9 сентября 2012 г.

По поводу концепции микроядерной ОС

Продолжаю наблюдать за развитием GNU Hurd. Напомню, что Debian GNU/Hurd стоит на одном из моих ПК как основная система. Мне интересна концепция микроядерной ОС - разработчики микроядер обещают высокую надёжность и возможность легко расширять и изменять систему под свои нужды.

Надёжность достигается путём переноса большей части функциональности, составляющей собственно ОС, в пространство пользователя. То есть, если в обычных (монолитных) операционных системах драйвер файловой системы является частью ядра ОС, то в микроядерной ОС этот драйвер работает, как обычная программа-сервер, обслуживающая запросы.

Эта концепция напоминает деловые связи, которые возникают в обществе людей. Вот пример: Боб выращивает помидоры в теплицах. Он получает каждую неделю удобрения для помидор от Мэлори. Так же раз в месяц к нему приходит электрик Дэйв, который обслуживает автоматическую систему полива. Если, например, Мэлори заболеет и не сможет обеспечивать какое-то время Боба удобрениями, то Боб может обратиться к Джону (другому поставщику) и тот доставит ему удобрения. То есть, бизнес Боба почти не пострадает от того, что Мэлори заболел, так как он является внешним "сервисом", который Боб использует. С другой стороны, некоторая часть работы выполняется самим Бобом - например, сбор и упаковка помидор перед продажей. Так же в небольшой фирме Боба работает его супруга, Элис - она отвечает за учёт средств и поддержку web-сайта фирмы Боба.

Продолжая аналогию, монолитная ОС напоминает фирму, где вся работа выполняется сотрудниками, т.е. внутренними сервисами (разработка ПО, обслуживание электросети и канализации, уборка помещений и т.п.). Если один из сотрудников заболел - например, уборщик мусора - то повсюду будет скапливается мусор (который некому выносить), и в конце-концов вся деятельность фирмы остановится (если уборщик не поправится в скором времени). Разумеется, это чисто теоретический пример и общество людей гораздо более гибко, чем ядра операционных систем - в реальной жизни уборщику найдут временную замену, или даже каждый сотрудник будет самостоятельно выносить мусор.

Следущим важным моментом является то, что микроядра гораздо меньше по размеру (да, приставка микро- здесь используется не просто так). Так, например, ядро MINIX3 - одной из широко известных микроядерных ОС - содержит примерно 10000 строк кода [1]. Чем меньше кода, тем проще его поддерживать и вылавливать ошибки. Меньше кода, меньше ошибок, надёжнее ОС.

В современном мире уже почти каждый холодильник и телефон работает под управлением ОС и/или может быть подключён к компьютеру. Поэтому многим подобным устройствам необходим драйвер, который обеспечивает взаимодействие с устройством, с его аппаратным обеспечением. В монолитой ОС драйверы включаются в состав ядра и (очевидно) работают в пространстве ядра. Таким образом, драйверы являются "доверенными лицами" ядра. ОС полагается на них, когда нужно взаимодействовать с вашим USB-вентилятором или записать данные на жёсткий диск. Однако, если драйвер работает неправильно, то это может привести (и вероятнее всего, приведёт) к нестабильной работе ядра и всей ОС.

Здесь стоит заметить, что ядро Linux, хотя и монолитно по своей природе, предоставляет механизм "модулей ядра", благодаря которому функциональность ядра может быть расширена "на лету" путём загрузки модулей. Вам не нужно включать в ядро драйверы для _всех_ устройств - вы можете собрать ядро с драйверами только для тех устройств, которые у вас есть. Большинство драйверов так же позволяют скомпилировать их, как модули, которые могут быть загружены в ядро при загрузке или во время работы ОС (как правило, без перезагрузки) - например, при появлении нового устройства.

С другой стороны, реализация драйверов, как процессов, работающих в пространстве пользователя (что является подходом, принятым в микроядерных ОС), позволяет обезопасить ядро от возможных ошибок в драйверах (ведь даже опытные программисты делают ошибки).

Одним из замечательных примеров надёжности микроядерных ОС явлется так называемый сервер реинкарнации (reincarnation server), который является частью ОС MINIX3, и который автоматически перезапускает серверы, если они по каким-то причинам сбоят и аварийно завершают свою работу [2].

Тем не менее, микроядерные ОС обладают своими недостатками - например, их намного сложнее разрабатывать, и обычно они обладают более низкой производительностью (хотя, например, микроядро L4 достаточно быстро[3]).

Исследования в области микроядер ведуться десятки лет, но на данный момент можно назвать лишь несколько успешных проектов в этой области. Микроядро MINIX и микроядро Mach (третья версия которого лежит в основе GNU Hurd и Darwin) - пожалуй, самые известные.

Всё вышесказанное не претендует на полноту и безошибочность, так как мои познания в этой области являются достаточно скромными. За дополнительной информацией вы можете обратиться к соответствующим статьям в Википедии (например, [4] хорошо написана) и другим источникам.

Ссылки:

на
теги: ,

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Подписаться на: Комментарии к сообщению (Atom)