Архитектурные особенности ОС

До сих пор мы говорили о взгляде на операционные системы извне, о том, что делают операционные системы. Дальнейший наш курс будет посвящен тому, как они это делают. Но мы пока ничего не сказали о том, что они представляют собой изнутри, какие подходы существуют к их построению.

Монолитное ядро

По сути дела, операционная система – это обычная программа, поэтому было бы логично и организовать ее так же, как устроено большинство программ, то есть составить из процедур и функций. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы. Такая структура операционной системы называется монолитным ядром (monolithic kernel). Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким образом, монолитное ядро – это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой.

Моноли́тное ядро́ — классическая и, на сегодняшний день, наиболее распространённая архитектура ядер операционных систем. Монолитные ядра предоставляют богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.

Монолитные ядра имеют долгую историю развития и усовершенствования и, на данный момент, являются наиболее архитектурно зрелыми и пригодными к эксплуатации. Вместе с тем, монолитность ядер усложняет их отладку, понимание кода ядра, добавление новых функций и возможностей, удаление «мёртвого», ненужного, унаследованного от предыдущих версий кода. «Разбухание» кода монолитных ядер также повышает требования к объёму оперативной памяти, требуемому для функционирования ядра ОС. Это делает монолитные ядерные архитектуры малопригодными к эксплуатации в системах, сильно ограниченных по объёму ОЗУ, например, встраиваемых системах, производственных микроконтроллерах и т. д.

Старые монолитные ядра требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер, такие как OpenVMS, Linux, FreeBSD, NetBSD и Solaris, позволяют во время работы динамически (по необходимости) подгружать и выгружать модули, выполняющие часть функций ядра. Модульность ядра осуществляется на уровне бинарного образа, а не на архитектурном уровне ядра, так как динамически подгружаемые модули загружаются в адресное пространство ядра и в дальнейшем работают как интегральная часть ядра. Модульные монолитные ядра не следует путать с архитектурным уровнем модульности, присущим микроядрам и гибридным ядрам. Практически, динамическая загрузка модулей - это просто более гибкий способ изменения образа ядра во время выполнения — в отличие от перезагрузки с другим ядром. Модули позволяют легко расширить возможности ядра по мере необходимости. Динамическая подгрузка модулей помогает сократить размер кода, работающего в пространстве ядра, до минимума, например, свести к минимуму отпечаток ядра для встраиваемых устройств с ограниченными аппаратными ресурсами.

Многоуровневые системы (Layered systems)

Продолжая структуризацию, можно разбить всю вычислительную систему на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями между ними, так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты уровня N-1. Нижним уровнем в таких системах обычно является hardware, верхним уровнем – интерфейс пользователя. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль, находящийся на этом уровне. Впервые такой подход был применен при создании системы THE (Technishe Hogeschool Eindhoven) Дейкстрой (Dijkstra) и его студентами в 1968 г. Эта система имела следующие уровни:

Рис. 1.2. Слоеная система THE

Слоеные системы хорошо реализуются. При использовании операций нижнего слоя не нужно знать, как они реализованы, нужно лишь понимать, что они делают. Слоеные системы хорошо тестируются. Отладка начинается с нижнего слоя и проводится послойно. При возникновении ошибки мы можем быть уверены, что она находится в тестируемом слое. Слоеные системы хорошо модифицируются. При необходимости можно заменить лишь один слой, не трогая остальные. Но слоеные системы сложны для разработки: тяжело правильно определить порядок слоев и что к какому слою относится. Слоеные системы менее эффективны, чем монолитные. Так, например, для выполнения операций ввода-вывода программе пользователя придется последовательно проходить все слои от верхнего до нижнего.

Виртуальные машины

В начале лекции мы говорили о взгляде на операционную систему как на виртуальную машину, когда пользователю нет необходимости знать детали внутреннего устройства компьютера. Он работает с файлами, а не с магнитными головками и двигателем; он работает с огромной виртуальной, а не ограниченной реальной оперативной памятью; его мало волнует, единственный он на машине пользователь или нет. Рассмотрим несколько иной подход. Пусть операционная система реализует виртуальную машину для каждого пользователя, но не упрощая ему жизнь, а, наоборот, усложняя. Каждая такая виртуальная машина предстает перед пользователем как голое железо – копия всего hardware в вычислительной системе, включая процессор, привилегированные и непривилегированные команды, устройства ввода-вывода, прерывания и т.д. И он остается с этим железом один на один. При попытке обратиться к такому виртуальному железу на уровне привилегированных команд в действительности происходит системный вызов реальной операционной системы, которая и производит все необходимые действия. Такой подход позволяет каждому пользователю загрузить свою операционную систему на виртуальную машину и делать с ней все, что душа пожелает.

