Zobrazení zdroje stránky L4 (jádro)

{{Infobox - operační systém
| jméno = L4
| logo =
| velikost loga =
| obrázek =
| popisek =
| web = [https://www.l4ka.org/ www.l4ka.org]<br />[https://web.archive.org/web/20191025002913/http://www.l4hq.org/ L4 Hq (archiv)]
| vyvíjí = [[Jochen Liedtke]] a další
| rodina = [[Unix-like]] a další
| druh = [[Svobodný software]]
| aktuální verze = 0.4
| datum vydání = [[15. červenec|15. července]] [[2013]] (L4Ka::Pistachio)
| způsob aktualizace =
| správce balíčků =
| podporované platformy = [[x86]],<br />[[x86-64]],<br />[[PowerPC]] (L4Ka::Pistachio)<br />[[MIPS (architektura)|MIPS]] (L4/MIPS)<br />[[DEC Alpha|Alpha]] (L4/Alpha)
| typ kernelu = [[mikrojádro]] druhé generace
| programovací jazyk = [[Jazyk symbolických adres|assembler]]<ref name="l4hq">{{Citace elektronické monografie
 | titul = Kernel APIs
 | vydavatel = l4hq.org
 | datum_přístupu = 2019-04-09
 | url = http://l4hq.org/kernels/
 | jazyk = anglicky
 | url archivu = https://web.archive.org/web/20190325030717/http://www.l4hq.org/kernels/
 | datum archivace = 2019-03-25
 | nedostupné = ano
 }}</ref><br />(originální L4)<br />[[C++]]<ref name="l4ka">{{Citace elektronické monografie
 | titul = L4Ka::Pistachio microkernel
 | vydavatel = www.l4ka.org
 | datum_přístupu = 2019-04-09
 | url = http://www.l4ka.org/65.php
 | jazyk = anglicky
}}</ref>, [[Jazyk symbolických adres|assembler]]<br />(L4Ka::Pistachio)<br />[[C++]]<ref name="l4ka-fiasco">{{Citace elektronické monografie
 | titul = Fiasco microkernel
 | vydavatel = www.l4ka.org
 | datum_přístupu = 2019-04-09
 | url = https://www.l4ka.org/57.php
 | jazyk = anglicky
}}</ref>, [[Jazyk symbolických adres|assembler]]
(L4/Fiasco)
| uživatelské rozhraní =
| licence = [[Svobodný software]], [[BSD licence]] (L4Ka::Pistachio)
| stav = Aktivní
| podpora do =
| první zveřejnění = 
}}
'''L4''' je rodina [[mikrojádro|mikrojader]] druhé generace nejčastěji používaných pro implementaci [[UN*X|un*xových]] [[operační systém|operačních systémů]], ale používaných také v různých jiných systémech.

L4 byl stejně jako jeho předchůdce [[L3 (jádro)|L3]] vytvořen německým počítačovým vědcem [[Jochen Liedtke|Jochenem Liedtkem]] jako odpověď na slabý výkon raných mikrojaderných operačních systémů. Liedtke se domníval, že mikrojádro použitelné pro praxi vznikne spíše na základě systému navrženého pro vysoký výkon, než na základě systému navrženého pro jiné cíle. Jeho původní implementace v ručně psaném [[Jazyk symbolických adres|assembleru]] [[Centrální procesorová jednotka|procesoru]] [[Intel 80386]] vyvolala v počítačovém průmyslu značný zájem. L4 byl už od svého uvedení vyvíjen s důrazem na [[počítačová bezpečnost|bezpečnost]], izolaci [[Proces (informatika)|procesů]] a [[robustnost]].

Mikrojádro L4 se dočkalo nejrůznějších reimplementací původního binárního rozhraní ([[ABI]]) a vzniklo tak mimo jiné '''L4Ka::Hazelnut''' a '''L4Ka::Pistachio''' ([[Technologický institut v Karlsruhe]]), '''L4/Alpha''' a '''L4/MIPS''' ([[UNSW]]) a '''L4/Fiasco''' ([[Technická univerzita Drážďany]]). Z tohoto důvodu je název '''L4''' vnímán obecněji a je nyní používán pro celou rodinu mikrojader zahrnující různé verze [[Jádro (informatika)|jaderného]] [[Interface (programová konstrukce)|rozhraní]].

