50254 (Разработка операционных систем), страница 4

Главная проблема такого подхода, и проблема микроядер вообще, заключается в снижении производительности, вызываемом дополнительными переключениями контекста. Однако практически вся работа по созданию микроядер была выполнена много лет назад, когда центральные процессоры были значительно медленнее. Сегодня не так уж много приложений, использующих каждую каплю мощности процессора, которые не могут смириться с малейшей потерей производительности. В конце концов, когда работает текстовый редактор или web-браузер, центральный процессор простаивает около 90 % времени. Если операционная система, основанная на микроядре, превращает систему с процессором, работающем на частоте 900 МГц, в надежную систему, аналогичную по производительности системе с частотой 800 МГц, мало кто из пользователей станет жаловаться. Большинство пользователей были просто счастливы всего несколько лет назад, когда приобрели свой предыдущий компьютер с потрясающей тогда частотой процессора в 100 МГц.

Расширяемые системы

В обсуждавшихся выше системах клиент-сервер идея заключалась в том, чтобы вынести за пределы ядра столько, сколько возможно. Противоположный подход заключается в том, чтобы поместить больше модулей в ядро, но защищенным способом. Ключевое слово здесь, разумеется, защищенным. Самыми важными из них являются «песочницы» и программы с электронной подписью, так как интерпретацию применять в ядре непрактично.

Конечно, сама расширяемая система не является методом структурирования операционной системы. Однако, начав с минимальной системы, состоящей в основном из механизма защиты, и постепенно добавляя к ядру защищенные модули, пока не будет достигнута требуемая функциональность, можно создать минимальную систему для конкретного приложения. При таком подходе новая операционная система может выкраиваться под каждое новое приложение благодаря включению только тех элементов, которые необходимы для данного приложения. Примером такой системы является Paramecium.

Потоки ядра

Еще один вопрос, имеющий отношение к данной теме, независимо от выбора структурной модели – это системные потоки. Иногда бывает удобно позволить существовать потокам ядра отдельно от пользовательских процессов. Эти потоки могут работать в фоновом режиме, записывая «грязные» страницы на диск, занимаясь свопингом процессов и т. д. На самом деле ядро само может целиком состоять из таких потоков. Когда пользователь обращается к системному вызову, пользовательский поток не выполняется в режиме ядра, а блокируется и передает управление потоку ядра, который принимает управление для выполнения работы.

Помимо потоков ядра, работающих в фоновом режиме, большинство систем также запускают в фоновом режиме множество процессов-демонов. Хотя они и не являются частью операционной системы, они часто выполняют «системные» функции. Это может быть получение и отправка электронной почты, а также обслуживание различных запросов удаленных пользователей, как, например, FTP или web-страницы.

Механизм и политика

Еще один принцип, помогающий добиться архитектурной согласованности, наряду с принципами минимализма и структурированности заключается в отделении механизма от политики. Если поместить механизм в операционную систему, а политику оставить пользовательским процессам, система может остаться неизменной, даже если появляется потребность в изменении политики. Даже если модуль, занимающийся политикой, должен располагаться в ядре, он должен быть, по возможности, изолирован от механизма, чтобы изменения в модуле политики не влияли на модуль механизма.

Чтобы сделать границу между механизмом и политикой отчетливей, рассмотрим два примера из реального мира. В качестве первого примера возьмем большую компанию, у которой есть отдел заработной платы, ответственный за выплату жалования сотрудникам. У него есть компьютеры, программное обеспечение, бланки, договоренность с банками, а также другие механизмы, требуемые для фактической выплаты зарплаты. Однако политика – принятие решений, кто и сколько получит – полностью отделена и является прерогативой управления. Отдел заработной платы просто выполняет порученную ему работу.

В качестве второго примера рассмотрим ресторан. Он обладает механизмом для обслуживания посетителей, включая столы, посуду, официантов, полную оборудования кухню, договоры с компаниями, продающими товары по кредитным карточкам и т. д. Политика, то есть что будет в меню, определяется шеф-поваром. Если шеф-повар решит, что тофу кончился, а большие бифштексы остались, то новая политика может быть выполнена существующим механизмом.

