Микроядро vs. монолит и «торжество» MINIX
Недавно Эндрю Татенбаум, профессор Амстердамского свободного университета, автор учебной и миниатюрной Unix системы Minix, вновь оказался в центре событий благодаря эпистолярному жанру. В своем письме Интел он поблагодарил компанию за использование Minix, посетовал на то, что та не трубила об этом на каждом шагу и заявил, что из-за этого мало кто знает о том, что Minix — на сегодняшний день самая популярная ОС на свете.
Надо отдать должное профессору, он умеет выбирать адресата, время и место для того, чтобы вызвать громкий и продолжительный эффект с помощью простого сообщения, отправленного по электронной почте. Его предыдущим корреспондентом был Линус Торвальдс, а их переписка о монолитном и микро ядре вошла в анналы истории ИТ. Без этого трудно понять, почему Эндрю Таненбаум так экзальтирован из-за мнимого успеха Миникс, которая всего лишь в течении десятка лет обеспечивала работу интеловского бэкдора IME.
Рождение Linux и критика монолитного ядра
26 лет назад программирования для Unix было нетривиальным делом для обычного студента, так как все разновидности Unix были платными. Чтобы освоить эту операционную систему Линус решает поставить Minix. Интернет в ту пору еще только зарождался, заказ ОС шел через обычную почту, так же как и доставка. Ради Minix пришлось раскошелиться на 169 долларов.
У меня возникло множество претензий к Minix. Хуже всего была эмуляция терминала, очень важная для меня программа, потому что именно ее я использовал для подключения к университетскому компьютеру. Я зависел от этой эмуляции каждый раз, когда связывался с университетским компьютером, чтобы поработать с мощной Unix-системой или просто выйти в онлайн.
Вскоре будущий создатель Linux обнаружил серьезные недостатки Minix. Так как это был всего лишь обучающий вариант Unix, то профессор преднамеренно исковеркал ее. Многие из этих недостатков можно было устранить заплаткой самого известного хакера Minix Брюса Эванса, но для того, чтобы ее поставить нужно было изрядно провозиться. Самым же существенным недостатком для Линуса была программа эмуляции терминала, которую пришлось заменить на свою собственную. Затем понадобился драйвер файловой системы и понеслось, ядро новой ОС зародилась по принципу каши из топора.
25 августа 1991 г. Линус отправляет свое знаменитое сообщение о том, что работает над бесплатной операционной системой, но это будет не такой крупный и профессиональный проект как GNU. Помимо всего прочего внимание заслуживает тот факт, что этот и другие ранние анонсы свое операционной системы Линус отправляет в конференцию Minix, оттягивая на себя пользователей последней.
Эндрю Таненбаум до поры до времени никак на это не реагировал, но Linux рос как снежный ком. Уже в январе 1992 г. вышла версия 0.12, в котором была реализована страничная подкачка на диск — то чего не было в Minix. Вскоре после этого профессор снизошел до выскочки, чтобы лично ему ответить и вот 29-го января Линус получает сообщение в конференцию comp.os.minix с нравоучительным содержанием. Начало было обнадеживающим.
From: ast@cs.vu.nl (Andy Tanenbaum)
То: Newsgroups: comp.os.minix
Subject: LINUX устарела
Date: 29 Jan 92 12:12:50 GMT
Я тут на пару недель уезжал в США, поэтому не писал особенно о LINUX (не то чтобы я стал писать, если бы и был здесь). Однако теперь хочу сделать несколько замечаний.
Как большинство из вас знает, для меня MINIX — хобби, которым я занимаюсь по вечерам, когда мне надоедает писать книжки, а по CNN не показывают никаких войн, революций или парламентских слушаний. Моя основная работа — преподавание и исследования в области операционных систем.
Далее следовали справочные сведения о монолитном ядре, микроядре и об ОС, исповедующих тот, или иной принцип. Затем следовал несостоятельный с точки зрения логики довод о том, что среди специалистов по разработке операционных систем споры по данному вопросы уже прекратились ввиду явного преимущества микроядра. Дальше декларации о том, что Minix прогрессивна, а Linux — возврат в 1970-е. Кроме того, Linux привязан к одной архитектуре в то время как Minix был перенесен с Intel процессоров на другие платформы: Atari, Amiga, Macintosh, SPARC и NS32016.
Я мог бы многое рассказать о сравнительных преимуществах этих двух подходов, но достаточно сказать, что среди специалистов по разработке операционных систем споры уже закончились. Микроядро победило. Minix — система с микроядром. Файловая система и управление памятью — это отдельные процессы, которые работают вне ядра. Ввод-вывод тоже выполняется отдельно. LINUX — монолитная система. Это большой шаг назад, в 70-е. годы.
В начале 90-х микроядро действительно было в фаворе у проектировщиков операционных систем. По их мнению ядро ОС должно быть минимальным и содержать лишь самое необходимое: управление памятью, планировщик и IPC, а все остальное реализуется в виде сервисов. Разбив целое на множество простых частей, сложность исчезает, а легковесные сервисы без труда обмениваются данными с микроядром. Сбой в драйвере файловой системы или сетевой карты, таким образом элементарно восстанавливался перезагрузкой соответствующего сервиса.
