Архитектурные особенности проектирования

Операционных систем

Для удовлетворения жестких требований, предъявляемых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение. Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем до хорошо структурированных модульных систем, способных к развитию, расширению и легкому переносу на новые платформы.

В общем случае «структура» монолитной ОС представляет собой как раз отсутствие структуры. Такая 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 может 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. 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.

Обобщением предыдущего подхода является организация ОСкак иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы, таких как файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом – выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням. Такой структурный подход с современной точки зрения воспринимается как монолитный. В системах, имеющих многоуровневую структуру, нелегко удалить один слой и заменить его другим в силу множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требует значительного объема работ. Поэтому на смену монолитному подходу была предложена модель клиент-сервер и тесно связанная с ней концепция микроядра.

Модель клиент-сервер – это один из возможных подходов к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие, во-первых, программного компонента – потребителя какого-либо сервиса, то есть клиента, и во-вторых, программного компонента – поставщика этого сервиса, то есть сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер способен 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 операционной системы идея состоит в разбиении ОС 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. Подход с использованием микроядра заменил вертикальное распределение функций операционной системы на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, хотя и используют сообщения, пере-сылаемые через микроядро, взаимодействуют друг с другом непосредственно. Микроядро играет роль регулировщика. Оно проверяет сообщения, пересылает их между серверами и клиентами, предоставляет доступ к аппаратуре.

Рассмотренная теоретическая модель является идеализированным описанием системы клиент-сервер, в которой ядро состоит только из средств передачи сообщений. В действительности разные варианты реализации модели клиент-сервер в структуре ОС могут существенно различаться по объему работ, выполняемых в режиме ядра. На одном краю этого спектра находится чисто микроядерная доктрина, состоящая в том, что все несущественные функции ОС должны выполняться не в режиме ядра, а в непривилегированном (пользовательском) режиме. На другом краю спектра – операционные системы, в составе которых имеется исполняющая система, работающая в режиме ядра и выполняющая функции обеспечения безопасности, ввода-вывода и другие.

Микроядро реализует жизненно важные функции, лежащие в основе ОС. 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, системы управление окнами и системы обеспечения 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.

Известны два пути решения этой проблемы. Один из этих путей – размещение нескольких серверов, чувствительных к режиму работы процессора, в пространстве ядра, что обеспечивает им полный доступ к аппаратуре и, в то же время, связь с другими процессами посредством обычного механизма сообщений. 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. Этот подход требует тесного взаимодействия между внешним планировщиком и резидентным диспетчером. Важно подчеркнуть логику последнего подхода. Несмотря на то, что, вообще говоря, запуск процесса или потока требует доступа к аппаратуре и обычно является функцией ядра, но при этом ядру все равно, какой из процессов запускать, поэтому решения о приоритетах процессов и дисциплине постановки в очередь может принимать работающий вне ядра планировщик.

Как и управление процессами, управление памятью может распределяться между микроядром и сервером, работающим в пользовательском режиме. Система управления страничной памятью (пейджер), работающая 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. Например, какая-либо система управления базами данных 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.

Технология микроядер обеспечивает совместимость программ, написанных для разных ОС, за счет абстрагирования интерфейсов прикладных программ от расположенных ниже операционных систем. Высокая степень переносимости обусловлена тем, что весь машиннозависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и все они логически сгруппированы вместе.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к ОС, является возможность расширяемости операционной системы. Практически для любой ОС неизбежно наступает время, когда возникает острая необходимость привнесения в систему новых функций и свойств, которые не были заложены в нее первоначально. Для монолитных операционных систем внесение изменений затруднительно и чаще всего вообще невозможно. В микроядерных структурах благодаря наличию ограниченного набора четко определенных интерфейсов возможна постепенная эволюция и расширение 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, операционная 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. Микроядро не обязательно подразумевает небольшую систему. Надстроенные службы, типа файловой системы и системы управления окнами, добавляют к ней немало. Если некоторые свойства являются важными, но предназначены лишь для определенных потребителей, можно исключать их из состава системы. Тогда базовый продукт подойдет более широкому кругу пользователей.

Использование модели клиент-сервер повышает надежность системы. 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 многопроцессорной ВМ или даже на разных ВМ. При получении от процесса сообщения микроядро может обработать его самостоятельно или переслать другому процессу. Так как микроядру безразлично, пришло ли сообщение от локального или удаленного процесса, подобная схема передачи сообщений является эффективным базисом для механизма RPC. Однако такая гибкость имеет свои недостатки: пересылка сообщений не так быстра, как обычные вызовы функций, и ее оптимизация является критическим фактором успеха ОС на основе микроядра.

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. 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 предлагается механизм наследования свойств уже существующих объектов, то есть механизм, позволяющий порождать конкретные объекты из более общих. Например, при наличии объекта «текстовый документ» разработчик может легко создать объект «текстовый документ в формате Word», 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 на другую, 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 программистов, так как позволяют им работать в глубине ОС, приспосабливая их к своим нуждам, но при этом не нарушая целостность системы.

 

Концепция объектно-ориентированного подхода непосредственно касается только разработчиков и лишь косвенно влияет на конечного пользователя. Другая концепция – концепция множественных прикладных сред – приносит пользователю возможность выполнять при помощи своей ОС программы, написанные для других операционных систем и других процессоров. Хотя в некоторых ОС дополнительное программное обеспечение позволяет пользователям запускать «чужие» программы, но в новом поколении операционных систем средства для выполнения «чужих» программ становятся стандартной частью системы. Благодаря этому операционная система практически не ограничивает выбор прикладных программ. Множественные прикладные среды обеспечивают совместимость конкретной ОС с приложениями, написанными для других ОС и процессоров, на двоичном уровне, а не на уровне исходных текстов.

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 операционной системы. Специализированные драйверы устройств могут противоречить требованиям безопасности. Могут конфликтовать схемы управления памятью и оконные системы. 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 графических интерфейсов пользователя (Graphic User Interface – GUI), 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. Тщательно продуманная 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 один раз.

С позиции использования прикладных сред более предпочтительным является способ написания программ, при котором программист для выполнения некоторой функции обращается с вызовом к ОС, а не пытается более эффективно реализовать эквивалентную функцию самостоятельно, работая напрямую с аппаратурой.

Модульность операционных систем нового поколения позволяет намного легче реализовать поддержку множественных прикладных сред. В отличие от старых операционных систем, состоящих из одного большого блока, предназначенного для всех практических применений и 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 действием.