Исследования и разработки в области операционных систем

Сергей Кузнецов

Пожалуй, операционные системы в традиционно понимаемом смысле в настоящее время являются скорее предметом индустриальных разработок, чем исследований. Даже те работы, которые велись и ведутся в университетах США, все более приобретают характер полупромышленных разработок. По всей видимости, это связано, во-первых, с накоплением громадного запаса методов и алгоритмов, а во-вторых, с достаточно жесткой стандартизацией функций и интерфейсов операционных систем. Пожалуй, единственной областью, примыкающей к тематике операционных систем и подвергаемой интенсивным исследованиям, является область объектных операционных сред (основанных на специально разработанных или традиционных ОС).

В этом материале мы кратко рассмотрим три темы: современное состояние наиболее развитой на сегодняшний день и популярной в академических и научных кругах операционной системы UNIX, а также состояние дел в области стандартизации ОС; сравнительно новую и перспективную технологию организации операционных систем на основе микроядер.

1. ОС UNIX и стандарты Открытых Систем

Операционная система UNIX, являющаяся первой в истории мобильной ОС, обеспечивающей надежную среду разработки и использования мобильных прикладных систем, одновременно представляет собой практическую основу построения открытых программно-аппаратных систем и комплексов. Именно широкое внедрение в практику ОС UNIX позволило перейти от лозунга Открытых Систем к практической разработке этой концепции. Большой вклад в развитие направления Открытых Систем внесла деятельность по стандартизации интерфейсов ОС UNIX.

Тем не менее, до сих пор можно выделить несколько ветвей ОС UNIX, различающихся не только реализацией, но временами и интерфейсами и семантикой (хотя, по мере развития процесса стандартизации, эти различия становятся все менее значительными). В приводимом ниже кратком обзоре мы затрагиваем только некоторые варианты ОС UNIX, которые, по нашему мнению, наиболее существенны в настоящее время.

1.2 UNIX System V 4.x и опирающиеся на него операционные системы

Канонические исходные тексты ОС UNIX, как известно, были написаны сотрудниками телефонной компании AT&T, и долгое время авторские права, равно как и права на продажу лицензий на использование исходных текстов принадлежали этой компании. В дальнейшем, по причине технических сложностей с разработкой и сопровождением сложного программного продукта и некоторых юридических затруднений компания AT&T образовала дочернюю компанию USL (UNIX System Laboratories) с основной задачей развития и сопровождения исходных текстов ОС UNIX.

Именно USL выпустила вариант ОС UNIX System V 4.0, который стал фактическим стандартом операционной системы UNIX и явился основой многочисленных версий ОС UNIX, производимых поставщиками рабочих станций и серверов. Последним успехом USL как дочерней компании AT&T явился выпуска SVR 4.2. Помимо прочего, в этой ОС был впервые в истории UNIX реализован механизм легковесных процессов (threads), работающих на общей виртуальной памяти и позволяющих использовать аппаратные возможности так называемых "симметричных мультипроцессорных архитектур", в которых несколько процессоров имеют равноправный доступ к общей оперативной памяти.

В 1993 г. компания USL была поглощена компанией Novell, и в настоящее время фактически является подразделением этой компании. При этом владение торговой маркой UNIX было передано консорциуму X/Open. В 1994 г. USL в составе Novell была почти незаметна; видимо, сказывались необходимые структурные, организационные и маркетинговые преобразования. Однако в начале 1995 г. компания Novell объявила о выпуске нового варианта своей ОС UnixWare 2.0, основанного на System V 4.2, что свидельствует о завершении процесса внедрения USL в Novell.

1.2.1 UnixWare компании Novell

Компания Novell приобрела широкую известность и заработала основной капитал на рынке локальных сетей персональных ЭВМ. Распространенная "сетевая" ОС NetWare на самом деле всего лишь обеспечивает сетевой доступ персональных компьютеров, работающих под управлением MS-DOS, к ресурсам серверов (главным образом, файловых). Возрастающие возможности компьютеров, основанных на процессорах компании Intel, их фактический переход из класса персональных компьютеров в класс развитых рабочих станций, недостаточные возможности ОС типа MS-DOS для эффективного использования этих компьютеров заставили компанию Novell обратить внимание на операционную систему UNIX.

Первая версия системы под названием UnixWare целиком основывалась на SVR 4.0, но включала ряд расширений, специфичных для Novell. Следует отметить, что многие пользователи этой системы были не слишком ей довольны: она была не очень надежна и сложно администрировалась. В начале 1995 г. появился релиз UnixWare 2.0, основанный на SVR 4.2. По отзывам пользователей эта система гораздо более продвинута. В частности, обеспечивается полный графический интерфейс администратора, файловая система очень надежна, допускается доступ к файлам, хранимым на серверах NetWare и т.д. В конце 1995 г. компания Novell обещает выпустить новый продукт, который будет основываться на UNIX, но при этом будет поддерживать все функции NetWare.

