本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法，以及云環(huán)境下的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)和一種基于該輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的虛擬化操作系統(tǒng)，目的是解決應(yīng)用程序在云環(huán)境下性能和功能方面的限制，簡(jiǎn)化客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并提高其性能，減少抽象和保護(hù)的層數(shù)。該輕量級(jí)操作系統(tǒng)主要包括虛擬硬件驅(qū)動(dòng)模塊、文件系統(tǒng)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、內(nèi)存管理模塊、線程調(diào)度模塊和系統(tǒng)調(diào)用模塊。其中，一個(gè)輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序，減少了客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中多余的、有代價(jià)的“隔離”，使用單一的地址空間，所有線程和內(nèi)核使用一個(gè)頁(yè)表，減少了上下文切換。可以運(yùn)行c/c++應(yīng)用程序和java程序，能有效提高應(yīng)用程序的性能，是一種高效的應(yīng)用程序運(yùn)行容器。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法，以及云環(huán)境下的輕量級(jí)操作系統(tǒng)和基于該輕量級(jí)操作系統(tǒng)的虛擬化系統(tǒng)，在虛擬化環(huán)境中提供一種高效的應(yīng)用程序運(yùn)行容器，可有效提高應(yīng)用程序的性能。
技術(shù)介紹
隨著云計(jì)算和虛擬化的發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用都是運(yùn)行在虛擬化的環(huán)境下。主流的虛擬化軟件包括kvm、xen、vmware，客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)包括linux、windows等，應(yīng)用程序運(yùn)行在客戶(hù)操作系統(tǒng)之上。雖然通過(guò)虛擬化的方法提高了設(shè)備的使用率，增加了靈活性，但是這種架構(gòu)有很多不足，例如：由于虛擬化層和客戶(hù)操作系統(tǒng)在許多功能上是重疊的，比如硬件抽象，資源隔離，資源虛擬化，內(nèi)存管理等等，冗余層次過(guò)多，導(dǎo)致應(yīng)用程序性能下降。參見(jiàn)圖1，原有的客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)300主要包括驅(qū)動(dòng)模塊310、文件系統(tǒng)模塊320、網(wǎng)絡(luò)模塊330、內(nèi)存管理模塊340、進(jìn)程管理模塊350、設(shè)備控制模塊360、系統(tǒng)調(diào)用模塊370、C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)380、JAVA運(yùn)行時(shí)庫(kù)390和PYTHON運(yùn)行時(shí)庫(kù)530，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，主要是由于歷史遺留原因，現(xiàn)有的客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)300在硬件抽象化、隔離、資源虛擬化、內(nèi)存管理、IO協(xié)議棧、調(diào)度、CPU管理等方面都有非常成熟，復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)。而由于傳統(tǒng)的客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)300都是針對(duì)物理機(jī)設(shè)計(jì)的，有大量驅(qū)動(dòng)代碼都是用來(lái)支持硬件的，因此在虛擬化和云計(jì)算環(huán)境下并不是一種最佳的應(yīng)用程序運(yùn)行容器。在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的虛擬化環(huán)境，是在服務(wù)器硬件之上通過(guò)虛擬機(jī)監(jiān)視器提供多個(gè)虛擬機(jī)，在每個(gè)虛擬中需要運(yùn)行一個(gè)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)300，在客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)之上再運(yùn)行c/c++應(yīng)用程序400或JAVA應(yīng)用程序520或Python程序540。在這種架構(gòu)下，JAVA虛擬機(jī)，客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)300及虛擬機(jī)監(jiān)視器在硬件抽象化、隔離、資源虛擬化、內(nèi)存管理、IO協(xié)議棧、調(diào)度、CPU管理等方面都有自己的實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于應(yīng)用程序而言，此時(shí)由于JAVA虛擬機(jī)、虛擬機(jī)監(jiān)視器和客戶(hù)操作系統(tǒng)300在許多功能上是重疊的，冗余層次過(guò)多，導(dǎo)致應(yīng)用程序性能下降。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
基于上述原因，本專(zhuān)利技術(shù)的目的是提供一種使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法，以及云環(huán)境下的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)和基于該輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的虛擬化操作系統(tǒng)，為虛擬化和云計(jì)算提供一種性能優(yōu)越的應(yīng)用程序運(yùn)行容器，其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是解決應(yīng)用程序在云環(huán)境下性能和功能方面的限制，簡(jiǎn)化客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并提高其性能，減少抽象和保護(hù)的層數(shù)。為了達(dá)到上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)提供的主要技術(shù)方案包括：一種使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法，其特征在于：一個(gè)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序，以減少客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中多余的、有代價(jià)的功能。