XNU

XNU
開発元	Apple
初版	1996年12月 (28年前)
リポジトリ	github.com/apple-oss-distributions/xnu;
プログラミング; 言語	C　C++
対応OS	Darwin, iOS, macOS, Unix系
サポート状況	開発中
種別	カーネル・ハイブリッドカーネル
ライセンス	Apple Public Source License 2.0
公式サイト	www.opensource.apple.com/
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XNUは、Appleが取得・開発したオペレーティングシステムカーネルである。macOSに用いられ、オープンソースソフトウェアのDarwinの一部として公開されている。XNUはX is Not Unixの略^[1]。

デザイン

XNUはモノリシックカーネルとマイクロカーネルの特徴を併せもつハイブリッドカーネルで、マイクロカーネルが可能にするメッセージパッシングのモジュール性やより広範なメモリ保護、モノリシックカーネルがもつ実行速度の保持など、両方の技術を有効に利用することを試みている。

XNUは現在、ARM^[2]、IA-32、x64、PowerPCベースのプロセッサにおいて、シングルプロセッサとSMPの両方で動作する。

XNUカーネルの図
Noyau xnu simplifié

Mach

XNUの基礎であるMachはシンプルなマイクロカーネルであり、OSのコアを分割された柔軟なプロセスとして実行することができる（Machコアの上でいくつかのOSを平行して実行できる）。しかし、これはカーネル/ユーザモードの切り替えに時間を消費し、またマイクロカーネルのアドレス空間とデーモンとのあいだで行われるメッセージのマッピングやコピーによってオーバーヘッドを生じることから、しばしばパフォーマンスが低下してしまう。macOSでは効率化のために、BSDの機能はMachのコアの中に組み込まれた。その結果、Machと古典的なBSDカーネル両方の利点と欠点を併せもつものとなった。

Machは、カーネルスレッド、プロセス管理、プリエンプティブ・マルチタスク、メッセージパッシング（プロセス間通信）、メモリ保護、仮想記憶、ソフトリアルタイム処理のサポート、カーネルデバッグのサポート、コンソールI/Oを提供する。

XNU カーネル
XNUの図

BSD

カーネルのBSDの部分は、POSIX API（BSDシステムコール）、Machタスク上でのUnixプロセスモデル、基本的なセキュリティーポリシー、ユーザIDとグループID、アクセス権、プロトコルスタック、仮想ファイルシステム、HFS / HFS+などいくつかのローカルファイルシステム、Network File System (NFS) クライアントとサーバ、暗号化フレームワーク、UNIX System V プロセス間通信、auditサブシステム、強制アクセス制御、いくつかのlocking primitivesを提供する。

I/O Kit

I/O Kit（英語版）はC++のサブセットで書かれたデバイスドライバフレームワークである。オブジェクト指向設計を用いており、ドライバのクラスに共通する機能を提供し、ドライバをより早くより少ないコードで書けるようにする。I/O Kitはマルチスレッド化されており、対称型マルチプロセッシングを保証し、ホットプラグや動的なデバイスの配置を可能にする。

システムの安定性を高めるため、多くのドライバはユーザ空間で実行されるように書くことができる。（もしユーザ空間のドライバがクラッシュしてもカーネルはクラッシュしないが、カーネル空間のドライバがクラッシュするとカーネルもクラッシュする。）カーネル空間のドライバの例として、ディスクアダプタやネットワークアダプタのドライバ、グラフィックドライバ、USBやFireWireのコントローラのドライバ、仮想機械のドライバなどがある。

共有資源の保護

マルチプロセッサのマシンを安全に動かすために（ファイル、データ構造など）共有資源へのアクセスは、同一時間のうちにリソースが改変されないように直列化しなければならない。同時発生的なアクセスを防ぐための手法として不可分操作、スピンロック、クリティカルセクション、排他制御、serializing tokenを用いることができる。

歴史

NeXT社時代

→詳細は「NEXTSTEP」および「OPENSTEP」を参照

もともとNeXTSTEP OSのためにNeXTによって開発されたXNUは、カーネギーメロン大学が開発したMachカーネル2.5に4.3BSDコンポーネントを付加し、Driver Kitと呼ばれるドライバを記述するためのオブジェクト指向APIを組み合わせたハイブリッドカーネルであった。

Apple買収後

→詳細は「macOS」、「Darwin」、および「iOS」を参照

NeXTがAppleに買収された後、Machコンポーネントは3.0へ、BSDコンポーネントはFreeBSDプロジェクトに由来するコードへとアップグレードされ、Driver KitはI/O Kitと呼ばれるドライバを記述するためのC++ APIに置き換えられた。

K32/K64

XNUはMac OS X 10.6 Snow Leopard（Darwinバージョン10）から、K32と呼ばれる32ビットのバージョンとK64と呼ばれる64ビットのバージョンの2つになった^[3]。K32は64ビットアプリケーションをユーザランドで実行できる。Mac OS X 10.6で新しくなったのは、XNUが64ビットのカーネル空間で実行できるようになったことである。K64はK32と比べていくつかの利点がある^[4]。

実メモリとして32GBより多いRAMを扱うことができる。
より大きなキャッシュバッファが扱え、潜在的なI/Oパフォーマンスが向上する。
非常に大きなDMAバッファがいくつかあっても、すべてのデバイスを64ビット空間に配置でき、高性能なネットワークデバイスや複数のGPUを使ったときのパフォーマンスが向上する。

64ビットカーネルをサポートする機種で、6と4キーを押し続けて起動するとK64で起動できる^[5]。K64は32ビットアプリケーションを実行できるが、32ビットカーネル機能拡張 (KEXT) は実行できないので、これらを読み込めるようにするにはK64に移植しなければならない。

脚注

^ “Porting UNIX/Linux Applications to Mac OS X: Glossary”. Apple Computer (2005年). 2009年3月27日閲覧。
^ “iPhone processor found: 620MHz ARM CPU” (1 July 2007). 2008年1月6日閲覧。
^ Mac OS X 10.6 Snow Leopard: the Ars Technica review, page 5
^ What's New in Mac OS X: Mac OS X v10.6
^ Mac OS X Server v10.6: Starting up with the 32-bit or 64-bit kernel

外部リンク

XNU: The Kernel - kernelthread.comによる、XNUコンポーネントの概要
Inside the Mac OS X Kernel - 'This talk intends to clear up the confusion by presenting details of the Mac OS X kernel'

[1] “Porting UNIX/Linux Applications to Mac OS X: Glossary”. Apple Computer (2005年). 2009年3月27日閲覧。

[2] “iPhone processor found: 620MHz ARM CPU” (1 July 2007). 2008年1月6日閲覧。

[3] Mac OS X 10.6 Snow Leopard: the Ars Technica review, page 5

[4] What's New in Mac OS X: Mac OS X v10.6

[5] Mac OS X Server v10.6: Starting up with the 32-bit or 64-bit kernel

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