1.2.2 Solaris компании Sun Microsystems

Известно, что в течении многих лет основой операционных систем (SunOS) компании Sun являлся UNIX BSD. Однако, начиная с SunOS 4.0, произошел полный переход на System V 4.0. Это связано, прежде всего, с тем, что SVR 4.0 включает функциональные возможности UNIX линии BSD.

Sun Microsystems внесла ряд существенных расширений в SVR 4.0. Прежде всего это касается обеспечения распараллеливания программ при использовании симметричных мультипроцессорных компьютеров (механизм потоков управления - threads). В SVR 4.0 этот механизм отсутствовал (он появился только в SVR 4.2), а компания Sun уже активно выпускала мультипроцессорные компьютеры. Поэтому в SunOS был реализован собственный механизм threads, что потребовало многочисленных переделок в ядре системы.

Solaris является внешней оболочкой SunOS и дополнительно включает средства графического пользовательского интерфейса и высокоуровневые средства сетевого взаимодействия (в частности, средства вызова удаленных процедур - RPC). Заметим, что хотя самая первая реализация механизма RPC принадлежит компании Xerox, именно реализация Sun стала фактическим стандартом и лицензирована многими компаниями.

1.2.3 HP/UX компании Hewlett-Parkard, DG/UX компании Data General, AIX компании IBM

HP/UX, DG/UX и AIX обладают многими отличиями. В частности, в этих версиях ОС UNIX поддерживаются разные средства генерации графических пользовательских интерфейсов (хотя все они основаны на использовании оконной системы X), по-разному реализованы threads и т.д.

Однако все эти системы объединяет тот факт, что в основе каждой из них находится SVR 4.x. Поэтому основной набор системных и библиотечных вызовов в этих реализациях совпадает.

Заметим, что в компании IBM существовал план разработки полностью самостоятельной реализации AIX на основе микроядра. Однако в последнее время IBM отказалась от этой идее, хотя собственное микроядро (новая реализация микроядра Mach) уже было создано.

1.3 Santa Cruz Operation и SCO UNIX

Варианты ОС UNIX, производимые компанией SCO и предназначенные исключительно для использования на Intel-платформах, до сих пор базируются на лицензированных исходных текстах System V 3.2. Однако SCO довела свои продукты до уровня полной совместимости со всеми основными стандартами (в тех позициях, для которых существуют стандарты).

Консерватизм компании объясняется прежде всего тем, что ее реализация ОС UNIX включает наибольшее количество драйверов внешних устройств и поэтому может быть установлена практически на любой Intel-платформе. Естественно, при переходе на другой вариант опорных исходных текстов ядра системы могла бы потребоваться массовая переделка драйверов.

Тем не менее, SCO имеет соглашение с французской компанией Chorus Systems о разработки новой версии SCO UNIX, базирующегося на микроядре Chorus и предназначенного для использования в системах реального времени.

1.4 Open Software Foundation и OSF-1

OSF была первой коммерческой компанией, решившейся на полную реализацию ОС UNIX на базе микроядра Mach. Результатом этой работы явилось создание ОС OSF-1. Как утверждают, OSF-1 на самом деле не является полностью лицензионно чистой системой: в ней используется часть исходных текстов SVR 4.0.

На сегодняшний день наиболее серьезным потребителем OSF-1 является компания Digital Equipment на своих платформах, основанных на микропроцессорах Alpha. В OSF-1 поддерживаются все основные стандарты ОС UNIX, хотя многие утверждают, что пока система работает не очень устойчиво.

1.5 Berkeley Standard Distribution, Free BSD, BSD Net и т.д.

Многие годы варианты ОС UNIX, разработанные в Калифорнийском университете г. Беркли, являлись реальной альтернативой AT&T UNIX. Например, ОС UNIX BSD 4.2 была бесплатно доступна в исходных текстах и достаточно широко использовалась даже в нашей стране на оригинальных и воспроизведенных машинах линии DEC. BSD 4.3 являлась основой популярной ОС Ultrix компании DEC. UNIX BSD использовался в SunOS. И т.д.

Группа BSD оказала огромное влияние на общее развитие ОС UNIX. До появления SVR 4.0 проблемой для пользователей являлась несовместимость наборов системных вызовов BSD и System V. Как мы отмечали выше, в SVR 4.0 был реализован общий набор системных вызовов.