Рис. 1.3. Вариант виртуальной машины

Первой реальной системой такого рода была система CP/CMS, или VM/370, как ее называют сейчас, для семейства машин IBM/370.

Недостатком таких операционных систем является снижение эффективности виртуальных машин по сравнению с реальным компьютером, и, как правило, они очень громоздки. Преимущество же заключается в использовании на одной вычислительной системе программ, написанных для разных операционных систем.

Микроядерная архитектура

Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной архитектурой (microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью.

Рис. 1.4. Микроядерная архитектура операционной системы

Остальные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений через микроядро.

Основное достоинство микроядерной архитектуры – высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

В то же время микроядерная архитектура операционной системы вносит дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений, что существенно влияет на производительность. Для того чтобы микроядерная операционная система по скорости не уступала операционным системам на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты, стараясь минимизировать взаимодействие между ними. Таким образом, основная сложность при создании микроядерных операционных систем – необходимость очень аккуратного проектирования.

Микроядра типа ядра ОС Minix и GNU Hurd развиваются гораздо медленнее, чем Linux и ядро систем семейства BSD. По словам создателя Minix 3, Эндрю Таненбаума, он пытается «построить сверхнадёжную систему, которая может использоваться в том числе на серверах, которым необходимы годы безотказной работы»[2].

Классическим примером микроядерной ОС является Symbian OS. Это пример распространенной и отработанной микроядерной (a начиная c версии Symbian OS v8.1, и наноядерной) операционной системы.

Создателям Symbian OS удалось совместить эффективность и концептуальную стройность, несмотря на то, что современные версии этой системы предоставляют обширные возможности, в том числе средства для работы c потоковыми данными, стеками протоколов, критичными к латентности ядра, графикой и видео высокого разрешения. Разработчики Symbian вынесли практически все прикладные (т. e. выходящие за пределы компетенции ядра) задачи в модули-серверы, функционирующие в пользовательском адресном пространстве.

В ОС Windows NT версий 3.х микроядерная архитектура с сервисным процессом использовалась для подсистемы графики и пользовательского интерфейса. В частности, драйвер графической аппаратуры загружался в контекст сервисного процесса, а не ядра. Начиная с версии 4, от этого отказались, сервисный процесс сохранился только для управления консольными окнами командной строки, а собственно графическая подсистема вместе с драйвером аппаратуры (в том числе трёхмерной графики) переместилась в специально обособленный регион ядра ОС.

ОС Windows CE (и созданные на её основе сборки, такие, как Windows Mobile), будучи практически полностью совместимой (как подмножество) с Windows NT по вызовам и методам программирования приложений, тем не менее полностью отличается от Windows NT по внутренней архитектуре и является микроядерной ОС с выносом всех драйверов устройств, сетевых стеков и графической подсистемы в сервисные процессы.

Недостаток — плата за принудительное «переключение» процессов в ядре (переключение контекста); этот факт собственно и объясняет трудности в проектировании и написании ядер подобной конструкции. Эти недостатки способны обойти ОС, использующие архитектуру экзоядра, являющуюся дальнейшим развитием микроядерной архитектуры.

Смешанные системы

Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов. Так, например, ядро операционной системы Linux представляет собой монолитную систему с элементами микроядерной архитектуры. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра – так называемых модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.

Другим примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4BSD и MkLinux, основанные на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляется монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра.

Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. Хотя Windows NT часто называют микроядерной операционной системой, это не совсем так. Микроядро NT слишком велико (более 1 Мбайт), чтобы носить приставку "микро". Компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как и положено в микроядерных операционных системах. В то же время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно операционным системамс монолитным ядром. По мнению специалистов Microsoft, причина проста: чисто микроядерный дизайн коммерчески невыгоден, поскольку неэффективен.

Таким образом, Windows NT можно с полным правом назвать гибридной операционной системой.

Классификация ОС

Существует несколько схем классификации операционных систем. Ниже приведена классификация по некоторым признакам с точки зрения пользователя.