所述使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的線程調(diào)度模塊，采用無(wú)鎖化設(shè)計(jì)，減少調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)。所述使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的線程調(diào)度模塊構(gòu)建一種單進(jìn)程多線程環(huán)境，且僅進(jìn)行線程間的調(diào)度，不進(jìn)行進(jìn)程間的調(diào)度。所述使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的線程調(diào)度模塊在每一個(gè)CPU上保留一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列，存儲(chǔ)該CPU所有可運(yùn)行的線程（優(yōu)選為該運(yùn)行隊(duì)列中不包括休眠線程），使得每個(gè)CPU有自己獨(dú)立的運(yùn)行隊(duì)列。所述使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法的一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)CPU中運(yùn)行一個(gè)負(fù)載均衡線程，以保證調(diào)度的公平；優(yōu)選為，這些負(fù)載均衡線程每隔一段時(shí)間運(yùn)行一次，并檢查其他CPU的運(yùn)行隊(duì)列的大小是否小于自己的隊(duì)列，如果是這樣，則從自己的隊(duì)列中選擇一個(gè)線程，并把該線程放到相應(yīng)的（例如運(yùn)行隊(duì)列小于自己的CPU中的一個(gè)）CPU的運(yùn)行隊(duì)列中。所述使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊和/或文件系統(tǒng)模塊零拷貝，異步io。上述任一使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊使用單一的地址空間，不分為用戶(hù)空間和內(nèi)核空間。所述使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法的一個(gè)實(shí)施例中，所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊的所有線程和內(nèi)核使用一個(gè)頁(yè)表（優(yōu)選為內(nèi)存管理模塊的所有線程和內(nèi)核共同使用同一個(gè)頁(yè)表），減少上下文切換。一種輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于：一個(gè)輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序；和/或其內(nèi)存管理模塊使用單一的地址空間；和/或其所有線程和內(nèi)核使用一個(gè)頁(yè)表；和/或其線程調(diào)度模塊采用無(wú)鎖化設(shè)計(jì)；和/或其網(wǎng)絡(luò)模塊和/或文件系統(tǒng)模塊零拷貝，異步io；和/或其僅運(yùn)行于虛擬化環(huán)境中。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，線程調(diào)度模塊為輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)構(gòu)建一種單進(jìn)程多線程環(huán)境，且僅進(jìn)行線程間的調(diào)度，不進(jìn)行進(jìn)程間的調(diào)度。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，線程調(diào)度模塊在每一個(gè)CPU上保留一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列，存儲(chǔ)該CPU所有可運(yùn)行的線程。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)CPU中運(yùn)行一個(gè)負(fù)載均衡線程；優(yōu)選為，這些負(fù)載均衡線程每隔一段時(shí)間運(yùn)行一次，并檢查其他CPU的運(yùn)行隊(duì)列的大小是否小于自己的隊(duì)列，如果是這樣，則從自己的隊(duì)列中選擇一個(gè)線程，并把該線程放到相應(yīng)的（例如運(yùn)行隊(duì)列小于自己的CPU中的一個(gè)）CPU的運(yùn)行隊(duì)列中。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用包括文件系統(tǒng)操作、文件讀寫(xiě)操作、網(wǎng)絡(luò)操作、socket套接字、內(nèi)存管理，但是不支持進(jìn)程創(chuàng)建操作。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的采用扁平的物理內(nèi)存映射或虛擬內(nèi)存。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的采用大頁(yè)策略，并使用單一的地址空間，所有線程和內(nèi)核使用一個(gè)頁(yè)表。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊使用單一的地址空間，不分為用戶(hù)空間和內(nèi)核空間。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的虛擬硬件驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)只包括鍵盤(pán)、virtio等半虛擬化驅(qū)動(dòng)，SATE。一種云環(huán)境下的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于，其包括：內(nèi)存管理模塊，采用扁平的物理內(nèi)存映射或虛擬內(nèi)存，采用大頁(yè)策略，并使用單一的地址空間，所有線程和內(nèi)核使用一個(gè)頁(yè)表，減少上下文切換；線程調(diào)度模塊，構(gòu)建單進(jìn)程多線程環(huán)境，這里僅涉及線程間的調(diào)度，不存在進(jìn)程間的調(diào)度，線程調(diào)度模塊在每一個(gè)CPU上保留一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列，存儲(chǔ)該CPU所有可運(yùn)行的線程，使得每個(gè)CPU都有自己獨(dú)立的運(yùn)行隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖化設(shè)計(jì)；虛擬硬件驅(qū)動(dòng)模塊，輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)只在虛擬化環(huán)境中運(yùn)行，而物理服務(wù)器上的虛擬化層提供一個(gè)簡(jiǎn)單的、穩(wěn)定的硬件抽象層，使得輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)只包括鍵盤(pán)、virtio等半虛擬化驅(qū)動(dòng)，SATE；文件系統(tǒng)模塊，遵循linux中的VFS設(shè)計(jì)，和傳統(tǒng)的linux客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的文件接口兼容，并采用ZFS作為主要的文件系統(tǒng)；以及網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)零拷貝、異步io、批量處理等功能來(lái)提高IO性能；其中，一個(gè)輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序。