В 1965 году Bell Telephone Laboratories (подразделение AT&T) совместно с General Electric Company и Массачусетсским институтом технологии (MIT) начали разрабатывать новую операционную систему, названную MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service). Перед участниками проекта стояла цель создания многозадачной операционной системы разделения времени, способной обеспечить одновременную работу нескольких сотен пользователей. От Bell Labs в проекте приняли участие два сотрудника — Кен Томпсон (Ken Tompson) и Дэннис Ритчи (Dennis Ritchie). Хотя система MULTICS так и не была завершена (в 1969 году Bell Labs вышла из проекта), она стала предтечей операционной системы, впоследствии получившей название UNIX.

Однако Томпсон, Ритчи и ряд других сотрудников продолжили работу над созданием удобной среды программирования. Используя идеи и разработки, появившиеся в результате работы над MULTICS, они создали в 1969 году небольшую операционную систему, включавшую файловую систему, подсистему управления процессами и небольшой набор утилит. Система была написана на ассемблере и применялась на компьютере PDP-7. Эта операционная система получила название UNIX, созвучное MULTICS и придуманное другим членом группы разработчиков, Брайаном Керниганом (Brian Kernighan).

Хотя ранняя версия UNIX много обещала, она не смогла бы реализовать весь свой потенциал без применения в каком-либо реальном проекте. И такой проект нашелся. Когда в 1971 году патентному отделу Bell Labs понадобилась система обработки текста, в качестве операционной системы была выбрана UNIX. К тому времени система UNIX была перенесена на более мощный PDP-11, да и сама немного подросла: 16К занимала собственно система, 8К отводились прикладным программам, максимальный размер файла был установлен равным 64К при 512К дискового пространства.

Вскоре после создания первых ассемблерных версий Томпсон начал работать над компилятором для языка FORTRAN, а в результате разработал язык В. Это был интерпретатор со всеми свойственными интерпретатору ограничениями, и Ритчи переработал его в другой язык, названный С, позволявший генерировать машинный код. В 1973 году ядро операционной системы было переписано на языке высокого уровня С, — неслыханный до этого шаг, оказавший громадное влияние на популярность UNIX. Это означало, что теперь система UNIX может быть перенесена на другие аппаратные платформы за считанные месяцы, кроме того, значительная модернизация системы и внесение изменений не представляли особых трудностей. Число работающих систем в Bell Labs превысило 25, и для сопровождения UNIX была сформирована группа UNIX System Group (USG).

Исследовательские версии UNIX

В соответствии с федеральным законодательством AT&T не имела права коммерческого распространения UNIX и использовала ее для собственных нужд, но начиная с 1974 года операционная система стала передаваться университетам для образовательных целей.

Операционная система модернизировалась, каждая новая версия снабжалась соответствующей редакцией Руководства Программиста, откуда и сами версии системы получили название редакций (Edition). Всего было выпущено 10 версий-редакций, первая из которых вышла в 1971, а последняя — в 1989 году. Первые семь редакций были разработаны в Bell Labs.

Группой компьютерных исследований (Computer Research Group, CRG) и предназначались для компьютеров PDP-11, позже — для VAX. Другая группа, UNIX System Group, отвечала за сопровождение системы. Третья группа (Programmer's WorkBench, PWB) занималась разработкой среды программирования, ей мы обязаны появлением системы SCCS, именованных каналов и других важных идей. Вскоре после выпуска Седьмой редакции разработкой системы стала заниматься USG.

Наиболее важные версии:

Популярность UNIX росла, и к 1977 году число работающих систем уже превысило 500. В 1977 году компания Interactive Systems Corporation стала первым VAR (Value Added Reseller) системы UNIX, расширив ее для использования в системах автоматизации. Этот же год стал годом первого портирования UNIX с незначительными изменениями на компьютер, отличный от PDP.

