Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 74

Ответ на этот вопрос кроется в прогрессе программных платформ управляемого выполнения кода. Основанные на типобезопасных языках, таких, например, как Java или C#, и высокопроизводительных runtime компиляторах, способных «на лету» генерировать оптимальный и дотошно проверенный код, на системах сборки мусора, корректно очищающих память после завершения работы программы, подобные платформы в последнее время сделали гигантский скачок в плане производительности. Теперь она соизмерима с выполнением обычного неуправляемого кода.

Процесс управляемого выполнения кода — основа архитектуры системы Singularity. Базируется он на спецификации Microsoft CLS (Common Language Specification), поддержка которой открыта для многих из имеющихся и вновь разрабатываемых языков программирования и компиляторов для них. Согласно CLS, эти компиляторы не генерируют неуправляемый код, а создают некий промежуточный код на языке MSIL (Microsoft Intermediate Language). Дополнительно с генерацией кода MISL они создают манифест — метаданные программы, в которых чётко описаны её типы, сведения о необходимых программе внешних объектах и правила взаимодействия с ними. Код MISL и манифест упаковываются в исполняемый PE (portable executable) файл.

Дальше происходит компиляция MISL-кода в машинный код, специфичный для системы команд процессора, на котором запущена Singularity. Занимаются этим процессом или JIT-компилятор (just-in-time), генерирующий машинные команды для процессора «на лету», или же программа-генератор NGen (Native Image Generator), создающая традиционный исполняемый образ. Важным является то, что в ходе работы и JIT-компилятора, и программы NGen создаваемый машинный код проверяется на типобезопасность. В случае доказательства того, что полученный код типобезопасен, он исполняется, в противном случае генерируется исключение. Программа не прошла проверку и требует внесения изменений в свой исходный текст.

Проверка на типобезопасность кода каждой программы возможна только тогда, когда чётко доказана корректность работы всех компонентов системы управляемого выполнения кода. В настоящее время в Singularity для процессоров Intel x86 код MSIL компилируется в машинные инструкции компилятором Bartok, разработанным в той же Microsoft Research. При этом команда Singularity исходит из предположения, что Bartok не содержит ошибок и гарантированно создаёт типобезопасный машинный код.

В будущем должен быть создан специальный типизированный ассемблер TAL (Typed Assembly Language), который потребует от каждой программы доказательств её типобезопасности.

Читайте далее: Система строгого режима: Microsoft Singularity (часть 2)

К оглавлению

Система строгого режима: Microsoft Singularity (часть 2)

Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 23 июня 2011 года

Продолжение. Первую часть читайте здесь.

Микроядро Singularity и SIP

Singularity — микроядерная система. Весь код небольшого и тщательно проверенного на типобезопасность микроядра в большинстве сво`м написан на языке Sing# — подмножестве языка C#, специально разработанного для этой системы в Microsoft Research. Код ядра не верифицируется перед исполнением, поэтому он называется доверенным (trusted). Вообще-то в ядре есть небольшие фрагменты небезопасного кода, написанные на C++ и ассемблере, но они тщательно изолированы в уровне аппаратных абстракций HAL.

Система Singularity — это микроядро, компиляторы MSIL и множество программно изолированных процессов (SIP)

Ядро содержит типичный для микроядра набор менеджеров, управляющих памятью, переключением процессов, вводом-выводом, безопасностью. К доверенному коду относится и run-time среда — компиляторы в MSIL и машинный код.

Код всех запускаемых в Singularity прикладных программ, сервисов и драйверов является строго верифицируемым.

Любая запускаемая программа или сервис с точки зрения Singularity является SIP — Software Isolated Process (программно изолированный процесс). Благодаря выполненной проверке типобезопасности SIP не нужно держать в «клетке» ограниченного адресного пространства. Он сам гарантирует свою лояльность — то, что будет работать только со строго определёнными объектами и данными, не нарушая целостности системы и других программ. А как же быть с межпроцессным взаимодействием? Без него в многозадачной среде никуда. Для взаимодействия SIP-ов Singularity предлагает очень надёжный механизм каналов, по которым один SIP может передавать другому сообщения и данные. Каналы в Singularity высокоскоростные и неплохо заменяют небезопасный механизм разделения данных в традиционных системах. SIP может общаться и с микроядром через специальный бинарный интерфейс ABI (Application Binary interface), с помощью которого один SIP может контролируемо повлиять на состояние другого SIP.