L4 je široce rozšířeno. Jedné varianty, OKL4 od [[Open Kernel Labs]], bylo prodáno v miliardách mobilních zařízení.<ref name="OKL_PR">{{cite press release
 |title           = Open Kernel Labs Software Surpasses Milestone of 1.5 Billion Mobile Device Shipments
 |url             = http://www.ok-labs.com/releases/release/ok-labs-software-surpasses-milestone-of-1.5-billion-mobile-device-shipments
 |date            = January 19, 2012
 |publisher       = [[Open Kernel Labs]]
 |accessdate      = 2014-08-24
 |titul           = Archivovaná kopie
 |datum přístupu  = 2014-08-24
 |url archivu     = https://web.archive.org/web/20120211210405/http://www.ok-labs.com/releases/release/ok-labs-software-surpasses-milestone-of-1.5-billion-mobile-device-shipments
 |datum archivace = 2012-02-11
 |nedostupné      = ano
}} {{Wayback|url=http://www.ok-labs.com/releases/release/ok-labs-software-surpasses-milestone-of-1.5-billion-mobile-device-shipments |date=20120211210405 }} {{Citace elektronického periodika |titul=Archivovaná kopie |url=http://www.ok-labs.com/releases/release/ok-labs-software-surpasses-milestone-of-1.5-billion-mobile-device-shipments |datum přístupu=2014-08-24 |url archivu=https://web.archive.org/web/20120211210405/http://www.ok-labs.com/releases/release/ok-labs-software-surpasses-milestone-of-1.5-billion-mobile-device-shipments |datum archivace=2012-02-11 }}</ref>

== Historie ==
[[Operační systém]] typu [[mikrojádro]] (mikrokernel) vznikl jako reakce na neustálé zvětšování klasických [[Monolitické jádro|monolitických operačních systémů]], u kterých tak začal být obtížný další vývoj a údržba. Návrh mikrojádra proto odpovídá teorii [[Strukturované programování|strukturovaného programování]]. Výhoda mikrojádra spočívá v rozdělení systému na menší části (uživatelské servery a vlastní mikrojádro), což přináší vyšší přehlednost kódu.

Nevýhodou mikrojádra je častější nutnost změny kontextu při systémovém volání mezi uživatelským procesem, mikrojádrem a obsluhujícími servery, a s tím související ztráty výkonu.

Špatný výkon první generace mikrokernelů, jako byl zejména [[Mach (jádro)|Mach 3]], vedl v polovině devadesátých let 20. století množství vývojářů k redefinici celého konceptu mikrokernelu.

Asynchronní vnitro-kernelový koncept [[Meziprocesová komunikace|meziprocesové komunikace]] (IPC) mikrokernelu Mach 3, používající velkou vyrovnávací paměť (buffer), se ukázal být jedním z hlavních důvodů pro jeho špatný výkon. Toto přimělo vývojáře na Machu založených operačních systémů k přenesení některých časově kritických komponent, jako jsou ovladače (systém [[GNU Hurd]])<ref name="device-drivers-in-mach">{{Citace elektronické monografie
 | příjmení = Kousoulos
 | jméno = Constantine
 | titul = Re: Device drivers in Mach?
 | datum_vydání = 2007-03-21
 | url = http://lists.gnu.org/archive/html/bug-hurd/2007-03/msg00089.html
 | jazyk = anglický
}}</ref> a [[Souborový systém|souborové systémy]], zpět do jádra, často až k přechodu k [[hybridní jádro|hybridnímu jádru]] (systémy [[macOS]], [[Windows NT|NT]]).<ref>{{Citace monografie|příjmení = Custer|jméno = Helen|příjmení2 = |jméno2 = |titul = Windows NT|vydání = 1.|vydavatel = Grada Publishing|místo = Praha|rok = 1994|počet stran = 424|strany = |isbn = 80-85424-87-8}}</ref> I&nbsp;když to poněkud zmírnilo problémy s výkonem, je to jasné porušení minimalistického konceptu opravdových mikrokernelů a plýtvá jejich hlavními výhodami.

