Внутреннее устройство Linux

На первый взгляд современная операционная система, например Linux, является достаточно сложной и состоит из большого количества частей, которые одновременно функционируют и взаимодействуют друг с другом. Так, веб-сервер может обмениваться данными с сервером базы данных, который, в свою очередь, использует совместную библиотеку, применяемую многими другими программами. Как же все это работает?

Наиболее эффективно понять устройство операционной системы можно с помощью абстракции — изящного способа сказать о том, что вы игнорируете большинство деталей. Например, когда вы едете в автомобиле, вам, как правило, не приходится задумываться о таких деталях, как крепежные болты, которые удерживают двигатель внутри машины, или же о людях, проложивших дорогу и поддерживающих ее в хорошем состоянии. Если вы едете в машине как пассажир, вам нужно знать лишь то, для чего предназначен автомобиль (он перемещает вас куда-либо), а также некоторые элементарные правила его использования (как обращаться с дверью и ремнем безопасности).

Если же вы ведете машину, вам необходимо знать больше. Вам потребуется изучить элементы управления (например, рулевое колесо и педаль газа), а также усвоить, что следует делать в случае неисправности.

Предположим, автомобиль движется рывками. Можно разбить абстракцию «автомобиль, который едет по дороге» на три части: автомобиль, дорога и ваш стиль вождения. Это поможет установить причину. Если дорога ухабиста, вам не придется винить машину или себя. Вместо этого вы можете попытаться выяснить, почему дорога испортилась, или же, если дорога новая, почему ее строители так отвратительно выполнили работу.

Разработчики программного обеспечения пользуются абстракцией как инструментом при создании операционных систем и приложений. Имеется множество терминов для абстрагированных разделов компьютерного ПО, в их число входят подсистема, модуль и пакет. Однако мы будем применять в данной главе термин компонент, поскольку он прост. При создании программного компонента, как правило, разработчиков не сильно заботит внутренняя структура других компонентов, однако им все же приходится думать о том, какие компоненты и как они могут использовать.

В этой главе приводится общий обзор компонентов, составляющих систему Linux. Хотя каждый из них обладает немыслимым количеством технических деталей, относящихся к внутреннему устройству, мы не будем обращать на них внимания и сосредоточимся на том, что эти компоненты делают по отношению к системе в целом.

1.1. Уровни и слои абстракции в операционной системе Linux

Использование абстракций для разделения компьютерных систем на компоненты упрощает их понимание, но не приносит пользы, если отсутствует структура. Мы упорядочим компоненты в виде слоев, или уровней. Слой, или уровень, — это способ классификации (или группирования) компонентов в соответствии с их расположением между пользователем и аппаратными средствами. Браузеры, игры и т. п. расположены на верхнем слое; на нижнем слое мы видим память компьютера: нули и единицы. Операционная система занимает наибольшее число слоев между этими двумя.

В операционной системе Linux три главных уровня. На рис. 1.1 показаны уровни, а также некоторые компоненты внутри каждого из них. В основе расположены аппаратные средства. Они включают память, а также один или несколько центральных процессоров (CPU), выполняющих вычисления и запросы на чтение из памяти и запись в нее. Такие устройства, как жесткие диски и сетевые интерфейсы, также относятся к аппаратным средствам.

Уровнем выше располагается ядро, которое является сердцевиной операционной системы. Ядро — это программа, расположенная в памяти компьютера и отдающая распоряжения центральному процессору. Ядро управляет аппаратными средствами и выступает главным образом в качестве интерфейса между аппаратными средствами и любой запущенной программой.

Процессы — запущенные программы, которыми управляет ядро, — в совокупности составляют верхний уровень системы, именующийся пространством пользователя.

Примечание

Более точным термином, чем «процесс», является термин «пользовательский процесс», вне зависимости от того, взаимодействует ли пользователь с этим процессом напрямую. Например, все веб-серверы работают как пользовательские процессы.

Существует важное различие между тем, как запускаются процессы ядра и процессы пользователя: ядро запускается в режиме ядра, а пользовательские процессы — в режиме пользователя. Код, работающий в режиме ядра, обладает неограниченным доступом к процессору и оперативной памяти. Это сильное преимущество, но оно может быть опасным, поскольку позволяет процессам ядра с легкостью нарушить работу всей системы. Область, которая доступна только ядру, называется пространством ядра.