Podróż do jądra systemu operacyjnego

Debuger Windows analizuje obraz pamięci operacyjnej i pokazuje przyczynę zawieszania się programu – w tym przypadku za powstanie usterki odpowiada sterownik trybu jądra.

Serce Linuksa - System operacyjny pozwala użytkownikowi na bezpośredni dostęp do jądra. Tu widzimy aktualną konfigurację kernela w wersji 2.6.19.

« »

Windows – to słowo wywołuje całą gamę negatywnych skojarzeń. Według obiegowej opinii sztandarowy produkt Microsoftu jest wyjątkowo słabo zabezpieczony przed armią wirusów zasiedlających Sieć, a jego wydajność jest niezadowalająca: im więcej czasu upływa od instalacji, tym wolniej system działa. Pojawiają się też problemy ze stabilnością: od dawna są nam znane pojęcia „bluescreen” albo „niebieski ekran śmierci”, oznaczające zawieszenie się Windows. Nic dziwnego, że nader często widzimy ten kolor na naszych monitorach, skoro Vistę tworzy przeszło 70 milionów linii kodu – kto by się w tym połapał?

Czy takie oskarżenia są uzasadnione, czy też to tylko półprawdy i uprzedzenia? Wydanie wyroku nie jest proste – w tym celu trzeba przeniknąć zewnętrzną powłokę systemu i obejrzeć z bliska jego jądro (ang. kernel). Ocenimy je według trzech kryteriów: bezpieczeństwo, wydajność oraz stabilność. Przy okazji porównamy jądro stworzone przez Microsoft z konkurentami: Linuksem i Mac OS X. Ponadto szczegółowo przedstawimy rozwiązania techniczne zastosowane w opisywanych systemach.

Kernel: serce systemu

Zadaniem jądra jest sterowanie działaniem systemu operacyjnego. Dlatego jego jakość w znaczący sposób wpływa na sprawność działania całego peceta. To właśnie jądro utrzymuje wszystko w ruchu, ponieważ zawiera sterowniki sprzętu umożliwiające komunikację z urządzeniami zewnętrznymi oraz moduły zarządzające komponentami komputera, takimi jak pamięć operacyjna, procesor czy dysk twardy.

Jądro dba także o bezpieczne działanie systemu, śledząc wszystkie uruchomione procesy. Nadaje też uruchomionym programom prawo do korzystania z urządzeń sprzętowych przez określony czas. Dla zachowania stabilności najważniejsza jest odpowiednia organizacja zasobów, obejmująca funkcje, z których korzystamy na co dzień, m.in. zarządzanie systemem plików.

Wysoka sprawność jądra jest także niezbędna do szybkiego rozwiązywania konfliktów dostępu występujących na przykład wtedy, gdy wiele programów chce jednocześnie zapisać dane na dysku. W takich sytuacjach kernel nadaje aplikacjom określony priorytet, pozwalając jednemu z programów na zapis, a innym nakazując oczekiwanie na swoją kolej. W dalszej części tekstu bardziej szczegółowo opisujemy, jak Windows radzi sobie z tymi wszystkimi zadaniami.

Windows: na każdym komputerze

Od czasu wprowadzenia linii systemów NT w architekturze Windows istnieje podział na tryb jądra oraz tryb użytkownika – dotyczy to również Visty. W trybie użytkownika działa właściwie wszystko, co widzimy, korzystając z komputera, a więc programy takie jak Word czy Photoshop. Aplikacje działające w tym trybie nie mają bezpośredniego dostępu do komponentów sprzętowych i pamięci operacyjnej. Można powiedzieć, że tryb użytkownika Windows jest pokryty otuliną. Dojścia sięgające bardziej w głąb systemu są kierowane przez odpowiedni interfejs programowy, np. Win32 API korzystający z bibliotek systemowych DLL.

Tryb jądra działa natomiast w tle, a użytkownik dowiaduje się o jego istnieniu tylko wtedy, kiedy pojawia się poważny problem. Na przykład w sytuacji, gdy nieprawidłowe działanie sterownika funkcjonującego w trybie jądra (patrz infografika po prawej) doprowadzi do zawieszenia się systemu, na ekranie pojawi się niebieski ekran śmierci.

Centralną pozycję w systemie Windows zajmuje plik „ntoskrnl.exe”. Aby obsłużyć tryb jądra i tryb użytkownika, funkcjonuje on dwutorowo, obejmując warstwę jądra i tzw. egzekutor. Warstwa jądra łączy tryb użytkownika i tryb jądra, a jej głównym zadaniem jest przydzielanie poszczególnym programom i procesom określonej ilości czasu procesora (ang. CPU-scheduling). Egzekutor z kolei obejmuje zakresem działania usługi systemowe, np. Plug&Play.

Najgłębiej w systemie znajduje się tzw. abstrakcyjna warstwa sprzętowa (HAL: Hardware Abstraction Layer). O co chodzi? Architektury poszczególnych pecetów bardzo się różnią. Jednak za sprawą HAL od strony jądra wszystkie wyglądają tak samo. Dzięki temu kernel może przydzielać czas procesora niezależnie od tego, czy dany układ ma dwa rdzenie i został wyprodukowany przez AMD, czy też jest czterordzeniowy i pochodzi od Intela.

Generalnie zadaniem HAL jest przystosowanie – za pomocą odpowiednich usług – pozostałych elementów architektury systemu do konkretnej konfiguracji sprzętowej komputera. Bez abstrakcyjnej warstwy sprzętowej Microsoft musiałby tworzyć oddzielne wersje systemu operacyjnego dla każdego komputera z osobna.

Linux: system na miarę

Architektura Linuksa jest oparta na systemie Unix, jednak jest on znacznie bardziej podobny do Windows, niż mogłoby się wydawać. Również w tym wypadku jądro znajduje się najbliżej warstwy hard-ware’owej i odgrywa rolę pośrednika między sprzętem a uruchomionymi aplikacjami. W klasycznych zastosowaniach prawie nie widać różnicy: dokładnie tak samo jak jądro Windows, kernel Linuksa współpracuje z urządzeniami wejścia/wyjścia i zarządza pamięcią. Inny obszar jego działania to zarządzanie procesami, a więc ustalanie, które zadanie ma w danym momencie najwyższy priorytet, tzn. prawo do korzystania z czasu procesora.