Detailní analýza úzkého hrdla operačního systému Mach indikuje, že (jakékoliv další) požadavky na mikrokernel, dělají problém příliš složitým: kód meziprocesové komunikace [[Meziprocesová komunikace|IPC]], jehož většina je v jádře, představuje špatnou lokalizaci; což ve výsledku znamená příliš mnoho neúspěšných čtení cache CPU (musí se číst z mnohem pomalejší paměti). Tato analýza vedla k závěru, že efektivní mikrokernel musí být dostatečně malý, aby většina výkonu kritického kódu byla k dispozici v cache první úrovně (pokud možno malý zlomek zmíněné cache).

Po zkušenosti s použitím svého mikrokernelu L3, dospěl Liedtke k závěru, že i několik dalších konceptů Machu bylo špatných. Prostřednictvím zjednodušení konceptu mikrokernelu ještě vynalezl první mikrokernely L4 ([[Jádro operačního systému|jádra]] druhé generace), které byly od počátku primárně navrženy pro vysoký výkon. Za účelem vyždímat každý kousek výkonu jádra, byly celé napsány v [[Jazyk symbolických adres|assembleru]] a jeho [[meziprocesová komunikace]] (IPC), tak byla 20krát rychlejší než v případě Machu.

== Architektura ==
K nastínění obecné představy o mikrokernelu, [[Jochen Liedtke|Liedtke]] uvedl:

„''Koncept mikrokernelu je tolerovatelný pouze tehdy, pokud přenáší maximum funkcí zevnitř kernelu ven, a tím umožňuje využití paralelního běhu serverů zabezpečujících požadovanou funkčnost systému.“''<ref name="Lie95">{{cite conference
 |first           = Jochen
 |last            = Liedtke
 |authorlink      = Jochen Liedtke
 |title           = On µ-Kernel Construction
 |booktitle       = Proc. 15th ACM Symposium on Operating Systems Principles (SOSP)
 |pages           = 237–250
 |date            = December 1995
 |url             = http://i30www.ira.uka.de/research/publications/papers/index.php?lid=en&docid=642
 |titul           = Archivovaná kopie
 |datum přístupu  = 2014-08-24
 |url archivu     = https://web.archive.org/web/20090318005943/http://i30www.ira.uka.de/research/publications/papers/index.php?lid=en&docid=642
 |datum archivace = 2009-03-18
 |nedostupné      = ano
}} {{Wayback|url=http://i30www.ira.uka.de/research/publications/papers/index.php?lid=en&docid=642 |date=20090318005943 }}</ref>

V tomto duchu, mikrokernel '''L4''' poskytuje několik základních mechanismů: [[address space]]s (abstrahujících tabulky stránek a poskytujících ochranu paměti, [[Vlákno (program)|threads]] a [[Plánování procesů|scheduling]] (abstrahujících provádění vláken a poskytující plánování), a [[Meziprocesová komunikace|meziprocesovou komunikaci]] (pro řízení komunikace mezi [[Proces (informatika)|procesy]] a thready).

Operační systém založený na mikrokernelu jako je '''L4''', poskytuje služby, jako jsou servery, v [[User space|uživatelském prostoru]], zatímco [[Monolitické jádro|monolitické kernely]], jako je [[Linux (jádro)|Linux]] a jako je první generace mikrokernelů, obsahuje uvnitř [[User space#Kernel space|prostoru jádra]]. Například kvůli implementaci Unix-like bezpečnostního systému, musí mikrokernel (jako '''L4''') poskytnout (uživatelské) servery pro management práv, zatímco mikrokernel [[Mach (jádro)|Mach]] je obsahuje uvnitř kernelu.

[[Soubor:L4 family tree.png|náhled|400px|L4 family tree]]

