`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Прикладные виртуальные машины

Статья опубликована в №39 (749) от 2 ноября

+35
голосов

На примере истории идей и реализаций виртуализации пользовательского уровня операционных систем можно наглядно изучить ту самую пресловутую спираль развития, о которой так много говорили в учебниках диалектического материализма.

Наиболее интересное, что мы можем рассмотреть сегодня в актуальных пользовательских ОС, претендующих на роль самых массовых (потому что речь идет о системах, ориентированных на носимые устройства – смартфоны, коммуникаторы, планшеты и сверхлегкие компактного формфактора лэптопы), начиналось в далеких... 1960-х годах. Именно тогда, во второй половине 60-х, выпускник и преподаватель Кембриджа Мартин Ричардс (Martin Richards) разработал язык программирования BCPL – тот самый BCPL, который впоследствии стал основой языка B (автор – Кен Томпсон), а из B и собственного таланта чуть позже Деннис Ричи создал то, что до сих пор в силу чуть ли не оружейного сочетания красоты и уродства остается одним из столпов программирования – язык C. Во всей этой истории из-за яркости главной системы, разработанной на C, ОС UNIX, надолго затерялась одна исключительно важная деталь, сегодня становящаяся куда более важной, чем и C, и UNIX (в дальнейшем это утверждение станет понятным). А именно, среда исполнения BCPL фактически основывалась на виртуальной машине. Если быть точным, то не совсем так, конечно – транслятор BCPL использовал специальное промежуточное представление, OCODE, которое зависимый от архитектуры целевой машины генератор кода транслировал в конкретные машинные команды. Но. В сохранившейся до сих пор документации BCPL (PDF-файл доступен по адресу goo.gl/0PRE) на 128 с. (нумерация страниц файла, а не документа) приводится описание «Абстрактной машины OCODE». Это вычислитель стековой архитектуры, в котором для размещения динамических переменных используется стек (что облегчает автоматическое управление памятью при входе-выходе из процедур, например), статические данные и исполняемый код располагаются в области памяти программ, а для глобальных данных предусмотрена отдельная область памяти (глобальный вектор). BCPL, основанный на этом раннем механизме виртуализации, стал на самом деле отправной точкой и направляющим вектором отдельной по-настоящему культовой ветви развития операционных систем, в силу определенных обстоятельств практически миновавшей массового потребителя продуктов ИТ в бывшем СССР. Дело в том, что автор BCPL Мартин Ричардс не остановился на разработке языка и примерно через десять лет в альма-матер (в Кембридже, где он преподавал до 2007 г.) создал собственную мобильную ОС – TRIPOS, написанную на BCPL. Как и первые версии UNIX, TRIPOS «бегала» на самом университетском компьютере тех времен – PDP-11, впоследствии была портирована на опять же самое ходовое университетское «железо» Data General Nova (машина этого семейства – отдельная история, заслуживающая, наверное, музея), затем – на вычислители с центральным процессором всех цивилизованных народов тех времен – Motorola 68000. Как и UNIX, TRIPOS вырвалась из университетских стен и стала, если так можно сказать, ОС-невидимкой интересной судьбы. Очень интересной судьбы. Потому что TRIPOS, чьи ядро и драйверы писались на ассемблере целевой машины, а весь пользовательский уровень фактически был надстроен над виртуальной машиной OPCODE, стала основой... культовой ОС Amiga, модулем AmigaDOS, обеспечивающим работу файловой системы и пользовательский интерфейс командной строки этой системы. В действительности TRIPOS даже куда интереснее и заслуживает более пристального внимания – во времена дорогих вычислительных мощностей и тактовых частот, измеряющихся единицами мегагерц, в TRIPOS, в отличие от той же ровесницы UNIX, вместо системных вызовов использовался полноценный и по меркам того времени оригинальный механизм передачи сообщений (предусматривающий вместо трансляции пакетов передачу только указателя на неперемещаемое тело пакета), что обеспечивало достаточно высокое быстродействие ОС в целом. Самое неожиданное в этой истории – факт удивительного долгожительства TRIPOS как независимой самостоятельной ОС. В это трудно поверить, но... TRIPOS до сих пор является живым коммерческим продуктом (на крохотной, не обновляемой с 2002 г. странице автора этой ОС никаких изменений в статусе системы не наблюдается – goo.gl/1A85), сопровождением которого занимается британская компания Open GI. Это почти фантастика, но терминальные системы с TRIPOS-сервером (в основе его аппаратной части все те же знаменитые Motorola семейства 68K) и прикладное программное обеспечение по сей день используются рядом английских страховых компаний. Итак, соберем все факты в одном предложении – транслятор BCPL, созданный во второй половине 60-х годов, базировался на виртуальной машине OPCODE, затем этот транслятор стал основой пользовательского уровня ОС TRIPOS, а она, в свою очередь, мигрировала в основу ОС Amiga – одну из самых совершенных пользовательских ОС своего времени, и сама TRIPOS, и ОС Amiga оказались очень живучими, несмотря на то, что при дорогих вычислительных ресурсах в них применялись и виртуализация, и механизм передачи сообщений (который до сих пор многими считается «дорогим»).

