введение_1 (1085732), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Кроме того, виртуальные машины используются, правда, несколько другим способом, для работы программ Java. Когда корпорация Sun Microsystems придумала язык программирования Java, она также разработала виртуальную машину (то есть архитектуру компьютера), называемую JVM (Java Virtual Machine — виртуальная машина Java). Компилятор Java выдает код для JVM, который затем обычно выполняется программным интерпретатором JVM. Преимущество этого подхода заключается в том, что код JVM можно передавать через Internet на любой компьютер, имеющий интерпретатор JVM, и запускать там. Если бы компилятор выдавал двоичные программы, например, для компьютеров SPARC или Pentium, их было бы нельзя куда-либо передать и запустить в работу так просто, как это происходит с JVM. (Конечно, компания Sun могла бы разработать компилятор, который выдавал бы двоичные коды SPARC, и затем использовать интерпретатор SPARC, но структура JVM намного проще для интерпретации.) Другое преимущество JVM заключается в том, что когда интерпретатор реализован должным образом, что вовсе не тривиально, приходящие JVM-программы можно проверить в целях безопасности и затем запустить в защищенной среде, так что эти программы не смогут похитить данные или причинить какой-нибудь иной вред.
Экзоядро
В системе VM/370 каждый пользователь получает точную копию настоящей машины. На Pentium, в режиме виртуальной машины 8086, каждый пользователь получает точную копию другой машины. Развив эту идею дальше, исследователи из Массачусетского технологического института изобрели систему, которая обеспечивает каждого пользователя абсолютной копией реального компьютера, но с подмножеством ресурсов . Например, одна виртуальная машина может получить блоки на диске с номерами от 0 до 1023, следующая — от 1024 до 2047 и т. д.
На нижнем уровне в режиме ядра работает программа, которая называется эк-зоядро (exokernel). В ее задачу входит распределение ресурсов для виртуальных машин, а после этого проверка их использования (то есть отслеживание попыток машин использовать чужой ресурс). Каждая виртуальная машина на уровне пользователя может работать с собственной операционной системой, как на VM/370 или виртуальных 8086-х для Pentium, с той разницей, что каждая машина ограничена набором ресурсов, которые она запросила и которые ей были предоставлены.
Преимущество схемы экзоядра заключается в том, что она позволяет обойтись без уровня отображения. При других методах работы каждая виртуальная машина считает, что она использует свой собственный диск с нумерацией блоков от 0 до некоторого максимума. Поэтому монитор виртуальной машины должен поддерживать таблицы преобразования адресов на диске (и всех других ресурсов). Необходимость преобразования отпадает при наличии экзоядра, которому нужно только хранить запись о том, какой виртуальной машине выделен данный ресурс. Такой подход имеет еще одно преимущество: он отделяет многозадачность (в экзоядре) от операционной системы пользователя (в пространстве пользователя) с меньшими затратами, так как для этого ему необходимо всего лишь не допускать вмешательства одной виртуальной машины в работу другой.
Модель клиент-сервер
Система VМ/370 сильно выигрывает в простоте благодаря переносу значительной части кода традиционной операционной системы (обеспечивающего расширенную машину) в верхний уровень, систему CMS. Однако VM/370 и при этом останется сложной комплексной программой, потому что моделирование нескольких виртуальных 370-х машин само по себе не так просто (особенно если вы хотите сделать это достаточно эффективно).
В развитии современных операционных систем наблюдается тенденция в сторону дальнейшего переноса кода в верхние уровни и удалении при этом всего, что только возможно, из режима ядра, оставляя минимальное микроядро. Обычно это осуществляется перекладыванием выполнения большинства задач операционной системы на средства пользовательских процессов. Получая запрос на какую-либо операцию, например чтение блока файла, пользовательский процесс (теперь называемый обслуживаемым процессом или клиентским процессом) посылает запрос серверному (обслуживающему) процессу, который его обрабатывает и высылает назад ответ.
К
лиент- Клиент- Сервер Сервер Сервер Сервер Пользовательский
процесс процесс процессов терминала . . . файлов памяти
режим
Режим работы
Микроядро ядра
Клиент посылает сообщение серверу процессов и, таким образом, получает выполнение операции
Рис. 1.23. Модель клиент-сервер
Другое преимущество модели клиент-сервер заключается в ее простой адаптации к использованию в распределенных системах (рис. 1.24). Если клиент общается с сервером, посылая ему сообщения, клиенту не нужно знать, обрабатывается ли его сообщение локально на его собственной машине или оно было послано по сети серверу на удаленной машине. С точки зрения клиента происходит одно и то же в обоих случаях: запрос был послан, и на него получен ответ.