=== L4 ===
Po zkušenosti s použitím L3, dospěl Liedtke k závěru, že několik dalších konceptů Machu bylo také špatných. Prostřednictvím zjednodušení konceptu mikrokernelu ještě vynalezl první mikrokernely řady L4, které byly od počátku primárně navrženy pro vysoký výkon. Za účelem vyždímat každý kousek výkonu jádra, bylo celé napsáno v [[Jazyk symbolických adres|assembleru]] a jeho [[meziprocesová komunikace]] (IPC) tak byla 20krát rychlejší než v případě Machu.<ref name="Liedtke_93">{{cite conference
 | first = Jochen
 | last = Liedtke
 | authorlink = Jochen Liedtke
 | title = Improving IPC by kernel design
 | booktitle = 14th ACM Symposium on Operating System Principles
 | pages = 175–88
 | publisher =
 |date=December 1993
 | location = Asheville, NC, USA
 | url = http://portal.acm.org/citation.cfm?id=168619.168633&coll=portal&dl=ACM&type=series&idx=168619&part=Proceedings&WantType=Proceedings&title=ACM%20Symposium%20on%20Operating%20Systems%20Principles&CFID=18793560&CFTOKEN=54028606
 | accessdate =
 | id =
}}</ref> Tak dramatický nárůst výkonu je vzácná událost v oblasti operačních systémů, a Liedtkova práce spustila nové kolo implementace a práce na systémech založených na L4 v řadě [[Vysoká škola|vysokých škol]] a výzkumných ústavů, včetně [[IBM]], kde Liedtke začal pracovat v roce [[1996]], [[Technická univerzita Drážďany|TU Dresden]] a UNSW. V [[Thomas J. Watson Research Center]] IBM Liedtke a jeho kolegové pokračovali ve výzkumu L4 a mikrokernelových systémů založených obecně, zejména ''Sawmill OS''.<ref name="Gefflaut_JPLEUTDR_00">{{cite conference
 | first1 = Alain
 | last1 = Gefflaut
 | first2 = Trent
 | last2 = Jaeger
 | first3 = Yoonho
 | last3 = Park 
 | authorlink4 = Jochen Liedtke
 | first4 = Jochen
 | last4 = Liedtke
 | first5 = Kevin
 | last5 = Elphinstone
 | first6 = Volkmar
 | last6 = Uhlig
 | first7 = Jonathon
 | last7 = Tidswell
 | first8 = Luke
 | last8 = Deller
 | first9 = Lars
 | last9 = Reuther
 | title = The Sawmill multiserver approach
 | booktitle = ACM SIGOPS European Workshop
 | pages = 109-114
 | date = 2000
 | location = Kolding, Denmark
}}</ref>

== Portabilita (přenositelnost) ==

=== L4Ka::Pistachio ===
Až do vydání L4Ka::Pistachio<ref name="pistachio_home">{{Citace elektronické monografie
 | titul = L4Ka::Pistachio microkernel
 | url = http://www.l4ka.org/65.php
}}</ref> a novějších verzí L4/Fiasco, byly všechny mikrokernely L4 ze své podstaty vázány k základní architektuře [[Centrální procesorová jednotka|CPU]]. Další velký posun ve vývoji L4, byl vývoj na platformě nezávislého rozhraní [[API]], které by ještě udržel na vysoké výkonnosti, i přes svoji snazší přenositelnost. Přestože základní koncepce jádra zůstala stejná, nové API nyní poskytuje mnoho radikálních změn oproti předchozí verzi L4, včetně lepší podpory pro systémy s více [[Centrální procesorová jednotka|CPU]] (jádry), volnější vazby mezi [[Vlákno (program)|vlákny]] (thready) a [[Adresní prostor|adresními prostory]] a zavedení uživatelské úrovně řídící blok vláken (UTCBs) a [[Virtuální paměť|virtuální paměti]]. Po uvolnění nové L4 API (verze X.2 aka verze 4) na počátku roku [[2001]] aplikovala ''System Architecture Group'' na univerzitě v [[Karlsruhe]] nový kernel, (''L4Ka::Pistachio'') úplně od začátku, nyní se zaměřením se jak na vysoký výkon, tak na přenositelnost. Toto bylo vydáno pod dvojklauzulovou [[BSD licence|BSD licencí]].

