【正文】 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文 [精品論文 ] 基于 Java語(yǔ)言的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究 關(guān)鍵詞： Java 語(yǔ)言 操作系統(tǒng) 存儲(chǔ)管理 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)技術(shù) 摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)普適計(jì)算的需求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)加中間件的方式已經(jīng)不能滿足普適計(jì)算的需求。普適計(jì)算需要既具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性又具有高安全性的新型操作系統(tǒng)。利用 Java 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性，而且可以解決緩沖區(qū)溢出等安全問(wèn)題。但是 Java 操作系統(tǒng)為我們帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。本文分別針對(duì) Java 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 Java 對(duì)象行為規(guī)律、全系統(tǒng)垃圾收集算法以及 Java 操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)展開(kāi)深入研究。 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是操作系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。本文結(jié)合 Java語(yǔ)言 的特點(diǎn)，研究了 Java 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。在新的體系結(jié)構(gòu)下，研究了以 JTOC(Java Tableof Contents)為基礎(chǔ)的進(jìn)程軟隔離技術(shù)，通過(guò)確定進(jìn)程的 “ 內(nèi)存邊界 ” 和 “ 接口邊界 ” 來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的隔離。提出 Java 操作系統(tǒng)需要將垃圾收集技術(shù)和系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的垃圾收集技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)安全高效自動(dòng)的內(nèi)存管理。 Java 對(duì)象生命行為規(guī)律可以為垃圾收集算法的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，但目前對(duì) Java 運(yùn)行時(shí)程序行為的分析還是基于 10多年前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于當(dāng)時(shí)的軟硬件環(huán)境和現(xiàn)在差別較大，所以前人 的分析數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足需求。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 Java 對(duì)象生命行為的追蹤統(tǒng)計(jì)框架和 EMerlin程序精確追蹤算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象生命行為的追蹤。應(yīng)用此框架對(duì) SPECivm98 中的測(cè)試程序進(jìn)行追蹤后，通過(guò)對(duì)追蹤結(jié)果進(jìn)行解析和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)： 1)Java 對(duì)象幾乎平均分布在 5 個(gè)范圍之內(nèi)，每類(lèi)對(duì)象中，邊界對(duì)象占絕大多數(shù)； 2)Java 對(duì)象在內(nèi)存中的組織類(lèi)似一個(gè)深度很淺的大胖樹(shù)，在根下，掛了很多小的 Java 對(duì)象簇，而且對(duì)象聚集成簇的現(xiàn)象非常普遍。 目前的垃圾收集算法都是針對(duì)應(yīng)用進(jìn)程設(shè)計(jì)的，如果直接作為系統(tǒng)的垃圾收集算法，由于不 能和系統(tǒng)的內(nèi)存管理相配合，所以性能低下。本文在深入研究了經(jīng)典垃圾收集算法 (引用計(jì)數(shù)、標(biāo)記清掃、半?yún)^(qū)復(fù)制和分代算法 )和新型垃圾收集算法 (火車(chē)算法， MarkCopy 算法 )原理的基礎(chǔ)上，基于 MarkCopy 算法，利用系統(tǒng)內(nèi)存管理機(jī)制和 Java 對(duì)象的內(nèi)存行為規(guī)律，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)垃圾收集算法 FSMC(Full System MarkCopy)。經(jīng)過(guò)測(cè)試， FSMC 算法相對(duì)于 MarkCopy 算法節(jié)省了 20％以上的時(shí)間，取得了較好的效果。 本文基于 X86平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 Juni 原型系統(tǒng)。 Juni 系統(tǒng)的硬件抽象層采用 C 和匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，完成系統(tǒng)的引導(dǎo)和硬件設(shè)備的初始化并對(duì)上層提供基本的硬件控制與中斷處理服務(wù)。微內(nèi)核層基于 JikesRVM 實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)編譯引擎，基于分代式垃圾收集算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)垃圾收集器，并設(shè)計(jì)了中斷異常服務(wù)框架，目前可以處理 X86 中的大多數(shù)異常 (如缺頁(yè)異常，除法異常等 )，提供了時(shí)鐘中斷和鍵盤(pán)中斷處理服務(wù)。目前 Junicron 支持鍵盤(pán)和顯示器兩種設(shè)備，可以在華碩 EPC 上運(yùn)行 SPECjvm98 中的測(cè)試程序。 正文內(nèi)容 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)普適計(jì)算的需求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的操 作系統(tǒng)加中間件的方式已經(jīng)不能滿足普適計(jì)算的需求。普適計(jì)算需要既具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性又具有高安全性的新型操作系統(tǒng)。利用 Java 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性，而且可以解決緩沖區(qū)溢出等安全問(wèn)題。