Тенденции в структурном построении ОС
Как уже отмечалось выше, для удовлетворения требований, предъявляемых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение. Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем к хорошо структурированным модульным системам, способным к развитию, расширению и легкому переносу на новые платформы.
Монолитные системы
В общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры. ОС написана как набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов, и каждая вольна вызвать любую другую для выполнения некоторой нужной для нее полезной работы.
Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их вместе в единый объектный файл с помощью компоновщика (примерами могут служить ранние версии ядра UNIX или Novell NetWare). Каждая процедура видит любую другую процедуру ( в отличие от структуры, содержащей модули, в которой большая часть информации является локальной для модуля, и процедуры модуля можно вызвать только через специально определенные точки входа). Однако даже такие монолитные системы могут быть немного структурированными. При обращении к системным вызовам, поддерживаемым ОС, параметры помещаются в строго определенные места, такие, как регистры или стек, а затем выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра или вызов супервизора. Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра, называемый также режимом супервизора, и передает управление ОС. Затем ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен. После этого ОС индексирует таблицу, содержащую ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую процедуру. Такая организация ОС предполагает следующую структуру:
1.
Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры.
2. Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.
3. Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.
В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная процедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервисным процедурам. Это деление процедур на три слоя показано на рис. 12.1.
Рис. 12.1. Простая структуризация монолитной ОС
Модель клиент - сервер и микроядра
Модель клиент-сервер - это подход к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса - клиента, и программного компонента - поставщика этого сервиса - сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. При этом главным требованием является то, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является, скорее, удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении ОС, но и на всех уровнях программного обеспечения и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты.
Применительно к структурированию ОС идея состоит в разбиении ее на несколько процессов - серверов, каждый из которых выполняет отдельный набор сервисных функций, например, управление памятью, создание или планирование процессов. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме. Клиент, которым может быть либо другой компонент ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер.
Ядро ОС (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения (рис. 12.2).
Рис. 12.2.Структура ОС клиент - сервер
Подход с использованием микроядра заменил вертикальное распределение функций операционной системы на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, хотя и используют сообщения, пересылаемые через микроядро, взаимодействуют друг с другом непосредственно. Микроядро играет роль регулировщика. Оно проверяет сообщения, пересылает их между серверами и клиентами, и предоставляет доступ к аппаратуре.
Данная теоретическая модель является идеализированным описанием системы клиент-сервер, в которой ядро состоит только из средств передачи сообщений. В действительности различные варианты реализации модели клиент-сервер в структуре ОС могут существенно различаться по объему работ, выполняемых в режиме ядра.
Микроядро реализует жизненно важные функции, лежащие в основе операционной системы. Это базис для менее существенных системных служб и приложений. Именно вопрос о том, какие из системных функций считать несущественными, и, соответственно, не включать их в состав ядра, является предметом спора среди соперничающих сторонников идеи микроядра. В общем случае подсистемы, бывшие традиционно неотъемлемыми частями операционной системы - файловые системы, управление окнами и обеспечение безопасности, становятся периферийными модулями, взаимодействующими с ядром и друг с другом.
Главный принцип разделения работы между микроядром и окружающими его модулями - включать в микроядро только те функции, которым абсолютно необходимо исполняться в режиме супервизора и в привилегированном пространстве. Под этим обычно подразумеваются машиннозависимые программы (включая поддержку нескольких процессоров), некоторые функции управления процессами, обработка прерываний, поддержка пересылки сообщений, некоторые функции управления устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой команд в регистры устройств.
Эти функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить программам, работающим в пространстве пользователя.
Есть два пути решения этой проблемы. Один путь - разместить несколько таких чувствительных к режиму работы процессора серверов в пространстве ядра, что обеспечит им полный доступ к аппаратуре и в то же время связь с другими процессами с помощью обычного механизма сообщений. Такой подход был использован, например, при разработке Windows NT: кроме микроядра, в привилегированном режиме работает часть Windows NT, называемая executive
управляющей программой. Она включает ряд компонентов, которые управляют виртуальной памятью, объектами, вводом-выводом и файловой системой (включая сетевые драйверы), взаимодействием процессов и, частично, системой безопасности.
