Производительность микроядра против монолитного ядра

Микроядро реализует все драйверы как программы пользовательского пространства и реализует основные функции, такие как IPC, в самом ядре. Однако монолитное ядро ​​реализует драйверы как часть ядра (например, работает в режиме ядра).

Я читал некоторые утверждения, что микроядра работают медленнее, чем монолитные ядра, поскольку они должны обрабатывать передачу сообщений между драйверами в пространстве пользователя. Это правда?

В течение долгого времени большинство ядер были монолитными, потому что аппаратное обеспечение было слишком медленным для быстрой работы микроядер. Однако в настоящее время существует много микроядер и гибридных ядер, таких как GNU / Hurd, Mac OS X, линейка Windows NT и т. Д.

Итак, что-нибудь изменилось в производительности микроядра? Эта критика микроядра все еще актуальна сегодня?

Как всегда, это ответ (или, по крайней мере, предисловие) на вопросы, связанные с производительностью: знайте свою проблемную область, проводите сравнительные тесты и помните, что такое преждевременная оптимизация .

Во-первых, ни в одном из комплексных сравнительных испытаний не сравнивались бы монолитные ядра с системами микроядра текущего поколения, которые работают аналогичным образом. Таким образом, хотя могут быть испытания, в которых сравниваются конкретные элементы этих ядер, они не будут представлять "общую картину", которую ваш вопрос пытается нарисовать.

С учетом вышесказанного наблюдаются совершенно разные наблюдения за производительностью ядра в микроядрах; например, можно сказать, что семейство микроядра L4 имеет производительность IPC на порядок выше, чем ядро ​​Маха. Но на каждом устройстве Apple этого десятилетия работает Mach, и они, кажется, работают достаточно быстро, верно?

Мораль этой истории в том, что любой, кто решает, какую архитектуру ядра использовать, должен сначала решить, какова его конечная цель. Микроядерные системы (при правильной реализации, конечно) более безопасны, обслуживаемы и модульны. Тем не менее, они могут быть сложными для правильной разработки и могут привести к снижению производительности по сравнению с монолитной реализацией. Монолитное ядро ​​будет быстрее, но безопасность будет сложнее реализовать, оно будет менее модульным и менее простым в настройке.

Ваша архитектура ядра должна основываться на конечной цели.

_{(А когда ничего не помогает, попробуйте оба способа и посмотрите, что получится.)}

Я предпочитаю называть Windows NT и ядро ​​Apple XNU монолитным, а не гибридным. Я не считаю, что классификация гибридов имеет большое значение на практике. На самом деле один из первых инженеров XNU называет его монолитным [1].

Что касается производительности, то единственное действительно глубокое сравнение монолитного и микроуровня, которое я могу найти, - это «Экстремальные высокопроизводительные вычисления или почему микрокереналы сосут» [2] и опровержение презентации «Микроядра сосут?» [3].

Модульность и настраиваемость - это больше вопросов проектирования, чем присущие монолитным ядрам ограничения. Например, размер ядра Linux может варьироваться от нескольких мегабайт до примерно одного мегабайта в зависимости от параметров времени компиляции и применения определенных исправлений. Подавляющее большинство из 15 миллионов строк кода Linux являются загружаемыми модулями ядра. Они компилируются отдельно от базового ядра и загружаются только при необходимости. Эти модули могут реализовывать драйверы и системные вызовы (даже переопределяя базовые системные вызовы).

Две области, в которых микроядра имеют неоспоримое преимущество, заключаются в малой памяти (<= 512 КБ оперативной памяти) или «жестких» операционных системах реального времени, таких как системы полетов авиакомпаний или системы управления ядерными реакторами.

Изменить: Говоря далее о преимуществах и недостатках любой архитектуры ядра, Gernot Heiser свободно признает в конце своей презентации [3], что монолитные ядра по своей природе более производительны, потому что микроядро всегда имеет некоторые дополнительные издержки. Тем не менее, эти дополнительные издержки приводят к повышению надежности, и, следовательно, доминированию микроядер в ОСРВ.

[1] Луи Дж. Гербарг, «Усовершенствованная синхронизация в Mac OS X: расширение Unix до SMP и реального времени», Материалы конференции BSDCon 2002, стр. 2

[2] Чистоф Ламетер, «Чрезвычайно высокопроизводительные вычисления или почему микроядра отстают», симпозиум Linux 2007, том первый

[3] Гернот Хайзер, «Неужели микроядра сосут?», 9-й Linux.conf.au, январь 2008 г.