所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，其還包括：C/C++加載模塊和JAVA虛擬機(jī)模塊。一種虛擬化操作系統(tǒng)，其特征在于，其包括：服務(wù)器硬件；虛擬機(jī)監(jiān)視器；若干個(gè)如前所述的任一種輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)；C\本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法，其特征在于：一個(gè)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序，以減少客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中多余的、有代價(jià)的功能。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種使客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)輕量化的方法，其特征在于：一個(gè)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序，以減少客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中多余的、有代價(jià)的功能。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的線程調(diào)度模塊，采用無(wú)鎖化設(shè)計(jì)，減少調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)；或所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊和/或文件系統(tǒng)模塊零拷貝，異步io。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的線程調(diào)度模塊構(gòu)建一種單進(jìn)程多線程環(huán)境，且僅進(jìn)行線程間的調(diào)度，不進(jìn)行進(jìn)程間的調(diào)度。優(yōu)選為，該線程調(diào)度模塊在每一個(gè)CPU上保留一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列，存儲(chǔ)該CPU所有可運(yùn)行的線程(優(yōu)選為該運(yùn)行隊(duì)列中不包括休眠線程)，使得每個(gè)CPU有自己獨(dú)立的運(yùn)行隊(duì)列。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：每一個(gè)CPU中運(yùn)行一個(gè)負(fù)載均衡線程，以保證調(diào)度的公平；優(yōu)選為，這些負(fù)載均衡線程每隔一段時(shí)間運(yùn)行一次，并檢查其他CPU的運(yùn)行隊(duì)列的大小是否小于自己的隊(duì)列，如果是這樣，則從自己的隊(duì)列中選擇一個(gè)線程，并把該線程放到運(yùn)行隊(duì)列小于自己的CPU的運(yùn)行隊(duì)列中。5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：所述客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊使用單一的地址空間，不分為用戶(hù)空間和內(nèi)核空間。優(yōu)選的，該內(nèi)存管理模塊的所有線程和內(nèi)核使用一個(gè)頁(yè)表，減少上下文切換。6.一種輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于：一個(gè)輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)中只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序；和/或其內(nèi)存管理模塊使用單一的地址空間；和/或其所有線程和內(nèi)核使用一個(gè)頁(yè)表；和/或其線程調(diào)度模塊采用無(wú)鎖化設(shè)計(jì)；和/或其網(wǎng)絡(luò)模塊和/或文件系統(tǒng)模塊零拷貝，異步io；和/或其僅運(yùn)行于虛擬化環(huán)境中。7.如權(quán)利要求6所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于：線程調(diào)度模塊為輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)構(gòu)建一種單進(jìn)程多線程環(huán)境，且僅進(jìn)行線程間的調(diào)度，不進(jìn)行進(jìn)程間的調(diào)度。優(yōu)選的，線程調(diào)度模塊在每一個(gè)CPU上保留一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列，存儲(chǔ)該CPU所有可運(yùn)行的線程。8.如權(quán)利要求7所述的輕量級(jí)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)，其特征在于：每一個(gè)CPU中運(yùn)行一個(gè)負(fù)載均衡線程；優(yōu)選為，這些負(fù)載均衡線程每隔一段時(shí)間運(yùn)行一次，并檢查其他CPU的運(yùn)行隊(duì)列的大小是否小于自己的隊(duì)列，如果是這樣，則從自己的隊(duì)列中選擇一個(gè)線程，并把該線程放到運(yùn)行隊(duì)列小于自己的CPU的...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姚遠(yuǎn)，馬立克，張維婷，蔣濤，宋瀟豫，趙峰，喬詠，申利飛，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中標(biāo)軟件有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31
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