Другой путь заключается в том, чтобы оставить в ядре только небольшую часть сервера, представляющую собой механизм реализации решения, а часть, отвечающую за принятие решения, переместить в пользовательскую область. В соответствии с этим подходом, например, в микроядре Mach, на базе которого разработана Workplace OS, размещается только часть системы управления процессами (и нитями), реализующая диспетчеризацию (то есть непосредственно переключение с процесса на процесс), а все функции, связанные с анализом приоритетов, выбором очередного процесса для активизации, принятием решения о переключении на новый процесс и другие аналогичные функции выполняются вне микроядра. Этот подход требует тесного взаимодействия между внешним планировщиком и резидентным диспетчером.
Здесь важно сделать различие: запуск процесса или нити требует доступа к аппаратуре, так что по логике - это функция ядра. Но ядру все равно, какую из нитей запускать, поэтому решения о приоритетах нитей и дисциплине постановки в очередь может принимать работающий вне ядра планировщик.
Кроме уже представленных соображений, перемещение планировщика на пользовательский уровень может понадобиться для чисто коммерческих целей. Некоторые производители ОС (например, IBM и OSF со своими вариантами микроядра Mach) планируют лицензировать свое микроядро другим поставщикам, которым может потребоваться заменить исходный планировщик на другой, поддерживающий, например, планирование в задачах реального времени или реализующий какой-то специальный алгоритм планирования.
А вот другая ОС - Windows NT, также использующая микроядерную концепцию, - воплотила понятие приоритетов реального времени в своем планировщике, резидентно расположенном в ядре, и это не дает возможности заменить ее планировщик на другой.
Как и управление процессами, управление памятью может распределяться между микроядром и сервером, работающим в пользовательском режиме. Например, в Workplace OS микроядро управляет аппаратурой страничной памяти. Пейджер (система управления страничной памятью), работающий вне ядра, определяет стратегию замещения страниц (т.е. решает, какие страницы следует удалить из памяти для размещения страниц, выбранных с диска в ответ на прерывание по отсутствию необходимой страницы), а микроядро выполняет перемещение выбранных пейджером страниц. Как и планировщик процессов, пейджер является заменяемой составной частью.
Драйверы устройств также могут располагаться как внутри ядра, так и вне его. При размещении драйверов устройств вне микроядра для обеспечения возможности разрешения и запрещения прерываний, часть программы драйвера должна исполняться в пространстве ядра. Отделение драйверов устройств от ядра делает возможной динамическую конфигурацию ОС. Кроме динамической конфигурации, есть и другие причины рассматривать драйверы устройств в качестве процессов пользовательского режима. СУБД, например, может иметь свой драйвер, оптимизированный под конкретный вид доступа к диску, но его нельзя будет подключить, если драйверы будут расположены в ядре. Этот подход также способствует переносимости системы, так как функции драйверов устройств могут быть во многих случаях абстрагированы от аппаратной части.
В настоящее время именно операционные системы, построенные с использованием модели клиент-сервер и концепции микроядра, в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным ОС.
Высокая степень переносимости обусловлена тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений, и все они логически сгруппированы вместе.
Технология микроядер является основой построения множественных прикладных сред, которые обеспечивают совместимость программ, написанных для разных ОС. Абстрагируя интерфейсы прикладных программ от расположенных ниже операционных систем, микроядра позволяют гарантировать, что вложения в прикладные программы не пропадут в течение нескольких лет, даже если будут сменяться операционные системы и процессоры.
Расширяемость также является одним из важных требований к современным операционным системам. Является ли операционная система маленькой, как DOS, или большой, как UNIX,
для нее неизбежно настанет необходимость приобрести свойства, не заложенные в ее конструкцию. Увеличивающаяся сложность монолитных операционных систем делала трудным, если вообще возможным, внесение изменений в ОС с гарантией надежности ее последующей работы. Ограниченный набор четко определенных интерфейсов микроядра открывает путь к упорядоченному росту и эволюции ОС.
Обычно операционная система выполняется только в режиме ядра, а прикладные программы - только в режиме пользователя, за исключением тех случаев, когда они обращаются к ядру за выполнением системных функций. В отличие от обычных систем, система, построенная на микроядре, выполняет свои серверные подсистемы в режиме пользователя, как обычные прикладные программы. Такая структура позволяет изменять и добавлять серверы, не влияя на целостность микроядра.