Около 5 лет назад в Беркли была начата работа над микроядерной реализацией BSD 4.4. Работа была уже близка к завершению, когда компания USL, являвшаяся в то время владельцем исходных текстов System V, подала в суд на университет Беркли, мотивируя это тем, что в BSD 4.4 нелегально используются части исходных текстов SVR 4.0. Процесс продолжался около двух лет и закончился победой Беркли, хотя в то же время было выставлено условие произвести полную очистку текстов BSD от следов System V. Все это, естественно, затормозило выпуск BSD 4.4, полный вариант которой до сих пор недоступен.

Несколько лет назад группа BSD разделилась на коммерческую и некоммерческую части. Новая коммерческая компания получила название BSDI. Обе подгруппы выпустили варианты ОС UNIX для Intel-платформ под названиями 386BSD и BSD386, причем коммерческий вариант был гораздо более полным.

Сегодня популярен новый свободно распространяемый вариант ОС UNIX, называемый FreeBSD. Ведутся работы над более развитыми версиями BSDNet.

1.6 Torvald Linus и LINUX

LINUX - это оригинальная реализация ОС UNIX для Intel-платформ, выполненная молодым сотрудником университета Хельсинки Торвальдом Линусом. По непроверенным слухам совсем недавно появилась версия LINUX для PowerPC.

LINUX распространяется свободно, является очень экономичной ОС и весьма популярен среди молодежи. Практически каждую неделю появляется новый драйвер, работающий в LINUX. Этой ОС посвящена одна из самых активных телеконференций в Internet. Уже издается несколько регулярных журналов, связанных исключительно с тематикой LINUX.

1.7 POSIX, XPG и т.д.

До тех пор, пока господствовала узкая трактовка ОС UNIX (т.е. пока ОС UNIX не была коммерческим продуктом), не было потребности в стандартизации средств этой операционной системы. Немногочисленные высококвалифицированные пользователи ОС UNIX сами могли разобраться в особенностях и отличиях используемой версии системы и выбрать то подмножество ее средств, которое обеспечивало переносимость разрабатываемого приложения.

Однако с выходом ОС UNIX на коммерческий рынок, переходом к широкой трактовке системы и существенным увеличением числа пользователей различных ее вариантов стало необходимым ввести хотя бы возможность производства основанных на ОС UNIX операционных систем, которые были бы действительно совместимы. Для этого необходима стандартизация (интерфейсов) средств операционной системы на разных уровнях. Такая работа ведется уже около 10 лет, еще не завершена и вряд ли когда-либо будет завершена в виде окончательного набора стандартов де-юре. Тем не менее, даже полученные результаты позволяют производителям обеспечить пользователей разных аппаратных платформ операционными системами, достаточно удобными для использования и позволяющими разрабатывать мобильные прикладные системы, которые могут выполняться на компьютерах, оснащенных операционными системами с аналогичными свойствами.

Прежде чем перечислить наиболее важные официальные и фактические стандарты, принимаемые во внимание производителями систем, основанных на ОС UNIX, сформулируем, что же понимается под стандартом интерфейсов ОС. Стандарт интерфейсов ОС - это обычно сводка более или менее формальных синтаксических (интерфейсных) и семантических (поведенческих) свойств специфицируемых средств операционной системы.

1.7.1 System V Interface Definition (SVID)

Одним из наиболее ранних стандартов де-факто ОС UNIX явился изданный UNIX System Laboratories (USL) одновременно с выпуском версии ОС UNIX System V Release 4 документ System V Interface Definition (SVID). Если кратко напомнить историю, то владельцем оригинальных исходных текстов ОС UNIX являлась компания AT&T Bell Laboratories (именно работники этой компании Ричи, Томпсон и Керниган разработали в начале 1970-х самый первый мобильный вариант ОС UNIX). В 1980-е годы компания AT&T основала дочернюю компанию USL, которой были переданы права на исходные тексты и торговую марку ОС UNIX. USL выпустила системы с System V R.4.0 до System V R.4.2, после чего в конце 1993 г. была поглощена компанией Novell, которая теперь является владельцем исходных текстов ОС UNIX (под давлением общественности торговая марка "UNIX" была передана компании X/Open).

Несмотря на все эти пертурбации SVID продолжает существовать и пользоваться авторитетом у производителей. Как кажется, главным объяснением этому является тот факт, что большинство коммерческих вариантов ОС UNIX (в частности, четыре из пяти, рассматриваемых в этом разделе) основаны на лицензированных у AT&T-USL-Novell исходных текстах UNIX. Поэтому не очень сложно полностью удовлетворять этому фактическому стандарту. Естественно, SVID как документ, изданный одной компанией без его предварительного общественного обсуждения, никогда не будет принят в качестве официального стандарта.

