Ядро Linux — в основном монолитное

Ядро операционной системы может быть либо микроядром, либо монолитным ядром (на последнее часто ссылаются как на макроядро). В сокращенном виде эти термины определяются следующим образом:

• Микроядро. В микроядре большая часть функциональности ядра реализована в виде отдельных процессов, которые выполняются в привилегированном режиме и взаимодействуют друг с другом посредством сообщений. Как правило, проект предполагает наличие одного процесса для одного концептуального модуля; поэтому в случае, например, если проект имеет модуль системных вызовов, это значит, что имеется соответствующий процесс, который воспринимает запросы на системные вызовы и взаимодействует с другими процессами (модулями), выполняющими собственно реализацию системных вызовов.

  При таком подходе микроядро представляет собой нечто большее, нежели концентратор сообщений: когда модуль системных вызовов желает отправить сообщение модулю файловой системы, это сообщение передается через микроядро. При этом достигается высокая степень изоляции модулей друг от друга. (Правда, иногда модули передают сообщения друг другу напрямую.) В некоторых проектах в микроядро погружается дополнительная функциональность, такая как ввод/вывод. Однако, базовая идея состоит в том, чтобы сохранять микроядро настолько малым, насколько возможно, поэтому перенос ядра в целом на другую платформу сводится к переносу только микроядра — другие модули зависят только друг от друга и от микроядра, но не от аппаратных средств.

  Одно из преимуществ микроядра связано с простотой замены, скажем, модуля файловой системы на более эффективную его версию, причем замена эта никак не скажется на функционировании остальной части системы. Возможно даже разработать новые системные модули (или модифицировать существующие) и добавлять их «на лету», во время выполнения системы. Другое преимущество заключается в более эффективном использовании памяти за счет того, что модули, в которых нет необходимости, попросту не загружаются.

• Монолитные ядра. Монолитное ядро — это один большой процесс. Внутренне он может разделяться на модули (или слои, или как-то еще), однако на этапе выполнения это один большой двоичный образ. Вместо отправки сообщений внутренние модули взаимодействуют друг с другом за счет обычных вызовов функций.

Сторонники монолитного ядра ссылаются на его большую эффективность по сравнению с микроядром, поскольку у последнего имеют место накладные расходы, связанные с передачей сообщений. Сторонники микроядра утверждают, что высокая гибкость и возможность сопровождения, присущие микроядру, экономят время выполнения соответствующих работ, поэтому в целом эффективность обоих видов ядер оказывается практически одинаковой.

Не хочу во все это встревать, замечу только, что сей спор сильно напоминает несколько забытую дискуссию сторонников и противников процессоров с сокращенным (RISC) и полным (CISC) набором команд. В современных процессорах тесно переплетаются обе технологии, точно так же как в ядре Linux воплощены обе идеи — монолитного и микроядра. В основном ядро Linux — монолитное, однако оно не является чистым монолитным ядром. Система модулей ядра, рассмотренная в предыдущей главе, — это способ получения некоторых преимуществ подхода с микроядром. (Кстати, на мой взгляд, интересная ситуация возникла бы, если реализовать систему модулей ядра Linux в виде микроядра, которое просто не передает сообщений. Конечно, я с этим не могу согласиться, но мысль интересная...)

Почему Linux в основном монолитный? Одна из причин чисто историческая: по мнению Линуса, ядро Linux окажется гораздо проще установить и запустить, если оно будет монолитным. При таком решении не потребуется изобретать архитектуру с передачей сообщений, разрабатывать способы загрузки модулей и т.п. (Система модулей ядра появилась только несколько лет спустя.)

Другая причина связана с огромным запасом времени на разработку. Проект Linux не ограничивал разработчиков ни во времени, ни необходимостью выпуска демонстрационных версий для маркетинговых целей. Единственным ограничением является лишь сложность внесения изменений в ядро. Монолитный проект ядра достаточно модульный внутри, поэтому внесение изменений и дополнений не вызывает особых трудностей. Основной вывод отсюда — нет никакой необходимости переписывать ядро Linux в микроядро ради небольшого, к тому же непроверенного увеличения степени сопровождения. (Линус, в частности, неоднократно повторял, что за выгоды нельзя платить быстродействием.) В дальнейших главах мы еще вернемся к эффекту неограниченного времени разработки применительно к более конкретным ситуациям.

Если бы Linux имел вид микроядра, его было гораздо проще переносить на другие платформы. Действительно некоторые примеры микроядер, такие как Mach, наглядно демонстрируют все достоинства переносимости, присущие такому подходу. Однако, перенос Linux на другие платформы — процесс не тривиальный, но и не устрашающе сложный: типовая процедура переноса на совершенно новую платформу требует приблизительно 30000 – 60000 строк кода плюс еще 20000 строк кода для реализации драйверов. В среднем получается около 50000 строк кода. Это вполне реальная работа для одного программиста (по крайней мере, для небольшой команды программистов) в течение одного года. Может это и больше, нежели хотелось бы делать для переноса, однако сторонники Linux утверждают, что полученные в результате переноса версии гораздо эффективнее используют аппаратные средства по сравнению с микроядром. В конечном итоге, дополнительные затраты на перенос с лихвой окупаются за счет увеличения общей эффективности системы.

Выбор проектирования Linux в виде монолитного ядра не связан с сиюминутным решением, но продиктован обычной мудростью, которая прогнозирует хорошую перспективу архитектурам на основе микроядер, однако в будущем. Однако в настоящее время монолитное ядро очень хорошо зарекомендовало себя в лице Linux — относительная сложность переноса на другие платформы никак не обескураживает сообщество разработчиков, которые уже успешно перенесли ядро на множество реальных платформ, в числе которых и карманные компьютеры Palm. С ростом достоинств Linux будут появляться все новые и новые версии для различных платформ.