Иногда имеется потребность и в сокращении возможностей ОС. На Windows NT или UNIX перешло бы большее число пользователей, если бы для этих операционных систем не требовалось 16 Мб оперативной памяти и 70 Мб и более пространства на жестком диске. Микроядро не обязательно подразумевает небольшую систему. Надстроенные службы, типа файловой системы и системы управления окнами, добавят к ней немало. Конечно же, не всем нужна безопасность класса C2 или распределенные вычисления. Если важные, но предназначенные для определенных потребителей свойства можно исключать из состава системы, то базовый продукт подойдет более широкому кругу пользователей.
Использование модели клиент- сервер повышает надежность. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других процессов. Более того, поскольку серверы выполняются в пространстве пользователя, они не имеют непосредственного доступа к аппаратуре и не могут модифицировать память, в которой хранится управляющая программа. И если отдельный сервер может потерпеть крах, то он может быть перезапущен без останова или повреждения остальной части ОС.
Эта модель хорошо подходит для распределенных вычислений, так как отдельные серверы могут работать на разных процессорах мультипроцессорного компьютера или даже на разных компьютерах. При получении от процесса сообщения микроядро может обработать его самостоятельно или переслать другому процессу. Так как микроядру все равно, пришло ли сообщение от локального или удаленного процесса, подобная схема передачи сообщений является элегантным базисом для RPC. Однако такая гибкость не дается даром. Пересылка сообщений не так быстра, как обычные вызовы функций, и ее оптимизация является критическим фактором успеха операционной системы на основе микроядра. Windows NT, например, в некоторых случаях заменяет перенос сообщений на коммуникационные каналы с общей памятью, имеющие более высокую пропускную способность. Хотя это и стоит дороже в смысле потребления фиксированной памяти микроядра, данная альтернатива может помочь сделать модель пересылки сообщений более практичной.
Объектно-ориентированный подход
Хотя технология микроядер и заложила основы модульных систем, способных развиваться регулярным образом, она не смогла в полной мере обеспечить возможности расширения систем. В настоящее время этой цели в наибольшей степени соответствует объектно-ориентированный подход, при котором каждый программный компонент является функционально изолированным от других.
Основным понятием этого подхода является "объект". Объект - это единица программ и данных, взаимодействующая с другими объектам посредством приема и передачи сообщений.
Объект может быть представлением как некоторых конкретных вещей - прикладной программы или документа, так и некоторых абстракций - процесса, события.
Программы (функции) объекта определяют перечень действий, которые могут быть выполнены над данными этого объекта. Объект-клиент может обратиться к другому объекту, послав сообщение с запросом на выполнение какой-либо функции объекта-сервера.
Объекты могут описывать сущности, которые они представляют, с разной степенью детализации. Для обеспечения преемственности при переходе к более детальному описанию разработчикам предлагается механизм наследования свойств уже существующих объектов, то есть механизм, позволяющий порождать более конкретные объекты из более общих. Например, при наличии объекта "текстовый документ" разработчик может легко создать объект "текстовый документ в формате Word 6.0", добавив соответствующее свойство к базовому объекту. Механизм наследования позволяет создать иерархию объектов, в которой каждый объект более низкого уровня приобретает все свойства своего предка.
Внутренняя структура данных объекта скрыта от наблюдения. Нельзя произвольно изменять данные объекта. Для того, чтобы получить данные из объекта или поместить данные в объект, необходимо вызывать соответствующие объектные функции. Это изолирует объект от того кода, который использует его. Разработчик может обращаться к функциям других объектов, или строить новые объекты путем наследования свойств других объектов, ничего не зная о том, как они сконструированы. Это свойство называется инкапсуляцией.
Таким образом, объект предстает для внешнего мира в виде "черного ящика" с хорошо определенным интерфейсом. С точки зрения разработчика, использующего объект, пока внешняя реакция объекта остается без изменений, не имеют значения никакие изменения во внутренней реализации. Это дает возможность легко заменять одну реализацию объекта другой, например, в случае смены аппаратных средств; при этом сложное программное окружение, в котором находятся заменяемые объекты, не потребует никаких изменений.
С другой стороны, способность объектов представать в виде "черного ящика" позволяет упаковывать в них и представлять в виде объектов уже существующие приложения, ничего в них не изменяя.
Использование объектно-ориентированного подхода особенно эффективно при создании активно развивающегося программного обеспечения, например, при разработке приложений, предназначенных для выполнения на разных аппаратных платформах.
Полностью объектно-ориентированные операционные системы очень привлекательны для системных программистов, так как, используя объекты системного уровня, программисты смогут проникать вглубь операционных систем для приспособления их к своим нуждам, не нарушая целостность системы.