1.7.2 Деятельность комитетов POSIX

Следует вспомнить, что наряду с версиями ОС UNIX, развивавшимися в компании AT&T (затем в USL, а теперь - в Novell), исторически существовало еще направление BSD (Berkeley Standard Distribution), успешно поддерживавшееся небольшой, но всемирно известной группой из университета г. Беркли (шт. Калифорния). В свое время (в конце 1970-х) университет получил из AT&T исходные тексты 16-разрядной ОС UNIX, на основе которых была произведена 32-разрядная система, которая сначала использовалась на компьютерах семейства VAX, а затем была перенесена на многие другие аппаратные платформы. В результате наборы системных вызовов UNIX AT&T и BSD стали значительно различаться.

Хотя большинство коммерческих реализаций UNIX основывалось на System V, UNIX BSD всегда был популярен в университетах, и общественность потребовала определения некоторого интерфейса, который являлся бы по сути объединением средств AT&T и BSD. Эта работа была начата Ассоциаций профессиональных программистов Открытых Систем UniForum, а затем продолжена в специально созданных рабочих группах POSIX (Portable Operating System Interface). В рабочих группах POSIX разрабатываются многие стандарты открытых систем, но наиболее известным и авторитетным является принятый ISO по представлению IEEE стандарт POSIX 1003.1, в котором определены минимальные требуемые средства операционной системы (по сути дела, UNIX).

1.7.3 Деятельность X/Open

Международная организация X/Open, которая выполняет многие работы, связанные с пропагандой и анализом использования открытых систем, кроме того, собирает и систематизирует де-юре и де-факто стандарты, имеющие промышленное значение, в так называемом X/Open Common Application Environment (CAE). Спецификаций интерфейсов средств, входящих в CAE, публикуются в многотомном документе X/Open Portability Guide (XPG).

1.7.4 Стандарт ANSI C

Очень важным в мире UNIX является принятый сначала ANSI, а потом и ISO международный стандарт языка программирования Си. Дело в том, что в этом стандарте специфицирован не только непосредственно язык Си, но и библиотеки, необходимые в каждой стандартной реализации. Поскольку с самого своего появления язык Си и соответствующие системы программирования были неразрывно связаны с ОС UNIX, то состав стандартных библиотек достаточно точно соответствует стандартной среде ОС UNIX.

Перечисленные четыре стандарта, только два из которых являются официально принятыми, наиболее авторитетны для производителей операционных систем, претендующих на совместимость с ОС UNIX. Особенностью этих стандартов является их полная машинная независимость.

Имеется другая разновидность стандартов де-факто, распространяемых на некоторый класс аппаратных архитектур. Примером такого стандарта может служить документ, принятый международной организацией SPARC International документ SPARC Complience Definition, содержащий машинно-зависимые уточнения к машинно-независимым спецификациям интерфейсов. Аналогичный документ разрабатывался организацией 88/Open, связанной с RISC-процессорами фирмы Motorola.

Среди других индустриальных де-факто стандартов для современных вариантов ОС UNIX наиболее важны фактический стандарт оконной системы, поддерживаемый X Cosortium, в основе которого находится лаборатория Массачусетского технологического института (MIT), являющаяся разработчиком системы X, а также спецификации интерфейсов инструментального средства разработки графических пользовательских интерфейсов OSF/Motif, разработанные в Open Software Foundation (OSF).

Заметим, что кроме того, в OSF разработан документ OSF Application Environment Specification (AES), содержащий спецификации интерфейсов ОС OSF/1, являющей собственной реализацией OSF ОС UNIX на базе новой микроядерной технологии (правда, до сих пор в этой реализации используются фрагменты исходного текста System V). AES является расширением SVID, POSIX 1003.1 и XPG.

2. Микроядерные операционные системы

Микроядро - это минимальная стержневая часть операционной системы, служащая основой модульных и переносимых расширений. По-видимому, большинство операционных систем следующего поколения будут обладать микроядрами. Однако 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 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.

В широкий обиход понятие микроядра ввела компания Next, в операционной системе которой использовалось микроядро Mach. Небольшое привилегированное ядро этой ОС, вокруг которого располагались подсистемы, выполняемые в режиме пользователя, теоретически должно было обеспечить небывалую гибкость и модульность системы. Но на практике это преимущество было несколько обесценено наличием монолитного сервера, реализующего операционную систему UNIX BSD 4.3, которую компания Next выбрала в качестве оболочки микроядра Mach. Однако опора на Mach дала возможность включить в систему средства передачи сообщений и ряд объектно-ориентированных сервисных функций, на основе которых удалось создать элегантный интерфейс конечного пользователя с графическими средствами конфигурирования сети, системного администрирования и разработки программного обеспечения.