SIP в Singularity самодостаточны. Завершив свою работу, SIP вызывает один из множества наиболее подходящих сборщиков мусора, очищая за собой память так, чтобы не повредить работе остальных SIP и системы.

А как же быть с расширяемостью функций запускаемых программ? Здесь идея состоит в том, что расширения для программ тоже реализуются в виде SIPов с типобезопасным кодом.

Таким образом, упрощённо архитектура Singularity — это: микроядро, написанное на доверенном коде, трансляторы кода MSIL и компиляторы JIT (NGen), также состоящие из доверенного кода, множество SIP на основе верифицированного кода, работающие в едином адресном пространстве, каналы, связывающие SIPы, и интерфейс ABI, связывающий SIP с ядром.

В зависимости от потребностей в процессорном времени конкретного SIP, диспетчер задач Singularity предоставляет один из пяти имеющихся в его распоряжении алгоритмов планирования.

Данные SIPов хранит SIP специального типа — файловая система Boxwood, в которой файлы представлены бинарными деревьями (B-tree).

Неопределённость, связанная с установкой многочисленных объектов программы в разных частях системы, присущая традиционным операционным системам, в Singularity устраняется за счёт использования программой манифеста — метаданных, чётко описывающих её в терминах ресурсов и зависимостей между ними. На основе манифеста загрузчик программы может оценить и выявить конфликты, которые могут возникнуть при установке программы, и, при необходимости, прервать установку.

Разработчики Singularity предоставляют прикладным программистам и драйверописателям Singularity RDK, обеспечивающий среду создания и обкатки своих программ, совместимых с Singularity. Программы можно писать на массе совместимых c CLS языков, для которых Singularity поддерживает компиляторы MSIL. К ним относятся C#, F#, Perl и даже COBOL.

Очевидно, что число компиляторов MSIL для разных языков будет увеличиваться с развитием Singularity. А это означает привлечение к системе множества разработчиков. На данный момент пользовательский интерфейс Singularity весьма аскетичен и ограничивается командной строкой.

Интерфейс Singularity на данный момент весьма аскетичен. Но все необходимые для работы команды присутствуют. Тем не менее проект носит исследовательский характер, и ни о каком коммерческом его применении речи пока не идёт. Создатели Singularity сейчас стараются доказать, что надёжность и безопасность придуманного ими подхода выше, чем у традиционных операционных систем, а производительность не хуже, чем у них.

Побратимы Singularity

Архитектурные решения, реализованные в Singularity, родились не на пустом месте. На её архитектуру оказали влияние проекты таких микроядерных архитектур, как L4, Exokernel и SPIN. Однако большинство из них (кроме разве что SPIN, использующей язык Modula-3) создано на основе небезопасного кода и применяют традиционную для современных систем технологию разделения адресных пространств процессов.

Идея проверки кода на типобезопасность, реализованная в Singularity, перекликается с подобными подходами в таких проектах, как JX, JavaOS, KaffeOS (язык Java), Inferno (язык Limbo) и RMoX (язык occam-pi).

Итак, Microsoft Singularity — один из множества проектов, разрабатывающих архитектуру надёжной и безопасной операционной системы или среды исполнения, надстраиваемой над существующими системами, на основе изоляции процессов путём проверки их кода на типобезопасность. Благодаря активному развитию безопасных языков программирования и высокопроизводительных исполняющих сред этот, поначалу чисто теоретический, подход становится всё ближе к реальным коммерческим реализациям. Проекты, подобные Singularity, стараются доказать, что они способны составить конкуренцию архитектуре современных операционных систем и предоставить пользователям надёжную и предсказуемую среду исполнения их программ.