Но особенно большие перспективы имеет этот подход в реализации распределенных вычислительных сред. В настоящее время разные пакеты, работающие в данный момент в сети, представляют собой статически связанные наборы программ; в будущем, с использованием объектно-ориентированного подхода, они могут превратиться в единую совокупность динамически связываемых объектов, где каждый объект оперативно устанавливает и разрывает связи с другими объектами для выполнения актуальных в данный момент задач. Приложения, созданные для такой сетевой среды, основанной на объектах, могут выполняться, динамически обращаясь к множеству объектов, независимо от их местонахождения в сети и независимо от их операционной среды.
Поскольку любое объектно-ориентированное приложение представляет собой набор объектов, разработчику желательно иметь стандартные средства для управления объектами и организации их взаимодействия. При использовании и разработке объектно-ориентированных приложений в неоднородных распределенных средах нужны также средства, упрощающие доступ к объектам сети. При возникновении запроса к какому-либо объекту распределенной среды, независимо от того, находится требуемый объект на том же компьютере или на одном из удаленных, прозрачным образом должен быть выполнен поиск объекта, передача ему сообщения, и возврат ответа.
Для обеспечения прозрачного обнаружения объектов все они должны быть снабжены ссылками, хранящимися в каталогах. Отсюда вытекает очень сложная проблема организации службы каталогов, позволяющей программистам именовать и искать объекты в сети, которая, вообще говоря, может быть разбросана по всему миру.
Однако, несмотря на упомянутые сложности и проблемы, объектно-ориентированный подход является одной из самых перспективных тенденций в конструировании программного обеспечения.
Объектно-ориентированный подход к построению операционных систем, придающий порядок процессу добавления модульных расширений к небольшому ядру, был принят на вооружение многими известными фирмами, такими, как Microsoft, Apple, IBM, Novell/USL (UNIX Systems Laboratories) и Sun Microsystems, все они развернули свои операционные системы в этом направлении. Taligent, совместное предприятие IBM и Apple, надеется опередить всех со своей от начала до конца объектно-ориентированной операционной системой. Тем временем Next поставляет Motorola- и Intel-версии NextStep, наиболее продвинутой объектно-ориентированной операционной системы из имеющихся. Хотя NextStep и не имеет объектной ориентированности сверху донизу, как это планируется в разработках Taligent, но она доступна уже сегодня.
Одним из первых применений объектных систем для большинства пользователей станут основанные на объектах прикладные программы. К объектно-ориентированным технологиям этого уровня, уже имеющимся сейчас или доступным в ближайшем будущем относятся:
- Microsoft OLE (Object Linking and Embedding - связывание и внедрение объектов);
- стандарт OpenDoc
от фирм Apple, IBM, WordPerfect, Novell и Borland;
- DSOM (Distributed System Object Model - объектная модель распределенных систем) фирмы IBM;
- PDO (Portable Distributed Objects - переносимые распределенные объекты) фирмы Next;
- каркасы (frameworks) фирмы Taligent;
- архитектура CORBA объединения OMG.
Множественные прикладные среды
В то время как некоторые идеи (например, объектно-ориентированный подход) непосредственно касаются только разработчиков и лишь косвенно влияют на конечного пользователя, концепция множественных прикладных сред приносит пользователю долгожданную возможность выполнять на своей ОС программы, написанные для других операционных систем и других процессоров.
И сейчас дополнительное программное обеспечение позволяет пользователям некоторых ОС запускать чужие программы (например, Mac и UNIX
позволяют выполнять программы для DOS
и Windows). Но в зарождающемся поколении операционных систем средства для выполнения чужих программ становятся стандартной частью системы. Выбор операционной системы больше не будет сильно ограничивать выбор прикладных программ. Хотя столкновение пользовательских интерфейсов программ для Mac, Windows
и UNIX на одном и том же экране и заставит пользователя немного потрудиться, но все равно, множественные прикладные среды операционных систем скоро станут такими же стандартными, как мыши и меню.
Множественные прикладные среды обеспечивают совместимость данной ОС с приложениями, написанными для других ОС и процессоров, на двоичном уровне, а не на уровне исходных текстов. Для пользователя, купившего в свое время пакет для MS DOS (например, Lotus 1-2-3) важно, чтобы он мог запускать этот полюбившийся ему пакет без каких-либо изменений и на своей новой машине, построенной, например, на RISC-процессоре и работающей под управлением, например, Windows NT.