== Vysoká spolehlivost a bezpečnost ==

=== seL4 ===
V roce [[2006]] zahájila skupina [[NICTA]] vývoj třetí generace mikrokernelu, s názvem '''seL4''', s cílem poskytnout základ pro vysoce bezpečné a spolehlivé systémy, vhodné pro uspokojování bezpečnostních požadavků, jako jsou ty z [[Common Criteria]] i mimo ně. {{Podrobně|seL4}}

== Související články ==

=== Osobnosti ===
* [[Jochen Liedtke]] – autor původního [[mikrojádro|mikrojádra]] L4
* [[Andrew S. Tanenbaum]] – autor jader [[MINIX]] 1 a 2, a mikrojádra [[MINIX 3]], vizte též jádro [[NetBSD]]
* [[Gernot Heiser]] – autor mikrojádra [[seL4]]

=== GNU – GNU GPL (licence) ===
* [[Free Software Foundation]] (FSF) – organizace ([[nadace]]), která zastřešuje [[Projekt GNU]]
** Projekt GNU – projekt původně [[Richard Stallman|Richarda Stallmana]], který má za cíl vyvinout kvalitní a [[svobodný software|svobodný]] [[operační systém]] – [[GNU]]
*** [[GNU General Public License|GNU GPL]] – licence napsané Richardem Stallmanem a dalšími, k uskutečnění cílů Projektu GNU
**** [[GNU Hurd]] – svobodný operační systém založený na mikrokernelu [[GNU Mach]], vyvíjený Projektem GNU
**** [[KataOS]] – svobodný operační systém od [[Google]] založený na mikrokernelu [[seL4]]<ref name="kataos1" /><ref name="kataos2" /><ref name="kataos3" />
**** [[Linux (jádro)]] – jádro svobodného operačního systému, vyvíjené [[Linux Foundation]]; modulární [[monolitické jádro]]
**** [[Linux-libre]] – jádro svobodného operačního systému, vyvíjené [[Dceřiná společnost|dcerou]] [[Free Software Foundation|FSF]] ([[Free Software Foundation Latin America|FSFLA]]), [[fork]] Linux (jádro); modulární monolitické jádro

=== BSD – BSD licence ===
* Berkeley Software Distribution – obchodní organizace při [[Kalifornská univerzita v Berkeley|University of California, Berkeley]], která vyvinula licenci [[BSD licence|BSD]] a používala pro práce nad operačním systémem [[BSD|BSD Unix]].
** [[BSD licence]] – licence organizace BSD, která používala pro [[BSD|BSD Unix]] a odvozená díla
*** [[FreeBSD]] – [[Svobodný software|svobodný]] [[operační systém]], který vznikl z [[BSD|BSD Unixu]]; modulární [[monolitické jádro]]
*** [[DragonFly BSD]] – [[Svobodný software|svobodný]] [[operační systém]], [[fork]] [[FreeBSD]] 4.8 s [[Hybridní jádro|hybridním jádrem]]
*** [[NetBSD]] – [[Svobodný software|svobodný]] [[operační systém]], který vznikl z [[BSD|BSD Unixu]] (před [[FreeBSD]]); modulární [[monolitické jádro]]
*** [[OpenBSD]] – [[Svobodný software|svobodný]] [[operační systém]], [[fork]] [[NetBSD]] zaměřený na bezpečnost; [[monolitické jádro]]
*** [[MINIX 3]] – [[Svobodný software|svobodný]] [[operační systém]]; [[mikrojádro]] navržené a vytvořené profesorem jménem [[Andrew S. Tanenbaum]]em; [[Softwarová kompatibilita|kompatibilita]] s NetBSD

== Reference ==
<references>
<ref name="kataos1">{{Citace elektronického periodika
| příjmení = PM
| jméno = WN
| titul = KataOS by mohl pohánět zařízení internetu věcí s podporou ML
| periodikum = www.businessit.cz
| url = https://www.businessit.cz/cz1/kataos-by-mohl-pohanet-zarizeni-internetu-veci-s-podporou-ml.php
| datum přístupu = 2022-12-14
}}</ref><ref name="kataos2">{{Citace elektronického periodika
| titul = Google oznámil vývoj operačního systému KataOS
| periodikum = www.abclinuxu.cz
| url = https://www.abclinuxu.cz/zpravicky/google-oznamil-vyvoj-operacniho-systemu-kataos
| datum přístupu = 2022-12-13
}}</ref><ref name="kataos3">{{Citace elektronické monografie
| titul = Announcing KataOS and Sparrow
| url = https://opensource.googleblog.com/2022/10/announcing-kataos-and-sparrow.html
| datum přístupu = 2022-12-13
}}</ref>
</references>

