Linux First: Кратко о linux-ядре
Этим постом начинаю серию статей “Linux First” — разбираюсь как устроен и как работает linux с начала загрузки ядра и дальше про подсистемы, сеть, процессы и многое другое.
Cписок статей серии можно найти по тэгу linux-first
Сегодня немного про историю и в общем про архитектуру.
История #
В августе 1991 года Линус Торвальдс написал в новостную ленту “minix” сообщение о том что он разрабатывает свободную операционую систему и хочет получить фидбэк от заинтересованных людей.
В сентябре Линус опубликовал версию 0.01. Этот исторический код можно посмотреть на github.
Особо сентиментальные ребята запилили образы для Qemu, в которых запускаются первые версии ядра и можно даже вызывать “доисторические” команды ls без хэлпов и прочих прелестей современных unix-команд.
К проекту сразу появился интерес и совместными усилиями Линуса и коммьюнити linux-ядро начало развиваться.
Через 3 года в 1994 выходит первая версия.
Ядро изначально проектировалось как монолитное и переносимое на разные процессорные архитектуры. Собственно из-за аритектуры в 1992 в группе обсуждения minix разгорелся холивар “монолит-ядро vs микро-ядрo” между Линусом Торвальдсом и Эндрю Таненбаумом (почти как и сейчас про монолит vs микросервисы).
Основной посыл холивара был в том что монолитное ядро устарело уже в 1992 году, а микроядра рулят и за ними будущее, но как показала история, даже 26 лет спустя монолитное ядро все еще живо и продолжает развиваться.
Текущая версия доросла до 5.6 (май 2020) и код начиная с 2.6 можно смотреть на оф сайте или на github-зеркале torvalds/linux
Архитектура #
Ядро делится на пространство ядра и пространство пользователя.
Пространство ядра через Интерфейс системных вызовов (SCI) позволяется вызывать функции ядра из пространства пользователя.
Вся работа с железом контролируется ядром, основная часть ядра архитектурно-независима, то есть этот код работает на любой архитектуре процессоров.
Специфичный код для работы с железом — архитектуро-зависимый — и либо уже есть в дистрибутиве Linux для определенной архитектуры, либо добавляется с помощью драйверов.
Ресурсы CPU распределяются между процессами планировщиком процессов O(1). Код планировщика может использовать фишки определенной процессорной архитектуры, поэтому как раз код планировщика разделен на архитектурно-независимый и архитектурно-зависимый.
Память аналогично ресурсам CPU контролируется ядром и эта же подсистема управляет подкачкой (swap).
Виртуальная файловая система (VFS) абстрагирует от конкретных файловых систем и через SCI позволяет работать с любыми файловыми система одинаково. Поддержка конкретных файлов систем добавляется через модули ядра.
Сеть контролируется отдельной подсистемой и через все тот же SCI позволяет открывать и работать с сетевыми сокетами разных протоколов.
Если хочется узнать подробнее про подсистемы — есть целая интерактивная карта linux-ядра, из которой можно узнать много нового и интересного — www.makelinux.net/kernel_map
Источники #
Что такое ядро Linux
Ядро Linux за авторством Линуса Торвальдса недавно отметило юбилей, вот уже три десятилетия оно используется в компьютерах по всему миру. Благодаря тому, что оно перенесено на множество платформ, его можно встретить практически везде, в персональных компьютерах, смартфонах, носимой электронике, бытовой технике и сетевых устройствах.
Так что же делает ядро Linux и почему оно так востребовано? Мы рассмторим архитектуру ядра, его основные задачи и интерфейсы. Это поможет понять его преимущества и недостатки.
Что такое ядро Linux
1. На чём написано ядро
Несмотря на то, что ассемблерный код позволяет достичь наилучшей производительности, его возможности весьма ограничены, поэтому большая часть кода написана на языке C, его доля достигает 98%. На ассемблере написаны только небольшие вставки, повышающие производительность, архитектурно-зависимые функции и загрузчик.
2. Архитектура ядра
Уровень доступа к ресурсам компьютера зависит от того, какое ядро использует операционная система. Привилегии ядра выше остальных приложений, а работает оно в едином адресном пространстве. В зависимости от того, сколько задач выполняется на уровне ядра, различают несколько типов ядер. Самые популярные – это монолитное (Linux), микроядро (macOS) и гибридное (Windows).
Ядро Linux монолитное, большая его часть хранится в одном файле. Однако, это не признак монолитного ядра, модули вполне могут храниться отдельно. Основная его особенность заключается в том, что оно обрабатывает все процессы, кроме пользовательских приложений. То есть управление процессами и памятью, драйверы, виртуальная файловая система, сетевой стек и многое другое – это всё заботы ядра, которые к тому же имеют самый высокий уровень доступа к аппаратной части компьютера.
Однако, это не означает то, что пользовательские приложения не могут выполнять схожие функции. Например, система инициализации Systemd помимо прочего выстраивает иерархию процессов поверх групп ядра cgroups, а демоны, вроде PulseAudio, контролируют работу устройств, расширяя функциональность драйверов.