Следующей микроядерной операционной системой была Windows NT компании Microsoft, в которой ключевым преимуществом использования микроядра должна была стать не только модульность, но и переносимость. (Заметим, что отсутствует единодушное мнение по поводу того, следует ли на самом деле относить NT к микроядерным ОС.) ОС NT была построена таким образом, чтобы ее можно было применять в одно- и мультипроцессорных системах, основанных на процессорах Intel, Mips и Alpha (и тех, которые придут вслед за ними). Поскольку в среде NT должны были выполняться программы, написанные для DOS, Windows, OS/2 и систем, совместимых со стандартами Posix, компания Microsoft использовала присущую микроядерному подходу модульность для создания общей структуры NT, не повторяющей ни одну из существующих операционных систем. Каждая операционная система эмулируется в виде отдельного модуля или подсистемы.

Позднее микроядерные архитектуры операционных систем были объявлены компаниями Novell/USL, Open Software Foundation (OSF), IBM, Apple и другими. Одним из основных конкурентов NT в области микроядерных ОС является Mach 3.0, система, созданная в университете Карнеги-Меллон, которую как IBM, так и OSF взялись довести до коммерческого вида. (Компания Next в качестве основы для NextStep пока использует Mach 2.5, но тоже внимательно присматривается к Mach 3.0.) Другим конкурентом является микроядро Chorus 3.0 компании Chorus Systems, выбранное USL в качестве основы новых реализаций ОС Unix. Некоторое микроядро будет использоваться в SpringOS фирмы Sun, объектно-ориентированном преемнике ОС Solaris. Очевидна тенденция к переходу от монолитных к микроядерным системам (хотя, как мы отмечали в предыдущем разделе, этот процесс не является прямолинейным: компания IBM сделала шаг назад и отказалась от перехода к микроядерной технологии). Кстати, это совсем не новость для компаний QNX Software Systems и Unisys, которые уже в течение нескольких лет выпускают пользующиеся успехом микроядерные операционные системы. ОС QNX пользуется спросом на рынке систем реального времени, а CTOS фирмы Unisys популярна в области банкового дела. В обеих системах успешно использована модульность, присущая микроядерным ОС.

2.1 Функции микроядра

Микроядро реализует базовые функции операционной системы, на которые опираются другие системные службы и приложения. Основной проблемой при конструировании микроядерной ОС является распознавание тех функций системы, которые могут быть вынесены из ядра. Такие важные компоненты ОС как файловые системы, системы управления окнами и службы безопасности становятся периферийными модулями, взаимодействующими с ядром и друг с другом.

Когда-то казалось, что многоуровневая архитектура ядра ОС UNIX является вершиной в области конструирования операционных систем. Основные функциональные компоненты операционной системы - файловая система, взаимодействие процессов (IPC - interprocess communications), ввод-вывод и управление устройствами - были разделены на уровни, каждый из которых мог взаимодействовать только с непосредственно примыкающим к нему уровнем.

Несмотря на неплохие практические результаты такая структура теперь все больше воспринимается монолитной, поскольку вся операционная система связана иерархией уровней. Множественность и нечеткость интерфейсов между уровнями затрудняет модификацию системы; для этого требуется хорошее знание операционной системы, масса времени и элемент везения.

В микроядерных архитектурах вертикальное распределение функций операционной системы заменяется на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, используют средства микроядра для обмена сообщениями, но взаимодействуют непосредственно. Микроядро лишь проверяет законность сообщений, пересылает их между компонентами и обеспечивает доступ к аппаратуре.

Это свойство микроядерных систем позволяет естественно использовать их в распределенных средах. При получении сообщения микроядро может его обработать или переслать другому процессу. Поскольку для микроядра безразлично, поступило ли сообщение от локального или удаленного процесса, подобная схема передачи сообщений является удобной основой удаленных вызовов процедур (RPC - remote procedure calls). Однако пересылка сообщений производится медленнее обычных вызовов функций; оптимизация пересылки сообщений является критическим фактором успеха микроядерной операционной системы. Например, в ОС Windows NT в некоторых случаях для оптимизации используется разделяемая память. Расходы на дополнительную фиксированную память микроядра оправдываются повышением эффективности передачи сообщений.

2.2 Переносимость, расширяемость и надежность

Поскольку вся машинно-зависимая часть ОС изолирована в микроядре, для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и эти изменения логически сгруппированы. При имеющемся разнообразии на рынке процессоров способность операционной системы работать на разных процессорах является единственной возможностью убедить пользователей покупать новые машины.

Расширяемость также является необходимым свойством современных операционных систем. В отличие от аппаратных средств, которые устаревают за несколько лет, операционные системы могут с пользой использоваться в течение десятилетий. В жизни каждой операционной системы настает момент, когда в нее требуется внести функции, не заложенные в исходную конструкцию. Микроядерная организация операционных систем позволяет добиться возможности управляемых и надежно работающих расширений на основе ограниченного набора четко определенных интерфейсов микроядра.