== Další čtení ==
* Jochen Liedtke, Ulrich Bartling, Uwe Beyer, Dietmar Heinrichs, Rudolf Ruland, Gyula Szalay. ''[http://portal.acm.org/citation.cfm?id=122124&dl=ACM&coll=&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618 Two years of experience with a μ-Kernel based OS]'', ACM Press 1991
* {{Cite conference
 |first           = Jochen
 |last            = Liedtke
 |authorlink      = Jochen Liedtke
 |coauthors       = Haeberlen, Andreas; Park, Yoonho; Reuther, Lars; Uhlig, Volkmar
 |date            = 2000-10-22
 |title           = Stub-Code Performance is Becoming Important
 |booktitle       = In Proceedings of the 1st Workshop on Industrial Experiences with Systems Software (WIESS), San Diego, CA, October 2000
 |url             = http://l4ka.org/publications/
 |format          = PDF
 |accessdate      = 2006-09-05
 |titul           = Archivovaná kopie
 |datum přístupu  = 2014-08-24
 |url archivu     = https://web.archive.org/web/20110130215823/http://l4ka.org/publications/
 |datum archivace = 2011-01-30
 |nedostupné      = ano
}} {{Wayback|url=http://l4ka.org/publications/ |date=20110130215823 }} (on L4 kernel and compiler)
* Cheng Guanghui, Nicholas Mc Guire. ''[https://web.archive.org/web/20120327161621/http://dslab.lzu.edu.cn:8080/docs/publications/l4_kickstart.pdf L4/Fiasco/L4Linux Kickstart]'', Distributed & Embedded Systems Lab – Lanzhou University
* {{Cite conference
 | first1 = Kevin
 | last1 = Elphinstone
 | first2 = Gernot
 | last2 = Heiser
 | authorlink2 = Gernot Heiser
 | date = October 2014
 | title = From L3 to seL4: What Have We Learnt in 20 Years of L4 Microkernels?
 | booktitle = 24th ACM SIGOPS Symposium on Operating Systems Principles
 | location = Farmington, PA, USA
 | pages = 133-150
 | url = http://ssrg.nicta.com.au/publications/nictaabstracts/Elphinstone_Heiser_13.abstract.pml
 | titul = Archivovaná kopie
 | datum přístupu = 2014-08-24
 | url archivu = https://web.archive.org/web/20140812065831/http://ssrg.nicta.com.au/publications/nictaabstracts/Elphinstone_Heiser_13.abstract.pml
 | datum archivace = 2014-08-12
 | nedostupné = ano
 }} {{Wayback|url=http://ssrg.nicta.com.au/publications/nictaabstracts/Elphinstone_Heiser_13.abstract.pml |date=20140812065831 }} Evolution of L4 design and implementation approaches

== Externí odkazy ==
* [https://web.archive.org/web/20140830054545/http://www.l4hq.org/ L4Hq]: L4 headquarters, community site for L4 projects
* [http://os.inf.tu-dresden.de/L4/ The L4 microkernel family]: Overview over L4 implementations, documentation and projects
* [http://wiki.tudos.org/ Official TUD:OS Wiki]
* [http://www.l4ka.org L4Ka]: Implementations L4Ka::Pistachio and L4Ka::Hazelnut
* [http://www.cse.unsw.edu.au/~disy/L4/ UNSW]: Implementations for [[DEC Alpha]] and [[MIPS (architektura)|MIPS architecture]]
* [https://web.archive.org/web/20080820043831/http://okl4.org/ OKL4]: Commercial L4 version from [https://web.archive.org/web/20090319021316/http://www.ok-labs.com/ Open Kernel Labs]
* [https://web.archive.org/web/20140717185304/http://www.ertos.nicta.com.au/research/l4/ NICTA L4]: Research Overview and Publications
* [http://genode.org/about/index Genode Operating System Framework], an offspring of the L4 community
* [http://www.linuxexpres.cz/novinky/zdrojove-kody-sel4-otevreny Zdrojové kódy seL4 otevřeny] {{cs}}

{{Portály|Svobodný software}}
[[Kategorie:Operační systémy]]
[[Kategorie:Mikrojádra]]
[[Kategorie:Systémový software]]
[[Kategorie:Svobodný software]]
[[Kategorie:Software v C]]
[[Kategorie:Software v Jazyce symbolických adres]]