Строение ядра Linux

В системе Unix несколько параллельных процессов обслуживают разные задачи. Каждый процесс запрашивает системные ресурсы, будь то энергия, память, сетевое подключение, или какие-то другие ресурсы. Ядро - это большой кусок исполняемого кода, отвечающего за обработку всех таких запросов. Хотя границы между разными задачами ядра не всегда ясно определены, роль ядра может быть разделена (как показано на Рисунке 1-1) на следующие части:

Рисунок 1-1. Строение ядра Linux

Управление процессами

Ядро отвечает за создание и уничтожение процессов и обеспечение их взаимодействия с внешним миром (ввод и вывод). Взаимодействие между разными процессами (через сигналы, каналы или примитивов межпроцессных взаимодействий) является основой общей функциональности системы и также возложена на ядро. Дополнительно, планировщик, который распределяет время процессора, тоже является частью системы управления процессами. В общих словах, деятельность процессов управления ядра создаёт абстракцию нескольких процессов поверх одного или нескольких процессоров.

Управление памятью

Память компьютера - главный ресурс и способ управления ей особенно важен для производительности системы. Ядро создаёт виртуальное адресное пространство для каждого процесса поверх имеющихся ограниченных ресурсов. Разные части ядра взаимодействуют с подсистемой управления памятью через набор функциональных вызовов, начиная от простой пары malloc/free до много более развитой функциональности.

Файловые системы

Unix очень сильно связана с концепцией файловой системы; почти всё в Unix может быть обработано как файл. Ядро строит структурированную файловую систему поверх неструктурированного оборудования и полученная файловая абстракция интенсивно используется всей системой. В дополнение Linux поддерживает множество типов файловых систем, то есть различные способы организации данных на физическом носителе. К примеру, диски могут быть отформатированы в стандартной для Linux файловой системе ext3, часто используемой файловой системе FAT или некоторых других.

Управление устройствами

Почти каждая системная операция в конечном счёте связывается с физическим устройством. За исключением процессора, памяти и очень немногих других объектов, каждая операция управления устройством выполняются кодом, специфичным для данного адресуемого устройства. Этот код называется драйвером устройства. Ядро должно иметь встроенный драйвер устройства для каждой периферии, существующей в системе, от жёсткого диска до клавиатуры и ленточного накопителя. Этот аспект функциональности ядра и является нашим основным интересом в этой книги.

Сетевое подключение

Сетевое подключение должно управляться операционной системой, потому что большинство сетевых операций не зависят от процессов: входящие пакеты - это асинхронные события. Эти пакеты должны быть собраны, распознаны и распределены перед тем, как они будут переданы другому процессу для обработки. Система отвечает за доставку пакетов данных между программой и сетевыми интерфейсами и должна управлять исполнением программ в зависимости от их сетевой активности. Дополнительно в ядро встроены все задачи маршрутизации и разрешение адресов.

Загружаемые модули

Одной из хороших особенностей Linux является способность расширения функциональности ядра во время работы. Это означает, что вы можете добавить функциональность в ядро (и убрать её), когда система запущена и работает.

Часть кода, которая может быть добавлена в ядро во время работы, называется модулем. Ядро Linux предлагает поддержку довольно большого числа типов (или классов) модулей, включая, но не ограничиваясь, драйверами устройств. Каждый модуль является подготовленным объектным кодом (не слинкованным для самостоятельной работы), который может быть динамически подключен в работающее ядро программой insmod и отключен программой rmmod.

Рисунок 1-1 определяет разные классы модулей, отвечающих за специфические задачи - как говорят, модуль принадлежит к определённому классу в зависимости от предлагаемой функциональности. Картина из модулей, показанная на Рисунке 1-1, охватывает все наиболее важные классы, но далеко не полная, потому что много большая функциональность Linux модулизирована.