Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

20.2. Plan 9: каким представлялось будущее Unix

Известно, как обычно представляется будущее Unix. Оно было определено исследовательской группой Bell Labs, которая построила Unix, в работе под названием "Plan 9 from Bell Labs"[149]. Операционная система Plan 9 представляла собой попытку воссоздать Unix и сделать ее лучше.

Главной проблемой проектирования, которую конструкторы попытались разрешить в операционной системе Plan 9, была интеграция графики и повсеместного использования сети в комфортабельной Unix-подобной структуре. Они придерживались выбора Unix, организовывая промежуточный доступ к любому возможному количеству системных служб посредством единого, большого иерархического пространства имен файлов. Фактически они его улучшили. Многие средства, которые в Unix были доступны посредством различных узкоспециальных интерфейсов, подобных BSD-сокетам, fcntl(2) и ioctl(2), в операционной системе Plan 9 были доступны посредством обычных операций чтения и записи в специальные файлы аналогичные файлам устройств. Для обеспечения переносимости и простого доступа почти все интерфейсы устройств были текстовыми, а не двоичными. Большинство системных служб (включая, например, систему оконного интерфейса) представляли собой файловые серверы, содержащие специальные файлы или деревья каталогов, представляющие обслуживаемые ресурсы. Представляя все ресурсы в виде файлов, операционная система Plan 9 превратила проблему доступа к ресурсам, расположенным на различных серверах, в проблему доступа к файлам на различных серверах.

В операционной системе Plan 9 файловая модель, еще больше соответствующая духу Unix, чем модель самой Unix, была объединена с новой идеей: частным пространством имен. Каждый пользователь (а, по сути, каждый процесс) могли иметь собственное представление системных служб путем создания собственного дерева точек монтирования файловых серверов. Некоторые точки монтирования файловых серверов устанавливаются вручную пользователем, а другие автоматически устанавливаются во время регистрации пользователя в системе. Поэтому (как указано в обзорной статье "Plan 9 from Bell Labs") "/dev/cons всегда ссылается на терминальное устройство, a /bin/date на корректную версию команды date, однако определение файлов, которые должны быть представлены этими именами, зависит от различных обстоятельств, таких как архитектура машины, выполняющей команду date".

Наиболее важная особенность операционной системы Plan 9 заключается в том, что все подключенные файловые серверы предоставляют одинаковый интерфейс, подобный файловой системе, независимо от скрытой за ними реализации. Некоторые из них могут соответствовать локальным файловым системам, некоторые — удаленным файловым системам, доступ к которым происходит по сети, некоторые могут соответствовать экземплярам системных серверов, запущенных в пользовательском пространстве (например, система оконного интерфейса или альтернативный набор сетевых протоколов), а некоторые могут соответствовать интерфейсам ядра. Для пользователей и клиентских программ все описанные случаи выглядят одинаково.

В обзорной статье о Plan 9 представлен способ, с помощью которого реализован FTP-доступ к удаленным узлам. В операционной системе Plan 9 не существует команды ftp(1). Вместо нее используется файловый сервер ftpfs, а каждое FTP-соединение выглядит как точка монтирования файловой системы. Сервер ftpfs автоматически преобразовывает команды открытия, чтения и записи файлов и каталогов в точке монтирования в FTP-транзакции. Таким образом, все обычные инструменты обработки файлов, такие как ls(1), mv(1) и ср(1), просто работают как в точке монтирования FTP, так и через границы с остальной частью пользовательского представления пространства имен. Единственное отличие состоит в том, что пользователь (или его сценарии и программа) замечают разницу в скорости получения данных.

Plan 9 обладает и другими полезными функциями, включая воссоздание некоторых из наиболее проблемных областей интерфейсов системных вызовов Unix, устранение суперпользователя и пересмотр многих других интересных функций. "Родословная" операционной системы Plan 9 безупречна, ее конструкция элегантна, и она выявляет некоторые значительные ошибки в конструкции Unix. В отличие от большинства попыток второй системы, она создала архитектуру, которая во многих аспектах проще и более элегантна, чем архитектура ее предшественницы. Почему же Plan 9 не превзошла Unix во всем мире?