Хотя книге речь пойдет о системах с общим названием UNIX, стоит оговориться, что обсуждать мы будем различные операционные системы. Не существует некоторой "стандартной" системы UNIX, вместо этого вы столкнетесь с множеством операционных систем, имеющих собственные названия и особенности. Но за этими особенностями и названиями все же нетрудно заметить архитектуру, пользовательский интерфейс и среду программирования UNIX. Объясняется это достаточно просто — все эти операционные системы являются ближними или дальними родственниками. Поэтому знакомство с ними мы начнем с рассказа о генеалогии UNIX.

System V UNIX

UNIX компании Berkeley Software Distribution

Четвертая редакция UNIX была установлена в Калифорнийском университете в Беркли в 1974 году. С этого момента начинает свою историю ветвь UNIX, известная под названием BSD UNIX. Первая версия этой системы основывалась на Шестой редакции и была выпущена в 1978 году. В 1979 году на базе Седьмой редакции была разработана новая версия UNIX — 3BSD. Она явилась первой версией BSD, перенесенной на ЭВМ VAX. В этой системе, в частности, были реализованы виртуальная память (virtual memory) и страничное замещение по требованию (demand paging).

Важным для развития системы явился 1980 год, когда фирма Bolt, Beranek and Newman (BBN) подписала контракт с Отделом перспективных исследовательских проектов (DARPA) Министерства обороны США на разработку поддержки семейства протоколов TCP/IP в BSD UNIX. Эта работа была закончена в конце 1981 года, а ее результаты интегрированы в 4.2BSD UNIX.

Версия 4.2BSD была выпущена в середине 1983 года и включала поддержку работы в сетях, в частности, в сетях Ethernet. Это способствовало широкому распространению локальных сетей, основанных на этой технологии. Система 4.2BSD также позволяла подключиться к сети ARPANET, быстрый рост которой наблюдается с начала 80-х. Разумеется, такая операционная система не могла не пользоваться большой популярностью. К тому же, в отличие от положения в AT&T, где сетевые разработки обычно не выходили за пределы компании, результаты, полученные в Беркли, были широко доступны. Поэтому 4.2BSD стала наиболее популярной системой в исследовательских кругах.

Однако большое количество нововведений привело к тому, что система получилась сырой, содержала ряд ошибок и имела определенные проблемы с быстродействием. В 1986 году была выпущена следующая версия — 4.3BSD, более надежная и с лучшей производительностью. В период с 1986 по 1990 год в систему было внесено много дополнений, включая сетевую файловую систему NFS, виртуальную файловую систему VFS, отладчик ядра и мощную поддержку сети.

Последними версиями, выпущенными в Беркли, стали системы 4.4BSD и BSD Lite, появившиеся в 1993 году.

OSF/1

В 1988 году AT&T и Sun Microsystems заключили соглашение о сотрудничестве в области разработки будущих версий System V. В ответ на это ряд компаний, производящих компьютеры или имеющих отношение к вычислительной технике, включая IBM, DEC, Hewlett-Packard, создали организацию под названием Open Software Foundation (OSF), целью которой являлась разработка независимой от AT&T версии операционной системы. Результатом деятельности этой организации стала операционная система OSF/1. Хотя ряд коммерческих операционных систем связывают себя с этой ветвью, нельзя сказать, что OSF/1 явилась новым словом в мире UNIX. Скорее, это был политический шаг, призванный снизить доминирующую роль ряда фирм, занимавшихся разработкой UNIX System V.

Версии UNIX, использующие микроядро

Идея микроядра заключается в сведении к минимуму функций, выполняемых ядром операционной системы, и, соответственно, предоставляемых базовых услуг. При этом основные компоненты операционной системы являются модулями, работающими на базе микроядра. С одной стороны, такой подход делает микроядро более универсальным, позволяя конструировать специализированные операционные системы, а с другой, — упрощает настройку и конфигурирование.

Наиболее известны следующие версии микроядра:

□ Микроядро Mach, разработанное в университете Карнеги-Меллона. Сегодня Mach используется в системе OSF/1 фирмы DEC для серверов с процессорами Alpha, а также в операционной системе Workplace фирмы IBM.