但是 Java 操作系統(tǒng)為我們帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。本文分別針對(duì) Java 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 Java 對(duì)象行為規(guī)律、全系統(tǒng)垃圾收集算法以及 Java 操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)展開(kāi)深入研究。 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是操作系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。本文結(jié)合 Java語(yǔ)言的特點(diǎn)，研究了 Java 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。在新的體系結(jié)構(gòu)下，研究了以 JTOC(Java Tableof Contents)為基礎(chǔ)的進(jìn)程軟隔離技術(shù)，通過(guò)確定進(jìn)程的 “ 內(nèi)存邊界 ” 和 “ 接口邊界 ” 來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的隔離。提出 Java 操作系統(tǒng)需要將垃圾收集技術(shù)和系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的垃圾收集技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)安全高效自動(dòng)的內(nèi)存管理。 Java 對(duì)象生命行為規(guī)律可以為垃圾收集算法的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，但目前對(duì) Java 運(yùn)行時(shí)程序行為的分析還是基于 10多年前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于當(dāng)時(shí)的軟硬件環(huán)境和現(xiàn)在差別較大，所以前人的分析數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足需求。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 Java 對(duì)象生命行為的追蹤 統(tǒng)計(jì)框架和 EMerlin程序精確追蹤算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象生命行為的追蹤。應(yīng)用此框架對(duì) SPECivm98 中的測(cè)試程序進(jìn)行追蹤后，通過(guò)對(duì)追蹤結(jié)果進(jìn)行解析和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)： 1)Java 對(duì)象幾乎平均分布在 5 個(gè)范圍之內(nèi)，每類(lèi)對(duì)象中，邊界對(duì)象占絕大多數(shù)； 2)Java 對(duì)象在內(nèi)存中的組織類(lèi)似一個(gè)深度很淺的大胖樹(shù)，在根下，掛了很多小的 Java 對(duì)象簇，而且對(duì)象聚集成簇的現(xiàn)象非常普遍。 目前的垃圾收集算法都是針對(duì)應(yīng)用進(jìn)程設(shè)計(jì)的，如果直接作為系統(tǒng)的垃圾收集算法，由于不能和系統(tǒng)的內(nèi)存管理相配合，所以性能低下。本文在深入研究了經(jīng)典垃圾收集 算法 (引用計(jì)數(shù)、標(biāo)記清掃、半?yún)^(qū)復(fù)制和分代算法 )和新型垃圾收集算法 (火車(chē)算法， MarkCopy 算法 )原理的基礎(chǔ)上，基于 MarkCopy 算法，利用系統(tǒng)內(nèi)存管理機(jī)制和 Java 對(duì)象的內(nèi)存行為規(guī)律，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)垃圾收集算法 FSMC(Full System MarkCopy)。經(jīng)過(guò)測(cè)試， FSMC 算法相對(duì)于 MarkCopy 算法節(jié)省了 20％以上的時(shí)間，取得了較好的效果。 本文基于 X86平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 Juni 原型系統(tǒng)。 Juni 系統(tǒng)的硬件抽象層采用 C 和匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，完成系統(tǒng)的引導(dǎo)和硬件設(shè)備的初始 化并對(duì)上層提供基本的硬件控制與中斷處理服務(wù)。微內(nèi)核層基于 JikesRVM 實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)編譯引擎，基于分代式垃圾收集算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)垃圾收集器，并設(shè)計(jì)了中斷異常服務(wù)框架，目前可以處理 X86 中的大多數(shù)異常 (如缺頁(yè)異常，除法異常等 )，提供了時(shí)鐘中斷和鍵盤(pán)中斷處理服務(wù)。目前 Junicron 支持鍵盤(pán)和顯示器兩種設(shè)備，可以在華碩 EPC 上運(yùn)行 SPECjvm98 中的測(cè)試程序。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)普適計(jì)算的需求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)加中間件的方式已經(jīng)不能滿足普適計(jì)算的需求。普適計(jì)算需要既具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性又具有高安全性的 新型操作系統(tǒng)。利用 Java 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性，而且可以解決緩沖區(qū)溢出等安全問(wèn)題。但是 Java 操作系統(tǒng)為我們帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。本文分別針對(duì) Java 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 Java 對(duì)象行為規(guī)律、全系統(tǒng)垃圾收集算法以及 Java 操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)展開(kāi)深入研究。 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是操作系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。本文結(jié)合 Java 語(yǔ)言的特點(diǎn)，研究了 Java 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。在新的體系結(jié)構(gòu)下，研究了以 JTOC(Java Tableof Contents)為基礎(chǔ)的進(jìn)程軟隔離技術(shù)，通過(guò)確 定進(jìn)程的“ 內(nèi)存邊界 ” 和 “ 接口邊界 ” 來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)