Также стоит понимать, что ядро хоть и монолитное, но состоит из внутренних модулей, которые загружаются только по необходимости, а не все сразу. Некоторые модули хранятся отдельно от ядра, в основном это дополнительные драйверы устройств.
Интерфейсы, имена переменных и структура каталогов системы определяются стандартами POSIX, что делает Linux UNIX-подобной системой. Линус Торвальдс, создатель ядра, выбрал UNIX по той причине, что имелась база приложений, необходимых для функционирования операционной системы, утилиты GNU. Однако, он не разделяет идеи философии UNIX, одна программа – одно действие, текстовый вывод информации как универсальный интерфейс. По его мнению они не отражают запросы современных пользователей.
3. Что делает ядро
Как было сказано ранее, у монолитного ядра самый широкий спектр задач. На верхнем уровне ядро обрабатывает поступающие системные вызовы, которые являются интерфейсом между ядром и пользовательскими приложениями. На нижнем уровне ядро обрабатывает аппаратные прерывания, сигналы, поступающие от периферии, процессора, памяти и так далее.
На обработке прерываний задачи ядра не заканчиваются, оно содержит в себе драйверы устройств. Драйверы нужны для того, чтобы обработать поступающие с устройств сигналы, а команды приложений перевести в машинный код.
Драйверы занимают большую часть ядра. Некоторые из них представлены сразу в виде бинарных файлов, что противоречит идеям фонда СПО. Версия ядра без закрытых драйверов называется Linux-libre, на практике его использование крайне затруднительно, так как собрать компьютер на основе комплектующих только с открытыми драйверами у вас едва ли получится.
Остальные задачи ядра – это работа с абстракциями. Например, планировщик создаёт виртуальные потоки, менеджер памяти выделяет и изолирует часть оперативной памяти под процесс, виртуальная файловая система создаёт единое пространство для хранения файлов, а сетевой модуль создаёт сокеты. Это одно из условий обеспечения высокого уровня безопасности, иначе одна программа могла бы беспрепятственно взять конфиденциальные данные из другой, например, ключи шифрования.
Система межпроцессного взаимодействия следит за тем, чтобы не возникало конфликтов при обращении к одним и тем же ресурсам компьютера, а также обеспечивает обмен данными между процессами.
Со стороны пользовательских приложений всё это выглядит как настоящее оборудование, с той лишь разницей, что общение с процессором и памятью происходит не напрямую, а с помощью системных вызовов. Для периферийных устройств имеются символьные и блочные ссылки в каталоге /dev, последние отличает то, что ни работают с блоками фиксированного размера.
Несмотря на то, что ядро контролирует все процессы, само по себе оно ничего не делает, ему нужны пользовательские программы и их процессы. Среди базовых приложений стоит отметить утилиты проекта GNU, без них не обходится ни один дистрибутив Linux. Например, командная оболочка Bash позволит вам вводить команды в консоли.
4. Версии ядра
Запись версии ядра можно представить в виде: A.B.C-D.
- A – это версия ядра, изначально планировалось повышать номер только после значительной переработки ядра, но сейчас это делают после достаточного количества правок и нововведений примерно два раза за десятилетие.
- B – это ревизия ядра, обновление происходит каждые 2-3 месяца. Некоторые из них получают долгосрочную поддержку (LTS – long term support). Последним таким ядром стало 5.10. Каждая ревизия имеет большой список изменений, которые сначала проверяют тестировщики.
- C и D отвечают за небольшие правки в коде ядра. С увеличивается в том случае, если были обновлены драйверы устройств, а D – когда вышел очередной патч безопасности. Эти номера могут меняться практически каждый день.
Узнать версию ядра можно с помощью команды:
5. Где хранятся файлы ядра
Файлы ядра хранятся в каталоге /boot. Непосредственно само ядро находится в запакованном виде в файле vmlinuz, где z как раз и указывает на то, что ядро сжато для экономии места. Файл initrd.img – это первичная файловая система, которая монтируется перед тем, как подключить реальные накопители к виртуальной файловой системе VFS. Там же содержатся дополнительные модули ядра, поэтому этот файл может быть больше самого ядра. В файле system.map можно найти адреса функций и процедур ядра, что будет полезно при отладке.
Выводы
Подведём итоги. Теперь вы знаете что такое ядро Linux. Ядро — это самая привилегированная программа на компьютере. Если говорить конкретно о ядре Linux, то оно монолитное. Иными словами, в режиме ядра работает всё необходимое для управления ресурсами компьютера. В пользовательском режиме также имеются программы для управления, но они лишь расширяют возможности ядра.
Соответствие стандартам POSIX позволило перенести ядро на множество платформ. Но следование философии UNIX во многих аспектах дистрибутивов Linux имеет как плюсы, так и минусы. Простые приложения с выводом в терминал хорошо подходят для серверов, но для домашнего использования такой подход едва ли может привлечь широкие массы.
К примеру, Android использует ядро Linux, но не утилиты GNU и в целом не пытается стать похожим на UNIX, что во многом обеспечило его популярность. Так что ядро – это лишь инструмент, а цели могут быть любыми, от запуска терминала и до создания суперкомпьютеров.
Обнаружили ошибку в тексте? Сообщите мне об этом. Выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter.