Микроядро vs. монолит и «торжество» MINIX. Микроядерные операционные системы Функции микроядра

Недавно Эндрю Татенбаум, профессор Амстердамского свободного университета, автор учебной и миниатюрной Unix системы Minix, вновь оказался в центре событий благодаря эпистолярному жанру. В своем письме Интел он поблагодарил компанию за использование Minix, посетовал на то, что та не трубила об этом на каждом шагу и заявил, что из-за этого мало кто знает о том, что Minix - на сегодняшний день самая популярная ОС на свете .

Надо отдать должное профессору, он умеет выбирать адресата, время и место для того, чтобы вызвать громкий и продолжительный эффект с помощью простого сообщения, отправленного по электронной почте. Его предыдущим корреспондентом был Линус Торвальдс, а их переписка о монолитном и микро ядре вошла в анналы истории ИТ. Без этого трудно понять, почему Эндрю Таненбаум так экзальтирован из-за мнимого успеха Миникс, которая всего лишь в течении десятка лет обеспечивала работу интеловского бэкдора IME .

Рождение Linux и критика монолитного ядра

26 лет назад программирования для Unix было нетривиальным делом для обычного студента, так как все разновидности Unix были платными. Чтобы освоить эту операционную систему Линус решает поставить Minix. Интернет в ту пору еще только зарождался, заказ ОС шел через обычную почту, так же как и доставка. Ради Minix пришлось раскошелиться на 169 долларов.

У меня возникло множество претензий к Minix. Хуже всего была эмуляция терминала, очень важная для меня программа, потому что именно ее я использовал для подключения к университетскому компьютеру. Я зависел от этой эмуляции каждый раз, когда связывался с университетским компьютером, чтобы поработать с мощной Unix-системой или просто выйти в онлайн.

Вскоре будущий создатель Linux обнаружил серьезные недостатки Minix. Так как это был всего лишь обучающий вариант Unix, то профессор преднамеренно исковеркал ее. Многие из этих недостатков можно было устранить заплаткой самого известного хакера Minix Брюса Эванса, но для того, чтобы ее поставить нужно было изрядно провозиться. Самым же существенным недостатком для Линуса была программа эмуляции терминала, которую пришлось заменить на свою собственную. Затем понадобился драйвер файловой системы и понеслось, ядро новой ОС зародилось по принципу каши из топора.

25 августа 1991 г. Линус отправляет свое знаменитое сообщение о том, что работает над бесплатной операционной системой, но это будет не такой крупный и профессиональный проект как GNU . Помимо всего прочего внимание заслуживает тот факт, что этот и другие ранние анонсы свое операционной системы Линус отправляет в конференцию Minix, оттягивая на себя пользователей последней.

Эндрю Таненбаум до поры до времени никак на это не реагировал, но Linux рос как снежный ком. Уже в январе 1992 г. вышла версия 0.12, в котором была реализована страничная подкачка на диск - то чего не было в Minix. Вскоре после этого профессор снизошел до выскочки, чтобы лично ему ответить и вот 29-го января Линус получает сообщение в конференцию comp.os.minix с нравоучительным содержанием. Начало было обнадеживающим.

From: [email protected] (Andy Tanenbaum)
То: Newsgroups: comp.os.minix
Subject: LINUX устарела
Date: 29 Jan 92 12:12:50 GMT
Я тут на пару недель уезжал в США, поэтому не писал особенно о LINUX (не то чтобы я стал писать, если бы и был здесь). Однако теперь хочу сделать несколько замечаний.
Как большинство из вас знает, для меня MINIX – хобби, которым я занимаюсь по вечерам, когда мне надоедает писать книжки, а по CNN не показывают никаких войн, революций или парламентских слушаний. Моя основная работа – преподавание и исследования в области операционных систем.