Примерно в тот же временной период, о котором идет речь, разработчики UNIX предложили принципиально иной способ «виртуализации», за реализацию которого отвечает не виртуализированная среда исполнения, а стандартизированные синтаксис и семантика языка программирования в сочетании с открытым описанием системных вызовов ОС и эталонной реализацией кода системы. К чему привел этот подход – предмет отдельного обсуждения, выходящего за рамки статьи.

За BCPL и OPCODE последовал период куда более известной виртуальной машины (ВМ) – P-CODE для языка Pascal. Что характерно – виртуализация с помощью ВМ (а не на основе UNIX-модели) больше привлекала европейцев – в 1973 г. в знаменитом уже только по имени Никласа Вирта цюрихском ETH была разработана система программирования Pascal-P, основанная на виртуальной стековой машине. Через два года сам Вирт написал компилятор Pascal-S для этой же ВМ, и началось триумфальное шествие P-CODE по миру. И это не преувеличение – задолго до Java для ВМ P-CODE выпускались серийно аппаратные системы (в семействе компьютеров Pascal MicroEngine производства Western Digital P-CODE был реализован на уровне микропрограмм процессоров), была создана полностью виртуализированная кросс-платформенная ОС (BOS, Business Operating System британской компании CAP исполнялась основными массовыми процессорами того времени – i8080, Motorola 6800, Zilog Z80, и на момент выхода на рынок IBM PC XT один BOS-сервер уже обслуживал до восьми терминальных клиентов!). Значимость P-CODE усилил выход знаменитой «калифорнийской версии» UCSD Pascal и мобильной ОС p-System. ВМ с системой команд P-CODE стала настолько значимым явлением, что следы ее легко просматриваются в далеких от Pascal артефактах, например, Microsoft поддерживала генерацию P-CODE во всех своих 16-битовых компиляторах.

Прикладные виртуальные машины
Необычная в наше время трассировка платы компьютера Data General Nova как будто отражает странности движения идеи прикладных виртуальных машин. Но во всем можно и увидеть красоту, и найти логику

Идея виртуализации пользовательского уровня ОС с помощью стековой ВМ еще с конца 50-х годов расширялась в системную область и доводилась, наверное, до предела Чарльзом Муром в его «системе всего» Forth. Изящная крохотная конструкция Forth в рамках единой модели ВМ объединяет собственно ОС, транслятор языка программирования, командную пользовательскую оболочку, среду разработки программ, комплект утилит и чуть ли не все, что можно себе представить. Forth получилась очень специфической системой, не похожей ни на что вообще. И остается такой по сей день. Широкого распространения она не получила, но нашла области применения во встраиваемых системах (откуда постепенно вытесняется), стала в какой-то мере прообразом специализированных ВМ (PostScript, например) и... приобрела неисчислимое количество поклонников среди профессиональных программистов и просто любителей. Пожалуй, Forth – самая виртуализированная из всех виртуализированных ОС в истории.

