Ю. Вахалия - UNIX изнутри (2003), страница 10

Обычно такие модули отвечали за обработку пре- 46 Глава 1, Введение рываний, трансляцию виртуальных адресов, переключение контекстов и драйверы устройств. В большинстве случаев для выживания операционной системы на рынке необходим ее постоянный перенос на вновь появляющееся оборудование. Наиболее очевидной возможностью, которую обязательно желают видеть в ()1ь)1Х, является поддержка многопроцессорных систем.

Ядро традиционного варианта (Ль)1Х разрабатывалось для работы на одном процессоре и не имело возможности зашиты структур данных при параллельном доступе к ним одновременно нескольких процессоров. Однако позже сразу несколько производителей разработали многопроцессорные реализации системы 1))х)1Х. Большинство их них использовали традиционное ядро \3)х)1Х и добавляли собственные элементы защиты, обеспечивающие безопасность общих структур данных. Это средство называется параллелизацией. Малая часть производителей занялась построением собственного ядра на иных основах. При более глубоком рассмотрении проблемы видно, что неравномерность развития различных аппаратных технологий оказала глубокое влияние на разработку операционных систем. С тех времен, как была создана первая версия 1)1ч1Х для РРР-7, средняя скорость процессоров увеличилась примерно в 100 раз'.

Объемы памяти и дискового пространства, выделяемого для одного пользователя, возросли более чем в 20 раз. С другой стороны, скорость доступа к памяти и дискам увеличилась всего лишь в 2 раза. В 70-х годах производительность систем (Ль)1Х ограничивалась скоростью работы процессора и размером памяти. Но вскоре в ядре системы стали использоваться такие технологии, как свопинг и, чуть позже, страничная организация памяти (технология, позволявшая выполнять большое количество процессов на малых объемах памяти). По мере развития вычислительной техники скорость доступа к памяти и процессору стала играть меньшую роль, а сама система занималась в большей степени вводом-выводом, основное время занимаясь переносом страниц между дисками и оперативной памятью. Это являлось важной причиной появления новых разработок в области файловых систем, хранения информации и архитектур виртуальной памяти, целью которых была оптимизация дисковых процедур.

Именно для этого были разработаны Яег1ипг1апГ Агтаух о(" 1пехрепзгае РЫЬ (массивы недорогих дисков с избыточностью, КА1Р) и происходило быстрое распространение структурированных файловых систем. 1.2.5. Улучшение качества Все преимущества функциональности и скорости работы можно запросто свести на нет, если в систему заложены ошибки. Разработчики вносили мно- ' Частата процессора 1пге! 4004 в первом миникомпьютере (1971 г.) составляла 1 Мгц. Соответст- венно на 2002 год приходится говорить о росте производительности в 1000 раа.

— Прим. рад. 1.2. Причины изменений системы 47 жество изменений в дизайн систем, чтобы сделать их более устойчивыми, стараясь добиться увеличения надежности программного обеспечения, Изначальный механизм отювешения был ненадежен и неэффективен по многим причинам. Однако позже его реализация была пересмотрена (сначала разработчиками из Беркли, затем — АТЛЕТ), и в результате появилась новая, более устойчивая система оповещения, получившая название надежных сикналов. Система ВБВ, точно так же, как и Бузсещ Ч, не была застрахована от возможных отказов. В системах 1)Х1Х перед записью на диск данные хранятся некоторое время в памяти.

Следовательно, существует потенциальная возможность их потери в случае отказа, а также нарушения целостности файловой системы. В различных вариантах 13Х1Х предлагается стандартная утилита Йск(8), проверяющая и восстанавливающая поврежденные файловые системы. Эта операция занимает ощутимое количество времени и может длиться десятки минут на крупных серверах, имеющих диски больших объемов. Многие современные системы 111ч1Х тюддерживают файловые системы, использующие технологию поддержки журналов, что увеличивает доступность и стабильность системы и устраняет потребность в применении 1зс1. 1.2.6.

Глобальные изменения За последние три десятилетия произошли огромные изменения в принципах использования компьютеров. В 70-х годах вычислительная система представляла большой централизованный компьютер размером с комнату, поддерживающий работу пользователей, которые подключались к нему при помощи терминалов. Применялись системы разделения времени, в которых центральный компьютер разделял процессорные ресурсы среди пользователей. Терминалы представляли собой простые устройства, умеющие чуть больше, чем вывод данных в текстовом режиме. В 80-х годах началась зра рабочих станций, оборудованных высокоскоростными графическими дисплеями, имеющими возможность вывода информации в нескольких окнах, в каждом из которых выполняется оболочка УХ1Х.

Рабочие станции идеальны для интерактивного использования и имеют достаточную вычислительную мощность для работы с обычными пользовательскими приложениями. На рабочих станциях обычно в один момент времени работает один пользователь, но они могут поддерживать многих пользователей. Появление высокоскоростных сетей позволило рабочим станциям соединяться между собой, а также с другими компьютерами. Позже появилась новая модель вычислений, называемая клиент-серверными вычислениями, в которой один или более мощных централизованных компьютеров, называемых серверами, предоставляют различные службы индивидуальным рабочим станциям, или клиентам.

Для хранения файлов пользователей стали применяться файловые серверы. Серверы приложений — это 48 Глава ц Введение компьютеры, оснащенные одним или несколькими мощными процессорами, на которых пользователи могут выполнять задачи, требующие большого объема вычислений (например, решение математических уравнений). На серверах баз данных выполняется специальная программа, обрабатывающая запросы к базам данных, поступающие от клиентов.