Далее следовали справочные сведения о монолитном ядре, микроядре и об ОС, исповедующих тот, или иной принцип. Затем следовал несостоятельный с точки зрения логики довод о том, что среди специалистов по разработке операционных систем споры по данному вопросы уже прекратились ввиду явного преимущества микроядра. Дальше декларации о том, что Minix прогрессивна, а Linux - возврат в 1970-е. Кроме того, Linux привязан к одной архитектуре в то время как Minix был перенесен с Intel процессоров на другие платформы: Atari, Amiga, Macintosh, SPARC и NS32016.

Я мог бы многое рассказать о сравнительных преимуществах этих двух подходов, но достаточно сказать, что среди специалистов по разработке операционных систем споры уже закончились. Микроядро победило. Minix – система с микроядром. Файловая система и управление памятью – это отдельные процессы, которые работают вне ядра. Ввод-вывод тоже выполняется отдельно. LINUX – монолитная система. Это большой шаг назад, в 70-е. годы .

В начале 90-х микроядро действительно было в фаворе у проектировщиков операционных систем. По их мнению ядро ОС должно быть минимальным и содержать лишь самое необходимое: управление памятью, планировщик и IPC, а все остальное реализуется в виде сервисов. Разбив целое на множество простых частей, сложность исчезает, а легковесные сервисы без труда обмениваются данными с микроядром. Сбой в драйвере файловой системы или сетевой карты, таким образом элементарно восстанавливался перезагрузкой соответствующего сервиса.

Линус принимает вызов

Линус придерживался другого мнения на сей счет. Отдавая должное элегантности и изяществу архитектуры микроядра с теоретической точки зрения, он тем не менее считал микроядро не пригодным для практических целей. Мнимая простота микроядра оборачивается тем, что взаимодействие и интерфейс между простыми частями микроядра создает сложности, которые нивелируют все ее «бумажные» преимущества. В своем ответе он изложил свое видение по данному вопросу. После дерзких выпадов против своего оппонента Линус переходит к сути.

From: [email protected] (Linus Benedict Torvalds)
Subject: Re: LINUX устарела
Date: 29 Jan 92 23:14:26 GMT
Organization: University of Helsinki
...
Да, linux – монолитная система, и я согласен, что микроядро лучше. Если бы у вашего сообщения не был такой спорный заголовок, я бы, вероятно, согласился с большинством ваших высказываний. С теоретической (и эстетической) точки зрения linux проигрывает. Если бы ядро GNU было готово прошлой весной, я бы и не взялся за свою разработку: беда в том, что оно не было готово тогда и не готово до сих пор. Linux выигрывает прежде всего потому, что она уже готова.

Затем перечисляет проблемы Minix с многозадачностью в файловой системе.

Если бы это было единственным критерием качества ядра, вы были бы правы. Однако вы не пишете о том, что микроядро в minix сделано плохо и возникают проблемы с многозадачностью (в ядре). Если бы я сделал ОС, у файловой системы которой были бы проблемы с многозадачностью, я бы не стал так поспешно осуждать других: наоборот, я бы из кожи вон лез, чтобы все забыли о моем провале. Да, я знаю, что для minix есть масса заплаток, обеспечивающих многопоточную работу, но это лишь заплатки, и Брюс Эванс говорит, что все равно остается множество проблем синхронизации.

Перепалка в конференции продолжается, в спор вступают новые участники. Эндрю Таненбаум и Линус Торвальдсь продолжают спор, но уже более в более сдержанной манере. Ниже вольный перевод избранных цитат.

Эндрю Танебаум : Я нарочно написал Minix таким корявым, чтобы студенты могли гонять его на разнообразном и недорогом компьютерном железе, но дизайн у моей ОС норм., а не то что твой отсталый Linux. Его к тому же невозможно переносить на другие платформы. Я бы тебе на экзамене поставил пару.

David Feustel : Ничего страшного, и у Эйнштейна были плохие отметки по математике и физике .

