CN1195810A - 定制操作系统的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于定制和/或调整计算机操作系统的系统和方法。根据本发明方法,若干输入值被变换为隶属函数(或模糊集合)。该输入值相关于操作系统的状态、由此要执行的任何任务、任何其他参数。采用一组资源管理规则,根据输入值相关的隶属函数来产生相应于每个输入值的输出。在示出的实施例中,每个规则是一个“如果…那么”语句,具有作为前因的隶属函数和作为后果的与输入值相关的输出。用以硬件或软件实现的推理机使用这些规则,并去模糊这些输出。

Description

定制操作系统的系统和方法

本发明相关于计算机系统及其软件，更详细地说，本发明相关于对计算机系统等等的操作系统进行定制和/或调整的系统和技术。

操作系统是调节与计算机系统相关的资源使用的软件程序，被管理的系统资源通常包括中央处理单元、存储器和与其相关的输入输出装置，操作系统通常是一些特地写出的低级例程，这些例程很深地嵌在系统代码中，因此用户通常无法得知。

正因为如此，必须为一些被认为接近某些标准的预定的典型应用设计操作系统。不幸的是，这种标准化的设计使性能被折衷，从而对单个用户或应用来说可能不是最理想的。

一些操作系统如UNIX有若干可以被变化以改变整个计算机系统或子系统的运行特征的参数，这些参数值的其中一些在引导时间被固定，而其它可以在系统运行时被改变。对运行在一个特定硬件配置上的特定应用来说，研究并调整这些参数来产生最接近理想的计算机操作是很费时间的，并且需要“试探”方法或由很熟练的系统专家来手工调整。目前已经作了某些尝试来动态控制其中的几个参数，但该控制方法常常包括总是产生远离理想结果的阈值。

因此，在该领域需要有一种系统和技术，对操作系统参数提供更复杂的动态和静态调整，以使得操作系统在最接近理想状态下运行，从而在一定的应用和硬件环境下执行一定的任务。

这一技术需求在本发明中作了描述，本发明提供对计算机的操作系统进行定制和/或调整的改进的系统和方法。根据本发明，若干输入值被变换为隶属函数(membership function)(或模糊集合)。该输入值可以相关于操作系统的状态、由此要执行的任何任务、或本领域技术人员知道的任何其他参数。采用一组资源管理规则，根据输入值相关的隶属函数来产生相应于每个输入值的输出。

在示出的实施例中，每个规则是一个“如果--那么”语句，该语句具有作为前因的隶属函数和作为后果的与输入值相关的输出。使用这些规则，并用以硬件或软件实现的推理机(inference engine)确定这些输出。对要被定制或调整的每个任务来说，通过咨询专家或专家数据库来确定应该管理哪些资源以及如何管理以便最理想地执行任务，由此产生资源管理规则。输入值可以是在安装或引导时间设置的参数，可以保持固定直到重新安装或重新引导为止。在替代方案中，输入值可以是在预定的时间或持续地根据需要调整的参数。

图1示出了一个计算机系统，包括根据本发明的教导被最佳化和/或调整的操作系统。

图2示出了根据本发明的教导被最佳化和/或调整的图1操作系统的简化方框图。

图3更详细地示出了根据本发明教导的图2操作系统的方框图。

图4的方框图示出了本发明对特定操作系统任务的应用。

本发明相关于对计算机的操作系统进行定制和/或调整的系统和方法。下面的描述使本领域的技术人员能够制造和使用本发明，并且是在专利申请及其要求的范畴内进行描述的。本领域的技术人员可以很轻易地对较佳实施例作出改进，并且可以将其基本原则用于其他实施例。因此，本发明并不局限于图中所示的实施例，而是给予与所描述的原理和特征相一致的最宽范围。

本发明采用模糊逻辑来提供更接近理想化调整的计算机操作系统。根据本发明，若干输入值被变换为隶属函数(或模糊集合)。该输入值可以相关于操作系统的状态、由此要执行的任何任务、或本领域技术人员知道的任何其他参数。采用一组资源管理规则，根据与输入值相关的隶属函数来产生相应于每个输入值集合的输出。

