Операционные системы "тонких" клиентов

Программное обеспечение Macintosh, как и аппаратное, в значительной степени ориентировано на предоставление пользователям развитых мультимедийных возможностей. Графический пользовательский интерфейс компьютеров Apple служит образцом для всех других систем. Операционная система Mac OS эволюционировала на протяжении долгих лет и лишь в 1998 г. уступила место ОС Mac OS X.

8.2 Mac OS

Хотя в оригинальной документации [28] нам не удалось найти определения архитектуры Mac OS, мы возьмем на себя смелость определить ее как модульно-иерархическую, как представлено на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 Архитектура Mac OS

Систему, по-видимому, можно разделить на несколько подсистем, каждая из которых выполняет управление определенным видом ресурсов (памятью, задачами, файлами, средствами коммуникаций и т.д.). Подсистема состоит из нескольких Менеджеров, каждый их которых обеспечивает более высокий уровень абстракции ресурсов. Менеджеры более высокого уровня используют средства Менеджеров низкого уровня своей подсистемы, а также и других подсистем. API же системы предоставляет доступа к возможностям практически любого уровня абстракции. На рисунке 8.2, например, показана структура подсистемы управления взаимодействием процессов.

Управление памятью

При работе с реальной памятью Mac OS обеспечивает работу с адресным пространством размером 16 Мбайт (24-разрядный адрес). Разумеется, все адресное пространство не обязательно поддерживается реальной памятью, заполнение адресного пространства реальной памятью может быть фрагментировано. До 8 Майт в верхней части адресного пространства составляет пространство ввода-вывода.

Память в такой модели выделяется разделами. Нижняя часть памяти (от адреса 0) составляет системный раздел. В нем размещены глобальные переменные системы и системная куча. В системной куче выделяется память для буферов, системных структур данных и системных кодовых сегментов.

Каждому приложению выделяется раздел приложения. В разделе приложения содержится:

управляющая информация приложения, так называемый "мир A5" (A5 world);

стек приложения;

куча приложения.

"Мир A5" (название происходит от имени регистра микропроцессора M 68К, который используется для адресации) содержит:

глобальные переменные приложения;

глобальные переменные QuickDraw (подсистемы экранного отображения);

параметры приложения;

таблицу переходов.

Стек приложения используется для сохранения адресов возврата и выделения памяти для локальных переменных. В куче размещаются коды и данные приложения. Кроме того, приложению могут выделяться по запросу блоки памяти вне его раздела.

Память в куче выделяется блоками переменной длины. Блоки могут быть перемещаемыми или неперемещаемыми. Обращение к неперемещаемому блоку производится по прямому адресу. Обращение к перемещаемому блоку производится с применением косвенной адресации через, так называемый, главный блок указателей (master pointer block). Для каждого приложения система создает такой блок определенного по умолчанию размера, размер блока может быть увеличен самим приложением. Такой способ выделения памяти приводит к образованию "внешних дыр", которые могут уменьшать объем доступной для приложения памяти. Для борьбы с этим явлением система производит (при нехватке памяти) дефрагментацию кучи - переписывает в памяти все перемещаемые блоки таким образом, чтобы внешние дыры слились в одну свободную область в верхней части кучи. При переносе блоков корректируется главный блок указателей, таким образом, перенос остается прозрачным для приложения. Наличие в куче неперемещаемых блоков снижает эффективность сжатия кучи, поэтому система стремится разместить все перемещаемые блоки в нижней части кучи. Если при размещении перемещаемого блока оказывается, что то место в нижней части кучи, на которое он претендует, занято перемещаемым блоком, система переносит перемещаемый блок в другое место и освобождает место для неперемещаемого.

Перемещаемый блок может также быть объявлен удаляемым: системе разрешается удалять его при нехватке памяти в куче приложения. Работая с удаляемым блоком, программист должен всякий раз, начиная работу с ним, проверить его наличие в памяти и отменить признак, разрешающий удаление.

Введение в компьютеры фирмы Apple динамической трансляции адресов позволило перейти к 32-разрядному размеру адреса и, таким образом, обеспечивать виртуальное адресное пространство размером в 4 Гбайт. Динамическая трансляция адресов использует страничную модель виртуальной памяти для расширения адресного пространства. Страничный обмен использует алгоритм LRU. Структура нижней части адресного пространства (до границы 16 Мбайт) - такая же, как и в 24-разрядной модели, что обеспечивает прозрачное выполнение 24-разрядных приложений в новой среде. Для 32-разрядных приложений могут выделяться дополнительные разделы выше 16-Мбайтной границы.

