Архитектура операционной системы linux
Являясь операционной системой семейства Unix, Linux следует установленным стандартам и объединяет в себе три основных части: Ядро (kernel) — основной компонент ОС, отвечающий за управление процессами, виртуальной памятью и драйверами устройств. Ядро Linux представляет собой единый блок бинарного кода. Все коды ядра и структуры данных, в том числе драйверы устройств, коды распределения ресурсов и виртуальной памяти, сетевой поддержки, а так же файловая система — хранятся в едином адресном пространстве. Преимуществом такой структуры является то, что не требуется никаких переключений при запросах процессами системных ресурсов или прерываниях от различных устройств. Общее адресное пространство, однако, не препятствует модульности системы. По мере необходимости Linux подгружает в память либо выгружает из нее указанные модули.
В Linux все ядро работает в привилегированном режиме — режиме ядра. Никакая часть кода не работает в режиме пользователя. Фрагменты поддержки ОС, не требующие запуска в режиме ядра, помещаются в раздел системных библиотек. Разделяемые системные библиотеки (system libraries) содержат стандартный набор функций, используемых приложениями для запросов к системным сервисам ядра. В библиотеках хранятся также код функций отдельных сервисов ядра, исполняемых в обычном режиме без привилегий ядра. 
Рис.1 Компоненты Linux
При обращении приложения к системным ресурсам управление от части системы, работающей в пользовательском режиме, передается ядру. Библиотеки осуществляют контроль за корректностью представленного запроса и преобразование параметров/аргументов запроса к требуемому формату. Под системными утилитами (system utilities, программы управления системой) понимают программы, отвечающие за выполнение отдельных специализированных задач управления (управляющих функций системы). Одни утилиты запускаются лишь один раз для инициализации и конфигурирования отдельных элементов системы, другие вызываются регулярно, например, утилиты принимающие запросы на регистрацию с терминалов системы, либо утилиты обновляющие файлы регистрации. Не все утилиты выполняют функции системного администрирования. Часть системных программ отвечают за выполнение простых задач, в частности, просмотр каталогов, перенос и удаление файлов, просмотр содержимого файла. Более сложные поддерживают некоторые функции обработки текстовых данных, например, сортировку данных либо поиск по заданному шаблону в тексте.
Источник
Linux: архитектура ядра Linux — общая архитектура системы
Очень старый перевод, долгое время пролежавший в черновиках. Продолжение — частично уже есть, надеюсь — будет время и настроение продолжить. Оригинал — на странице Conceptual Architecture of the Linux Kernel. Более полное описание архитектуры — есть на странице Concrete Architecture of the Linux Kernel.
Обзор системы
Ядро Linux бесполезно само по себе — оно является частью одной большой системы, которая целиком является работоспособной. Поэтому, имеет смысле обсудить ядро в контексте всей системы. На изображении ниже отображена схема работы и связи всей системы, в которой участвует ядро: Операционная система Linux (или — GNU/Linux ) состоит из четырёх основных частей:
- User applications (пользовательские приложения) — набор пользовательских приложений может быть разным в различных дистрибутивах Linux, но типичные примеры — это приложения обработки текста и веб-браузер;
- O/S services (службы операционной системы) — службы, которые обычно считаются частью операционной системы, такие как оконный менеджер, командная строка и т.д. Так же, сюда входит программный интерфейс ядра (компилятор/ы и библиотеки);
- Ядро Linux — основная интересующая нас часть; ядро создаёт абстрактный слой и является «посредником» между первыми двумя частями и hardware-частью компьютера;
- Hardware controllers (контроллеры оборудования) — подсистема, охватывающая все возможные физические устройства, такие как CPU, устройства памяти, жёсткие диски, сетевые карты — все они являются частью этой подсистемы.
- Process Scheduler ( SCHED ) — планировщик процессов, отвечает за контроль над доступом процессов к CPU. Планировщик обеспечивает такое поведения ядра, при котором все процессы имеют справедливый доступ к центральному процессору.
- Memory Manager ( MM ) — менеджер памяти, обеспечивает различным процессам безопасный доступ к основной памяти системы. Кроме того, MM обеспечивает работу виртуальной памяти, которая позволяет процессам использовать больше памяти, чем реально доступно в системе. Выделенная, но неиспользуемая память вытесняется на файловую систему, и при необходимости — возвращается из неё обратно в память ( swapping ).
- Virtual File System( VFS ) — виртуальная файловая система, создаёт абстрактный слой, скрывая детали оборудования, предоставляя общий файловый интерфейс для всех устройств. Кроме того, VFS поддерживает несколько форматов файловых систем, которые совместимы с другими операционными системами.
- Network Interface ( NET ) — сетевые интерфейсы, обеспечивает работу с различными сетевыми стандартами и сетевым оборудованием.
- Inter-Process Communication ( IPC ) — межпроцессная подсистема, поддерживающая несколько механизмов для process-to-process связей в единой Linux-системе.
- Планировщик процессов использует менеджер памяти, что бы согласовывать карту памяти для каждого процесса, когда он возобновляет своё выполнение;
- Подсистема IPC зависит от менеджера памяти для поддержания механизма использования общей памяти; этот механизм позволяет двум процессам получить доступ к области общей памяти, в дополнение к их приватной памяти;
- Виртуальная файловая система использует сетевые интерфейсы для обеспечения работы NFS (Nework File System), и использует менеджер памяти для обеспечения работы устройства RAM drive ;
- Менеджер памяти использует подсистему виртуальной файловой системы для поддержки swapping -а, и это единственная причина, по которой менеджер памяти зависит от файловой системы; когда процесс запрашивает доступ к участку памяти, который уже был вытеснен на диск (swapped out) — менеджер памяти выполняет запрос к файловой системе, что бы получить обратно данные из хранилища ( swap -раздела или swap -файла), а выполнение процесса на это время приостанавливается.