在示出的实施例中，每个规则是一个“如果--那么”语句，具有作为前因的隶属函数和作为后果的与输入值相关的输出。使用这些规则，并用以硬件或软件实现的推理机确定这些输出。对要被定制或调整的每个任务来说，通过咨询专家或专家数据库来确定应该管理哪些资源以及如何管理以便最理想地执行任务，由此产生资源管理规则。输入值可以是在安装或引导时间设置的参数，可以保持固定直到重新安装或重新引导为止。在替代方案中，输入值可以是在预定的时间或持续地根据需要调整的参数。

这三类中的每一类是一组需要一起调整的相关参数。一组参数通常可以控制操作系统的一个功能子系统的某些方面，如文件系统或虚拟存储器管理。根据本发明的教导，隶属函数的定义、控制规则和输入是在修改组内参数的软件模块设计过程的一部分。

在由Bart Kosko和Satoru Isaka发表在《科学美国》1993年7月版第76至81页的“模糊逻辑”一文中，模糊逻辑被描述为帮助计算机绘制来自未知世界的灰色常识性图画的机器智能的一个分支，(同样可参考由Hyperion出版社1993年第一版出版的Bart Kosko的“模糊思考”)，模糊系统使用指示不定量的常识性规则来测量某些事发生的程度或某些条件存在的程度。模糊逻辑基于将输入转换为输出的“如果--那么”形式的规则。

为了建立模糊系统，用曲线集合来定义不同模糊输入和输出集合中的隶属程度。输入和输出集合之间的关系可以被绘制出来。模糊集合的结果构成一个模糊修补区，即代表规则在输入与输出之间构成的所有关联的输入输出图形中的区域。修补区的大小反映了规则的模糊或不确定。模糊集合越精确，它就越小。模糊系统的规则定义了将全部输入范围与全部输出范围相关联的一组重叠修补区。在该意义上来说，模糊系统与表示原因和结果的某些数学函数或等式近似。

模糊系统可以近似任何连续的数学函数。一个模糊系统根据它的规则修补区进行推理或推断。由于修补区的重叠，两个或多个规则将任何新来的数转换为某个结果。当数据启动规则时，重叠的修补区并行但只是在某种程度上点火(fire)。规则点火的程度确定代表在输出数据集曲线中的规则的曲线比例。由于这个输出曲线不能帮助运行二进制指令的控制器，因此，最后的步骤是进行去模糊(defuzzification)，这时模糊输出曲线被转换为一条单一的数值，这通常是通过计算曲线所在区域的质心或矩心来实现的。当系统更复杂时，规则的前提可能包括由“与”联系或由“或”分开的任何数量的数据项。

1996年7月29日出版的《电子工程时代》第912期“模糊逻辑清晰而漫长的历程”一文这样描述：“正如在1965年Berkeley大学的Lotfi Zadeh教授所说的那样，模糊逻辑是布尔逻辑的富有价值的后继与发展。在布尔逻辑框架中只有1和0两个值的真值在模糊逻辑框架中可以取1到0的全部连续统(continuum)，模糊逻辑采用这个扩展的连续统来模仿人类分类的概念和在这些类别中的隶属函数的程度。”

真值的连续统的作用以及它与人类分类概念的联系可以在日常的例子中看到。说某人“高”表示我们固有的分类能力，根据我们自身的经验，我们很容易将人分成矮、平均、高等等，其他人立刻就能理解这种简洁的高度描述，我们不需要用卷尺来进行测量，事实上用卷尺反而容易产生迷惑。当然，准确的测量可以得到精确的信息，但精确的信息并不一定是有意义的信息。如果测量值与我们的高度概念缺乏基本的联系，那么就无法从中得到有意义的东西。

称为“隶属函数”或“模糊集合”的构词的作用是提供精确测量与一般概念之间的基本联系。与隶属函数相结合，模糊规则对模糊模型的智能进行译码，通过表示模型输入与模型输出之间的关系，得到模型中的最根本的知识。由于它们是采用语言变量写出的(已经被细分为重叠的隶属函数)，模糊规则读起来象是自由体的自然语言。用自然语言表示规则加速了获得问题的解决方案的进程。

模糊逻辑规则是通过组合模糊命题来建立的，如温度是热的、湿度是低的、角度是锐角、危险最小等等，每个模糊命题是关于基础语言变量的可能取值的描述。在温度是热的这个例子中，“温度”是一个语言变量，“热”是温度的一个可能取值。

模糊命题的实用性不仅在于它便于表达我们的实际理解，也在于我们能够测量该命题的真实值。通过一个定义好的“热”隶属函数和一个明确的温度，我们很容易计算真值的程度。

模糊处理一词通常用来描述相对一个模糊命题测试一个明确输入的过程。模糊规则将输入变量的模糊命题转换为输出变量的适当的模糊命题。模糊规则的一般形式是：如果前提1和前提2和……，那么结果1和结果2和……，其中前提与结果分别是表示输入与输出变量的模糊命题的技术词语。因此，规则的如果一边由一个或多个前提组成，那么一边由一个或多个结果组成，规则的结构以类似于熟悉的布尔如果-那么语句解释。如果一边表示必须是真值以便使那么一边发生作用的模糊模型输入的条件。该运算组合了前提的真值，为了适用这些真值，根据模糊逻辑的需要特别设计结果，即它们可以使用真值的1到0连续统。

规则估算程序的任务是既计算单个规则的真值，也聚合定义所讨论的模糊模型的所有规则的作用。

最后步骤是去模糊，它采用规则估算的结果并计算模糊模型的最后输出的明确值。对一组明确的输入，整个模糊机产生一个明确输出。在从聚合的模糊空间推导一个单一的明确值时，目标是找到最佳代表整体的单个明确值。有多种不同的去模糊方法试图描述“如何最佳代表整体”的问题。

为了更深入地理解在特定环境下本发明的操作，参考附图1，它示出了包括一个操作系统100的计算机系统10。操作系统100包括若干资源管理器102、104、106、108和110，每个资源管理器控制与其相关的资源，因此，在图1所示的实施例中，存储管理器102控制存储器112的分配，进程管理器104控制中央处理单元(CPU)114的使用和分配，文件管理器106控制文件系统116，设备管理器108控制若干设备118。应该理解的是，上面描述的资源管理器是在一个典型的传统计算机系统中的示例性资源管理器，因此，本领域的普通技术人员很容易认识到其它资源管理器也可以是操作系统的一部分，其使用将在本发明精神与范围之列。

图2是一个简化的方框图，示出了根据本发明的教导最佳处理和/或调整的图1操作系统。对每项任务，在步骤12，系统100接收若干与操作系统的状态相关的输入值，任何请求的任务和与之相关的参数都是本领域技术人员可以理解的。在步骤14，采用本领域公知的工具和技术如Mathwork的Matlab软件，输入值可以被转换为适当的隶属函数。

在步骤16，产生一组“如果--那么”规则，该规则根据输入值与之相关的隶属函数和其它有效条件将输入值转换为输出值。

当需要估算和有可能修改操作系统中的参数时，隶属函数和控制规则被装入到模糊推理机18，并且输入被采用来产生一组新的参数值。推理机是本领域公知的，可以用硬件或软件来实现。例如，摩托罗拉销售的作为模型M68HC12微控制器的推理机。该机器允许根据给定应用的需要定制去模糊进程。

本发明可以在UNIX环境下以库存子程序实现，该子程序能够很安全地从核心或用户状态调用。该参数可能是定义输入、隶属函数和规则的列表。输出可能是产生的确定值。子程序的使用可以对每个可调整的参数确定，并且可以根据某个条件或在一个时间间隔实现。