В описанной выше модели реальной памяти, расширенной затем за счет динамической трансляции адресов, сложилась сегментная архитектура выполнения приложений, которую называют "классической" архитектурой 68K. Приложение в этой архитектуре состоит из сегментов размером до 32 Кбайт каждый. Сегментная архитектура поддерживается Менеджером Сегментов в составе Mac OS. Для каждого приложения автоматически создается и загружается при запуске Сегмент 0, остальные сегменты загружаются по требованию.

Связь между сегментами обеспечивается через таблицу переходов (jump table), которая размещается вместе с "миром A5". Таблица переходов содержит адреса входных точек в сегментах, таким образом, обращения к процедурам в других сегментах производятся через таблицу переходов. Сегменты размещаются в перемещаемых блоках памяти в куче приложения и, таким образом, могут быть перемещены в памяти с коррекцией содержимого таблицы переходов. Загрузка сегментов производится автоматически при первом обращении к любой входной точке сегмента. Сегмент может быть также и выгружен из памяти, но это приложение должно сделать явным образом: выполнить системный вызов, помечающий сегмент как удалаямый. Помеченный таким образом сегментный блок может быть удален из памяти при нехватке памяти.

Архитектура CFM

В новых версиях Mac OS на M68K и PowerMac введена иная архитектура выполнения приложений. Она поддерживается Менеджером Кодовых Фрагментов - CFM (Code Fragments Manager) в составе ОС, поэтому называется архитектурой CFM. Архитектура CFM в максимальной степени использует концепцию динамической компоновки. Программа (кодовый ресурс) в терминах Mac OS состоит из двух ответвлений (fork) - ресурса (кодов) и данных (статических данных). Приложение в архитектуре CFM загружается системным загрузчиком (Finder). Другой вид кодовых ресурсов составляют разделяемые библиотеки и подключения (plug-in). Эти ресурсы CFM подключает к приложению во время выполнения и обеспечивает возможность совместного использования их разными приложениями. При этом они не используют память приложения, а записываются отдельно. Разница между библиотеками и дополнениями состоит в том, что первые подключаются автоматически, а вторые - специальным системным вызовом. Подключения могут содержать собственную главную процедуру (функцию main). Установленная связь процесса с фрагментом называется соединением (connection). Приложение может иметь соединения с несколькими фрагментами, также и фрагмент может быть соединен с несколькими приложениями одновременно. При обработке фрагментов CFM использует концепцию "застежек" (closure). Застежка является набором соединений процесса с фрагментами. Застежка представляет собой "корневой фрагмент", к которому CFM обращается для выполнения связывания с любыми разделяемыми библиотеками. Как правило, процесс имеет одну застежку, но для связывания с подключением (plug-in) создается отдельная застежка подключения.

Как упоминалось выше, для фрагмента может быть создано несколько соединений - как с одним процессом, так и с несколькими. При этом ответвление кода и ответвление данных соединяются отдельно и не обязательно в одной застежке. Если для кодового ответвления создается несколько соединений, то все соединения совместно используют один экземпляр кода. Для ответвления данных возможена глобальная реализация (один и тот же экземпляр данных используется всеми соединениями в системе) или реализация для процесса (CFM создает отдельную копию данных для каждого процесса). Возможность глобальной реализации или реализации для процесса определяется при создании разделяемых библиотек. Установление связи между процессом и библиотечным фрагментом осуществляется при помощи таблицы связываний, помещаемой редактором связей в каждое приложение. В этой таблице предусматриваются строки для всех библиотечных входных точек, к которым обращается приложение. В кодах приложения обращения к внешним точкам имеют вид косвенных обращений к таблице связываний. При создании соединения CFM находит нужную библиотеку и заполняет таблицу связываний приложения ссылками на адреса входных точек в оглавлении библиотеки.

Динамическая компоновка является средством, обеспечивающим возможность модификации разделяемых (например, системных) библиотек прозрачно для приложения. Для обеспечения совместимости версий приложений и библиотек в таблицу связываний приложения включаются граничные номера версий библиотеки, с которыми приложение может работать. CFM при создании соединения выполняет сопоставление этой информации с версией найденной библиотеки.

