Разработчики операционных систем постоянно вынуждены выбирать между статическими и динамическими структурами данных. Статические структуры всегда проще для понимания, легче для программирования и быстрее в использовании. Динамические структуры обладают большей гибкостью. Очевидный пример – таблица процессов. В ранних системах для каждого процесса просто выделялся фиксированный массив структур. Если таблица процесса состояла из 256 элементов, тогда в любой момент могло существовать не более 256 процессов. Попытка создания 257-го процесса заканчивалась неудачей по причине отсутствия места в таблице. Аналогичные соображения были справедливы для таблицы открытых файлов (как для каждого пользователя в отдельности, так и для системы в целом) и различных других таблиц ядра.
Альтернативная стратегия заключается в создании таблицы процессов в виде связного списка мини-таблиц, начиная с одной-единственной мини-таблицы. Когда эта таблица заполняется, в глобальном пуле выделяется память под следующую таблицу, которая связывается с первой таблицей. Таким образом, таблица процесса не переполнится, пока не закончится вся память у ядра.
Альтернативный метод заключается в использовании таблицы фиксированного размера, но с выделением, когда эта таблица заполнится, новой таблицы фиксированного размера, например, в два раза большей. При этом текущие записи копируются из старой таблицы в новую, а память, которая была занята старой таблицей, возвращается в пул. Таким образом, таблица всегда остается непрерывной, а не связной. Недостаток этого подхода состоит в том, что требуется определенное управление памятью, кроме того, адрес таблицы будет переменным вместо константы.
То же самое относится к стекам ядра. Когда поток переключается в режим ядра или когда запускается поток в режиме ядра, этому потоку требуется стек в адресном пространстве ядра. Для потоков пользователя стек можно инициализировать так, чтобы он рос вниз от вершины виртуального адресного пространства. При этом его размер можно заранее не указывать. Для потоков ядра размер стека должен быть указан заранее, так как стек занимает часть виртуального адресного пространства ядра, кроме того, стеков может быть несколько. Вопрос заключается в следующем: сколько памяти следует выделить для каждого стека? Преимущества и недостатки различных подходов здесь примерно такие же, как и в случае с таблицей процессов.
Проблема выбора между статическим или динамическим выделением памяти возникает также для планирования процессов. В некоторых системах, особенно системах реального времени, планирование может быть выполнено заранее статически. Например, авиалинии знают, в котором часу их самолеты будут взлетать, за несколько недель до их фактического отправления Подобно этому, мультимедийным системам известно заранее, когда запускать те или иные видео-, аудио- и другие процессы. Для универсальных систем общего назначения эти соображения не работают, и планирование должно быть динамическим.
Вопрос выбора между статическим или динамическим выделением памяти возникает и при проектировании структур ядра. Значительно проще, если ядро построено, как единая двоичная программа, загружаемая в память для работы. Следствием такого подхода, однако, является то, что для установки каждого нового устройства ввода-вывода необходима перекомпоновка ядра вместе с драйвером нового устройства. Подобным образом работали ранние версии операционной системы UNIX, что всех устраивало, так как новые устройства ввода-вывода добавлялись к мини-компьютерам довольно редко. Сегодня большинство операционных систем позволяют динамически добавлять программы в ядро, со всеми дополнительными сложностями, которые такой подход влечет за собой.
Реализация системы сверху вниз и снизу вверх
Хотя лучше всего проектировать систему сверху вниз, теоретически реализация системы может выполняться как сверху вниз, так и снизу вверх. При реализации сверху вниз конструкторы начинают с обработчиков системных вызовов, а затем смотрят, какие механизмы и структуры данных требуются для их поддержки. Затем пишутся эти процедуры, при этом весь процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнут аппаратный уровень.
Недостаток этого подхода заключается в том, что, пока в наличии имеются только процедуры верхнего уровня, трудно что-либо протестировать. По этой причине многие разработчики считают более практичным построение системы снизу вверх. При таком подходе сначала пишется программа, скрывающая аппаратуру нижнего уровня. Обработка прерываний и драйвер часов также оказываются нужны уже на раннем этапе конструирования.
