Hery's devlog

Historia Uniksa sięga końca lat 60 XX wieku. Tymczasem wiele systemów operacyjnych wciąż opiera się na przyjętych w nim, często już nieaktualnych, założeniach. Oczywiście takie systemy jak Solaris czy rodzina *BSD wprowadzają dużo dodatkowych technologii, ale wciąż są w pewien sposób ograniczane przez swoich poprzedników i oparte na nich standardy.

Jest to główną przyczyną powstawania systemów eksperymentalnych. Brak zgodności ze standardami czy brak nacisku na niektóre aspekty (najczęściej jest to wydajność) powodują, że z reguły nie nadają się one do użytku codziennego, czy to jako serwer czy jako desktop. W żaden sposób nie zmniejsza to jednak wartości takich projektów. Są nimi, między innymi rozwijane przez Bell Labs systemy Plan 9 oraz Inferno, które w założeniu mają być następcami Uniksa.

Zasoby i pliki

W systemach Inferno i Plan 9 każdy zasób jest reprezentowany przez plik. Przypomina to założenia projektowe Uniksa ale jest na to kładziony jeszcze większy nacisk. Każde urządzenie, proces, sieć, połączenie sieciowe czy nawet otwarte okno jest osobnym plikiem. Dodatkowo zawartość tych plików może być generowana dynamicznie w zależności od stanu zasobu lub konkretnego klienta.

Wyspecjalizowane sterowniki najczęściej są reprezentowane przez katalog zawierający pliki data i ctl. Pierwszy z nich służy do operacji wejścia-wyjścia, podczas gdy drugi jest używany do konfiguracji i kontroli urządzenia. Innym ciekawym przykładem jest nawiązywanie połączeń TCP, które odbywa się poprzez serię zapisów do odpowiednich plików reprezentujących konkretny sterownik.

Także, wszelkie usługi i serwery są reprezentowane jako pliki. Jeżeli program w celu nawiązania połączenia internetowego potrzebuje adresu IP serwera obsługującego daną domenę otwiera plik reprezentujący usługę DNS i za jego pomocą uzyskuje odpowiednie informacje. Najczęściej dzieje się to poprzez wpisanie do pliku nazwy domeny, a następnie odczytanie adresu IP. To rozwiązanie jest szczególnie wygodne, zwracając uwagę na fakt, że zarówno lokalne i jak i zdalne zasoby są w ten sposób reprezentowane. Wspomniany serwer DNS wcale nie musi działać na tym samym komputerze.

Prawa dostępu do plików pozwalają jednocześnie dokładnie określić prawa dostępu do poszczególnych usług, zasobów i urządzeń. Natomiast przechowywanie wszystkich obiektów (także np. połączeń sieciowych czy procesów) w postaci plików upraszcza wewnętrzną budowę systemu. Jedyny sztywno zapisany interfejs dotyczy samej obsługi systemu plików podczas gdy cała reszta jest oparta na plikach.

Styx

Traktowanie każdego zasobu czy usługi jako osobnego pliku wymaga odpowiedniego protokołu usprawniającego komunikację w systemach rozproszonych. Jego zadanie jest zbliżone do NFS, lecz można wskazać pewne wyraźne różnice. Przede wszystkim NFS jest przystosowany głównie do obsługi zwykłych plików, a nie np. generowanych w procfs. Styx jest przystosowany do obsługi każdego rodzaju plików.

Każde odwołanie się klienta do systemu plików jest tłumaczone na szereg komunikatów protokołu Styx. Dla zapewnienia bezpieczeństwa wspierana jest autoryzacja klientów przy pomocy certyfikatów, a także szyfrowanie transmisji. Jest to mechanizm całkowicie niewidoczny dla aplikacji korzystających z protokołu Styx.

Limbo

Programy dla systemów Plan 9 oraz Inferno są pisane w specjalnie do tego zaprojektowanym języku programowania Limbo. Jest on kompilowany do kodu pośredniego wykonywanego następnie przez maszynę wirtualną Dis. Limbo jest także językiem bezpiecznym oferującym silną kontrolę zgodności typów.

Limbo oferuje także kanały jako mechanizm komunikacji między procesami. Każdy kanał ma ściśle określony typ. Wymiana danych jest synchronizowana: proces, który chce wysłać lub odebrać dane musi czekać na gotowość drugiego procesu. Możliwe jest także utworzenie buforowanych kanałów które nie wymagają blokowania procesów z nich korzystających.

Programy są zbudowane z modułów. Każdy moduł oferuje określony publiczny interfejs. Możliwe jest załadowanie wielokrotnie tego samego modułu z różnymi implementacjami. Kod jest wykonywany przez procesy, które przypominają swoim wyglądem i zachowaniem wątki w innych systemach operacyjnych.