Управление процессами и нитями

Mac OS во всех своих версиях являлась системой с кооперативной многозадачностью. Процессом в системе является запущенное приложение или, в некоторых случаях, открытый аксессуар рабочего стола. В каждый момент только один процесс находится на переднем плане - тот, с которым взаимодействует пользователь, остальные являются фоновыми. Возможны также только-фоновые процессы, разработанные без пользовательского интерфейса. Переключение процессов происходит только в том случае, если процесс переднего плана приостанавливается, если он выдает системный вызов WaitNextEvent или EventAvail, но в системной очереди событий нет для него сообщений. Только при выполнении этих системных вызовов возможно переключение контекста. Различается переключение контекста значительное (major) и незначительное (minor). Первое происходит в том случае, если фоновый процесс становится процессом переднего плана. В этом случае ОС посылает процессу переднего плана "событие приостанова". Обрабатывая это событие, процесс переднего плана может выполнить требуемые прикладные операции, связанные с переходом на задний план. Когда процесс переднего плана в следующий раз выдаст системный вызов WaitNextEvent или EventAvail, он будет задержан. Фоновый процесс в этом случае получает от ОС "событие возобновления". Незначительное переключение происходит, когда фоновый процесс получает процессорное обслуживание, не переходя на передний план, например, когда процесс переднего плана ожидает действий пользователя. В этом случае, когда происходит событие, которого ожидает процесс переднего плана, фоновый процесс приостанавливается при следующей выдаче им системного вызова WaitNextEvent или EventAvail, независимо от того, есть ли для него сообщения в системной очереди событий.

Другой формой, использующей процессорный ресурс, являются в Mac OS задачи (task). Задачи представляют собой обработчики прерываний. Приложение имеет возможность установить собственную обработку некоторых прерываний. Пользовательская обработка прерываний поддерживается:

Менеджером Времени, который позволяет приложению выполнять задачи через заданные интервалы времени;

Менеджером Регенерации (Vertical Retrace Task), который позволяет выполнять задачи между циклами восстановления изображения на экране;

Менеджером Уведомления (Notification Manager), который обеспечивает как для процессов, так и для задач авральную сигнализацию пользователю (например, в случае ошибки);

Менеджером Устройств, который дает возможность драйверам обрабатывать прерывания от устройств.

Все эти менеджеры используют установленную приложениями информацию о задачах, помещаемую в системные очереди.

Когда задача получает управление, она не обязательно выполняется в контексте приложения, создавшего данный обработчик прерывания. Поэтому действия, выполняемые в составе задачи, существенно ограничены, и для установления связи обработчика прерывания с создавшим его приложением должны быть выполнены определенные специальные действия. Некоторые обработчики прерываний не деинсталлируются автоматически при завершении установивших их приложений.

Mac OS обеспечивает также механизм нитей. Нить, как и в большинстве других систем, имеет собственный вектор состояния процессора и собственный стек. Нити могут создаваться по отдельности или же может быть сначала создан пул нитей, а затем новые нити создаются из пула. Второй вариант обеспечивает более рациональное использование ресурсов, в частности, меньшую фрагментацию памяти. В первой реализации Менеджера Нитей поддерживалась вытесняющая многопоточность в рамках невытесняющей многозадачности, но затем дисциплину управления нитями сделали также кооперативной. Нить, получившая процессорное обслуживание, может отдать его либо уступив процессор любой нити (в этом случае готовые к выполнению нити выбираются из очереди по дисциплине FCFS), либо уступив процессор какой-то конкретной нити, либо просто изменив свое состояние на ожидание. Отличие последнего случая от первых двух состоит в том, что выполнение нити приостанавливается даже если нет других готовых нитей. Пользователь имеет возможность также определить свою процедуру диспетчеризации нитей, которая выполняется перед выполнением системного планировщика.

Хотя при невытесняющей многозадачности в этом нет необходимости, предусмотрены специальные системные вызовы - скобки критической секции. Внутри критической секции просто игнорируются выдаваемые нитью системные вызовы, уступающие процессор.

Интересной особенностью Mac OS является возможность создания также пользовательских процедур переключения контекста для нитей. Для каждой нити может быть создано две таких процедуры, одна из них выполняется перед переключением контекста на другую нить, вторая - при переключении контекста на данную нить.

