CiAO (CiAO is Aspect-Oriented)

Transkript

1 CiAO (CiAO is Aspect-Oriented) Eine aspektorientiert entworfene Betriebssystemfamilie Daniel Lohmann Olaf Spinczyk Wolfgang Schröder-Preikschat Lehrstuhl für Informatik IV Verteilte Systeme und Betriebssysteme Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg 1

2 Agenda Das CiAO-Projekt: Überblick Problemfeld und Hintergrund Ansatz Beispiel Zusammenfassung 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 2

3 Das CiAO Projekt: Überblick DFG-gefördertes BS-Forschungsprojekt (SCHR 603/4) Eine WM-Stelle, zwei Studenten, seit Oktober 2004 Projektziele Entwicklung einer hochgradig anwendungsgewahren Betriebssystem-Produktlinie für tief eingebettete Systeme - Gute Anpassbarkeit an die Anforderungen der Anwendung - Geringer Ressourcenbedarf Entwicklung eines wandlungsfähigen Betriebssystems - Komponentenimplementierung (Treiber, Scheduler, ) unabhängig von der Architektur (monolithisch, Mikrokern, Bibliothek, ) - Konfigurierbare nicht-funktionale Architektureigenschaften durch gezielte Verwendung von AOP 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 3

4 Das CiAO Projekt: Überblick Wissenschaftliche Fragestellung Sind Aspekttechniken zielführend bei der Produktlinienentwicklung? Lässt sich durch AOP ein (deutlich) höheres Maß an Konfigurierbarkeit erreichen? Lassen sich damit insbesondere auch nicht-funktionale Eigenschaften / Architektureigenschaften konfigurierbar gestalten? Wie sehen architekturtransparente BS-Komponenten aus? 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 4

5 Problemfeld: Anwendungsanpassbarkeit Zwei Dimensionen der Anwendungsanpassbarkeit Granularität (Funktionale Auswählbarkeit) Ich muss nichts einbinden, was ich nicht brauche Resultierende Systeme müssen klein sein! Geringstmögliche Anforderungen an die Hardware Variabilität (Funktionale Anpassbarkeit) Verschiedenste Plattformen (8-64 Bit, mit/ohne MMU) Alle Eigenschaften lassen sich konfigurieren / anpassen 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 5

6 Historie: Der PURE Nucleus , Uni Potsdam/Magdeburg feinere Granularität geht wohl kaum ;-) preemptive 4062 preemption non-preemptive 1699 cooperative 1648 scheduling dispatching coordinative 2306 propagation interruptive 1268 exclusive 434 objectification synchronization interruption 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 6

7 Historie: Der PURE Nucleus , Uni Potsdam/Magdeburg feinere Granularität geht wohl kaum ;-) preemptive 4062 preemption non-preemptive 1699 cooperative 1648 scheduling dispatching Was ist mit der Variabilität? coordinative 2306 propagation interruptive 1268 exclusive 434 objectification synchronization interruption 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 7

8 Granularität und Variabilität [Granularität] Individualsystem + tief eingebettete Systeme eingebettete Systeme Linux + + OSEK Server / + Linux PC-Systeme [A n w e n d u n g s a n p a s s b a r k e i t] + Windows [Variabilität] 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 8

9 Granularität und Variabilität [Granularität] Individualsystem + tief eingebettete Systeme + PURE ECOS + eingebettete Systeme + OSEK embedded Linux + + OSEK Server / + Linux PC-Systeme + Windows + Windows [A n w e n d u n g s a n p a s s b a r k e i t] + klassisches UNIX [Variabilität] 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 9

10 Granularität und Variabilität [Granularität] Individualsystem + tief eingebettete Systeme ECOS + eingebettete Systeme + OSEK embedded Linux + + OSEK Server / + Linux PC-Systeme + Windows + Windows + PURE [A n w e n d u n g s a n p a s s b a r k e i t] + CiAO? + klassisches UNIX [Variabilität] 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 10

11 Im Fokus von CiAO: Variabilität Konfigurierung nicht-funktionaler Eigenschaften Kernsynchronisation - grobgranular, feingranular, ohne Unterbrechungsbehandlung - Verteilung (Hardware, Scheduler) - Bearbeitung (Handlerfunktion, Prolog-/Epilog, Kernelthread, Prozess) Speicherschutzkonzept - ohne, Segmentierung, Addressräume Platzierung der BS-Komponenten - gemeinsam, Segmente, Addressräume, Prozesse Interaktion zwischen BS-Komponenten - Prozeduraufruf, Nachricht, IPC Optimierungen - Caching, Aufrufpfade 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 11

12 Im Fokus von CiAO: Variabilität Konfigurierung nicht-funktionaler Eigenschaften Kernsynchronisation - grobgranular, feingranular, ohne Unterbrechungsbehandlung - Verteilung (Hardware, Scheduler) - Bearbeitung (Handlerfunktion, Prolog-/Epilog, Kernelthread, Prozess) Speicherschutzkonzept - ohne, Segmentierung, Addressräume Platzierung der BS-Komponenten - gemeinsam, Segmente, Addressräume, Prozesse Interaktion zwischen BS-Komponenten - Prozeduraufruf, Nachricht, IPC Optimierungen - Caching, Aufrufpfade Konfigurierbare Architektur 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 12