Теперь рассмотрим некоторые примеры из области операционных систем. Во-первых, взглянем на планирование потоков. В ядре может располагаться приоритетный планировщик с k уровнями приоритетов. Этот механизм представляет собой массив, проиндексированный уровнем приоритета. Каждый элемент массива представляет собой заголовок списка готовых потоков с данным уровнем приоритета. Планировщик просто просматривает массив, начиная с максимального приоритета, выбирая первый подходящий поток. Политика заключается в установке приоритетов. В системе могут быть различные классы пользователей, например, у каждого пользователя может быть свой приоритет. Система может также позволять процессам устанавливать относительные приоритеты для своих потоков. Приоритеты могут увеличиваться после завершения операции ввода-вывода или уменьшаться, когда процесс истратил отпущенный ему квант. Может применяться также еще множество других политических подходов, но основной принцип состоит в разделении между установкой политики и претворением ее в жизнь.

Вторым примером является страничная подкачка. Механизм включает в себя управление блоком MMU, поддержку списка занятых и свободных страниц, а также программу для перемещения страниц с диска в память и обратно. Политика в данном случае заключается в принятии решения о выполняемых действиях при возникновении страничного прерывания. Политика может быть локальной или глобальной, основываться на алгоритме LRU, FIFO или каком-либо другом алгоритме, но она может (и должна) быть полностью отделена от механики фактической работы со страницами.

Третий пример – возможность загрузки модулей в ядро. Механизм определяет то, как они устанавливаются в ядро, как они связываются, к каким вызовам они могут обращаться и какие вызовы могут сами предоставлять. Политика определяет список пользователей, которым разрешается загружать модуль в ядро, а также список модулей, которые разрешается загружать каждому пользователю. Возможно, только суперпользователь может загружать модули, но разрешение загружать модули может также предоставляться и любому пользователю, если у модуля есть цифровая подпись соответствующей авторитетной организации.

Ортогональность

Хорошая системная организация включает в себя отдельные концепции, которые можно независимо смешивать. Например, в языке С++ есть примитивные типы данных, включающие целые, символьные числа и числа с плавающей точкой. Существуют механизмы для комбинирования типов данных, включая массивы, структуры и объединения. Эти концепции независимы друг от друга, что позволяет создавать целые массивы, символьные массивы, массивы структур, структуры, состоящие из массивов и т. д.

Действительно, как только определен новый тип данных, например массив целых чисел, он может использоваться в качестве члена структуры или объединения, как если бы он был примитивным типом данных. Возможность независимо комбинировать раздельные концепции называется ортогональностью. Это свойство является прямым следствием простоты и полноты принципов.

Понятие ортогональности также встречается в операционных системах в различных формах. Одним из примеров является системный вызов clone операционной системы Linux, создающий новый поток. В качестве параметра этот вызов принимает битовый массив, задающий такие режимы, как независимое друг от друга совместное использование или копирование адресного пространства, рабочего каталога, дескрипторов файлов и сигналов. Если копируется все, то мы получаем новый процесс, как и при использовании системного вызова fork. Если ничего не копируется, это означает, что создается новый поток в текущем процессе. Однако вероятно и создание промежуточных форм, невозможных в традиционных системах UNIX. Разделение свойств и их ортогональность позволяет получить более детальную степень управления.

Другое применение ортогональности – разделение понятий процесса и потока в Windows 2000. Процесс представляет собой контейнер для ресурсов, не более и не менее. Поток представляет собой объект планирования. Когда один процесс получает дескриптор от другого процесса, не имеет значения, сколько потоков у него есть. Когда планировщик выбирает поток, не важно, какому процессу он принадлежит. Эти понятия ортогональны.

