Архитектура, установка и конфигурация ОС UNIX и Linux

UNIX имеет долгую и интересную историю. Начавшись как несерьезный и почти "игрушечный" проект молодых исследователей, UNIX стал многомиллионной индустрией, включив в свою орбиту университеты, многонациональные корпорации, правительства и международные организации стандартизации.

UNIX зародился в лаборатории Bell Labs фирмы AT&T более 20 лет назад. В то время Bell Labs занималась разработкой многопользовательской системы разделения времени MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) совместно с MIT и General Electric, но эта система потерпела неудачу, отчасти из-за слишком амбициозных целей, не соответствовавших уровню компьютеров того времени, а отчасти и из-за того, что она разрабатывалась на языке PL/1, а компилятор PL/1 задерживался и вообще плохо работал после своего запоздалого появления. Поэтому Bell Labs вообще отказалась от участия в проекте MULTICS, что дало возможность одному из ее исследователей, Кену Томпсону, заняться поисковой работой в направлении улучшения операционной среды Bell Labs. Томпсон, а также сотрудник Bell Labs Денис Ритчи и некоторые другие разрабатывали новую файловую систему, многие черты которой вели свое происхождение от MULTICS. Для проверки новой файловой системы Томпсон написал ядро ОС и некоторые программы для компьютера GE-645, который работал под управлением мультипрограммной системы разделения времени GECOS. У Кена Томпсона была написанная им еще во времена работы над MULTICS игра "Space Travel" - "Космическое путешествие". Он запускал ее на компьютере GE-645, но она работала на нем не очень хорошо из-за невысокой эффективности разделения времени. Кроме этого, машинное время GE-645 стоило слишком дорого. В результате Томпсон и Ритчи решили перенести игру на стоящую в углу без дела машину PDP-7 фирмы DEC, имеющую 4096 18-битных слов, телетайп и хороший графический дисплей. Но у PDP-7 было неважное программное обеспечение, и, закончив перенос игры, Томпсон решил реализовать на PDP-7 ту файловую систему, над который он работал на GE-645. Из этой работы и возникла первая версия UNIX, хотя она и не имела в то время никакого названия. Но она уже включала характерную для UNIX файловую систему, основанную на индексных дескрипторах inode, имела подсистему управления процессами и памятью, а также позволяла двум пользователям работать в режиме разделения времени. Система была написана на ассемблере. Имя UNIX (Uniplex Information and Computing Services) было дано ей еще одним сотрудником Bell Labs, Брайаном Керниганом, который первоначально назвал ее UNICS, подчеркивая ее отличие от многопользовательской MULTICS. Вскоре UNICS начали называть UNIX.

Первыми пользователями UNIX'а стали сотрудники отдела патентов Bell Labs, которые нашли ее удобной средой для создания текстов.

Большое влияние на судьбу UNIX оказала перепись ее на языке высокого уровня С, разработанного Денисом Ритчи специально для этих целей. Это произошло в 1973 году, UNIX насчитывал к этому времени уже 25 инсталляций, и в Bell Labs была создана специальная группа поддержки UNIX.

Широкое распространение UNIX получил с 1974 года, после описания этой системы Томпсоном и Ритчи в компьютерном журнале CACM. UNIX получил широкое распространение в университетах, так как для них он поставлялся бесплатно вместе с исходными кодами на С. Широкое распространение эффективных C-компиляторов сделало UNIX уникальной для того времени ОС из-за возможности переноса на различные компьютеры. Университеты внесли значительный вклад в улучшение UNIX и дальнейшую его популяризацию. Еще одним шагом на пути получения признания UNIX как стандартизованной среды стала разработка Денисом Ритчи библиотеки ввода-вывода stdio. Благодаря использованию этой библиотеки для компилятора С, программы для UNIX стали легко переносимыми.

Широкое распространение UNIX породило проблему несовместимости его многочисленных версий. Очевидно, что для пользователя весьма неприятен тот факт, что пакет, купленный для одной версии UNIX, отказывается работать на другой версии UNIX. Периодически делались и делаются попытки стандартизации UNIX, но они пока имели ограниченный успех. Процесс сближения различных версий UNIX и их расхождения носит циклический характер. Перед лицом новой угрозы со стороны какой-либо другой операционной системы различные производители UNIX-версий сближают свои продукты, но затем конкурентная борьба вынуждает их делать оригинальные улучшения и версии снова расходятся. В этом процессе есть и положительная сторона - появление новых идей и средств, улучшающих как UNIX, так и многие другие операционные системы, перенявшие у него за долгие годы его существования много полезного.

