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《南京大学》 2019年
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微内核多核系统跨核消息优化问题研究

薛飞  
【摘要】:微内核系统在可靠性、安全性和可扩展性上有明显优势,但其自诞生以来性能问题就饱受诟病,导致微内核系统性能问题的主要原因是消息机制产生的性能开销。消息机制是微内核系统中的进程间通信方式(IPC),微内核系统将宏内核中的功能模块作为用户态服务程序实现,例如内存管理、文件系统、设备驱动等,在微内核系统中用户程序使用这些系统服务需要通过消息机制向服务程序发送服务请求,服务程序通过消息机制返回服务请求的执行结果,用户程序彼此之间的信息交换也必须通过消息机制进行,因此消息传递是微内核系统中的高频事件,消息机制的效率直接影响微内核系统的整体性能。在微内核多核系统中的跨核消息,即发送方与接收方运行在不同CPU上时传递的消息会产生缓存一致性问题,进而导致消息机制出现性能损失。在微内核系统中每个线程拥有自己的专属信箱,用于存储暂未被处理的消息,内核实现消息传递的核心操作即将消息体从发送线程的信箱拷贝到接收线程的信箱中。消息体拷贝操作可以在发送方或接收方线程所在的CPU上执行,因此如果消息通信的收发线程在不同CPU上运行,则存储消息体的信箱被两个CPU共享,从而产生缓存一致性问题。针对上述问题,本文提出了LPATH优化方法,从以下两个方面减少跨核消息,首先,将系统中的服务进程用多线程方式实现,在每个CPU上绑定一个服务线程,用户线程只与相同CPU上的服务线程进行通信,这种方法可以消除与服务程序相关的跨核消息;其次,LPATH从线程调度方面入手,将有消息通信关系的线程尽可能地调度在相同CPU上运行,调度过程中不能违反负载平衡、保持CPU与线程亲和性等基本原则,本文使用限定条件的图划分问题对该调度优化问题进行建模,并给出了满足要求的低开销优化调度方法。此外,在目前的消息机制设计中,消息接收方将等待处理的消息按时间顺序排队,遵循先到先服务原则,这导致高优先级线程发出的消息可能被待处理消息队列中低优先级线程的消息阻塞,引发优先级倒置问题。本文提出了PPATH优化方法来解决这一问题,将待处理的消息按照其发送方的优先级排队,接收方先处理来自高优先级线程的消息,同时,PPATH使用防饥饿算法避免低优先级线程的消息永远无法被处理。此外,高优先级线程因为与低优先级线程收发消息而阻塞时也存在发生优先级倒置问题的风险,PPATH根据高优先级线程的优先级动态提升参与消息另一方线程的优先级,因消息导致的阻塞状态解除后低优先级线程恢复为原来的优先级。综上,本文的主要贡献包括以下几个方面:1.本文详细分析了微内核多核系统中跨核消息引发缓存一致性问题,并最终导致性能损失的具体原因。2.本文提出了LPATH优化方法降低跨核消息对系统性能的不利影响,LPATH从服务程序相关消息分发和多核线程调度两个方面入手,有效地减少了系统中的跨核消息数量。3.本文用限定条件的图划分问题对通过合理调度减少跨核消息问题进行了建模,该模型具备良好的普适性。4.本文详细说明了在目前的消息机制设计中可能引发优先级倒置问题的具体场景,并提出了解决该问题的PPATH优化方法。5.LPATH和PPATH的实现与实验验证。本文给出了在seL4系统中实现LPATH和PPATH的详细说明,并设计实验在真实设备(Nvidia tx2开发板)上验证了 LPATH和PPATH的有效性。
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