Наш последний пример ортогональности возьмем из операционной системы UNIX. Создание процесса происходит здесь в два этапа: при помощи системных вызовов fork и exec. Создание нового адресного пространства и заполнение его новым образом памяти в данном случае разделены, что позволяет выполнить определенные действия между этими этапами. В операционной системе Windows 2000 эти два этапа нельзя разделить, то есть концепции создания нового адресного пространства и его заполнения новым образом памяти не являются ортогональными в этой системе. Последовательность системных вызовов clone и exec в системе Linux является еще более ортогональной, так как в данном случае возможно еще более детальное управление этими действиями. Общее правило может быть сформулировано следующим образом: наличие небольшого количества ортогональных элементов, которые могут комбинироваться различными способами, позволяет создать небольшую простую и элегантную систему.

У большинства долгоживущих структур данных, используемых операционной системой, есть имя или идентификатор, по которому к ним можно обращаться. Среди очевидных примеров можно назвать регистрационные имена, имена файлов, устройств, идентификаторов процессов и т. д. Способ создания и использования этих имен представляет собой важный вопрос при проектировании и реализации системы.

Имена, создаваемые для использования их людьми, представляют собой символьные строки формата ASCII или Unicode и, как правило, являются иерархическими. Так, иерархия отчетливо видна на примере путей файлов, например, путь /usr/ast/books/mos2/chap-12 состоит из имен каталогов, поиск которых следует начинать в корневом каталоге. Адреса URL также являются иерархическими. Например, URL www.cs.vu.nl/~ast/ указывает на определенную машину (www) определенного факультета (cs) определенного университета (vu) определенной страны (nl). Участок URL после косой черты обозначает определенный файл на указанной машине, в данном случае по умолчанию это файл www/index.html в домашнем каталоге пользователя ast. Обратите внимание, что URL (а также адреса DNS вообще, включая адреса электронной почты) пишутся «задом наперед», начинаясь с нижнего уровня дерева, в отличие от имен файлов, начинающихся с вершины дерева. На это можно взглянуть и по-другому, если положить дерево горизонтально. При этом в одном случае дерево будет начинаться слева и расти направо, а в другом случае, наоборот, будет начинаться справа и расти влево.

Часто используется двухуровневое именование: внешнее и внутреннее. Например, к файлам всегда можно обратиться по имени, представляющему собой символьную строку. Кроме этого, почти всегда существует внутреннее имя, используемое системой. В операционной системе UNIX реальным именем файла является номер его i-узла. Имя в формате ASCII вообще не используется внутри системы. В действительности это имя даже не является уникальным, так как на файл может указывать несколько ссылок. А в операционной системе Windows 2000 в качестве внутреннего имени используется индекс файла в таблице MFT. Работа каталога заключается в преобразовании внешних имен во внутренние.

Во многих случаях (таких как приведенный выше пример с именем файла) внутреннее имя файла представляет собой уникальное целое число, служащее индексом в таблице ядра. Другие примеры имен-индексов: дескрипторы файлов в системе UNIX и дескрипторы объектов в Windows 2000. Обратите внимание, что ни у одного из данных примеров имен нет внешнего представления. Они предназначены исключительно для внутреннего использования системой и работающими процессами. В целом использование для временных имен табличных индексов, не сохраняющихся после перезагрузки системы, является удачным замыслом.

Время связывания

Как мы видели, для обращения к объектам в операционных системах используются различные типы имен. Иногда преобразование имени в объект является фиксированным, а иногда нет. В последнем случае может быть важным, когда имя связывается с объектом. Вообще говоря, раннее связывание проще, но не обладает гибкостью, тогда как позднее связывание сложнее, зато часто является более гибким.

Чтобы внести ясность в понятие времени связывания, давайте рассмотрим некоторые примеры из реального мира. Примером раннего связывания может быть практика некоторых колледжей, позволяющих родителям зачислять своего ребенка в колледж с момента рождения и вносить плату за его обучение заранее. Когда спустя 18 лет студент приходит в колледж, его обучение уже полностью оплачено, независимо от стоимости обучения на данный момент.

В промышленности ранним связыванием является заказ деталей заранее. Напротив, производство продукта точно в срок требует от поставщиков способности предоставлять требуемые детали прямо на месте, без предварительного заказа. Такая схема представляет собой пример позднего связывания.