图3的方框图详细示出了根据本发明教导的图2的操作系统。如图3所示，每个资源管理任务是操作系统100的一个子系统，其中只有子系统102被详细示出，其它子系统104-110将以类似的方式实现。在步骤12，每个子系统接收若干输入控制值1--Y(示于11--15，只有奇数)。在步骤14，每个输入值11--15被分别根据相关的隶属函数17--21(只有奇数)特征化。特征化的输入被提供给规则库16。规则库16的输出在步骤23被去模糊，并在步骤25以确定的值输出。

在图3所示的实施方案中，输入特征化、规则的应用和去模糊都由推理机18实现。每个子系统102--110包括若干推理机18的输入，该推理机根据需要输出控制值27--29，来最佳管理特定的资源。参考根据图4描述的例子可以更好地理解本发明。

图4是表示将本发明应用到虚拟存储器管理器102中一个特定操作系统资源管理任务的方框图。熟悉本技术领域的人员会理解，此间公开的教导可以应用于其它管理任务而不离开本发明的精神。

在UNIX操作系统的AIX变体中，实存储器被分为许多页面，每页有4K字节。页面被分配给需要存储空间的进程。如果所有页面都被分配完毕，但还有更多的需求，那么某些页面的内容被写入到分页设备中(通常是磁盘)，而这些实存储器页被分配给另外的进程。在基于AIX的系统中有两个阈值：MAXFREE和MINFREE，用于在页面被写入到分页设备中时进行管理。MINFREE表示要写入分页设备中的起始页的值。被写入的页面数为MAXFREE-MINFREE，因此，MAXFREE是当分页开始时目标自由存储页面计数值。

操作系统设计者的一个典型目的是避免实存储器没有自由页面的情况。因此，当MINFREE阈值被达到时，采用最近最少使用(LRU)算法将MAXFREE-MINFREE页面写入到分页设备中。为了示意起见，假定MINFREE和MAXFREE之间的差是固定的，因此，当MINFREE被调整时，MAXFREE将调整相应的数值。由于分页是一个较慢的过程，因此应该尽量少进行。然而，由于用完自由实存储页面也很昂贵，因此，控制问题是找到最佳平衡。

目前，采用一个称为“vmtune”的性能调整程序可以手动调整MINFREE和MAXFREE。在基于UNIX的系统中，可以采用“cron”任务来进行粗略控制，采用在特定时间或存在某些特定条件时运行程序或程序组的“守护程序”(daemon)进行精细控制。(在UNIX中，“守护程序”是在大部分时间的一个子程序，它以预定的时间间隔激活和运行一定的程序或由特定条件成为真值来启动运行。总的来说，它比cron任务运行更频繁。)

在任何情况下，本发明将通过在要求的任何Δt时间间隔运行所描述的控制函数，以允许这些参数被自动调整。图4的方法和系统20示出了如何达到该目的。参考图4，提供第一明确输入值22，它是当前MINFREE值；提供第二明确输入值24，它是在最后的时间周期Δt达到零自由页面的次数。第一明确值22与第一隶属函数26相关，根据该值与某个阈值的关系，隶属函数26可低可高。第二明确值24根据其频率与第二隶属函数28相关。推理机18将一组规则30适用于根据隶属函数与之相关的数据，从而在输出32产生一个新的MINFREE值。

通过咨询操作系统设计领域的专家或专家数据库来积累规则30。该数据允许产生一组规则，该规则将导致操作系统输出对给定的应用为最佳的新的MINFREE值。根据该专家数据，每个规则有一个前提和一个结果。

在本文中，去模糊包括提高或降低MINFREE值。一般来说，本发明采用一般格式进行操作系统可调整参数的控制，而不是让每个子系统包含定制隐藏算法(包括简单的阈值)。采用模糊控制，定制用于定义输入、隶属函数、规则库(前提和结果)和去模糊方法，以产生一个确定的值。