Поскольку Mas OS работает на двух разных аппаратных платформах, имеются некоторые различия в форматах структур данных для платформ M68K и PowerMac (например, в PowerMac роль регистра A5 играет другой регистр), но эти различия не касаются качественной структуры и алгоритмов обработки. Системы программирования для Mac OS позволяют создавать программы в кодах той или другой платформы, системой поддерживается также программные ресурсы "толстого" (fat) формата, содержащие код программы для обеих платформ и, следовательно, переносимые без каких-либо дополнительных действий.

Средства взаимодействия

Mac OS предусматривает весьма развитые механизмы взаимодействия между процессами, основанные прежде всего на очередях сообщений (в Apple они называются событиями) и одинаково применимые для локального и для удаленного взаимодействия. Эти механизмы обеспечиваются набором менеджеров в составе ОС, которые выстраиваются в иерархическую структуру: менеджер более высокого уровня пользуется услугами менеджеров нижних уровней (см. рисунок 8.2).

Рисунок 8.2 Средства взаимодействия приложений в Mac OS

Приложение может пользоваться услугами менеджеров любого уровня иерархии, что обеспечивает широкий спектр возможностей взаимодействия, включающий в себя:

Динамическое разделение данных, обеспечиваемое Менеджером Публикации (Edition Manager). Позволяет приложению копировать данные из одного документа (издателя) в другой документ (подписчик) с автоматическим обновлением данных у подписчика, если они изменены у издателя.

Обмен "событиями Apple". События Apple - высокоуровневые события, которые соответствуют протоколу AEIMP (Apple Event Interprocess Messaging Protocol), обеспечиваемому Менеджером Событий Apple. Средства Менеджера Событий Apple позволяют приложению-клиенту формировать и посылать события Apple, представляющие собой обычно некоторый запрос на обслуживание, а приложению-серверу - принимать события и отвечать на них. Имеется несколько стандартных комплектов событий Apple (обязательный комплект, комплект ядра, комплекты текста и базы данных), применение которых обеспечивает взаимодействие несвязанных приложений. Наряду с событиями стандартных комплектов пользователями могут вводиться собственные события Apple, интерпретируемые самими приложениями.

Обмен другими событиями. Менеджер Событий обеспечивает для приложений обмен событиями, не соответствующими протоколу AEIMP.

Обмен блоками сообщений. Средства PPC (Program-to-Program Communications) позволяют приложениям обмениваться большими блоками данных на низком уровне управления. При применении этих средств приложения, участвующие в диалоге, должны выполняться одновременно и обмениваться данными через общий коммуникационный порт.

Отдельно следует назвать скрипты, функциональность которых выходит за рамки только взаимодействия между процессами. Скрипт представляет собой, фактически, программу, написанную на интерпретирующем языке высокого уровня AppleScript. Скрипты могут быть записаны в приложения, в документы или в отдельные файлы, загружаемые системным загрузчиком Finder. С точки зрения использования скриптов различаются следующие свойства приложений.

Приложения, выполняющие скрипты (scriptable). Такое приложение способно реагировать на стандартные события Apple, посылаемые интерпретатором AppleSkript, и, следовательно, выполнять действия, определенные в скрипте. При посылке сообщения такому приложению интерпретатор использует специальный ресурс типа "aete" (Apple event terminology extention), в котором описывается соответствие высокоуровневого описания терминов, используемых в скрипте, кодам событий Apple, которые обрабатывает приложение.

Регистрирующие приложения (recordable). Такое приложение посылает события самому себе. Обычно через события обеспечивается связь вычислительной части приложения с частью, обеспечивающей пользовательский интерфейс. Параллельно с передачей события между частями регистрирующего приложения копия события поступает интерпретатору, который, пользуясь ресурсом типа "aete", записывает действия, определяемые данным событием, в виде скрипта.

Приложения, выполняющие скрипты и манипулирующие ими. Приложение может записывать и выполнять скрипты, устанавливая соединение с интерпретатором языка скриптов как с подключением (plug-in).

В одном приложении могут объединяться все три описанные свойства.

Мы говорили о языке AppleScript, однако на самом деле механизм скриптов более гибок. Он строится по принципу Открытой Архитектуры Скриптов OSA (Open Scripts Architecture). OSA допускает использование любых языков для написания скриптов. Интерпретатор того или иного языка скриптов является выбираемым компонентом. Менеджер Компонентов выбирает заданный компонент для выполнения того или иного скрипта. Интерпретатор AppleScript, таким образом, является лишь одним из возможных компонентов в системе OSA.