Независимо от версии, общими для UNIX чертами являются:

- многопользовательский режим со средствами защиты данных от несанкционированного доступа;

- реализация мультипрограммной обработки в режиме разделения времени, основанная на использовании алгоритмов вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking);

- использование механизмов виртуальной памяти и свопинга для повышения уровня мультипрограммирования;

- унификация операций ввода-вывода на основе расширенного использования понятия "файл";

- иерархическая файловая система, образующая единое дерево каталогов независимо от количества физических устройств, используемых для размещения файлов;

- переносимость системы за счет использования языка C;

- разнообразные средства взаимодействия процессов, в том числе и через сеть;

- кэширование диска для уменьшения среднего времени доступа к файлам.

Версия UNIX System V Release 4 вобрала в себя лучшие черты линий UNIX System V и UNIX BSD.

Версия UNIX System V Release 4 - это незаконченная коммерческая версия операционной системы, т.к. в ее кодах отсутствуют многие системные утилиты, необходимые для успешной эксплуатации ОС, например утилиты администрирования или менеджер графического интерфейса. Версия SVR4 является скорее стандартной реализацией кода ядра, вобравшая в себя наиболее популярные и эффективные решения из различных версий ядра UNIX, такие как виртуальная файловая система VFS, отображаемые в память файлы и т.п. Код SVR4 (частично доработанный) лег в основу многих современных коммерческих версий UNIX, таких как HP-UX, Solaris, AIX и т.д.

Микроядро Mach

Ядро любой современной коммерческой версии UNIX представляет собой набор очень большого количества функций, с запутанными взаимосвязями и очень расплывчатыми границами между основными подсистемами. В результате любая модификация организованной таким образом системы дается тяжело и приводит к появлению в новых версиях большого количества ошибок. Кроме того, не во всех инсталляциях нужны все компоненты ядра, а при монолитном его построении удаление ненужных функций затруднено. Недостатки, присущие операционным системам с большим монолитным ядром (а это в первую очередь различные версии UNIX'а), породили интерес к системам, построенным на основе микроядра.

Микроядерный подход заключается в том, что базовые функции ядра оформляются в виде отдельной небольшой компоненты, выполняемой в привилегированном режиме, а остальные функции ОС выполняются в пользовательском режиме с использованием примитивов микроядра. Ввиду больших потенциальных преимуществ, которые сулит этот подход, можно предположить, что в ближайшее время большинство новых операционных систем будет строиться на основе микроядра. Наиболее известными реализациями этого подхода являются микроядра Mach и Chorus.

Основной сложностью использования микроядерного подхода на практике является замедление скорости выполнения системных вызовов при передаче сообщений через микроядро по сравнению с классическим подходом.

Можно подробно рассмотреть принципы организации и функции микроядра Mach по двум причинам. Во-первых, микроядро по определению содержит базовые механизмы, имеющиеся внутри любой операционной системы, поэтому знакомство с этими механизмами в чистом виде полезно и для изучения любой конкретной ОС.

Во-вторых, микроядра лицензируются и используются как готовый программный продукт в качестве основы для построения коммерческой сетевой операционной системы. Сейчас имеется несколько коммерческих реализаций операционных систем на основе микроядра Mach (NextStep фирмы Next, UNIX BSD, OSF/1 v.1.3), а также проводится ряд работ по использованию этого ядра. Так как свойства микроядра в значительной степени определяют свойства ОС, построенной на его основе, то знание микроядра помогает в оценке характеристик использующей его ОС.

Цели Mach

ОС Mach значительно изменилась со времени ее первой реализации в виде RIG. Цели проекта также изменились со временем. На текущий момент основные цели выглядят так:

1. Обеспечение базовых функций для создания других операционных систем (например, UNIX).

2. Поддержка больших разреженных адресных пространств.

3. Обеспечение прозрачного доступа к сетевым ресурсам.

4. Поддержка параллелизма как в системе, так и в приложениях.

5. Обеспечение переносимости Mach на различные типы компьютеров.

Основные концепции Mach

Микроядро Mach было разработано в качестве основы, на базе которой можно эмулировать UNIX и другие ОС. Эта эмуляция осуществляется программным уровнем, который работает вне ядра, в пользовательском пространстве. Следует отметить, что несколько эмуляторов могут работать одновременно, так что можно выполнять программы 4.3BSD, System V и MS-DOS на одной машине в одно и то же время.