Рассказанная выше история о ядре, управляющем передачей сообщений от клиентов к серверам и назад, не совсем реалистична. Некоторые функции операционной системы, такие как загрузка команд в регистры физических устройств ввода-вывода, трудно, если вообще возможно, выполнить из программ в пространстве пользователя. Есть два способа разрешения этой проблемы. Первый заключается в том, что некоторые критические серверные процессы (например, драйверы устройств ввода-вывода) действительно запускаются в режиме ядра, с полным доступом к аппаратуре, но при этом общаются с другими процессами при помощи обычной схемы передачи сообщений.
Второй способ состоит в том, чтобы встроить минимальный механизм обработки информации в ядро, но оставить принятие политических решений за серверами в пользовательском пространстве. Например, ядро может опознавать сообщения, посланные по определенным адресам. Для ядра это означает, что нужно взять содержимое сообщения и загрузить его, скажем, в регистры ввода-вывода некоторого диска для запуска операции чтения диска. В этом примере ядро даже может не обследовать байты сообщения, если они оказались допустимы или осмысленны; оно может вслепую копировать их в регистры диска. (Очевидно, должна использоваться некоторая схема, ограничивающая круг процессов, имеющих право отправлять подобные сообщения.) Разделение между механизмом и политикой является очень важным понятием, встречающимся в операционных системах в различном контексте постоянно.
Машина 1 Машина 2 Машина 3 Машина 4
К
лиент Сервер файлов Сервер процессов Сервер терминала
Ядро Ядро Ядро Ядро
Сеть
Сообщение от клиента серверу
Рис. 1.24. Модель клиент-сервер в распределенной системе
Исследования в области операционных систем
Кибернетика — это быстро прогрессирующая область, поэтому, говоря о ней, крайне тяжело предсказывать будущее. Исследователи в университетах и коммерческих исследовательских лабораториях постоянно выдают новые идеи, некоторые из них не развиваются дальше, а другие закладываются в основу будущих программных продуктов и оказывают огромное влияние на производителей и пользователей. Отличить первые от вторых оказывается значительно легче задним умом, нежели в режиме реального времени. Отделить зерна от плевел трудно, поэтому часто проходит 20-30 лет между зарождением идеи и ее расцветом.
Например, когда президент Эйзенхауэр (Eisenhower) учредил в 1958 году в Министерстве обороны управление ARPA (Advanced Research Projects Agency — управление перспективных исследовательских программ), он пытался не допустить уничтожения армией флота и военно-воздушных сил из-за проблем исследовательского бюджета Пентагона. Он вовсе не пытался изобрести Интернет. Но среди прочего ARPA создала фонд для исследований некоторых университетов, посвященных тогда еще неясной идее пакетной коммутации, которая в скором времени легла в основу первой экспериментальной сети с коммутацией пакетов ARPANET. Она появилась в 1969 году. Вскоре другие финансируемые ARPA исследовательские сети присоединились к ARPANET, и так родился Интернет (Internet). Затем Интернет успешно использовался в течение 20 лет академическими исследователями. Они посылали друг другу письма по электронной почте. В начале 1990-х годов Тим Бернерс-Ли (Tim Berners-Lee) изобрел Всемирную паутину (World Wide Web) в исследовательской лаборатории CERN в Женеве, а Марк Андресен (Маге Andreesen) в университете Иллинойса написал для нее графический браузер. После этого Интернет заполнился болтающими подростками, чего явно не ожидал президент Эйзенхауэр.
Исследования в области операционных систем также привели к драматическим изменениям в практических системах. Как уже говорилось ранее, все первые коммерческие компьютерные системы были системами пакетной обработки до тех пор, пока в начале 60-х в Массачусетском технологическом институте не изобрели интерактивные системы с разделением времени. Компьютеры были текстовыми машинами, пока в конце 60-х Даг Энгельбарт (Doug Engelbart) из Стэнфорд-ского исследовательского института не изобрел мышь и графический интерфейс пользователя. Кто знает, что появится вслед за этим?
В этом и последующих разделах пособия мы кратко опишем часть из исследований в области операционных систем, которые имели место за последние 5-10 лет, чтобы дать представление о том, что может появиться в будущем. Это введение, конечно, не является всеобъемлющим и в основном базируется на статьях, опубликованных в лучших исследовательских журналах и материалах конференций, потому что эти идеи, по крайней мере, пережили тщательный беспристрастный процесс анализа перед публикацией. Большинство научных статей, цитируемых в посвященных исследованиям разделах, были опубликованы либо ассоциацией по вычислительной технике АСМ, либо компьютерным обществом IEEE, либо USENIX. Кроме того, они доступны в Интернете для членов этих организаций, в том числе студентов. За дополнительной информацией об этих организациях и их цифровых библиотеках следует обращаться на следующие сайты:
АСМ http://www.acm.org
IEEE Computer Society http://www.computer.org
USENIX http://www.usenix.org
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
