Одна из наиболее интересных особенностей операционной системы Linux — то, что это не коммерческий продукт; наоборот, это совместный проект, который выполняется через всемирную сеть Интернет. Конечно, Линус остается создателем Linux и занимается поддержкой ядра, но работа продолжается группой мало связанных между собой разработчиков. Фактически кто угодно может внести свой вклад в операционную систему Linux. Ядро Linux, так же как и большая часть операционной системы, является свободно распространяемым программным обеспечением и имеет открытый исходный код[4].
В частности, ядро Linux выпускается под лицензией GNU General Public License (GPL) версии 2.0. В результате каждый имеет право загружать исходный код и вносить в него любые изменения. Единственная оговорка — любое распространение внесенных вами изменений должно производиться на тех же условиях, которыми пользовались вы при получении исходного кода, включая доступность самого исходного программного кода[5].
Операционная система Linux предоставляет много возможностей для многих людей. Основными частями системы являются ядро, библиотека функций языка С, компилятор, набор инструментов, основные системные утилиты, такие как программа для входа в систему (login) и обработчик команд пользователя (shell). В операционную систему Linux может быть включена современная реализация системы X Windows, включая полно-функциональную среду офисных приложений (desktop environment), такую как, например, GNOME. Для ОС Linux существуют тысячи свободных и коммерческих программ. В этой книге под понятием Linux, в основном, имеется в виду ядро Linux. Там, где это может привести к неопределенностям, будет указано, что имеется в виду под понятием Linux — вся система или только ядро. Строго говоря, термин Linux относится только к ядру.
Обзор операционных систем и ядер
Из-за неуклонного роста возможностей и не очень качественного построения некоторых современных операционных систем, понятие операционной системы стало несколько неопределенным. Многие пользователи считают, что то, что они видят на экране, — и есть операционная система. Обычно, и в этой книге тоже, под операционной системой понимается часть компьютерной системы, которая отвечает за основные функции использования и администрирования. Это включает в себя ядро и драйверы устройств, системный загрузчик (boot loader), командный процессор и другие интерфейсы пользователя, а также базовую файловую систему и системные утилиты. В общем, только необходимые компоненты. Термин система обозначает операционную систему и все пользовательские программы, которые работают под ее управлением.
Конечно, основной темой этой книги будет ядро операционной системы. Интерфейс пользователя — это внешняя часть операционной системы, а ядро — внутренняя. В своей основе ядро — это программное обеспечение, которое предоставляет базовые функции для всех остальных частей операционной системы, занимается управлением аппаратурой и распределяет системные ресурсы. Ядро часто называют основной частью (core) или контроллером операционной системы. Типичные компоненты ядра — обработчики прерываний, которые обслуживают запросы на прерывания, планировщик, который распределяет процессорное время между многими процессами, система управления памятью, которая управляет адресным пространством процессов, и системные службы, такие как сетевая подсистема и подсистема межпроцессного взаимодействия. В современных системах с устройствами управления защищенной памятью ядро обычно занимает привилегированное положение по отношению к пользовательским программам. Это включает доступ ко всем областям защищенной памяти и полный доступ к аппаратному обеспечению. Состояние системы, в котором находится ядро, и область памяти, в которой находится ядро, вместе называются пространством ядра (или режимом ядра, kernel-space). Соответственно, пользовательские программы выполняются в пространствах задач (пользовательский режим, режим задач, user-space). Пользовательским программам доступно лишь некоторое подмножество машинных ресурсов, они не могут выполнять некоторые системные функции, напрямую обращаться к аппаратуре и делать другие недозволенные вещи. При выполнении программного кода ядра система находится в пространстве (режиме) ядра, в отличие от нормального выполнения пользовательских программ, которое происходит в режиме задачи.
Прикладные программы, работающие в системе, взаимодействуют с ядром с помощью интерфейса системных вызовов (system call) (рис. 1.1). Прикладная программа обычно вызывает функции различных библиотек, например библиотеки функций языка С, которые, в свою очередь, обращаются к интерфейсу системных вызовов для того, чтобы отдать приказ ядру выполнить определенные действия от их имени. Некоторые библиотечные вызовы предоставляют функции, для которых отсутствует системный вызов, и поэтому обращение к ядру — это только один этап в более сложной функции. Давайте рассмотрим всем известную функцию printf(). Эта функции обеспечивает форматирование и буферизацию данных и лишь после этого один раз обращается к системному вызову write() для вывода данных на консоль. Некоторые библиотечные функции соответствуют функциям ядра один к одному. Например, библиотечная функция open() не делает ничего, кроме выполнения системного вызова open(). В то же время некоторые библиотечные функции, как, например, strcpy(), надо полагать, вообще не используют обращения к ядру. Когда прикладная программа выполняет системный вызов, то говорят, что ядро выполняет работу от имени прикладной программы. Более того, говорят, что прикладная программа выполняет системный вызов в пространстве ядра, а ядро выполняется в контексте процесса. Такой тип взаимодействия, когда прикладная программа входит в ядро через интерфейс системных вызовов, является фундаментальным способом выполнения задач.
Рис. 1.1. Взаимодействие между прикладными программами, ядром и аппаратным обеспечением
В функции ядра входит также управление системным аппаратным обеспечением. Практически все платформы, включая те, на которых работает операционная система Linux, используют прерывания (interrupt). Когда аппаратному устройству необходимо как-то взаимодействовать с системой, оно генерирует прерывание, которое прерывает работу ядра в асинхронном режиме[6].
Обычно каждому типу прерываний соответствует номер. Ядро использует номер прерывания для выполнения специального обработчика прерывания (interrupt handler), который обрабатывает прерывание и отправляет на него ответ. Например, при вводе символа с клавиатуры, контроллер клавиатуры генерирует прерывание, чтобы дать знать системе, что в буфере клавиатуры есть новые данные. Ядро определяет номер прерывания, которое пришло в систему и выполняет соответствующий обработчик прерывания. Обработчик прерывания обрабатывает данные, поступившие с клавиатуры, и даст знать контроллеру клавиатуры, что ядро готово для приема новых данных. Для обеспечения синхронизации выполнения ядро обычно может запрещать прерывания: или все прерывания, или только прерывание с определенным номером. Во многих операционных системах обработчики прерываний не выполняются в контексте процессов. Они выполняются в специальном контексте прерывания (interrupt context), который не связан ни с одним процессом. Этот специальный контекст существует то только для того, чтобы дать обработчику прерывания возможность быстро отреагировать на прерывание и закончить работу.
Контексты выполнения заданий полностью определяют всю широту возможных действий ядра. Фактически, можно заключить, что в операционной системе Linux процессор в любой момент времени выполняет один из трех типов действий.
• Работа от имени определенного процесса в режиме ядра в контексте процесса.
• Работа по обработке прерывания в режиме ядра в контексте прерывания, не связанном с процессами.
• Выполнение кода пользовательской программы в режиме задачи.
Ядро Linux в сравнении с классическими ядрами Unix
Благодаря общему происхождению и одинаковому API, современные ядра Unix имеют некоторые общие характерные черты. За небольшими исключениями ядра Unix представляют собой монолитные статические бинарные файлы. Это значит, что они существуют в виде больших исполняемых образов, которые выполняются один раз и используют одну копию адресного пространства. Для работы операционной системы Unix обычно требуется система с контроллером управления страничной адресацией памяти (memory management unit); это аппаратное обеспечение позволяет обеспечить защиту памяти в системе и предоставить каждому процессу уникальное виртуальное адресное пространство. В списке литературы приведены мои любимые книги по устройству классических ядер операционной системы Unix.
