Лекция: Монолитные системы и системы с микроядром
Исполняя системный вызов, пользовательская программа передает управление ядру. Практически во всех современных системах ядро представляет собой единый процесс — единое адресное пространство. Но организация взаимодействия между нитями (потоками) этого процесса в различных системах устроена по-разному.
Три основные группы нитей, исполняющихся в режиме ядра:
- обработчики прерываний,
- обработчики системных вызовов со стороны пользовательских процессов
- нити, исполняющие различные внутренние по отношению к системе работы, например управление дисковым кэшем.
В документации фирмы Sun нити этих трех групп в ядре Solaris называются, соответственно, исполняющимися в контекстепрерывания (interrupt context), в пользовательском контексте (user context) и в контексте ядра (kernel context, или контексте системы. Далее мы будем называть последние две категории нитей, соответственно пользовательскими и системными, хотя и те, и другие исполняют системный код в системном адресном пространстве.
Обработчики прерываний всегда представляют собой особую статью — система практически никогда не имеет контроля над тем, когда возникают внешние события, зато практически всегда обязана обрабатывать эти события по мере их появления. Поэтому обработчики прерываний получают управление по необходимости.
В то же время, порядок получения управления пользовательскими и системными нитями в ряде ситуаций находится под контролем системы. Планировщик является частью ядра и модули системы вольны, включать егои выключать по мере необходимости. Практически всегда его выключают на время работы обработчика прерывания, но некоторые системы делают это и при активизации других нитей ядра. Полное выключение планировщика на время работы ядра фактически означает, что система не реализует внутри ядра вытесняющей многозадачности. Системные и пользовательские нити в этом случае являются сопрограммами, а не нитями в полном смысле этого слова.
Эта архитектура, называемая монолитным ядром, привлекательна примерно тем же, чем привлекательна кооперативная многозадачность на пользовательском уровне: любой модуль ядра может потерять управление лишь в двух случаях — при исполнении обработчика прерывания или по собственной инициативе. Благодаря этому разработчик модуля может не беспокоиться о критических секциях и прочих малоприятных аспектах доступа к разделяемым данным (кроме, разумеется, случаев, когда разделяет данные с обработчиком прерывания).
Платить за эти преимущества приходится значительными сложностями при переносе системы на многопроцессорные машины и невозможностью реализовать режим реального времени. Действительно, код ядра, написанный в расчете на кооперативную многозадачность, не может быть реентерабельным, поэтому такая система в то время, когда исполняется какая-то из ее нитей, не может обрабатывать системные вызовы. Следовательно, она не может иметь пользовательские процессы с приоритетом выше, чем у нитей ядра — а именно такие процессы нужны для поддержки приложений реального времени.
Альтернативной монолитным ядрам является микроядро. Микроядерные системы реализуют вытесняющую многозадачность не только между пользовательскими процессами, но и между нитями ядра.
В зависимости от того, какого рода взаимодействия преобладают, мы можем выстроить целый спектр более или менее монолитных (и, напротив, более или менее микроядерных) архитектур. На практике, большинство современных ОС общего назначения, имеют гибридную архитектуру, которая не является микроядерной, и в то же время не может быть классифицирована как монолитная. Многие из архитектур и, во всяком случае, многие ключевых принципов взаимодействия между модулями современных операционных систем были разработаны еще до того, как появилось само слово «микроядро».