Еще один очень важный игрок в истории виртуализации пользовательского уровня ОС с помощью прикладной ВМ – ОС Inferno, в команде ключевых разработчиков которой был ныне сотрудник Google, хорошо известный всем, кто использует ОС UNIX-семейства, Роб Пайк. В Inferno весь пользовательский уровень – надстройка над ВМ Dis. И в особенностях Dis, пожалуй, заключается важнейшая деталь. До Dis все массовые прикладные ВМ имели стековую архитектуру. Потому что она проста в реализации и обеспечивает своим принципом действия поддержку эффективного промежуточного кода при трансляции языков высокого уровня. Dis же – регистровая виртуальная машина. То есть фактически моделирующая некий вполне реализуемый «в железе» традиционный процессор. Логика возникновения регистровых ВМ проста – пока разработка компиляторов была искусством, создатели ВМ вынуждены были искать компромисс между сложностью реализации компилятора и сложностью трансляции промежуточного кода в машинный. К 80-м годам компиляторы стали разделом технологии, и эффективность исполнения виртуального кода реальной машиной вышла на первый план. А регистровые ВМ намного лучше «отображаются» на реальное же регистровое «железо».

Эта не совсем полная предыстория не только показывает, что у двух главных прикладных ВМ современности – Java и CLR из состава .NET – были достойные внимания предшественники. Она объясняет логику современных разработчиков двух виртуализированных массовых пользовательских ОС – Android (в которой, к слову, используется весьма интересная и специфическая регистровая ВМ Java – вспомните, где теперь работает Роб Пайк) и Windows Phone 7. Виртуализация в этих системах – способ сделать их открытыми для модификаций на пользовательском уровне и стабильными – на системном. Иными словами – способ избежать проблем с сегментацией, которые выявила история ОС UNIX c «договорным» подходом к виртуализации. Если проанализировать краткий исторический обзор, – это, пожалуй, самый здравый подход к обеспечению живучести проектов.

+35
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Гнать этот язык C надобно, отовсюду.

Собственно мы возвращаемся в языку инструкций Ad'ы Byron, для секретной машины Charles'а Babbage'а.

Практически мы будем программировать машины на человеческом языке, по некоторому протокуолу. Самое главное унас есть такой вычислитель что способен обрабатывать миллионы строк кода, данных в применимых для логического анализа терминах. (И ну эту Маркеловну с пиндосовкой и фашистским Plan Kalkuel.)

Кто-то может слышал о первых версиях языка ForTran. Первые версии ForTran, вообще небыли машинным языком с формальной грамматикой, но был формальным языком. По сути первый ForTran были упрощеной формой еще более старого языка программирования кторому уже больше 100 лет. Этот язык применялся для программирования еще механических машин Британской разведки. Формальным он был потому что надо было выдержать формальности. Такие формальности в общем были общими для инжинерной документации времен Викторианской Англии, и стали прообразами современных стандартов технической документации. Но применительно к вычислительным машинам были определены некоторые детали. Хотя собственно первая компьютерная программа предложанная Ada'ой Lovelace Byron, опубликованная в журнале по математике, еще до того как работы засекретили, уже имела принаки языка формального но не обладающего формальной машинной граматикой характерной для Plan Kalkuel, PL/1, PL/2, C, Pascal, и др..

Теперь мы обладаем и теоритической базой и вычислительными средствами, чтобы начать писать программы в абстрактных терминах, на естетсвенных языках. Такие программы будут читаться как документация к ним же. Текст программы будет как исходным кодом программы, так и описанием сути.

Но пока что такие чудо программы в нашей машине только осторожно вытсняют код на языке Occam.

------

По теме вызов.
Хоть кто нибуть напишет на языке Occam для матрицы эмулятор скажем Пентиума, с эмуляцией всех суперскалярных преключений и т.п.. (Пускай и не такой эффективный как сама матрица, но с темы часто критикуемыми узллами повышающими производительность систем x86. Задача кажется выполнимой, но почему-то никто нехочет этого делать.)

Андрей, спасибо за статью. Мне нравится читать такие то ли обзоры, то ли экскурсы в историю, то ли пророчества. Многое я конечно знаю, но часто встречаются сюжеты, которые ранее не были известны и которые становятся поводом подумать.

В общем, Ваши статьи - одна из причин, почему я читаю КО и почему RSS Вашего блога в моём агрегаторе.

Да, конечно, не со всем согласен и все такое... Но читаю с удовольствием :-)

Ух, чуваки! Нифига не понятно, но жутко интересно :)

кто понимает неизбежное - тот не дёргается понапрасну...

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT