Спецвыпуск журнала «Хакер» 47, октябрь 2004 г.

Механизм виртуальной памяти поддерживается всеми клонами UNIX на уровне ядра. Есть два основных способа организации swap-пространства: раздел на жестком диске (или отдельный винчестер, только под swap) или файл на существующем разделе. Использование раздела или отдельного винчестера предпочтительно из соображений скорости обмена данных.

В UNIX введен принцип перемещения виртуальных страниц процесса из swap-раздела в оперативную память по запросу. При запуске любого приложения ядро UNIX загружает лишь минимально необходимый для запуска кусок кода, после чего передает ему управление. После этого работа, как с физической памятью, так и со swap, будет регулироваться запросами программы. Если в ходе выполнения софтины обнаружится, что запрашиваемый виртуальный адрес данного дескриптора процесса отсутствует, то менеджер виртуальной памяти обратится к диску и загрузит необходимый кусок дампа в оперативку. Когда будет использована вся доступная физическая область, менеджеру виртуальной памяти придется выгрузить какую-то часть данных на диск, о чем будет сделана соответствующая запись. Для выбора вымещаемых страниц необходимо провести анализ, чтобы не сбросить сегмент, необходимый для работы, через несколько тактов. Эту функцию выполняет специальный процесс pageout.

Главное – загрузиться!

«Loading UNIX» – фраза, говорящая о многом. Рассмотрим два основных способа загрузки ядра системы. Почему ядра, а не всей ОС? Потому что будет отличаться только загрузка ядра, после того как оно будет в памяти, все остальное загружается стандартной и отлаженной процедурой. Самый простой вариант – это Boot-дискета. Ход загрузки системы при таком способе выглядит очень просто: после начального теста BIOS передает управление загрузочной области дискеты, где содержится код, распаковывающий ядро UNIX в оперативную память. После распаковки начинается стандартное монтирование корневого раздела. Но такой простой вариант применяется только для дискет без файловых систем. Для винчестеров используют несколько усложненный вариант загрузки. Причина этого достаточно простая: ядро не может быть записано в первые сектора, так как там находится таблица разметки жесткого диска и описания всех ФС, при порче этих данных использовать хард просто невозможно. Поэтому разработчики применили усложненный алгоритм инициализации ядра. После POST-теста управление, как обычно, передается загрузочной области жесткого диска, где хранится миниатюрная программа, вся работа которой сводится к запуску главного загрузчика ОС, обладающего достаточной функциональностью и гибкостью для запуска ядра. Таким «большим» загрузчиком может быть LILO, GRUB или стандартный BSD-loader. А уже этот загрузчик копирует ядро в память, передав ему необходимые параметры. Как видишь, при загрузке с винчестера используются двухуровневые программы.

Я хочу продолжить рассказ о схеме загрузки UNIX-систем, так как загрузка является еще одним архитектурным решением сообщества разработчиков ОС. Существует две основные схемы загрузки UNIX и его клонов: BSD и System V. BSD-тип применяется во многих BSD-системах и в некоторых дистрибутивах Linux (Gentoo, Slackware). Схема BSD проще System V, но и возможностей у нее меньше. Рассмотрим более прогрессивную System V. Сначала загружается ядро ОС, будь то UNIX, BSD-клон или Linux-клон, после этого ядро монтирует корневую файловую систему, ссылка на которую ему передана параметром загрузчика. При удачном завершении операции начинается поиск служебного каталога /sbin; если он не обнаруживается, то система выдает «Kernel panic». Затем происходит запуск главного процесса Init: отдается команда /sbin/init. После чего уже Init обращается к каталогу /etc и ищет там файл inittab, где указан необходимый уровень запуска. Осталось не так уж много: init читает и анализирует содержимое своего конфигурационного файла, а затем запускает необходимые сервисы, монтирует локальные файловые системы, поднимает сетевые интерфейсы, монтирует уваленные файловые системы и запускает оставшиеся сервисы. На завершение процесса загрузки укажет (если система загрузится не в multiuser mode) появившееся приглашение ввести логин и пароль пользователя.

Ядро – всему голова!

Главным, определяющим архитектуру системы звеном является ядро. Все ядра *nix-систем должны выполнять следующие функции:

– управление работой процессов: создание, завершение и организация взаимодействия между ними.

– планирование очередности работы процессов, переключение выполняемых задач. Сюда входит и расстановка приоритетов для задачи управления мультипроцессорными системами.

– выделение процессу необходимой оперативной памяти. При ее недостатке – включение механизма swap. Также ядро следит за обращением приложения к запрещенным участкам, к соседним сегментам и в случае генерации процессорного исключения снимает сбойный процесс, записывает сообщение в системный журнал.