Алексей Федорчук - Вопросы истории: UNIX, Linux, BSD и другие
Вторая, столь же революционная, новинка – 64-разрядные вычисления. Вспомним терью статью цикла: каким прорывом в светлое будущее были 32-битные процессоры для PC, те самые первые «трешки», которые сделали возможным портирование на эту архитектуру UNIX и, в конечном счёте, появление Linux. Повторилась ли история на новом витке диалектической спирали?
Увы, отрицательный ответ был получен практически мгновенно. Потому что в те далекие уже годы аппаратура PC едва поспевала за софтом – 32-битные ОС разменивали уже второй десяток лет своего существования, и приложений, использующих 32 разряда на полную катушку, было вдоволь. В описываемый же момент их в пользовательском сегменте просто не было по одной простой причине – не востребованности. К слову сказать, почти нет их и по сей день. Ибо единственная ниша пользовательских приложений, где 64 бита хоть как-то задействованы – параноидальная криптография.
Так что усилия «камнестроителей» пропадали бы втуне. Если бы ещё не одно новшество, о котором я сознательно не упоминал ранее – Hyper Threading, то есть виртуальная мультипроцессорность. Каковая в некоторых (правда, весьма редких) задачах давала вполне даже реальный прирост производительности. Правда, он мало значил для пользователей, работающих преимущественно интерактивно. Но весьма способствовал производительности труда применителей – тех, кто, в силу врожденной лености отдавал предпочтение всякого рода скриптам, пакетным заданиям и прочим средствам автоматизации.
Однако Hyper Threading был не более чем суррогатом истинной мультипроцессорности. Своего рода мультипроцессорность для бедных, но гордых. И потому, сказавши А, производитель процессоров неизбежно должны открыть рот для произнесения Б. То есть переходить к собственно мультипроцессорным конфигурациям в пользовательском сегменте.
Разговоры о двухпроцессорных пользовательских десктопах возникали неоднократно. Кое-кому из читателей памятно, как дешевенькие Celeron’ы первого разлива можно было вставлять в относительно не очень дорогие двухпроцессорные материнские платы, получая таким образом нечто вроде «народного суперкомпьютера».
Правда, первая волна «народной мультипроцессорности» была очень быстро пресечена производителем. Однако идея мультипроцессорности для народа продолжала витать в воздухе – никаким иным способом создать впечатление прогресса уже не удавалось (к слову сказать – не удаётся и по сей день). И первый шаг в этом направлении сделала, насколько мне известно, IBM со своими процессором Power4 – в то время абсолютным рекордсменом по «чистому» (то есть тестовому) быстродействию. В том числе и благодаря тому, что имели варианты с двумя и более процессорными ядрами в едином корпусе.
Сами по себе процессоры Power4 (как и пришедшие им на смену Power5) ориентировались на индустриальный сектор. Однако на базе их были созданы процессоры G5 – сердце тогдашних Mac’ов, имевших, в том числе, и двухъядерный вариант.
Правда, пользователям PC’шек (а мы говорим в основном о них) от этого было бы ни холодно, ни жарко. Однако здесь «камнестроители» не заставили себя ждать: и AMD, и Intel очень быстро анонсировали, а затем и воплотили в реальность, свои двухъядерные решения, стоимость которых вполне вписывалась в рамки «суперкомпьютера для народа». По крайней мере, в лице лучших его представителей.
Так что пользователи оказались перед выбором между традиционными одноядерными процессорами с большей тактовой частотой или процессорами двухъядерным – с меньшей (если оставаться в рамках одного бюджета). Как я уже говорил, рост тактовых частот упёрся в потолок целесообразности: сколь бы велик он ни был (а тут имелся ещё и потолок технологический), адекватного прироста производительности он уже за собой не влёк. Но могли ли пользователи рассчитывать на хоть какой-то выигрыш в производительности от многоядерности?
Софтверная перспектива
Исходя из общих соображений было очевидно, что ожидать двукратного увеличения быстродействия от самого факта удвоения числа процессоров (или их ядер) не приходится. Во-первых, на «железном» уровне два и более процессоров будут совместно использовать какие-то общие ресурсы компьютера – память, кэши, шины и так далее.
Во-вторых, неизбежны были потери быстродействия за счет «накладных расходов» – согласования операций, выполняемых на разных процессорах.
