Главная » Ядро Linux » Ядро  Linux в сравнении с классическими ядрами Unix

0

Благодаря   общему   происхождению  и  одинаковому  API,   современные  ядра  Unix имеют   некоторые  общие   характерные   черты.   За  небольшими  исключениями  ядра Unix   представляют   собой   монолитные  статические   бинарные  файлы.   Это  значит, что  они  существуют в  виде  больших  исполняемых  образов,   которые  выполняются один  раз  и  используют одну копию  адресного  пространства.  Для  работы  операционной   системы   Unix  обычно   требуется   система   с  контроллером  управления  страничной   адресацией   памяти   (memory   management  unit);   это  аппаратное  обеспечение позволяет  обеспечить  защиту  памяти  в  системе  и  предоставить  каждому  процессу уникальное  виртуальное   адресное   пространство.   В  списке   литературы    приведены мои  любимые   книги   по  устройству  классических  ядер  операционной  системы   Unix.

Сравнение решений на основе монолитного ядра и микроядра

Операционные системы, в соответствии с особенностями построения, можно разделить на две большие группы: с монолитным ядром и с микроядром. (Есть еще третий тип — экзоядро, которое пока еще используется, в основном, только в исследовательских операционных системах, но уже начинает пробивать дорогу в большой мир.)

Монолитное ядро является самым простым, и до 1980-х годов все ядра строились именно таким образом. Монолитное ядро реализовано в виде одного большого процесса, который выполняется в одном адресном пространстве, Такие ядра обычно хранятся на диске в виде одного большого статического бинарного файла. Все службы ядра существуют и выполняются в одном большом адресном пространстве ядра. Взаимодействия в ядре выполняются очень просто, потому что все, что выполняется в режиме ядра, — выполняется в одном адресном пространстве. Ядро может вызывать функции непосредственно, как это делает пользовательское приложение. Сторонники такой модели обычно указывают на простоту и высокую производительность монолитных ядер.

Микроядра не реализуются в виде одного большого процесса. Все функции ядра разделяются на несколько процессов, которые обычно называют серверами. В идеале, в привилегированном режиме работают только те серверы, которым абсолютно необходим привилегированный режим. Остальные серверы работают в пространстве пользователя. Все серверы, тем не менее, поддерживаются независимыми друг от друга и выполняются каждый в своем адресном пространстве. Следовательно, прямой вызов функций, как в случае монолитного ядра, невозможен. Все взаимодействия внутри микроядра выполняются с помощью передачи сообщений. Механизм межпроцессного взаимодействия (Inter Process Comrrmnication, IPC) встраивается в систему, и различные серверы взаимодействуют между собой и обращаются к "службам" друг друга путем отправки сообщений через механизм IPC. Разделение серверов позволяет предотвратить возможность выхода из строя одного сервера при выходе из строя другого.

Кроме того, модульность системы позволяет одному серверу вытеснять из памяти другого. Поскольку механизм IPC требует больше накладных расходов, чем обычный вызов функции, и при этом может потребоваться переключение контекста из пространства пользователя в пространство ядра и наоборот, то передача сообщений приводит к падению производительности по сравнению с монолитными ядрами, в которых используются обычные вызовы функций.

В современных операционных системах с микроядром, большинство серверов выполняется в пространстве ядра, чтобы избавиться от накладных расходов, связанных с переключением контекста, кроме того, это дает потенциальную возможность прямого вызова функций. Ядро операционной системы Windows NT, а также ядро Mach (на котором базируется часть операционной системы Mac OS X) это примеры микроядер.  В последних версиях как Windows NT, так и Mac OS X все серверы выполняются только в пространстве ядра, что является отходом от первоначальной концепции микроядра.

Ядро ОС Linux монолитное, т.е. оно выполняется в одном адресном пространстве, в режиме ядра. Тем не менее ядро Linux позаимствовало некоторые хорошие свойства микроядерной модели: в нем используется преемптивное ядро, поддерживаются потоки пространства ядра и возможность динамической загрузки в ядро внешних бинарных файлов (модулей ядра). Ядро Linux не использует никаких функций микроядерной модели, которые приводят к снижению производительности:  все выполняется в режиме ядра с непосредственным вызовом функций, вместо передачи сообщений. Следовательно, операционная система Linux — модульная, многопоточная, а выполнение самого ядра можно планировать.

Прагматизм снова победил.

По  мере того как Линус и другие разработчики  вносили  свой вклад в ядро Linux, они принимали  решения  о том, как развивать ОС Linux без пренебрежения  корнями, связанными  с Unix (и, что более важно,  без пренебрежения  API ОС Unix).  Поскольку операционная система  Linux не базируется  на какой-либо версии  ОС Unix,  Линус и компания  имели  возможность  найти  и выбрать наилучшее  решение  для любой проблемы и даже со временем изобрести  новые решения!  Ниже  приводится  анализ  характеристик  ядра  Linux,  которые  отличают его от других разновидностей   Unix.

• Ядро  Linux  поддерживает  динамическую  загрузку  модулей  ядра.  Хотя  ядро Linux и  является  монолитным,  оно  дополнительно   поддерживает  динамиче скую  загрузку и  выгрузку исполняемого  кода ядра по  необходимости.

• Ядро Linux поддерживает симметричную  многопроцессорную  обработку (SMP).

Хотя  большинство  коммерческих  вариантов  операционной системы  Unix  сейчас поддерживает SMP,  большинство  традиционных  реализаций  ОС Unix такой поддержки  не имеет.

• Ядро  Linux является  преемптивным.   В отличие  от традиционных  вариантов ОС  Unix,  ядро  Linux в состоянии  вытеснить  выполняющееся  задание,  даже если это задание работает в режиме ядра.  Среди коммерческих реализаций  ОС Unix  преемптивное  ядро имеют только  операционные системы  Solaris и IRIX.

• В ядре Linux используется  интересный  подход для поддержки  многопоточности  (threads):  потоки  ни  чем не  отличаются  от обычных  процессов.  С точки зрения  ядра все процессы  одинаковы,   просто  некоторые  из  них имеют общие ресурсы.

• В ядре  Linux отсутствуют некоторые  функции  ОС  Unix,  которые  считаются плохо реализованными, как,  например,  поддержка  интерфейса STREAMS,  или отвечают  "глупым"  стандартам.

• Ядро Linux является  полностью  открытым  во всех смыслах этого  слова.  Набор функций,   реализованных  в ядре  Linux, — это  результат свободной  и  открытой модели  разработки  операционной системы  Linux.  Если  какая-либо  функция  ядра  считается  маловажной  или  некачественной, то разработчики  ядра

не  обязаны ее реализовать. В противоположность этому, внесение изменений при  разработке ядра  Linux  занимает "элитарную" позицию: изменения должны решать  определенную практическую задачу, должны  быть  логичными и  иметь понятную четкую  реализацию. Следовательно, функции  некоторых современных вариантов ОС  Unix, такие  как память ядра со страничной реализацией, не были  реализованы. Несмотря на  имеющиеся различия, Linux  является операционной системой со строгим наследованием традиций ОС  Unix.

Источник: Лав,  Роберт. Разработка ядра  Linux, 2-е  издание. : Пер.  с англ.  — М.  : ООО  «И.Д.  Вильяме» 2006. — 448 с. : ил. — Парал. тит. англ.

По теме:

  • Комментарии