Ken Thompson : Пользователям до лампочки современное ли ПО у них на компьютере, производительность гораздо важнее. Да, будущее за микроядром, однако монолитное ядро проще состряпать. Впрочем, его и запороть проще, если писать код на скорую руку.

Randy Burns : Системные вызовы Linux совместимы с переносимыми ОС, так что жалобы на привязку к одной платформе неуместны. Наоборот, Linux закрывает брешь, позволяя нам использовать програмы GNU . Может быть через пару лет, когда Hurd и недорогие BSD системы получат распространение Linux и устареет, но сейчас мы можем наслаждаться gcc, bash, bison за бесценок и писать код для лучшей ОС .

Pete French : А разве микроядро и монолитное ядро не являются артефактами языка программирования, на котором написаны. В чем разница между микроядром, написанным на C и монолитным ядром - на OCCAM?

Линус Торвальдс : Ты старался так ради студентов, ну тогда понятно. Но с многозадачностью в твоей ОС все равно беда, как ни крути, а на моем «отсталом» монолитном Linux все летает. С переносимостью больших проблем не будет, так как Linux API переносимо - были бы желающие. А хорошие оценки мне и так не светят, я тут недавно с другим преподавателем архитектуры ОС повздорил.

Lawrence C. Foard : Теоретики такие теоретики. У них прекрасные идеи, но никто их них не удосужился их проверить на деле. Интелосвкие 32-битные процессоры уже почти 10 лет как доступны на рынке, но никто кроме Линуса не написал для них ОС , которую можно пощупать, без необходимости покупать Unix AT&T за 100,000$. Готовая ОС стоит десятка бумажных. Я уже сегодня могу писать код для Linux и экспериментировать как мне вздумается.

peter da silva : Прекрасно, что Linux существует и монолитное ядро - одна из причин того, что он был создан так быстро. Это мощный аргумент в пользу монолитного ядра и однако это не значит, что микроядро обязательно должно быть медленным, или что оно «бумажное».

Аргументы в пользу микроядра в то время действительно перевешивали, но на сегодняшний день опыт использования обоих принципов построения ОС

У этого термина существуют и другие значения, см. Amoeba (значения). Amoeba Разработчик Эндрю Таненбаум и др. Исходный код Открытый Первый выпуск 1983 Последняя версия 5.3 1996 Тип ядра Мик … Википедия

Spring экспериментальная микроядерная объектно ориентированная операционная система, разработанная Sun Microsystems в начале 1990 х. В ней использовались принципы, сходные с теми, что использовались в ядре Mach. Разработка прекратилась в середине … Википедия

Это список известных операционных систем. Операционные системы могут быть классифицированы по базовой технологии (UNIX подобные, пост UNIX/потомки UΝΙΧ), типу лицензии (проприетарная или открытая), развивается ли в настоящее время (устаревшие или … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Ядро. Ядро центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное… … Википедия

Служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не устанавл … Википедия

Служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не устанавливается на информационные статьи списки и глоссари … Википедия

3.1.3a Разработчик Эндрю Таненбаум … Википедия

Рабочий стол QNX 6 (Neutrino) по … Википедия

В микроядерных операционных системах мы можем выделить центральный ком­пактный модуль, относящийся к супервизорной части системы. Этот модуль име­ет очень небольшие размеры и выполняет относительно небольшое количество управляющих функций, но позволяет передать управление на другие управляю­щие модули, которые и выполнят затребованную функцию. Микроядро - это ми­нимальная главная (стержневая) часть операционной системы, служащая осно­вой модульных и переносимых расширений. Микроядро само является модулем системного программного обеспечения, работающим в наиболее приоритетном состоянии компьютера и поддерживающим связи с остальной частью операцион­ной системы, которая рассматривается как набор серверных приложений (служб).