13 Ansatz: Verwendung von AOP zur Implementierung querschneidender Belange Strategien (Synchronisation, Ressourcenmanagement) Plattformspezifische Optimierungen (Caching, Bypassing) zur Bindung/Interaktion der Komponenten Je nach Zielarchitektur (Prozedur, Moduswechsel, IPC) Variabilität und Granularität durch lose Kopplung zur Platzierung der Komponenten Je nach Zielarchitektur (Addressraum, Thread, Prozess) 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 13

14 Ansatz: Verwendung von AOP zur Implementierung querschneidender Belange Strategien (Synchronisation, Ressourcenmanagement) Plattformspezifische Optimierungen (Caching, Bypassing) zur Bindung/Interaktion der Komponenten Je nach Zielarchitektur (Prozedur, Moduswechsel, IPC) Variabilität Komponenten und Granularität müssen durch aspektgewahr lose Kopplung entworfen sein zur Platzierung der Komponenten Je nach Zielarchitektur (Addressraum, Thread, Prozess) 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 14

15 RS232-Treiber, direkter Zugriff class RS232 { public: void read(char*, int) { ; int main() { RS232 com; com.read(buf, 16); 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 15

16 RS232-Treiber, konfiguriert als ProtectedComponent class RS232 { public: void read(char*, int) { ; class Mutex { void lock(); void unlock() ; aspect ProtectedComponent { pointcut virtual classes() = 0; pointcut virtual funcs() = 0; advice classes() : Mutex _m; advice execution(funcs()) : before { tjp->that()->_m.lock(); int main() { RS232 com; com.read(buf, 16); ; advice execution(funcs()) : after { tjp->that()->_m.unlock(); 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 16

17 RS232-Treiber, konfiguriert als ProtectedComponent class RS232 { public: void read(char*, int) { ; aspect RS232Config : public ProtectedComponent { pointcut classes() = RS232 ; pointcut funcs() = % RS232::%(); ; int main() { RS232 com; com.read(buf, 16); class Mutex { void lock(); void unlock() ; aspect ProtectedComponent { pointcut virtual classes() = 0; pointcut virtual funcs() = 0; ; advice classes() : Mutex _m; advice execution(funcs()) : before { tjp->that()->_m.lock(); advice execution(funcs()) : after { tjp->that()->_m.unlock(); 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 17

18 RS232-Treiber, konfiguriert als ProtectedComponent class RS232 { Mutex _m; public: void read(char*, int) { before_1(); after_1(); ; aspect RS232Config : public ProtectedComponent { pointcut classes() = RS232 ; pointcut funcs() = % RS232::%(); ; int main() { RS232 com; com.read(buf, 16); class Mutex { void lock(); void unlock() ; aspect ProtectedComponent { pointcut virtual classes() = 0; pointcut virtual funcs() = 0; ; advice classes() : Mutex _m; advice execution(funcs()) : before { tjp->that()->_m.lock(); advice execution(funcs()) : after { tjp->that()->_m.unlock(); 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 18

19 RS232-Treiber, konfiguriert als MiniServer class RS232 { public: void read(char*, int) { ; class MiniServer : public Thread { void run() { AC::Action* act; while(true){ Thread& s=receive(any, act); act->trigger(); send(s); ; aspect MiniServerComponent { pointcut virtual classes() = 0; pointcut virtual funcs() = 0; advice classes() : MiniServer _s; int main() { RS232 com; com.read(buf, 16); advice call(funcs()) &&!within(classes()) : around(){ send(tjp->target()->_s, &tjp->action()); receive(tjp->target()->_s); ; 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 19

20 RS232-Treiber, konfiguriert als MiniServer class RS232 { MiniServer _s; public: void read(char*, int) { ; aspect RS232Config : public MiniServerComponent { pointcut classes() = RS232 ; pointcut funcs() = % RS232::%(); ; int main() { RS232 com; around_1( <com.read(buf, 16)> ); class MiniServer : public Thread { void run() { AC::Action* act; while(true){ Thread& s=receive(any, act); act->trigger(); send(s); ; aspect MiniServerComponent { pointcut virtual classes() = 0; pointcut virtual funcs() = 0; advice classes() : MiniServer _s; advice call(funcs()) &&!within(classes()) : around(){ send(tjp->target()->_s, &tjp->action()); receive(tjp->target()->_s); ; 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 20

21 Zusammenfassung: Das CiAO-Projekt Evaluierung von AOP im Betriebssystembau AspectC++ Konfigurierung von Betriebssystem-Produktlinien Insbesondere nicht-funktionale Eigenschaften Wandlungsfähiges Betriebssystem Architekturtransparente Komponenten Durch Aspekte an konkrete Architektur angepasst Ziel: Hohe Variabilität Grenzen der Konfigurierbarkeit Kosten (Größe/Laufzeitoverhead) der Konfigurierbarkeit 2004 Daniel Lohmann, Olaf Spinczyk 21