В действительности, правильнее говорить не только о расширяемости, но и о масштабируемости микроядерных ОС с возможностью получения варианта операционной системы, в наилучшей степени соответствующей особенностям аппаратной платформы и прикладной области. Микроядерная организация ОС позволяет легко добиться и этого качества.

Одной из проблем традиционно организованных операционных систем является наличие множества интерфейсов прикладного программирования (API - Application Programming Interface), не все из которых хорошо документированы. В результате невозможно гарантировать правильность программ, использующих несколько API, и даже правильность работы самой операционной системы.

Микроядро, обладающее небольшим набором API (микроядро OSF обеспечивает около 200 системных вызовов, а крохотное микроядро QNS - всего лишь 14), увеличивает шансы получения качественных программ. Конечно, этот компактный интерфейс облегчает жизнь только системных программистов; прикладной программист по прежнему должен бороться с сотнями вызовов.

2.3 Разделение функций

Основным принципом организации микроядерных ОС является включение в состав микроядра только тех функций, которым абсолютно необходимо выполнять в режиме супервизора и в защищенной памяти. Обычно в микроядро включаются машинно-зависимые программы (включая поддержку мультипроцессорной работы), некоторые функции управления процессами, обработка прерываний и поддержка пересылки сообщений.

Во многих случаях в микроядро включается функция планирования процессов, но в реализации Mach компании IBM планировщик процессов размещен вне микроядра, а микроядро используется только для непосредственного управления процессами. Конечно, при этом требуется тесное взаимодействие внешнего планировщика и входящего в состав ядра диспетчера.

В некоторых реализациях (например, в реализации OSF) в микроядро помещаются драйверы устройств. В реализациях IBM и Chorus драйверы размещаются вне микроядра, но для регулирования режимов разрешения и запрещения прерываний часть программы драйвера выполняется в пространстве ядра. В NT драйверы устройств и другие функции ввода-вывода выполняются в пространстве ядра, но реально используют ядро только для перехвата и передачи прерываний. Следует заметить, что оба подхода допускают динамическое подключение драйверов к системе и их отключение.

Однако имеются другие доводы в пользу выделения драйверов из состава микроядра. Например, поскольку во многих случаях драйверы могут не зависеть от особенностей аппаратуры, такой подход облегчает переносимость системы.

2.4 Mach и IBM

В разрабатывавшейся компанией IBM ОС Workplace (теперь она отказалась от завершения этой ОС) использовалось микроядро Mach 3.0, расширенное в кооперации с OSF средствами поддержки параллельной обработки и реального времени. Микроядро заведовало функциями взаимодействия процессов, управления виртуальной памятью, управления процессами и нитями (threads), управления процессорами (включая мультипроцессорные системы), а также управления вводом-выводом и обработки прерываний. Файловая система, планировщик процессов, сетевые службы и система безопасности вынесены из микроядра. В IBM эти компоненты называют PNS (personally neutral services), поскольку они используются во всех эмуляторах операционных систем.

Управление процессами и нитями в Workplace являлись функцией ядра. Но на самом деле в ядре был расположен только диспетчер процессов. Планировщик, ведающий приоритетами, определяющий порядок выполнения и заказывающий диспетчеризацию процессов и нитей, функционировал вне ядра.

Управление памятью также распределялось между микроядром и PNS. Ядро управляло аппаратурой страничной памяти. Подсистема управления страничной памятью, работающая вне ядра, определяла стратегию замещения страниц. Подобно планировщику эта подсистема являлась заменяемым компонентом.

На уровне PNS могут располагаться не только такие внутренние подсистемы как файловая система и драйверы устройств, но и сетевые службы и даже системы управления базами данных. По мнению IBM, размещение подобных служб в непосредственной близости от микроядра позволит повысить их эффективность за счет сокращения числа вызовов функций и возможно использовать собственные драйверы устройств.

2.5 Mach и OSF/1

ОС OSF/1 1.3 также основана на микроядре Mach. IBM является членом OSF, и эти компании обменивались технологиями организации микроядра. Однако по некоторым важным направлениям подходы IBM и OSF различаются. В версии 1.3 весь сервер OSF/1 работает в пользовательском пространстве и использует функции Mach.

Почему же OSF решилась на микроядерную реализацию монолитного сервера Unix? Как говорят специалисты OSF, OSF/1 является слишком хорошей и надежной системой, чтобы можно было ее бросить и начать все сначала. В OSF/1 1.3 используется более 90% кода предыдущих версий OSF/1. С другой стороны, чтобы улучшить возможности управления объектами, часть ядра Mach была переписана на Си++.

В результате OSF/1 1.3 получилась не такой модульной, как ОС Workplace. Но использовав значительную часть OSF/1, компания OSF смогла раньше IBM получить более или менее полную микроядерную реализацию систему.

