Разработка ядра Linux (Второе издание)

Операционная система Linux является клоном Unix, по ОС Linux— это не Unix. Хотя в ОС Linux позаимствовано много идей от Unix, в Linux реализован API ОС Unix (как это определено в стандарте POSIX и спецификации Single Unix Specification), все же система Linux не является производной от исходного кода Unix, как это имеет место для других Unix-систем, Там, где это желательно, были сделаны отклонения от пути, по которому шли другие разработчики, однако это не подрывает основные принципы построения операционной системы Unix и не нарушает программные интерфейсы.

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] .

4

Для тех, кому интересно, дискуссии по поводу отличия свободного кода от открытого доступна в Интернет по адресам http://www.fsf.org и http://www.opensource.org.

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.

5

Вероятно, вам нужно прочесть лицензию GNU GPL, если вы еще не читали ее. В файле COPYING, в исходном коде ядра, есть копия этой лицензии. В Интернет лицензия доступна по адресу http://www.fsf.org.

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] .

6

Иными словами, заранее неизвестно, в какой момент времени это событие произойдет и в каком состоянии будет система в этот момент времени. — Прим. перев.

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.

Сравнение решений на основе монолитного ядра и микроядра

Операционные системы, в соответствии с особенностями построения, можно разделить на две большие группы: с монолитным ядром и с микроядром. (Есть еще третий тип — экзоядро, которое пока еще используется, в основном, только в исследовательских операционных системах, но уже начинает пробивать дорогу в большой мир.)

Монолитное ядро является самым простым, и до 1980-х годов все ядра строились именно таким образом. Монолитное ядро реализовано в виде одного большого процесса, который выполняется в одном адресном пространстве, Такие ядра обычно хранятся на диске в виде одного большого статического бинарного файла. Все службы ядра существуют и выполняются в одном большом адресном пространстве ядра. Взаимодействия в ядре выполняются очень просто, потому что все, что выполняется в режиме ядра, — выполняется в одном адресном пространстве. Ядро может вызывать функции непосредственно, как это делает пользовательское приложение. Сторонники такой модели обычно указывают на простоту и высокую производительность монолитных ядер.

Микроядра не реализуются в виде одного большого процесса. Все функции ядра разделяются на несколько процессов, которые обычно называют серверами. В идеале, в привилегированном режиме работают только те серверы, которым абсолютно необходим привилегированный режим. Остальные серверы работают в пространстве пользователя. Все серверы, тем не менее, поддерживаются независимыми друг от друга и выполняются каждый в своем адресном пространстве. Следовательно, прямой вызов функций, как в случае монолитного ядра, невозможен. Все взаимодействия внутри микроядра выполняются с помощью передачи сообщений. Механизм межпроцессного взаимодействия (Inter Process Communication, IPC) встраивается в систему, и различные серверы взаимодействуют между собой и обращаются к "службам" друг друга путем отправки сообщений через механизм IPC. Разделение серверов позволяет предотвратить возможность выхода из строя одного сервера при выходе из строя другого.

Кроме того, модульность системы позволяет одному серверу вытеснять из памяти другого. Поскольку механизм IPC требует больше накладных расходов, чем обычный вызов функции, и при этом может потребоваться переключение контекста из пространства пользователя в пространство ядра и наоборот, то передача сообщений приводит к падению производительности по сравнению с монолитными ядрами, в которых используются обычные вызовы функций.

В современных операционных системах с микроядром, большинство серверов выполняется в пространстве ядра, чтобы избавиться от накладных расходов, связанных с переключением контекста, кроме того, это дает потенциальную возможность прямого вызова функций. Ядро операционной системы Windows NT, а также ядро Mach (на котором базируется часть операционной системы Mac OS X) — это примеры микроядер. В последних версиях как Windows NT, так и Mac OS X все серверы выполняются только в пространстве ядра, что является отходом от первоначальной концепции микроядра.

Ядро ОС Linux монолитное, т.е. оно выполняется в одном адресном пространстве, в режиме ядра. Тем не менее ядро Linux позаимствовало некоторые хорошие свойства микроядерной модели: в нем используется преемптивное ядро, поддерживаются потоки пространства ядра и возможность динамической загрузки в ядро внешних бинарных файлов (модулей ядра). Ядро Linux не использует никаких функций микроядерной модели, которые приводят к снижению производительности: все выполняется в режиме ядра с непосредственным вызовом функций, вместо передачи сообщений. Следовательно, операционная система Linux — модульная, многопоточная, а выполнение самого ядра можно планировать.

Прагматизм снова победил.