Уровни абстракции ОС. ОС с архитектурой микроядра. Виртуальные машины. Цели проектирования и разработки ОС. Генерация ОС
Концепция виртуальной машины доводит подход, основанный на уровнях абстракции, до своего логического завершения. Согласно данной концепции, совокупность аппаратуры и ОС трактуется как машина. Виртуальная машина предоставляет интерфейс , полностью аналогичный интерфейсу обычной машины без базового программного обеспечения. ОС создает иллюзию одновременного исполнения нескольких процессов, каждого в своей (виртуальной) памяти. Вообще, виртуализация – один из наиболее современных принципов развития и использования программного обеспечения.
Пример: система виртуальных машин (SVM) в ОС IBM 360/370, разработанная в конце 1980-х гг. Более современный пример: Microsoft Virtual PC – продукт, эмулирующий виртуальную машину, в которую может быть инсталлирована любая другая ОС, отличная от основной.
При работе пользователей в виртуальных машинах физические ресурсы реальной компьютерной системы используются совместно для поддержки нескольких виртуальных машин . Диспетчеризация процессора создает у каждого пользователя впечатление, что он имеет свой собственный процессор . Буферизация ( spooling ) и файловая система предоставляют виртуальные устройства ввода и вывода. Терминал обычного пользователя, характерный для более раннего режима разделения времени, действует как операторская консоль .
Модели операционных систем, разработанных без использования концепции виртуальной машины и на основе концепции виртуальных машин , изображены на рис. 7.4.
Как видно из схемы, без использования виртуальных машин способ использования ОС и аппаратуры традиционен: имеется несколько пользовательских процессов , совместно использующих одно ядро ОС и, естественно, один экземпляр аппаратуры компьютера. При использовании виртуальных машин картина меняется: процесс каждого пользователя как бы получает в свое распоряжение свой персональный (виртуальный) компьютер и свой собственный экземпляр ядра ОС, работающий на этом виртуальном компьютере.
Концепция виртуальной машины имеет следующие преимущества и недостатки. С одной стороны, она обеспечивает полную защиту системных ресурсов , так как каждая виртуальная машина изолирована от других, Однако такая изоляция препятствует эффективному совместному использованию ресурсов реального компьютера.
Система виртуальных машин – хорошая основа для исследования и разработок в области ОС. Разработка систем выполняется над виртуальной машиной, а не на физической машине, и не нарушает нормального функционирования системы
Концепцию виртуальной машины , однако, труднее реализовать, так как трудно адекватно смоделировать используемую машину.
Виртуальная машина Java (JVM)Подход, основанный на виртуализации, характерен не только для разработки операционных систем, но и для реализации современных платформ и языков программирования. Причина в том, что реализаторы этих языков и платформ стремятся сделать их переносимыми с одной реальной аппаратной платформы на другую. Такой подход принят, как широко известно, при реализации Java , но авторы Java отнюдь не первыми предложили данную идею. Программы на Java компилируются в платформно-независимый байт-код (bytecode) – команды виртуальной Java -машины, построенные на основе постфиксной записи операндов. Байт-код исполняется виртуальной машиной Java (JVM).
- загрузчика классов ( class loader ), выполняющего загрузку классов в виртуальную машину во время выполнения программы; загрузчик классов может быть стандартным или может быть переопределен пользователем;
- верификатора классов (class verifier ), выполняющего при загрузке класса проверку корректности его байт-кода, контроль типов и другие необходимые проверки;
- интерпретатора (runtime interpreter ), выполняющего интерпретацию (эмуляцию) команд байт-кода – абстрактной машины Java;
- Just-In-Time (JIT) – компилятора, выполняющего при первом вызове каждого метода его компиляцию в объектный код целевой платформы ( native – код), что позволяет повысить суммарную производительность выполнения программ на Java.
Аналогичную архитектуру имеет виртуальная машина VES (Virtual Execution System) платформы Microsoft. NET , однако подход . NET более открытый – поддерживается многоязыковое программирование , и байт-код (в . NET называемый CIL – Common Intermediate Language ) играет роль универсального промежуточного языка , в который компилируется исходный код на любом языке, например, на C# или Visual Basic . Подробное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки данного курса. В качестве базового учебника по Java -технологии рекомендую книгу [ 20 ] .