程序代码.
注意 task本身不执行代码, thread负责执行代码. Task本质是资源容器 而 thread是执行实体.
传统的UNIX布局 将很多的概念放在了 进程.
UNIX进程:
虚拟地址空间
文件描述符
信号量
PID
threads
但是Mach将它拆开了:
虚拟地址空间
port的命名空间
一些资源
threads
任务切换 所需要的 上下文切换 是昂贵的.
Port and IPC
Port是capability, 类似于UNIX的pipe, 但是 不可篡改 且由内核队列实现.
Task,Thread,内存对象 Memory Object,Pager全都可以由Port机制串起来
流程为: 当客户端获得send right后,客户端使用port名去发送message(send-once发一条). 这些消息会入队到队列中, 服务端thread 使用receive right来获取这个消息.
每个port都关联一个
revice right和 一个或多个send right以及send-once right.不同的right是不同的capability.
内核队列可以容纳若干
message若队列满了会发生阻塞 直到有空间将消息放入队列(可以被超时机制中断)receive right指定一个队列 并授权 持有者从队列中取出消息 然后创建sned right和send-once rightsend right和send-once right指定一个队列并授权持有者 放入信息每个
Task都关联着一个port的地址空间. 所有Port都通过此表进行寻址port right本身 也可以被delegation消息队列的顺序是严格有序的
port set
一个thread只能阻塞单个port的接收操作. 为了解决这个问题 引入了port set.
port set将多个receive right 合并成了一个可等待的入口.
message
Message是具有 布局 的类型化的数据的一个容器 它包含一个ID.
Message用于mach的IPC机制 通过ports 使用match_msg接口 发送与接收.
Message是不透明的 而且可以包含传递给其他task的port right
port right 可以 copy或者move, 但是port receive right 必须move. 因为一个port的receive right 只能由一个任务持有.
消息中的某些数据可能是外部数据, 也就是对 memory object的引用.
当Task接收到消息时
Capability
Capability是一种受保护的引用. 机制有点类似Rust的所有权.
Capability指向一个无法伪造的对象, 而且具有操作该对象的权限.
传统的UNIX将 对象的身份 与 对象的权限 分开了, 然而在Mach, 具有Capability 本身意味着可以操作这个对象.
最经典的有 Mach的核心机制 Port机制 也是Capability模型: port right是capability 而port是 capability指向的对象.
delegation
假设A有文件F, A想把 读取F的权限给B. 那么A可以直接把 read的capability给B 这个过程叫delegation.
外部分页机制
Mach的外部分页机制使得 内存管理与内容管理分离: Mach负责 内存管理 而 用户空间 负责 内容管理.
这个分离对于理解Mach的外部分页机制的抽象与理念至关重要