□ Микроядро Chorus. На базе этого микроядра созданы системы Chorus/MiX V.3 и Chorus/MiX V.4, являющиеся "серверизацией" SVR3 и SVR4. При этом ядро UNIX разделено на множество серверов, выполняющихся под управлением микроядра, причем эти серверы могут находиться как на одном компьютере, так и быть распределены в сети.

Свободно распространяемая система UNIX

Достаточно дешевый PC и свободно распространяемая система UNIX делают эту систему сегодня доступной практически каждому.

Очень популярная версия UNIX для PC, называемая Minix, была разработана Энди Тэненбаумом (Andy Tanenbaum) как приложение к его книге по архитектуре UNIX. Книга Тэненбаума содержит полные листинги исходных текстов системы. Дополнительный набор дискет позволяет установить Minix даже на PC с процессором 8086 (если найдется такой компьютер).

В последнее время все большую популярность приобретает свободно распространяемая версия UNIX под названием Linux, разработанная исследователем университета Хельсинки Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds). Разработанная "с нуля" для процессора Intel i386, сегодня она перенесена на ряд других аппаратных платформ, включая серверы Alpha фирмы DEC.

UNIX явилась первой действительно переносимой системой, и в этом одна из причин ее успеха.

Как в ранние, бесплатно распространяемые, исследовательские версии, так и в сегодняшние коммерческие и свободно распространяемые версии UNIX постоянно вносятся изменения. С одной стороны, это расширяет возможности системы, делает ее мощнее и надежнее, с другой — ведет к значительным различиям между существующими версиями, отсутствию канонического UNIX.

Чем больше появлялось версий UNIX (и особенно коммерческих), тем очевиднее становилась необходимость стандартизации системы. Наличие стандартов облегчает переносимость приложений и защищает как пользователей, так и производителей. В результате возникло несколько организаций, связанных со стандартизацией, и был разработан ряд стандартов, оказывающих влияние на развитие UNIX.

IEEE и POSIX

В 1980 году была создана инициативная группа под названием /usr/group с целью стандартизации программного интерфейса UNIX, т. е. формального определения услуг, предоставляемых операционной системой приложениям. Решение этой задачи упростило бы переносимость приложений между различными версиями UNIX. Такой стандарт был создан в 1984 году и использовался комитетом ANSI, отвечающим за стандартизацию языка С, при описании библиотек. Однако с ростом числа версий операционной системы эффективность стандарта уменьшилась, и через год, в 1985 году, был создан Portable Operating System Interface for Computing Environment, сокращенно POSIX (переносимый интерфейс операционной системы для вычислительной среды).

В 1988 году группой был разработан стандарт POSIX 1003.1-1988, который определил программный интерфейс приложений (Application Programming Interface, API). Этот стандарт нашел широкое применение во многих операционных системах, в том числе и с архитектурой, отличной от UNIX. Спустя два года стандарт был принят как стандарт IEEE 1003.1-1990. Заметим, что поскольку этот стандарт определяет интерфейс, а не конкретную реализацию, он не делает различия между системными вызовами и библиотечными функциями, называя все элементы программного интерфейса просто функциями.

Другими наиболее значительными стандартами POSIX, относящимися к UNIX, являются:

X/Open

В 1984 году ряд европейских компьютерных компаний сформировал некоммерческую организацию, получившую название X/Open. Название полностью отражает цель этой организации — разработку общего набора интерфейсов операционной системы, согласованного между различными производителями, и создание действительно открытых систем, для которых стоимость переносимости приложений как между различными версиями одной операционной системы, так и между системами различных производителей была бы минимальной.

Основной задачей организации X/Open являлось согласование и утверждение стандартов для создания общего программного интерфейса и программкой среды для приложений. В 1992 году появился документ, известный под названием X/Open Portability Guide версии 3 или XPG3, который включал POSIX 1003.1-1988 и стандарт на графическую систему X Window System, разработанную в Массачусетсском институте технологии.