Каждая подсистема может взаимодействовать только с двумя соседними, расположенными непосредственно «выше» и «ниже» её уровня. Кроме того, зависимости между этими подсистемами направлены сверху — вниз: слои расположенные выше — зависят от частей ниже, но части, расположенные ниже — не зависят от частей выше их.
Так как нас интересует само ядро Linux — мы не будем тут рассматривать слой уровня пользовательских приложений, а коснёмся только уровней Оборудования и Служб операционной системы, в тех границах, в которых они связаны с ядром.
Роль ядра
Ядро Linux представляет собой своего рода виртуальную машину для процессов. Процессы работают без всякой информации про оборудование компьютера — ядро абстрагирует весь уровень оборудования в единый совместимый виртуальный интерфейс. Кроме того, ядро реализует многозадачность прозрачно для всех процессов — каждый процесс «думает», что он является единственным процессом в системе, и имеет полные и эксклюзивные права на память и другие ресурсы оборудования компьютера. Фактически же — ядро выполняет несколько процессов одновременно, и оно ответственно за распределение ресурсов оборудования таким образом, что бы каждый процесс получил достаточный доступ к этим ресурсам.
Обзор структуры и зависимостей подсистем ядра
Ядро Linux состоит из пяти основных подсистем:
На рисунке ниже изображены связи всех этих подсистем, где линии исходят от зависимых подсистем к подсистемам, от которых они зависят:
Общая структура и связи подсистем ядра Linux
Тут явно видно, что основной подсистемой является планировщик процессов: все остальные системы зависят от него, так как всем им необходимо приостанавливать и возобновлять выполнение процессов. Как правило, процесс приостанавливается в ожидании каких-либо операций с оборудованием, и возобновляет выполнение, когда операция завершена. Например — когда процесс пытается отправить некое сообщение по сети, сетевой интерфейс может приостановить выполнение процесса, пока сетевое оборудование выполняет отправку сообщения. После того как сообщение отправлено (или — получено сообщение об ошибке) — сетевой интерфейс возобновляет работу процесса, передавая ему код возврата, который указывает на успешное завершение операции, или ошибку её при выполнении. Все остальные подсистемы (memory manager, virtual file system и inter-process communication) так же зависят от планировщика процессов по схожим причинам.
Другие зависимости не так явны, но не менее важны:
Кроме зависимостей, которые видны явно, все подсистемы ядра зависят от некоторых общих ресурсов, которые не показаны тут. Сюда входят процедуры, которые используют все подсистемы ядра для выделения (allocate) им и/или высвобождения ими памяти для использования ядром, процедуры для сообщений об ошибках и проблемах, и прочее.
Внутреннее устройство Linux.
Эта книга описывает все тонкости работы с ОС Линукс, системное администрирование, глубокие механизмы, обеспечивающие низкоуровневый функционал Linux. На страницах руководства вы приобретете основные знания о работе с ядром Linux и о принципах правильной эксплуатации компьютерных сетей не только на основе Open-source решений. В книге также затрагиваются вопросы программирования сценариев и обращения с языком С, освещаются темы защиты информации, виртуализации и прочие незаменимые вещи.
Операционная система Linux прекрасно подходит для изучения, поскольку конфигурация системы хранится большей частью в простых файлах, которые достаточно легко прочитать. Следует только выяснить, за что отвечает каждая из частей, а затем собрать все воедино. Именно этому и посвящена данная книга.
Интерес к устройству операционной системы Linux может быть вызван разными причинами. Профессионалы в сфере информационно технологического обслуживания, а также разработчики программного обеспечения для Linux найдут в этой книге практически все, что необходимо знать, чтобы использовать операционную систему наилучшим образом.
Вам не обязательно быть программистом, чтобы читать эту книгу. Понадобятся лишь основные навыки пользователя компьютера: вы должны ориентироваться в графическом интерфейсе (при установке и настройке интерфейса системы), а также иметь представление о файлах и каталогах (папках).
Для работы вам понадобится компьютер с операционной системой Linux. Возможно, вы предпочтете виртуальную установку — для проверки большей части материала данной книги я пользовался приложением VirtualBox. Вы должны обладать правами доступа superuser (root), хотя в основную часть времени следует исполь зовать учетную запись обычного пользователя.
Вы будете работать главным образом в командной строке, окне терминала или в удаленном сеансе.
В начале книги дается обзор системы Linux, а затем предлагается ряд практических заданий с инструментами, которые понадобятся вам для дальнейшей работы в системе.
Далее вы детально изучите каждую часть системы, начиная с управления оборудованием и заканчивая конфигурацией сети, следуя обычному порядку, в котором происходит запуск системы.
И наконец, вы получите представление о некоторых деталях работающей системы, освоите несколько важных навыков, а также познакомитесь с инструментами, используемыми программистами.
Материал излагается по возможности без привязки к какомулибо дистрибу тиву системы. Было бы скучно описывать все варианты системы, поэтому я попытался рассказать о двух основных семействах дистрибутивов: Debian (включая Ubuntu) и RHEL/Fedora/CentOS.
Упор сделан на серверные версии и версии для рабочих станций. Представлены также внедренные системы, например Android и OpenWRT, но изучение отличий этих платформ предоставляется вам.