OSF ориентируется на массивно параллельные аппаратные системы. Активно изучаются вопросы изменения поведения операционной системы при возрастании числа процессоров. В такой системе микроядро Mach будет работать на всех процессорах, а сервер OSF/1 потребуется только на некоторых из них.

Как планирует OSF, в будущих версиях OSF/1 на основе Mach будет поддерживаться возможность размещения сервера OSF/1 в пространстве ядра или в пользовательском пространстве в соответствии с выбором системного администратора при конфигурировании системы. Выполнение сервера OSF/1 в пространстве ядра позволит повысить производительность, так как вместо передачи сообщений будут использоваться вызовы процедур, и сервер всегда будет целиком располагаться в памяти. При выполнении сервера в пользовательском пространстве будет возможен его свопинга, что потенциально увеличит память, доступную для программ пользователя. Заметим, что примерно такой же подход используется USL в версиях Unix, основанных на микроядре Chorus. Системные функции будут разработаны и отлажены в пользовательском пространстве, а потом можно будет перенести в пространство ядра для достижения наилучшей производительности.

2.6 Можно ли считать NT микроядерной ОС?

Основным назначением микроядра ОС Windows NT является упрощение переноса системы: все машинно-зависимые программы сконцентрированы внутри микроядра. Microsoft пока не пытается вычленить микроядро NT. В частности, поэтому многие полагают, что NT на самом деле не обладает микроядром ОС, подобным Mach и Chorus. Отмечается также, что в NT из пространства ядра должным образом не вынесены функции более высокого уровня (хотя аналогичные замечания применимы и к OSF/1 и Chorus/MiX) и что драйверы устройств в NT минимально взаимодействуют с ядром, а большей частью непосредственно работают с более низким уровнем абстракции аппаратуры (HAL - Hardware Abstraction layer).

Приложения Windows NT общаются с "подсистемами окружения", которые работают в режиме пользователя и аналогичны прикладным средам в ОС Workplace. Эти подсистемы поддерживаются исполнительной системой NT, которая работает в пространстве ядра и никогда не откачивается на диск. В состав исполнительной системы входят менеджер объектов, монитор безопасности, менеджер процессов и менеджер виртуальной памяти. Исполняющая система, в свою очередь, основывается на службах нижнего уровня, предоставляемых ядром (или, если угодно, микроядром) NT. Эти службы включают планирование процессов и нитей, обработку прерываний и исключительных ситуаций, синхронизацию процессоров и восстановление после сбоев системы. Ядро исполняется в привилегированном режиме и никогда не откачивается из оперативной памяти. Параллельные верви в ядре возникают только при обработке прерываний. Ядро основывается над уровнем HAL, в котором сконцентрирована большая часть аппаратно-зависимых программ.

Специалисты компании Microsoft говорят, что при создании NT преследовались задачи улучшения производительности и сетевых возможностей, а также поддержания определенного набора прикладных сред. Эти задачи отражено в результирующем разделении функций между ядерными и неядерными модулями. Например, для убыстрения работы файловой системы и передачи данных в сети в ядре производится буферизация небольших (от 16 до 32 Кб) порций считываемых и записываемых данных, которые типичны в приложениях, работающих в режиме клиент-сервер или распределенном режиме.

Многие другие решения принимались на основе подобных прагматических соображений. Например, для эмуляции Win32 традиционная иерархия процессов не требуется, но для других подсистем окружения (например, для OS/2 и Posix) это необходимо. Исполнительная система NT обеспечивает набор средств управления процессами, достаточный для текущего набора прикладных сред NT и для схожих с ними, которые пока не поддерживаются (например, VMS). Радикально отличающиеся случаи, для реализации которых может потребоваться модификация исполнительной системы, не предусматриваются.

Заметим, что хотя менеджеры ресурсов уровня исполнительной системы расположены в пространстве ядра, они взаимодействуют путем обмена сообщениями, так же, как и подсистемы пользовательского уровня. Поэтому исполнительную систему, видимо, не следует считать монолитом.

ОС Windows NT является объектной, хотя и не полностью объектно-ориентированной. Системные ресурсы, такие как процессы, нити и файлы, выделяются и управляются как объекты; каждый тип объектов обладает набором атрибутов и методов. Видимые пользователю ресурсы, включая окна, меню и файлы, также основаны на объектном подходе. Являясь объектами, эти ресурсы могут именоваться, защищаться и разделяться. В NT различаются объекты уровня ядра и уровня исполнительной системы. Объекты ядра владеют нитями, событиями, прерываниями и очередями. Объекты исполнительной системы, создаваемые и манипулируемые менеджером ресурсов, обрамляют базовые ресурсы ядра, добавляя к ним, например, имена и дескрипторы безопасности, и передают их, в свою очередь, подсистемам пользовательского режима.

Подобно другим микроядрам, ядро NT заведует обработкой прерываний и переключениями контекста. Прерывание обрабатывается ядром, а затем переправляется в подпрограмму обработки прерывания (ISR - interrupts service routine). Для связывания уровня прерывания с ISR в ядре используется объект прерывания; это позволяет концептуально отделить драйверы устройств от аппаратуры прерываний. В этом также различие подсистем ввода-вывода NT и большинства других микроядер. В Mach и Chorus драйверы устройств имеют доступ к аппаратуре только через средства ядра. Менеджер ввода-вывода в NT, который включает файловую систему, драйверы устройств и сетевую поддержку, обычно работает напрямую с уровнем HAL, лежащим ниже ядра. Поддержка ядра требуется для обработки прерываний, но в остальных отношениях драйверы работают автономно.

В Microsoft утверждают, что имелись существенные основания для подобной организации интерфейса драйверов устройств. Например, IBM не смогла реализовать все функции драйверов устройств за пределами ядра; пришлось находить способ, позволяющий части драйвера работать в пространстве ядра. Для обработки и пересылки прерываний в NT устанавливается объектная связь с драйвером устройства, а затем драйвер может работать непосредственно со связанным с ним устройством через HAL. Ничто не мешает писать специализированные драйверы устройств, но они должны быть отделены от прикладной программы и должны взаимодействовать с подсистемой ввода-вывода NT.

2.7 AT&T и Chorus

Микроядро Chorus во многих отношениях походит на реализации Mach, выполненные IBM и OSF. Chorus включает поддержку распределенных процессоров, нескольких распределенных серверов операционной системы (во многом похожую на комбинацию Mach-OSF/1), управления памятью и обработки прерываний. Поддерживается также прозрачное взаимодействие с другими экземплярами микроядра Chorus, что делает Chorus хорошей основой для сильно распределенных систем.

Существует несколько реализаций микроядра Chorus. Chorus/MiX, версия компании Chorus операционной системы с интерфейсами Unix, включает отдельные версии, совместимые с SVR3.2 и SVR4. USL собирается объявить Chorus/MiX V.4 микроядерной реализацией SVR4. USL и Chorus Systems планируют совместную работу по разработке Chorus/MiX V.4 в качестве будущего направления Unix. Специально для использования на персональных компьютерах компания Chorus поддерживает реализацию Chorus/MiX, совместимую с SCO.

Драйверы устройств не включаются в ядро. Аналогично подходу IBM, драйверы получают доступ к аппаратуре через ядро. Это дает возможность компоненту более высокого уровня - менеджеру устройств, отслеживать работу драйверов, функционирующих в разных узлах распределенной системы.

2.8 Новые микроядерные системы

Операционная системы SpringOS фирмы Sun, которая пока находится в стадии проектирования и разработки, основывается на микроядре и объектах. Вероятно, в SpringOS будет использоваться значительный объем существующих программ Solaris подобно тому, как в OSF/1 используется существующий сервер OSF/1. Компания Sun не объявляла об использовании какого-либо существующего микроядра и, по-видимому использует собственную разработку.

2.9 Зрелые микроядра

QNX и CTOS - это две зрелые микроядерные операционные системы, поставляемые на протяжении нескольких лет. 8-килобайтное микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Это микроядро обеспечивает всего лишь 14 системных вызовов. Микроядро QNX может быть целиком размещено во внутреннем кэше некоторых процессоров, таких как Intel 486.

Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает и управляет процессами и памятью процессов. Чтобы ОС 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. По утверждениям специалистов компании QNX Software заявляет, что подобная система, основанная на передаче сообщений, имеет производительность, по меньшей мере сравнимую с производительностью других традиционных операционных систем.

CTOS, появившаяся в 1980 году, была написана для рабочих станций фирмы Convergent Technologies - семейства машин на основе процессоров Intel для работы в "кластерных сетях", соединенных по обычным телефонным проводам. Продаваемые в настоящее время фирмой Unisys, эти основанные на CTOS машины продемонстрировали преимущества распределенных вычислений на основе передачи сообщений задолго до того, как этот термин стал модным. Крохотное 4-килобайтное микроядро CTOS взяло на себя только планирование и диспетчеризацию процессов и взаимодействие процессов на основе сообщений. Все другие системные службы взаимодействуют с ядром и друг с другом через четко определенные интерфейсы сообщений.

Сетевые средства входят в состав CTOS и являются действительно прозрачными для прикладных программ, которым не требуется знать, будет ли обработан запрос на обслуживание локально или удаленно. В любом случае сообщения передает одна и та же система взаимодействия процессов.