Dis

Do uruchamiania programów napisanych w języku Limbo Inferno używa maszyny wirtualnej Dis. Podczas gdy większość języków programowania tego typu, domyślnie używa stosowych maszyn wirtualnych, Dis jest maszyną rejestrową. Twórcy tłumaczą to nieznacznie wyższą wydajnością oraz łatwością przystosowania maszyny do działania na innej platformie sprzętowej. Uważają, także że maszyna wirtualna powinna jak najbardziej przypominać architektury na których pracuje.

Kod może być przez Dis kompilowany just-in-time lub interpretowany przez odpowiednią bibliotekę. Niezależnie od tego jest on umieszczony w osobnym obszarze pamięci do którego nie można uzyskać dostępu żadną z instrukcji oferowanych przez Dis.

Dane są podzielone na globalne, wspólne dla całego kodu zawartego w danym module oraz lokalne dla danej funkcji, umieszczone na stosie. Dostęp do nich uzyskuje się korzystając z adresów bazowych zawartych odpowiednio w rejestrach mp (module pointer) i fp (frame pointer). Można także podawać bezpośrednie adresy w przestrzeni danych programu, nie korzystając z tych rejestrów.

Dis oferuje zestaw instrukcji podobny do procesorów CISC. Różni się on głównie o wiele wyższym poziomem abstrakcji. Oprócz podstawowych instrukcji takich jak jmp czy mov oferowany jest także zestaw instrukcji wspomagający operacje na tablicach, alokację pamięci, czy ładowanie modułów.

Format plików

Dis obsługuje własny format plików wykonywalnych, stworzony specjalnie po to aby dostosować się do jego szczególnych właściwości. Każdy taki plik wykonywany przez maszynę wirtualną składa się z sześciu części:

• nagłówek - zawiera sygnaturę pozwalającą rozpoznać format pliku, a także sprawdzić czy jest podpisany (i ewentualnie zawiera także podpis). Z tej sekcji Dis odczytuje wszystkie wymagania programu odnośnie środowiska w jakim będzie uruchomiony. Możliwe opcje to np. wymuszenie kompilacji JIT lub interpretacji kodu. Inne informacje przechowywane w nagłówku to rozmiary pozostałych sekcji oraz punkt wejścia programu.
• kod - jest to sekcja zawierająca ciąg instrukcji maszyny wirtualnej. Każda instrukcja składa się z opcode, sposobu adresowania i trzech argumentów.
• sekcja typów - umieszczone są w niej deskryptory umożliwiające lokalizację wszelkich wskaźników i referencji w każdym obiekcie. Każdy deskryptor zawiera mapę bitową w której każdy bit reprezentuje jedno słowo. Jeżeli bit jest ustawiony oznacza to, że dane słowo jest wskaźnikiem na inny obiekt.
• dane - ta sekcja zawiera dane dostępne później przy użyciu rejestru mp. Każdy wpis w tej sekcji opisuje rodzaj danych, ich położenie, typ i ewentualnie ilość obiektów.
• nazwa modułu
• sekcja linków - jest to sekcja używana do dynamicznej konsolidacji modułów. Zawiera informacje o wszystkich eksportowanych funkcjach: nazwę, wskaźnik oraz informację o typie argumentów.

Odśmiecanie

Przechowywane informacje o typach pozwalają na realizację systemu odśmiecania pamięci. W celu polepszenia wydajności składa się on z dwóch mechanizmów. Pierwszy z nich to zwykłe zliczanie referencji - proste i stosunkowo szybkie. Nie nadaje się jednak do usuwania obiektów wzajemnie do siebie odwołujących się. Z tego powodu jest także stosowany algorytm Very Concurrent Garbage Collection (VCGC). Pozwala on na zrównoleglenie procesu odśmiecania i tym samym wykorzystania faktu, że Inferno jest systemem rozproszonym. Dzięki temu, że odśmiecanie nie przerywa działania głównego programu możliwe jest zbudowanie systemu czasu rzeczywistego. Sam algorytm VCGC jest tematem na osobny artykuł. Dis umożliwia wykorzystywanie zliczania referencji, VCGC lub hybrydy obu tych rozwiązań.

Podsumowanie

Inferno i Plan 9 mają za zadanie rozwinąć technologie mogące zastąpić Uniksa. Pod pewnymi względami kontynuują przyjęte w nim założenia ("wszystko jest plikiem"), lecz z drugiej strony maszyna wirtualna jest odmienną technologią wykorzystywaną w wielu nowoczesnych językach programowania. Są to systemy niewątpliwie bardzo ciekawe i warto im się bliżej przyjrzeć.