При реализации множественных прикладных сред разработчики сталкиваются с противоречивыми требованиями. С одной стороны, задачей каждой прикладной среды является выполнение программы по возможности так, как если бы она выполнялась на "родной" ОС. Но потребности этих программ могут входить в конфликт с конструкцией современной операционной системы.
Специализированные драйверы устройств могут противоречить требованиям безопасности. Могут конфликтовать схемы управления памятью и оконные системы. Чисто экономические вопросы (например, стоимость лицензирования программ и угроза судебного преследования) также могут повлиять на дизайн чужих прикладных сред. Но самой большой потенциальной проблемой является производительность - прикладная среда должна выполнять программы с приемлемой скоростью.
Этому требованию не могут удовлетворить широко используемые ранее эмулирующие системы. Для сокращения времени на выполнение чужих программ прикладные среды используют имитацию программ на уровне библиотек. Эффективность этого подхода связана с тем, что большинство сегодняшних программ работают под управлением GUI
(графических интерфейсов пользователя) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения тратят большую часть времени, производя некоторые хорошо предсказуемые вещи. Они непрерывно выполняют вызовы библиотек GUI
для манипулирования окнами и для других, связанных с GUI, действий. И это то, что позволяет прикладным средам возместить время, потраченное на эмулирование команды за командой. Тщательно сделанная прикладная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на родном коде, то есть она совместима с программным интерфейсом другой ОС. Иногда такой подход называют трансляцией для того, чтобы отличать его от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз.
Например, для Windows-программы, работающей на Mac, при интерпретировании команд 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда производится вызов функции открытия окна, модуль прикладной среды может переключить его на перекомпилированную для 680x0 подпрограмму открытия окна. Так как библиотекам GUI не нужно дешифрировать и имитировать каждую команду, то в частях программы, относящихся к вызовам GUI ABI (Application Binary Interface - двоичный интерфейс прикладного программирования), производительность может резко вырасти.
В результате на таких участках кода скорость работы программы может достичь (а возможно, и превзойти) скорость работы на своем родном процессоре.
Сегодня в типичных программах значительная часть кода занята вызовом GUI ABI. Apple
утверждает, что программы для Mac
тратят до 90 процентов процессорного времени на выполнение подпрограмм из Mac toolbox, а не на уникальные для этих программ действия. Sun
Select говорит, что программы для Windows тратят от 60 до 80 процентов времени на работу в ядре Windows. В результате при эмуляции программы на основе GUI
потери производительности могут быть значительно меньше. SunSelect заявляет, что его новая прикладная среда Windows, WABI (Windows Application Binary Interface
- двоичный интерфейс прикладных программ Windows), благодаря сильно оптимизированным библиотекам, на некоторых платформах при исполнении одних и тех же тестов может обогнать настоящий Microsoft Windows.
С позиции использования прикладных сред более предпочтительным является способ написания программ, при котором программист для выполнения некоторой функции обращается с вызовом к операционной системе, а не пытается более эффективно реализовать эквивалентную функцию самостоятельно, работая напрямую с аппаратурой. Отбить у программистов охоту "обращаться к металлу" сможет наличие в библиотеках мощных и сложных программ, к которым гораздо проще обращаться, чем писать самому.
Модульность операционных систем нового поколения позволяет намного легче реализовать поддержку множественных прикладных сред. В отличие от старых операционных систем, состоящих из одного большого блока для всех практических применений, разбитого произвольным образом на части, новые системы являются модульными, с четко определенными интерфейсами между составляющими. Это делает создание дополнительных модулей, объединяющих эмуляцию процессора и трансляцию библиотек, значительно более простым.
К усовершенствованным операционным системам, явно содержащим средства множественных прикладных сред, относятся: IBM OS/2 2.x и Workplace OS, Microsoft Windows NT, PowerOpen
компании PowerOpen Association и версии UNIX от Sun Microsystems, IBM и Hewlett-Packard. Кроме того, некоторые компании переделывают свои интерфейсы пользователя в виде модулей прикладных сред, а другие поставщики предлагают продукты для эмуляции и трансляции прикладных сред, работающие в качестве прикладных программ.
Использование множественных прикладных сред обеспечит пользователям большую свободу выбора операционных систем и более легкий доступ к более качественному программному обеспечению.