对本发明适用的每个控制参数，本发明输出输入分类、隶属函数集和推理规则集，这使人们可以采用常识性规则而不是秘密数值和算法对为特定应用和/或用户设计的系统的可调整部分进行最佳处理。

尽管根据所示的实施例对系统和方法作了描述，本领域的普通技术人员显然知道，本发明可以有许多变化，该变化在上面描述的系统和方法的精神与范围之列。例如，对一组给定的参数，根据设计人员确定为合适的控制复杂程度，隶属函数和控制规则可以按需要设计得简单或复杂。因此，在不脱离权利要求书的精神与范围的前提下，本领域的普通技术人员可以作出许多改进。

Claims (35)

1.一种用于定制一个操作系统的系统，包括：

用于提供若干输入值的第一装置；

用于将输入值转换为至少一个隶属函数的第二装置；

用于根据输入值与之相关的隶属函数，采用一组资源管理规则产生相应于每个输入值的一个输出值的装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于每个规则是一个“如果--那么”语句。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于每个隶属函数是“如果--那么”语句的前提。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于每个输出值是“如果--那么”语句的结果。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于第三装置是一个推理机。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于该推理机用硬件实现。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于该推理机用软件实现。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于使用一组资源管理规则的装置包括产生该规则的装置。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于产生该规则的装置包括相应于一项资源管理任务咨询专家的装置。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于咨询专家的装置包括确定哪些资源应该被管理并提供相关信息的装置。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于咨询专家的装置包括确定资源应该如何管理并提供相关信息的装置。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于产生规则的装置包括使用与哪些资源应该被管理和如何产生该规则相关的信息的装置。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于输入值是在安装或引导时被设置的参数，在系统被分别重新安装或重新引导之前保持不变。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于输入值是在预定的时间被调整的参数。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于输入值是根据需要被调整的参数。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于输入值是被连续估算和调整的参数。

17.一种用于定制一个操作系统的系统，包括：

用于提供若干输入值的第一装置；

用于将该输入值转换为至少一个隶属函数的第二装置；

用于根据输入值与之相关的隶属函数，采用一组资源管理规则产生相应于每个输入值的一个输出值的推理机，每个规则是一个“如果--那么”语句，其中隶属函数是前提，输出值是结果。

18.用于定制一个操作系统的方法，包括以下步骤：

a)提供若干输入值；

b)根据一个隶属函数将该输入值特征化；

c)根据输入值与之相关的隶属函数，采用一组资源管理规则产生相应于每个输入值的一个输出值。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于每个规则是一个“如果--那么”语句。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于每个隶属函数是“如果--那么”语句的前提。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于每个输出值是“如果--那么”语句的结果。

22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于该第三装置是一个推理机。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于该推理机用硬件实现。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于该推理机用软件实现。

25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于包括确定要被设计的任务的步骤。

26.根据权利要求18所述的方法，其特征在于使用一组资源管理规则的步骤包括产生该规则的步骤。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于产生该规则的步骤包括相应于每项资源管理任务咨询专家的步骤。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于咨询专家的步骤包括确定哪些资源应该被管理并提供相关信息的步骤。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于咨询专家的步骤包括确定资源应该如何管理并提供相关信息的步骤。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于产生规则的步骤包括使用与哪些资源应该被管理和如何产生该规则相关的信息的步骤。

31.根据权利要求18所述的方法，其特征在于输入值是在安装或引导时被设置的参数，在系统被分别重新安装或重新引导之前保持不变。

32.根据权利要求18所述的方法，其特征在于该输入值是在预定的时间被调整的参数。

33.根据权利要求18所述的方法，其特征在于该输入值是根据需要被调整的参数。

34.根据权利要求18所述的方法，其特征在于该输入值是被连续估算和调整的参数。

35.一种包括用于定制一个操作系统的程序指令的计算机可读装置，该程序指令用于：

提供若干输入值；

根据一个隶属函数将该输入值特征化；

根据输入值与之相关的隶属函数，采用一组资源管理规则产生相应于每个输入值的一个输出值。

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