В 90-е годы XX века было весьма распространенным убеждение, что большинство операционных систем следующих поколений будут строиться как микроядерные. Однако практика показывает, что это не совсем так. Разработчики желают иметь компактное микроядро, но при этом включить в него как можно больше функций, исполняемых непосредственно этим программным модулем. Ибо выполнение за­требованной функции другим модулем, вызываемым из микроядра, приводит и к дополнительным задержкам, и к дополнительным сложностям. Более того, име­ется масса разных мнений по поводу того, как следует организовывать службы опе­рационной системы по отношению к микроядру; как проектировать драйверы устройств, чтобы добиться наибольшей эффективности, но сохранить функции

290______________________________ Глава 9. Архитектура операционных систем

драйверов максимально независимыми от аппаратуры; следует ли выполнять опе­рации, не относящиеся к ядру, в пространстве ядра или в пространстве пользова­теля; стоит ли сохранять программы имеющихся подсистем (например, UNIX) или лучше отбросить все и начать с нуля.

Основная идея, заложенная в технологию микроядра заключается в том, чтобы создать необходимую среду верхнего уровня иерархии, из которой можно легко получить доступ ко всем функциональным возможностям уровня аппаратного обеспечения. При этом микроядро является стартовой точкой для создания всех остальных модулей системы. Все эти остальные модули, реализующие необхо­димые системе функции, вызываются из микроядра и выполняют сервисную роль. При этом они получают статус обычного процесса или задачи. Можно сказать, что микроядерная архитектура соответствует технологии клиент-сервер. Имен­но эта технология позволяет в большей мере и с меньшими трудозатратами реа­лизовать перечисленные выше принципы проектирования операционных сис­тем.

Важнейшая задача разработки микроядра заключается в выборе базовых прими­тивов, которые должны находиться в микроядре для обеспечения необходимого и достаточного сервиса. В микроядре содержится и исполняется минимальное ко­личество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. В чис­ло этих вызовов входят передача сообщений и организация другого общения меж­ду внешними по отношению к микроядру процессами, поддержка управления прерываниями, а также ряд других весьма немногочисленных функций. Осталь­ные системные функции, характерные для «обычных» (не микроядерных) опера­ционных систем, обеспечиваются как модульные дополнения-процессы, взаимо­действующие главным образом между собой и осуществляющие взаимодействие посредством передачи сообщений.

Для большинства микроядерных операционных систем основой для такой архи­тектуры выступает технология микроядра Mach. Эта операционная система была создана в университете Карнеги Меллон, и многие разработчики брали с нее при­мер.

Исполняемые микроядром функции ограничены в целях сокращения его разме­ров и максимизации количества кода, работающего как прикладная программа. Микроядро включает только те функции, которые требуются в целях определе­ния набора абстрактных сред обработки для прикладных программ и организации совместной работы приложений. В результате микроядро обеспечивает только пять различных типов сервисов:

Управление виртуальной памятью;

Поддержка заданий и потоков;

Взаимодействие между процессами (Inter-Process Communication, IPC);
- управление поддержкой ввода-вывода и прерываниями;

Сервисы хоста (host) 1 и процессора.

1 Хост - главный компьютер. Нынче этим термином обозначают любой компьютер, имеющий IP-адрес.

Микроядерные операционные системы________________ 291

Другие подсистемы и функции операционной системы, такие как файловые сис­темы, поддержка внешних устройств и традиционные программные интерфейсы, оформляются как системные сервисы либо получают статус обычных обрабаты­вающих задач. Эти программы работают как приложения на микроядре.

С применением концепции нескольких потоков выполнения на одно задание мик­роядро создает прикладную среду, обеспечивающую использование мультипро­цессоров; при этом совсем не обязательно, чтобы машина была мультипроцессор­ной: на однопроцессорной машине различные потоки просто выполняются в разное время. Вся поддержка, требуемая для мультипроцессорных машин, сконцентри­рована в сравнительно малом и простом микроядре.