В-третьих, системные и прикладные задачи, выполняемые на многопроцессорной машине, должны допускать их распараллеливание, иначе любое увеличение количества «числодробителей» доставит мало радости пользователю.
И, наконец, в-четвертых, эффективность многопроцессорных конфигураций в значительной мере определялась стилем выполнения пользовательских задач. Очевидно, что преимущественно интерактивные методы работы от удвоения «камней» выиграют весьма мало – в любом случае тут узким местом окажется пресловутый человеческий фактор.
Решение проблем многозадачности на «железном» уровне было задачей производителей аппаратуры. А вот минимизация же «накладных расходов» и распараллеливание задач относились уже к сфере разработчиков софта, в первую очередь – системного. Хотя в последнем случае роль создателей программ прикладных ничуть не меньше. Ну а эффективное использование достижений тех и других – это уже вахта пользователей.
И нужно сказать, что пользователи UNIX-подобных операционных систем, в силу самой специфики их работы и укоренившихся привычек, казались подготовленными к многозадачности лучше других. И были способны получить от нее больший выигрыш.
Ведь что происходит на типичной пользовательской UNIX? На ней постоянно что-то компилируется, архивируется и разархивируется, кодируется и декодируется, бэкапится и восстанавливается. И все это – параллельно, и, в большей или меньшей степени, без интерактивного участия применителя. Озаботившегося, разумеется, заблаговременно, скриптами для запуска своих задач, выводом полученных данных в логи и прочие файлы, и так далее – за интерактивным режимом остается только просмотр результатов. И, конечно же, их обдумывание.
Так что вырисовывалась заманчивая картина – все это изобилие параллельно работающих задач выполнять действительно параллельно, раскидав по разным процессорам. Дело оставалось за малым – воплотить её в кодах.
Изначально создатели UNIX (и ранних его клонов) ни о какой многопроцессорности не помышляли. И один из краеугольных камней его идеологии – концепция монолитных процессов, выполняемых на одном процессоре квазипараллельно, за счет квантования времени, – казалось бы, препятствует реализации распараллеливания задач по разным «камням».
Тем не менее, когда многопроцессорные серверы и рабочие станции стали реальностью в индустриальном секторе, в дополнение концепции процесса была создана и концепция т.н. нитей, или потоков (threads). Это – части процесса, выполняемые параллельно и почти независимо друг от друга (в том числе и на отдельных процессорах), разделяющие, тем не менее, ресурсы составленного из них процесса. То есть собственного контекста, в том числе и отдельного пространства памяти, они не имеют, почему носят ещё и имя легковесных процессов (light weight process) – обычные UNIX-процессы в этом случае можно называть «тяжелыми».
Само по себе понятие нитей возникло задолго до UNIX – чуть ли не со времен Очакова и ламповой электроники. И уже тогда были выявлены существенные недостатки этой концепции. Однако за истекшие годы ничего лучшего для поддержки мультипроцессорности придумано не было.
Как уже говорилось, проблема мультипроцессорности встала в первую очередь в индустриальном секторе. Где по ряду причин (в том числе и исторических) традиционно преобладали проприетарные представители UNIX-семейства. И разработчики последних доблестно эту проблему разрешили. Можно спорить, где она была решена лучше, где – не так хорошо, однако общепризнанно: масштабируемость многие годы был главной отличительной чертой (и главным козырем) и AIX от IBM, и Solaris от Sun, и прочих их братьев-конкурентов.
Свободные UNIX-совместимые ОС, как мы помним по первой статье цикла, разрабатывались преимущественно или в университетско-академической среде, или просто энтузиастами-любителями, как правило, на подручном оборудовании. Среди которого многопроцессорные суперкомпьютеры встречались не так уж и часто (солнце народной мультипроцессорности ещё не показало из-за горизонта своих первых лучей). И потому долгое время поддержка многопроцессорности была слабой стороной и Linux, и BSD-систем (по крайней мере, для платформы Intel и совместимых).
Движение свободных операционок в корпоративный сектор, в первую очередь в качестве серверов разного рода, поставило перед ними задачи многопроцессорной поддержки и масштабируемости. И задачи эти постепенно решались: в том или ином виде многопроцессорные конфигурации давно поддерживаются ядром Linux и FreeBSD, затем такая поддержка появилась в NetBSD и OpenBSD. Тем не менее, ни одна из этих ОС не дотягивала ещё до масштабируемости проприетарных UNIX’ов.