Можно назвать множество специфических причин — недостаток каких-либо серьезных попыток продвижения данной системы на рынке, ограниченная документация, большая путаница и препятствия, связанные с платой и лицензионными отчислениями. Тем, кто незнаком с Plan 9, кажется, что она функционирует в основном как опытный образец для написания интересных статей по исследованию операционных систем. Однако сама Unix ранее преодолела все подобные препятствия и привлекла преданных последователей, распространивших ее по всему миру. Почему же этого не случилось с Plan 9?

Глубокий анализ данной истории мог бы, конечно, прояснить ситуацию, но в 2003 году она такова, что Plan 9 провалилась просто потому, что не стала настолько убедительным усовершенствованием Unix, чтобы заменить свою предшественницу. По сравнению с Plan 9, Unix "скрепит, гремит и имеет очевидные пятна ржавчины", однако, она выполняет свою работу достаточно хорошо для того, чтобы удерживать позиции. Это урок для честолюбивых системных архитекторов: самым опасным врагом наилучшего решения является существующая база кода, которая просто достаточно хороша.

Некоторые идеи Plan 9 были впитаны современными Unix-системами, особенно наиболее инновационными версиями с открытым исходным кодом. А во FreeBSD файловая система /proc смоделирована в точности, как в Plan 9, и ее можно использовать для опроса или управления работающими процессами. Системные вызовы rfork(2) в FreeBSD и clone(2) в Linux смоделированы на основе rfork(2) в Plan 9. Файловая система /proc в Linux, кроме информации о процессах, содержит еще и множество файлов устройств, синтезированных наподобие Plan 9, которые используются для опроса и управления внутренними параметрами ядра с помощью преимущественно текстовых интерфейсов. Экспериментальные версии Linux 2003 года реализовали точки монтирования процессов, что является серьезным шагом в сторону частных пространств имен Plan 9. Различные Unix-системы с открытым исходным кодом двигаются в направлении общесистемной поддержки кодировки UTF-8, которая фактически была создана для Plan 9[150].

Вполне вероятно, что со временем гораздо больше функций Plan 9 будут работать в Unix, по мере того как различные части архитектуры Unix будут плавно устаревать. Это одно из возможных направлений развития будущей Unix.

20.3. Проблемы в конструкции Unix

Операционная система Plan 9 "очищает" Unix, но добавляет лишь одну новую концепцию (частное пространство имен) к ее основному набору конструктивных идей. Однако есть ли серьезные проблемы в этих базовых идеях? В главе 1 рассматривалось несколько областей, в которых Unix, вероятно, можно считать неудачной. В настоящее время, когда движение в поддержку открытого исходного кода "передало будущее" конструкции Unix обратно в руки программистов и технических специалистов, эти проблемы близки к разрешению. Ниже проблемы Unix рассматриваются снова, для того чтобы лучше понять, как Unix будет развиваться в будущем.

20.3.1. Unix-файл представляет собой только большой блок байтов

Любой файл в Unix представляет собой только большой блок байтов без каких-либо других атрибутов. В частности, не существует возможности сохранять за пределами данных файла информацию о его типе или указатель на связанную прикладную программу.

В более широком смысле все рассматривается как поток байтов. Даже аппаратные устройства являются потоками байтов. Данная метафора была большим успехом ранней Unix и большим преимуществом в мире, где (например) компилируемые программы не могли осуществлять вывод, который мог бы быть отправлен обратно компилятору. Из данной метафоры выросли каналы и shell-программирование.

Однако метафора байтового потока в Unix настолько существенна, что в Unix имеются проблемы при интеграции программных объектов с операциями, которые не вписываются в байтовый поток или файловый состав операций (создание, открытие, чтение, запись, удаление). Это особенно является проблемой для GUI-объектов, таких как пиктограммы, окна и "активные" документы. Внутри классической Unix- модели мира единственный способ расширить существующую метафору байтового потока заключается в использовании вызовов ioctl, печально известных как уродливая коллекция лазеек в пространство ядра.