Благодаря своим небольшим размерам и способности поддерживать остальные службы в виде обычных процессов, выполняющихся вместе с прикладными про­граммами, сами микроядра проще, чем ядра монолитных или модульных операци­онных систем. С микроядром супервизорная часть операционной системы разби­вается на модульные части, которые могут быть сконфигурированы целым рядом способов, позволяя строить большие системы добавлением частей к меньшим. Например, каждый аппаратно-независимый нейтральный сервис логически отде­лен и может быть сконфигурирован различными способами. Микроядра также облегчают поддержку мультипроцессоров созданием стандартной программной среды, которая может использовать несколько процессоров, если они есть, однако если их нет, работает на одном. Специализированный код для мультипроцессоров ограничен самим микроядром. Более того, сети из общающихся между собой мик­роядер могут быть использованы для операционной системной поддержки возни­кающего класса массивно параллельных машин.

В некоторых случаях использование микроядерного подхода на практике сталки­вается с определенными сложностями, что проявляется в некотором замедлении скорости выполнения системных вызовов при передаче сообщений через микро­ядро по сравнению с классическим подходом. С другой стороны, можно констати­ровать и обратное. Поскольку микроядра малы и в значительной степени оптимизи­рованы, при соблюдении ряда условий они позволяют обеспечить характеристики реального времени, требующиеся для управления устройствами и для высокоско­ростных коммуникаций. Наконец, хорошо структурированные микроядра обеспе­чивают изолирующий слой для аппаратных различий, которые не маскируются применением языков программирования высокого уровня. Таким образом, они упрощают перенесение кода и увеличивают уровень его повторного использова­ния.

Наиболее ярким представителем микроядерных операционных систем является операционная система реального времени QNX. Микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня (подробнее об ОС QNX см. в главе 10). Это микроядро обеспечивает всего лишь пару десятков системных вызовов, но благодаря этому оно может быть целиком размещено во внутреннем кэше даже таких процессоров, как Intel 486. Как известно, разные версии этой опе­рационной системы имели и разные объемы ядер - от 8 до 46 Кбайт.

292______________________________ Глава 9. Архитектура операционных систем

Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает процессы и управляет ими и памятью про­цессов. Чтобы операционная система QNX была применима не только во встроен­ных и бездисковых системах, нужно добавить файловую систему и менеджер уст­ройств. Эти менеджеры исполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим.

Во многих операционных системах с монолитным ядром сборка ядра, то есть его компиляция, осуществляется отдельно для каждого компьютера, на который устанавливается операционная система . При этом можно выбрать список оборудования и программных протоколов, поддержка которых будет включена в ядро. Так как ядро является единой программой, перекомпиляция – это единственный способ добавить в него новые компоненты или исключить неиспользуемые. Следует отметить, что присутствие в ядре лишних компонентов крайне нежелательно, так как ядро всегда полностью располагается в оперативной памяти. Кроме того, исключение ненужных компонентов повышает надежность операционной системы в целом.

Монолитное ядро – старейший способ организации операционных систем . Примером систем с монолитным ядром является большинство Unix-систем.

Даже в монолитных системах можно выделить некоторую структуру. Как в бетонной глыбе можно различить вкрапления щебенки, так и в монолитном ядре выделяются вкрапления сервисных процедур, соответствующих системным вызовам . Сервисные процедуры выполняются в привилегированном режиме, тогда как пользовательские программы – в непривилегированном. Для перехода с одного уровня привилегий на другой иногда может использоваться главная сервисная программа, определяющая, какой именно системный вызов был сделан, корректность входных данных для этого вызова и передающая управление соответствующей сервисной процедуре с переходом в привилегированный режим работы. Иногда выделяют также набор программных утилит, которые помогают выполнять сервисные процедуры.

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.

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.

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.

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

Главная » Работа с CD/DVD » Микроядро vs. монолит и «торжество» MINIX. Микроядерные операционные системы Функции микроядра