Ввод-вывод и файловая система

Корневой структурой в управлении вводом-выводом является Таблица Устройств, неперемещаемая в системной куче. Каждый элемент Таблицы Устройств адресует один Блок Управления Драйвером. Блок Управления Драйвером является перемещаемым в системной куче и содержит адрес тела драйвера и адрес начала очереди запросов к драйверу. Драйверы бывают синхронные и асинхронные. Первые обслуживают обычно символьные устройства и полностью завершают транзакцию ввода-вывода до возвращения управления. Вторые применяются для блочных устройств и только инициируют операцию ввода-вывода; эти драйверы используют прерывания от устройств для того, чтобы вновь получить управление и завершить транзакцию.

Запросы на ввод-вывод имеют стандартную форму и выстраиваются в очереди к устройствам. Очереди управляются Менеджером Устройств по дисциплине FCFS. Различают запросы асинхронные, синхронные и неотложные. Асинхронный запрос просто ставится в очередь, после чего управление возвращается выдавшему его приложению. Синхронный запрос переводит приложение в ожидание до выполнения запроса. (Синхронный/асинхронный тип запроса не связан с синхронным/асинхронным типом драйвера.) Неотложный запрос передается Менеджером Устройств прямо на драйвер в обход очереди. Поскольку это может произойти в тот момент, когда драйвер обрабатывает другой запрос, драйвер, которому могут посылаться неотложные запросы, должен быть реентерабельным.

Все операции, выполняемые драйвером, сводятся к нескольким видам, и каждый драйвер должен иметь входные точки в процедуры обработки следующих видов запросов:

открытие - выделение памяти и инициализация устройства;

закрытие - деактивизация драйвера и устройства;

управление - выполнение специфических для устройства функций

статус - получение информации от драйвера, эта процедура специфична для устройства и может быть необязательной;

базисные (prime) операции - ввод и вывод, эта процедура также необязательна и может обеспечивать либо ввод, либо вывод, либо и то и другое.

Файловые системы Mac OS называются Иерархическими Файловыми Системами - HFS (Hierarchical File System) и HFS Plus. Как и файл программы, любой файл состоит из двух ответвлений (fork) - ресурсов и данных. В частном случае одно из ответвлений может быть пустым. Ответвление данных не структурировано, ответвление ресурсов содержит карту ресурсов и сами ресурсы, файл может иметь до 2700 ресурсов. Если, например, файл является файлом приложения, ресурсы описывают меню и диалоговые окна приложения, его иконки, события и т.д. и содержат исполняемый код приложения; если файл является, например, документом, ответвление ресурсов содержит размещение окна документа, иконки, шрифты и т.д. Строго говоря, граница между ресурсами и данными не очень четкая. Информация файла может быть помещена как в ответвление данных, так и в ответвление ресурсов. В ответвление ресурсов помещаются те данные, которые ограничены по размеру и количеству значений.

Дисковое пространство состоит из секторов размером по 512 байт каждый, но распределение дисковой памяти ведется кластерами (в Mac OS они называются блоками распределения). Блок распределения содержит целое число смежных секторов. Размер блока распределения фиксирован для данного тома.

Каждый том физической файловой системы HFS имеет заголовок тома, содержащий общую информацию о томе, такую как: дата создания и общий размер тома, число файлов на томе, а также расположение остальных управляющих структур файловой системы. Заголовок всегда располагается в секторе 2, копия заголовка размещается в конце тома.

HPFS Plus для управления размещением информации на томе использует специальные файлы, которые размещаются не на фиксированных позициях в томе, а в произвольных местах пространства данных. Различаются следующие специальные файлы.

Файл каталога - содержит информацию об иерархии папок и файлов на томе. Каталог организован как B-дерево и содержит записи четырех видов:

запись папки - информация об отдельной папке

запись файла - информация об отдельном файле;

запись связи папки - информация о родительской папке для данной папки;

запись связи файла - информация о родительской папке для данного файла.

Информация о файле включает в себя два плана размещения - для ответвления ресурса и для ответвления данных. Размещение файла выполняется экстентами переменной длины, часть плана, размещаемая в записи файла, содержит массив из дескрипторов 8 первых экстентов. Если файл фрагментирован на большее число экстентов, дескрипторы дополнительных экстентов находятся в файле переполнения экстентов.

Файл переполнения экстентов - содержит информацию о дополнительных экстентах файлов, не поместившихся в основные записи файлов в каталоге. Этот файл общий для всего тома и также организован как B-дерево, ключами в котором являются: идентификатор файла, тип ответвления и адрес начала экстента относительно начала файла.