Обычно серверы представляют собой мощные высокопроизводительные машины с быстродействующими процессорами и большими объемами оперативной и дисковой памяти, Клиентские рабочие станции имеют меньшую производительность, размеры памяти и объемы дисков, но они, как правило, оснащаются высококачественными мониторами и предоставляют пользователю большие интерактивные возможности. Постепенно рабочие станции становились все более производительными, различия между клиентами и серверами все больше стирались. Более того, централизованное выполнение необходимых служб на небольшом количестве серверов приводило к перегрузкам сетей и самих серверов. Результатом стало изменение подхода к построению компьютерных систем и появление новой технологии распределенных вычислений.

При использовании атой модели компьютеры совместно предоставляют какую-либо сетевую службу. Каждый узел сети может иметь собственную файловую систему и предоставлять доступ к ней для других узлов. В результате узел функционирует как сервер по отношению к локальным файлам и как клиент по отношению к файлам, хранящимся на других узлах.

Такой подход уменьшает перегрузки сети, а также количество сбоев в ее работе. Система 111ч1Х была адаптирована для различных моделей вычислений. Например, ранние варианты системы поддерживали только локальную файловую систему. Поддержка сетевых протоколов привела к разработке распределенных файловых систем. Некоторые из них, такие как АГБ, требовали специализированных серверов. Позже файловые системы были переработаны и стали распределенными, что дало возможность каждому компьютеру в сети выступать в роли клиента и сервера.

1.2.7. Поддержка различных приложений Система 1Л~11Х изначально разрабатывалась для применения в простых средах разделения времени, таких как исследовательские лаборатории или университеты. Системы позволяли некоторому количеству пользователей выполнять несложные программы обработки и редактирования текстов и математических вычислений. После того как 1Лч1Х обрела популярность, ею стали пользоваться для более широкого спектра приложений. К началу 90-х годов 111ч1Х использовалась в физических и космических лабораториях, мультимедийных рабочих станциях для обработки звука и видео, а также во встроенных контроллерах, использующихся в критически важных системах. 1.2. Причины изменений системы 49 Каждое приложение обычно имеет различные требования к системе, что подхлестнуло разработчиков систем изменять их в соответствии с этими требованиями.

Мультимедийные и встроенные приложения требуют гарантий доступности ресурсов и определенной скорости отклика на запросы. Научные приложения требуют одновременной работы нескольких процессоров. Для реализации этих требований в некоторых системах 1Лч1Х появились возможности работы в режиме реального времени, такие как процессы с фиксированным приоритетом, разграничение использования процессоров и возможность сохранения данных в памяти. 1.2.8. Чем меньше, тем лучше Одним из преимуществ оригинального дизайна системы 1)1ч1Х был ее небольшой размер, простота и ограниченный набор основных функций. Изначальным подходом к системам было предоставление простых инструментов, которые можно гибко комбинировать между собой, используя такие инструменты, как конвейер (р1ре). Однако ядро традиционного варианта системы было достаточно монолитным, следовательно, его расширение представляло собой непростую задачу, Чем больше функций добавлялось в ядро, тем оно все больше разрасталось и усложнялось, все дальше уходя от его первоначального размера, не превышающего 100 Кбайт, постепенно достигнув объема в несколько мегабайтов.

Объемы памяти компьютеров стали увеличиваться, вместе с тем поставщики систем и их пользователи игнорировали этот факт. Но именно он сделал 111ч1Х менее пригодной для использования на небольших персональных компьютерах и портативных системах. Многие стали понимать, что такое изменение системы не предвещает ничего хорошего, так как она становится слишком большой, перенасыщенной и неорганизованной. Были потрачены большие усилия на переработку системы или на написание нового варианта, который основывался бы на оригинальной философии 111ч1Х, но имел бы большую расширяемость и модульность. Наиболее удачной реализацией такой системы стала МасЬ, которая выступила основой для последующих коммерческих ОС, примерами которых являются ОЯг/1 и НехгБгер.

Система МасЬ впоследствии использовала архитектуру микроядра (см. раздел 1.1.7), в которой небольшое ядро предоставляет средство для выполнения программ, а серверные задачи на пользовательской уровне предоставляют все остальные функции. Не все попытки контроля размера ядра имели успех. К сожалению, микроядра не могли иметь производительность, сравнимую со скоростью работы традиционного монолитного ядра, в первую очередь, по причине издержек, накладываемых передачей сообщений. Менее амбициозные проекты, такие как модульность, ядра со страничной поддержкой и динамическая загрузка, имели больший успех, так как позволяли загружать или выгружать из памяти компоненты ядра по мере надобности. 60 Глава 1.

Введение 1.2.9. Гибкость системы В 70-х и начале 80-х годов ядро систем 1)Х1Х было недостаточно гибким. Ядро поддерживало только один тип файловой системы, набор алгоритмов планирования, а также формат выполняемых файлов (рис. 1.1). ОС имела некоторую степень гибкости только по отношению к переключателям символьных и блочных устройств, позволяя различным типам устройств иметь доступ к системе через общий интерфейс. Развитие распределенных систем в середине 80-х годов стало очевидной причиной для того, чтобы 1)Х1Х стала поддерживать как удаленные, так и локальные файловые системы.