Затем можно реализовать многозадачность вместе с простым планировщиком (например, запускающим процессы в порядке циклической очереди). Уже в этот момент система может быть протестирована, чтобы проверить, правильно ли она управляет несколькими процессами. Если все работает нормально, можно приступить к детальной разработке различных таблиц и структур данных, необходимых системе, особенно тех, которые управляют процессами и потоками, а также памятью. Ввод-вывод и файловую систему можно отложить на потом, реализовав поначалу лишь примитивный ввод с клавиатуры и вывод на экран для тестирования и отладки. В некоторых случаях следует защитить ключевые низкоуровневые структуры данных, разрешив доступ к ним только с помощью специальных процедур доступа – в результате мы получаем объектно-ориентированное программирование, независимо от того, какой язык программирования применяется в действительности. Когда нижние уровни созданы, они могут быть тщательно протестированы. Таким образом, система создается снизу вверх, подобно тому, как строятся высокие здания.
Если над проектом работает большая команда программистов, тогда альтернативный подход заключается в том, чтобы сначала создать детальный проект всей системы, после чего распределить задачи по написанию отдельных модулей среди различных групп программистов. Каждая группа независимо тестирует собственную работу. Когда все модули готовы, они объединяются и тестируются совместно. Недостаток такого подхода заключается в том, что если изначально ничто не работает, очень трудно определить, который модуль создан правильно, а какой содержит ошибки и какая группа программистов неверно поняла, чего ей следует ожидать от других модулей. Тем не менее такой метод часто применяется при наличии большого количества программистов, чтобы максимально использовать распараллеливание работ по конструированию системы.
Полезные методы.
Итак, мы только что обсудили некоторые абстрактные идеи, применяющиеся при проектировании и конструировании операционных систем. Теперь мы рассмотрим несколько конкретных методов, полезных при реализации систем. Разумеется, существует также множество других методов, но объем книги не позволяет нам рассмотреть все методы.
Скрытие аппаратуры
Большое количество аппаратуры весьма неудобно в использовании. Его следует скрывать на ранней стадии реализации системы (если только оно не предоставляет особых возможностей). Некоторые детали самого нижнего уровня могут быть скрыты уровнем вроде HAL. Однако есть детали, которые таким способом скрыть невозможно.
На ранней стадии конструирования системы следует решить вопрос обработки прерываний. Наличие прерываний делает программирование неприятным делом, но операционные системы должны работать с прерываниями. Один из подходов состоит в том, чтобы немедленно преобразовать их во что-либо иное. Например, каждое прерывание можно превратить в появляющийся новый поток. При этом более высокие уровни будут иметь дело уже не с прерываниями, а с потоками.
Второй метод заключается в том, чтобы преобразовать каждое прерывание в операцию unlock на мьютексе, которого ожидает соответствующий драйвер. Тогда единственный эффект от прерывания будет заключаться в том, что один из потоков перейдет в состояние готовности.
Третий подход состоит в преобразовании прерывания в сообщение какому-либо потоку. Программа низкого уровня просто формирует сообщение, в котором содержатся сведения о том, откуда прибыло прерывание, ставит его в очередь и вызывает планировщик, который, возможно, запустит процесс, вероятно, ожидающий этого сообщения. Все эти методы, а также подобные им другие, пытаются преобразовать прерывания в операции синхронизации потоков. Обработкой каждого прерывания соответствующим потоком в соответствующем контексте проще управлять, чем создать обработчик прерываний, работающий в произвольном контексте, то есть в том, в котором случилось прерывание. Разумеется, обработка прерываний должна быть эффективной, но глубоко внутри операционной системы эффективным должно быть все.
Большинство операционных систем спроектировано так, чтобы работать на различных платформах. Эти платформы могут отличаться центральными процессорами, блоками MMU, длиной машинного слова, объемом оперативной памяти и другими параметрами, которые трудно замаскировать уровнем HAL или его эквивалентом. Тем не менее желательно иметь единый набор исходных файлов, используемых для формирования всех версий. В противном случае каждую обнаруженную ошибку придется исправлять много раз во многих исходных файлах. При этом возникает опасность, что исходные файлы будут отличаться друг от друга все больше и больше.
С некоторыми различиями аппаратуры, такими как объем ОЗУ, можно бороться, оформив этот параметр в виде переменной и определяя его значение во время загрузки системы. Например, переменная, содержащая объем оперативной памяти, может использоваться программой, предоставляющей память процессам, а также для определения размера блока кэша, таблиц страниц и т. д. Даже размер статических таблиц, таких как таблица процессов, может задаваться при загрузке, в зависимости от общего объема оперативной памяти.