Файл атрибутов - структура, введенная для будущих реализаций, предусматривающих наличие именованных ответвлений в файле. Организован как B-дерево.

Файл размещения - представляет собой битовую карту свободных/занятых блоков распределения. Файл размещения применяется только в HFS Plus, в HFS его функцию выполняла отдельная "область битовой карты", размещавшаяся на томе по фиксированному адресу.

Пусковой файл - файл, содержащий информацию для загрузки с диска HFS операционной системы, отличной от Mac OS.

Интерфейс пользователя

Фирма Apple была и остается лидером в области графического интерфейса пользователя. Сама концепция WIMP-интерфейса, если не родилась в компьютерах Macintosh, то прошла на них промышленную апробацию. Mac OS является системой с "только-графическим" интерфейсом, и все операции пользователя с системой и с приложениями производятся только через манипулирование графическими объектами. Основные концепции интерфейса Mac OS:

метафоры, главной из которых является метафора рабочего стола и интегрированные с ней метафоры документов и папок;

прямое манипулирование объектами;

прямое целеуказание (принцип see-and-point - увидеть и указать);

согласованность интерфейса - одинаковое образное представление и одинаковое поведение интерфейсных элементов в разных приложениях и системных операциях;

доступность всех объектов и функций для пользователя;

информированность пользователя о происходящих в системе процессах и о результатах его воздействий;

и т.д.

Эти и другие свойства обеспечивают интерфейсу Mac OS интуитивную понятность, дружественность и предсказуемость. Большинство принципов построения пользовательского интерфейса Mac OS было с той или иной степенью последовательности внедрено в другие системы, так что даже пользователи, никогда не имевшие дела с компьютерами Macintosh, имеют о них представление "из вторых рук". Следует, однако, отдельно упомянуть еще об одном из таких принципов, отличающем интерфейс Mac OS от интерфейса, например, Windows. Это принцип "пользовательского управления". Apple исходит из того, что работа происходит более эффективно, если пользователь является в ней активной, инициативной стороной. Это означает, что пользователь, а не компьютер должен инициировать управляющие действия. Разумеется, в некоторых случаях компьютер "берет управление на себя" - если, например, имеются ограничения в выборе альтернатив в данном контексте или для того, чтобы предохранить пользователя от излишней детализации в формировании управляющего действия. Однако подход Apple состоит в соблюдении такого баланса между предоставлением пользователю всей полноты возможностей и предохранении его от разрушения данных, при котором инициатива пользователя не ущемляется никоим образом.

Набор программных модулей, которые обеспечивают базовые функции работы с интерфейсной графикой (рисование, перемещение, вращение и т.п. образов), называется в Mac OS QuickDraw. Приложения используют QuickDraw неявным образом, когда обращаются к другим менеджерам графического интерфейса для создания интерфейсных элементов и манипулирования ими. QuickDraw развивался вместе с Mac OS - от черно-белого изображения к цветному и далее - к 3-мерной графике. При этом сохраняется совместимость новых версий QuickDraw со всеми предыдущими. Современные версии QuickDraw GX используют объектно-ориентированную архитектуру графического интерфейса.

Хотя Mac OS является однопользовательской системой с невытесняющей многозадачностью, она вполне удовлетворяла требованиям своих пользователей, несмотря на то, что некоторые применяемые в ней технологии уже несколько устарели. Mac OS версии 8 и 9 и сейчас продолжает применяться. Однако расширение ресурсов компьютеров Macintosh и стремление фирмы Apple выйти на рынок серверных систем потребовали создания принципиально иной ОС.

8.3 Mac OS X

Путь фирмы Apple к новой операционной системе - многопользовательской, с вытесняющей многозадачностью и с защитой памяти - оказался долгим и нелегким. В середине 90-х годов фирма неоднократно начинала проекты новых ОС, иногда даже демонстрировала их альфа-версии, но по разным причинам эти проекты так и не дошли до промышленной реализации. Только в 1998 г. усилия фирмы увенчались успехом и появилась новая ОС - Mac OS X [29]. Текущая версия Mac OS X - 10.1.3 (сохранена сквозная нумерация версий от Mac OS к Mac OS X).