В дальнейшем интерфейсы XPG3 были расширены, включив базовые API систем BSD и System V (SVID), в том числе и архитектуру STREAMS. В результате была выпущена спецификация, ранее известная как Spec 11/70, а в 1994 году получившая название XPG4.2.

В 1996 году объединение усилий X/Open и OSF привело к созданию консорциума The Open Group, продолжившего разработки в области открытых систем. В качестве примера можно привести такие направления, как дальнейшая разработка пользовательского интерфейса, Common Desktop Environment (CDE), и его сопряжение со спецификацией графической оболочки Motif. Другим примером является разработка стандартных интерфейсов для распределенной вычислительной среды Distributed Computing Environment (DCE), работа над которой была начата OSF.

SVID

Вскоре после выхода в свет в 1984 году версии SVR2, группа USG выпустила документ под названием System V Interface Definition, SVID, в котором описывались внешние интерфейсы UNIX версий System V. По существу, этот труд (в двух томах) определял соответствие операционной системы версии System V.

В дополнение к SVID был выпущен т.н. System V Verification Suite, SWS, — набор тестовых программ, позволяющих производителям получить ответ, достойна ли их система права носить имя System V.

С появлением SVR4 было выпущено новое издание SVID (уже в четырех томах) и, соответственно, новый SWS.

ANSI

В конце 1989 года Американским национальным институтом стандартов (American National Standards Institute, ANSI) был утвержден стандарт X3.159-1989 языка программирования С. Целью появления этого стандарта являлось улучшение переносимости программ, написанных на языке С, в различные операционные системы (не только UNIX). Стандарт определяет не только синтаксис и семантику языка, но и содержимое стандартной библиотеки.

Сегодня существуют десятки различных операционных систем, которые можно называть UNIX. В основном, это коммерческие версии, в которых создатели пытались как можно эффективнее решить вопросы реализации той или иной подсистемы. Во многих случаях, производитель операционной системы является и производителем аппаратной платформы, для которой эта система предназначена. В качестве примеров можно привести операционные системы SunOS и Solaris фирмы Sun Microsystems, HP-UX фирмы Hewlett-Packard, AIX фирмы IBM, IRIX фирмы Silicon Graphics. Вполне естественно, что производитель хочет сделать операционную систему привлекательнее, чем у конкурентов, и не только за счет лучшей производительности, но и за счет расширений и дополнительных возможностей, отсутствующих у других. С другой стороны, производитель желает, чтобы его операционная система оставалась открытой: сегодня закрытые корпоративные решения отпугивают потребителя. Понятно, что в такой ситуации единства и борьбы противоположностей вряд ли найдется система, которую можно назвать "чистой системой UNIX". Да и такое понятие сегодня вряд ли существует. По мнению некоторых разработчиков последней "чистой системой UNIX" являлась Седьмая редакция, сегодня же можно говорить только о наличии в операционной системе черт той или иной ветви — System V, BSD или OSF/1. Можно, например, сказать, что с точки зрения администрирования и набора утилит Digital UNIX представляет смесь System V и BSD UNIX, но с точки зрения интерфейсов и организации системы — это BSD.

Поэтому определение принадлежности конкретной операционной системы к той или иной генеалогической ветви носит весьма условный характер. С этой оговоркой в табл. 1 приведены несколько индикаторов (с точки зрения пользователя и администратора) принадлежности UNIX одной из двух основных ветвей.

Таблица 1. К какой генеалогической ветви принадлежит ваша система?

Ниже приведены краткие характеристики наиболее популярных версий UNIX.

AIX

Версия UNIX фирмы IBM на базе SVR2 со многими чертами SVR4, BSD и OSF/1. Собственная система администрации (SMIT).

HP-UX

Версия UNIX фирмы Hewlett-Packard. В 1996 году компания выпустила новые версии — HP-UX 10.10 и HP-UX 10.20, включающие поддержку симметричных многопроцессорных систем (SMP), файловых систем большого размера (до 128 Гбайт) и расширение виртуального адресного пространства прикладных процессов до 3,75 Гбайт. В середине 1997 года планируется выпустить полностью 64-разрядную версию операционной системы.