Линус принимает вызов
Линус придерживался другого мнения на сей счет. Отдавая должно элегантности и изяществу архитектуры микроядра с теоретической точки зрения, он тем не менее считал микроядро не пригодным для практических целей. Мнимая простота микроядра оборачивается тем, что взаимодействие и интерфейс между простыми частями микроядра создает сложности, которые нивелируют все ее «бумажные» преимущества. В своем ответе он изложил свое видение по данному вопросу. После дерзких выпадов против своего оппонента Линус переходит к сути.
From: torvalds@klaava.Helsinki.FI (Linus Benedict Torvalds)
Subject: Re: LINUX устарела
Date: 29 Jan 92 23:14:26 GMT
Organization: University of Helsinki
…
Да, linux — монолитная система, и я согласен, что микроядро лучше. Если бы у вашего сообщения не был такой спорный заголовок, я бы, вероятно, согласился с большинством ваших высказываний. С теоретической (и эстетической) точки зрения linux проигрывает. Если бы ядро GNU было готово прошлой весной, я бы и не взялся за свою разработку: беда в том, что оно не было готово тогда и не готово до сих пор. Linux выигрывает прежде всего потому, что она уже готова.
Затем перечисляет проблемы Minix с многозадачностью в файловой системе.
Если бы это было единственным критерием качества ядра, вы были бы правы. Однако вы не пишете о том, что микроядро в minix сделано плохо и возникают проблемы с многозадачностью (в ядре). Если бы я сделал ОС, у файловой системы которой были бы проблемы с многозадачностью, я бы не стал так поспешно осуждать других: наоборот, я бы из кожи вон лез, чтобы все забыли о моем провале. Да, я знаю, что для minix есть масса заплаток, обеспечивающих многопоточную работу, но это лишь заплатки, и Брюс Эванс говорит, что все равно остается множество проблем синхронизации.
Перепалка в конференции продолжается, в спор вступают новые участники. Эндрю Таненбаум и Линус Торвальдсь продолжают спор, но уже более в более сдержанной манере. Ниже вольный перевод избранных цитат.
Эндрю Танебаум: Я нарочно написал Minix таким корявым, чтобы студенты могли гонять его на разнообразном и недорогом компьютерном железе, но дизайн у моей ОС норм., а не то что твой отсталый Linux. Его к тому же невозможно переносить на другие платформы. Я бы тебе на экзамене поставил пару.David Feustel: Ничего страшного, и у Эйнштейна были плохие отметки по математике и физике.
Ken Thompson: Пользователям до лампочки современное ли ПО у них на компьютере, производительность гораздо важнее. Да, будущее за микроядром, однако монолитное ядро проще состряпать. Впрочем, его и запороть проще, если писать код на скорую руку.
Randy Burns: Системные вызовы Linux совместимы с переносимыми ОС, так что жалобы на привязку к одной платформе неуместны. Наоборот, Linux закрывает брешь, позволяя нам использовать програмы GNU. Может быть через пару лет, когда Hurd и недорогие BSD системы получат распространение Linux и устареет, но сейчас мы можем наслаждаться gcc, bash, bison за бесценок и писать код для лучшей ОС.
Pete French: А разве микроядро и монолитное ядро не являются артефактами языка программирования, на котором написаны. В чем разница между микроядром, написанным на C и монолитным ядром — на OCCAM?
Линус Торвальдс: Ты старался так ради студентов, ну тогда понятно. Но с многозадачностью в твоей ОС все равно беда, как ни крути, а на моем «отсталом» монолитном Linux все летает. С переносимостью больших проблем не будет, так как Linux API переносимо — были бы желающие. А хорошие оценки мне и так не светят, я тут недавно с другим преподавателем архитектуры ОС повздорил.
Lawrence C. Foard: Теоретики такие теоретики. У них прекрасные идеи, но никто их них не удосужился их проверить на деле. Интелосвкие 32-битные процессоры уже почти 10 лет как доступны на рынке, но никто кроме Линуса не написал для них ОС, которую можно пощупать, без необходимости покусать Unix AT&T за 100,000$. Готовая ОС стоит десятка бумажных. Я уже сегодня могу писать код для Linux и экспериментировать как мне вздумается.
peter da silva: Прекрасно, что Linux существует и монолитное ядро — одна из причин того, что он был создан так быстро. Это мощный аргумент в пользу монолитного ядра и однако это не значит, что микроядро обязательно должно быть медленным, или что оно «бумажное».
Аргументы в пользу микроядра в то время действительно перевешивали, но на сегодняшний день опыт использования обоих принципов построения ОС внес коррективы.
Несмотря на возможности Mach, такие потери производительности в реальном мире неприемлемы. По ходу того, как остальные коллективы разработчиков приходили к тем же выводам, их энтузиазм довольно быстро стал улетучиваться. Поэтому большая часть сообщества разработчиков ОС посчитала, что использование IPC в качестве основы ОС изначально провально.
На этом первая часть Марлезонского Балета завершилась. Первый раунд битвы остался за профессором, Линус взял свои слова обратно, первым вышел из спора, однако не изменил своего мнение, так в главном он был прав — его ОС выигрывала, потому что была готова. Спустя 14 лет спор знаменитого теоретика и практика продолжился.
Использованные материалы
- Линус Торвальдс, «Just for fun»
- The Tanenbaum Torvalds debate