Mac OS X представляет собой удивительное сочетание оригинальных закрытых программных технологий Apple с открытыми технологиями, ставшими промышленными стандартами. Архитектура Mac OS X, показанная на рисунке 8.3, имеет явно выраженную иерархическую структуру.

Микроядро Darwin

Mac OS X строится на базе микроядра, которое называется Darwin. Внутри же Darwin находится "ядро в ядре" - микроядро Mach. Mach [27] является "классическим" микроядром, оно было разработано в университете CarnegieMellon (начало проекта - 1985 г.), и именно в этом проекте родились основные концепции архитектуры микроядра, ныне являющиеся общепринятыми. Микроядро Mach было создано на основе BSD и послужило основой для ряда Unix-подобных (точнее - BSD Unix-подобных) систем, например, ядра OSF/1 и сделанной на его основе ОС DIGITAL UNIX.

И Mach, и Darwin являются продуктами в Открытых Кодах и поддерживаются организацией Open Group.

Mac OS X строится на версии микроядра Mach 3 и, по-видимому, является единственной не-Unix системой, использующей ядро Mach.

Mach поддерживает основные низкоуровневые функции управления ресурсами, такие как:

управление единицами выполнения (нитями);

назначение ресурсов для процессов (в терминологии Mach - задач, task);

поддержку адресных пространств для задач;

обмен сообщениями между задачами;

управление реальными ресурсами (процессорами, памятью, вводом-выводом).

Управление памятью в Mach, как и в большинстве современных Unix-систем, обеспечивает для каждой задачи виртуальное адресное пространство размером 4 Гбайт, в принципе, изолированное от адресных пространств других задач. Адресное пространство строится на страничной модели памяти, однако соседние виртуальные страницы, обладающие одинаковыми свойствами, могут составлять область (сегмент). Как и многие другие Unix-системы, Mach использует абстракцию "объектов памяти", представляющую собой надстройку над обычными механизмами виртуальной памяти. Объекты памяти создаются в виртуальном адресном пространстве, а реальная память рассматривается только как кеш для представления этих объектов. Области и объекты памяти могут совместно использоваться несколькими задачами.

Mach обеспечивает вытесняющую многозадачность и многопоточность (API нитей в Mach соответствует спецификациям POSIX). Как и во всех BSD-системах, нить обладает достаточно полным набором ресурсов для выполнения, таким образом, в Mach нет необходимости вводить легковесные процессы, как, например, в Open Unix. Все нити одной задачи разделяют адресное пространство задачи и некоторые ресурсы задачи. Каждая нить имеет собственный вектор состояния, стек, параметры планирования и коммуникационные порты. Диспетчеризация нитей ведется по приоритетному принципу, приоритеты назначаются и изменяются вне микроядра. Нить может быть сделана "закрепленной" (wired). Такая нить является привилегированной: она получает управление сразу же при достижении состояния готовности и ей выделяется память даже при нехватке реальной памяти. Это позволяет Mach обеспечивать процессы реального времени.

Многопоточность Mach работает как на одном процессоре, так и на SMP конфигурациях.

Задачи в Mach взаимодействуют через посылку сообщений и прием ответов. Сообщения передаются через коммуникационные порты, которые представляют собой почтовые ящики или очереди сообщений, описанные нами в главе 9 части I. При создании любой нити для нее создаtтся также собственный порт для приема сообщений от других нитей и порт для приема исключений. Собственный набор портов создается и для задачи.

Микроядро Darwin является расширением Mach. Кроме Mach, Darwin содержит следующие основные компоненты:

Инструменты ввода-вывода - объектно-ориентированный каркас для разработки драйверов устройств, создания драйверов и обеспечения требуемой для драйверов инфраструктуры.

Файловая система - основывается на виртуальной файловой системе VFS и обеспечивает возможность добавлять новые файловые системы. В настоящее время поддерживаются HFS, HFS Plus, ufs и ISSO 9660 - файловая система для CD.

Расширенные сетевые средства Network Kernel Extensions (NKE), позволяющие разработчикам как добавлять поддержку новых протоколов, так и расширять функциональность уже поддерживаемых.

BSD - оболочка BSD 4.4 вокруг ядра. Реализация BSD в Darwin включает в себя много API POSIX, обеспечивает модель процессов, базовые политики безопасности и поддержку нитей для Mac OS X.

Службы ядра

Службы ядра содержат те системные сервисы, которые не связаны с графическим интерфейсом пользователя. Основные компоненты этих служб - менеджеры среды Carbon, а также Core Foundation и Open Transport.

Менеджеры среды Carbon являются общесистемными и обеспечивают низкоуровневый сервис для всех прикладных сред. В число этих менеджеров входят, например:

Collection Manager - обеспечение абстрактных типов для коллекций данных.

Component Manager - обеспечение для приложения возможности находить во время выполнения различные программные объекты (компоненты), а также создавать компоненты.

Date, Time, and Measurement Utilities - работа с датой, временем, географическими местами, временными зонами и т.п.

File Manager - файловый API для всех файловых систем.

Folder Manager - обеспечение работы с папками.

Memory Manager - выделение памяти в виртуальном адресном пространстве задачи и другие функции управления виртуальной памятью.

Multiprocessing Services - средства для создания нитей, управления ими и синхронизации.

Core Foundation - каркас, который обеспечивает некоторые базовые программные службы, полезные для более высоких уровней программного обеспечения. Core Foundation использует объектно-ориентированную парадигму "непрозрачных" типов, "черных ящиков" для таких программных объектов как числа, строки, массивы, словари, деревья и т.д. Этот компонент также обеспечивает работу с подключениями (plug-in) и ряд других сервисов. Некоторые из сервисов, обеспечиваемых Core Foundation:

String Services - набор инструментов для манипулирования строками, включая поддержку Unicode.

Bundle Services - средства организации и поиска различных типов программных ресурсов (исполняемых кодов, графических и звуковых образов и т.п.).

Plug-in Services - обеспечение архитектуры подключений.

Collection Services - высокоуровневые абстракции коллекций.

URL Services - средства доступа к локальным или удаленным ресурсам через URL.

Notification Services - механизм обмена сообщениями (уведомлениями) между процессами.

Open Transport - основные модули пользовательского уровня для обеспечения работы в сети и коммуникаций в Mac OS X.

Прикладные службы

Главная задача прикладных служб Mac OS X - обеспечение графического и оконного интерфейса. Главной частью этих служб является набор модулей Quartz, который состоит из двух частей: исполнения изображений (собственно Quartz) и базовых графических служб или сервера окон (Core Graphics Services). Вторая часть представляет собой библиотеку, обеспечивающую некоторые общие сервисы для других прикладных служб.

В сумме Quartz является мощной графической системой, которая обеспечивает 2-мерную графику на основе формата PDF и работу с окнами и составляет основу для формирования изображений в Mac OS X - как для системных модулей, так и для приложений. Эта система обладает такими свойствами, как независимость от разрешающей способности, преобразование координат, сплайны, прозрачность, сглаживание и т.д., что позволяет обеспечить системе и приложениям весьма изысканный графический интерфейс.

Mac OS X реализует также OpenGL - многоплатформенный промышленный стандарт для 3-мерного рисования и ускорения работы аппаратуры. Использование OpenGL обеспечивает высокую эффективность в создании анимации в реальном времени для игр и научной или деловой визуализации.

Система QuickTime предоставляет средства для эффективной работы с мультимедийной информацией, такой как видеоролики, изображения, аудиозаписи. Компоненты QuickTime позволяют приложениям не зависеть в работе с мультимедийной информацией от конкретных типов устройств и памяти. Каждый компонент обеспечивает какой-то определенный набор свойств и предоставляет определенный API для использующих его приложений. Компонент является кодовым ресурсом, который регистрируется Менеджером Компонентов, и Менеджер Компонентов обеспечивает его доступность в рамках всей системы. Различные приложения могут использовать компоненты, не вникая в детали их реализации.

Некоторые прикладные службы Mac OS X (не показанные на рисунке 8.2) обеспечивают отображение низкоуровневых объектов (объектов ядра) в объекты API. Менеджеры Carbon, которые обеспечивают этот сервис, обслуживают все прикладные системы. Ниже мы рассматриваем некоторые из этих служб.

Carbon Process Manager (CPM) обеспечивает абстракцию процесса для прикладных сред. В ядре процесс (задача) является сущностью, состоящей из набора нитей, адресного пространства и пространства имен портов. CPM на базе задачи ядра создает CPM-процессы, которые представляют процессы для прикладных сред. В средах Carbon, Cocoa и Java каждому CPM-процессу соответствует одна задача ядра. Для среды Classic (с невытесняющей многозадачностью) создается один CPM-процесс для каждого приложения, но все CPM-процессы приложений отображаются на единственную задачу ядра.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7