IRIX

Версия UNIX фирмы Silicon Graphics, предназначенная для аппаратной платформы этого производителя (MIPS). Ранние версии системы включали много черт BSD UNIX, однако современную систему IRIX (6.x) скорее можно отнести к ветви System V Release 4. Полностью 64-разрядная операционная система.

Digital UNIX

Версия системы OSF/1 фирмы Digital Equipment Corporation (DEC). В прошлом система называлась DEC OSF/1 и по сути являлась BSD UNIX. В то же время в ней есть много черт ветви System V. Полностью 64-разрядная операционная система, разработанная в первую очередь для аппаратной платформы Alpha, содержит все возможности, присущие современным UNIX, — DCE, CDE, современную файловую систему. Поддерживает большинство сетевых интерфейсов, включая Fast Ethernet и ATM.

SCO UNIX

В 1988 году компании Santa Cruz Operation (SCO), Microsoft и Interactive Systems завершили совместную разработку версии System V Release 3.2 для платформы Intel 386. В том же году SCO получила от AT&T лицензию на торговую марку и операционная система стала называться SCO UNIX System V/386. В 1995 году компания SCO выпустила версию системы под названием SCO OpenServer Release 5 (кодовое название Everest) — UNIX версии SVR3.2 со многими чертами SVR4. Новая версия системы поддерживает более 900 аппаратных платформ, включая мультипроцессорные вычислительные системы, и более 2000 периферийных устройств.

Solaris

Версия UNIX SVR4 фирмы Sun Microsystems. Версия 2.5.1 содержит компоненты ядра, использующие 64-разрядную аппаратную архитектуру. Поддерживает распространенные аппаратные платформы, в том числе SPARC, UltraSPARC, Intel 486, Pentium, Pentium Pro и PowerPC. В 1998 году планируется выпустить полностью 64-разрядную версию операционной системы.

Самый общий взгляд позволяет увидеть двухуровневую модель системы так, как она представлена на рис. 1.

Рис. 1. Модель системы UNIX

В центре находится ядро системы (kernel). Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам. К услугам ядра относятся операции ввода/вывода (открытия, чтения, записи и управления файлами), создания и управления процессами, их синхронизации и межпроцессного взаимодействия. Все приложения запрашивают услуги ядра посредством системных вызовов.

Второй уровень составляют приложения или задачи, как системные, определяющие функциональность системы, так и прикладные, обеспечивающие пользовательский интерфейс UNIX. Однако несмотря на внешнюю разнородность приложений, схемы их взаимодействия с ядром одинаковы.

Рассмотрим более внимательно отдельные компоненты ядра системы.

Ядро системы

 

Ядро обеспечивает базовую функциональность операционной системы: создает процессы и управляет ими, распределяет память и обеспечивает доступ к файлам и периферийным устройствам.

Взаимодействие прикладных задач с ядром происходит посредством стандартного интерфейса системных вызовов. Интерфейс системных вызовов представляет собой набор услуг ядра и определяет формат запросов на услуги. Процесс запрашивает услугу посредством системного вызова определенной процедуры ядра, внешне похожего на обычный вызов библиотечной функции. Ядро от имени процесса выполняет запрос и возвращает процессу необходимые данные.

В приведенном примере программа открывает файл, считывает из него данные и закрывает этот файл. При этом операции открытия (open), чтения (read) и закрытия (close) файла выполняются ядром по запросу задачи, а функции open(2), read(2) и close(2) являются системными вызовами.

main() {

 int fd;

 char buf[80];

 /* Откроем файл — получим ссылку (файловый дескриптор) fd */

 fd = open("file1", O_RDONLY);

 /* Считаем в буфер buf 80 символов */

 read(fd, buf, sizeof(buf));

 /* Закроем файл */

 close(fd);

}

Структура ядра представлена на рис 2.

Рис. 2. Внутренняя структура ядра UNIX

Ядро состоит из трех основных подсистем:

1. Файловая подсистема

2. Подсистема управления процессами и памятью

3. Подсистема ввода/вывода