Ядро Mach, подобно другим микроядрам, обеспечивает управление процессами, управление памятью, коммуникации и функции ввода-вывода. Функции управления файлами, каталогами и другие традиционные для операционных систем функции выполняются в пользовательском пространстве. Идея построения ядра Mach состоит в обеспечении механизмов, необходимых для работы системы, но стратегия использования этих механизмов реализуется на уровне пользовательских процессов.

Ядро управляет пятью главными абстракциями:

1. Процессы

2. Нити

3. Объекты памяти

4. Порты

5. Сообщения

Рис. 5. Абстрактная модель эмуляции UNIX на основе Mach

Кроме этого, ядро работает и с некоторыми другими абстракциями, или связанными с указанными, или менее важными.

Процесс - это, в основном, среда, в которой происходит выполнение. Он имеет адресное пространство, содержащее текст программы и данные, и обычно один или более стеков. Процесс — это базисная единица для распределения ресурсов. Например, коммуникационный канал всегда принадлежит одному процессу.

Нить в Mach является единицей выполнения. Она имеет счетчик команд и набор регистров, связанных с ней. Каждая нить является частью точно одного процесса. Процесс, состоящий из одной нити, подобен традиционному (например, как в UNIX) процессу.

Концепцией, уникальной для Mach, является введение понятия объект памяти (memory object), представляющий собой структуру данных, которая может быть отображена в адресное пространство процесса. Объекты памяти занимают одну или несколько страниц и образуют основу для системы управления виртуальной памятью Mach. Когда процесс ссылается на объект памяти, который не представлен в физической памяти, это вызывает страничное прерывание. Как и в других ОС, ядро перехватывает страничное прерывание. Однако в отличие от других систем, ядро Mach для загрузки отсутствующей страницы посылает сообщение серверу пользовательского режима, а не самостоятельно выполняет эту операцию.

Межпроцессное взаимодействие в Mach основано на передаче сообщений. Для того, чтобы получить сообщение, пользовательский процесс просит ядро создать защищенный почтовый ящик, который называется порт. Порт хранится внутри ядра и способен поддерживать очередь упорядоченного списка сообщений. Очереди не имеют фиксированной длины, но в целях управления потоком для каждого порта отдельно устанавливается пороговое значение в n сообщений, так что всякий процесс, пытающийся послать еще одно сообщение в очередь длины n, приостанавливается для того, чтобы дать порту возможность очиститься.

Процесс может предоставить другому процессу возможность посылать (или получать) сообщения в один из принадлежащих ему портов. Такая возможность реализуется в виде мандата ( capability), который включает не только указатель на порт, но и список прав, которыми другой процесс обладает по отношению к данному порту (например, право выполнить операцию ПОСЛАТЬ - SEND). Все коммуникации в Mach используют этот механизм.

Сервер Mach BSD UNIX

Как уже было сказано выше, разработчики системы Mach модифицировали Berkeley UNIX для работы в пользовательском пространстве в форме прикладной программы. Такая структура имеет несколько преимуществ по сравнению с монолитным ядром. Во-первых, система упрощается за счет разделения на часть, которая выполняет управление ресурсами (ядро), и часть, которая обрабатывает системные вызовы (UNIX-сервер), и ею становится легче управлять. Такое разделение напоминает разделение труда в операционной системе VM/370 мейнфреймов IBM, где ядро эмулирует набор "голых" 370-х машин, на каждой из которых реализована однопользовательская операционная система.

Во-вторых, за счет помещения UNIX'а в пользовательское пространство его можно сделать в высокой степени машинно-независимым. Все машинно-зависимые части могут быть удалены из UNIX'а и скрыты внутри ядра Mach.

В-третьих, как уже было упомянуто выше, несколько ОС могут работать одновременно. Например, на процессоре Intel 386 Mach может выполнять программу UNIX и программу MS-DOS одновременно. Аналогично возможно одновременное тестирование новой экспериментальной ОС и работа с основной ОС.

В-четвертых, в систему могут быть введены операции реального времени, потому что все традиционные препятствия для работы в реальном времени, такие как, например, запрет прерываний на время обновления критических таблиц, могут быть либо исключены, либо перенесены в пользовательское пространство. Ядро может быть тщательно структурировано, для того чтобы не препятствовать работе приложений реального времени. Наконец, такое построение системы может быть использовано для обеспечения лучшей защиты между процессами, если она нужна. Если каждый процесс работает со своей версией UNIX'а, то для одного процесса очень трудно что-либо разузнать о файлах другого процесса.