Kernel (Русский)
Ядро Linux — ядро операционной системы, соответствующее стандартам POSIX, составляющее основу операционных систем семейства Linux.
Дистрибутив Arch Linux основан на ядре Linux. Помимо основной стабильной (stable) версии в Arch Linux можно использовать некоторые альтернативные ядра. В статье описываются доступные в официальных репозиториях версии ядер, возможные патчи, а также способы, которыми пользователи могут скомпилировать собственное ядро.
Contents
Официальные ядра
Помощь при работе с официальными ядрами можно найти на форуме и в баг-трекере.
Компиляция
Скомпилировать собственное ядро можно двумя способами:
/Arch Build System Преимущества — наличие готового PKGBUILD для пакета linux и удобство системы управления пакетами. /Традиционная компиляция Ручная загрузка архива файлов с исходными кодами ядра и их компиляция.
Некоторые из перечисленных пакетов могут быть также доступны в двоичном виде в неофициальных репозиториях.
Ядра kernel.org
Неофициальные ядра
Отладка регрессий
Прежде всего проверьте ядро linux-mainline AUR на предмет того, не была ли проблема уже решена. В прикреплённом комментарии указан репозиторий с уже собранными ядрами, так что собирать ядро вручную не придётся.
Если проблема проявляется не слишком часто, то имеет смысл попробовать LTS-ядро ( linux-lts ). Старые версии LTS-ядер можно найти в архиве Arch Linux.
Что такое ядро Linux
Ядро Linux за авторством Линуса Торвальдса недавно отметило юбилей, вот уже три десятилетия оно используется в компьютерах по всему миру. Благодаря тому, что оно перенесено на множество платформ, его можно встретить практически везде, в персональных компьютерах, смартфонах, носимой электронике, бытовой технике и сетевых устройствах.
Так что же делает ядро Linux и почему оно так востребовано? Мы рассмторим архитектуру ядра, его основные задачи и интерфейсы. Это поможет понять его преимущества и недостатки.
Что такое ядро Linux
1. На чём написано ядро
Несмотря на то, что ассемблерный код позволяет достичь наилучшей производительности, его возможности весьма ограничены, поэтому большая часть кода написана на языке C, его доля достигает 98%. На ассемблере написаны только небольшие вставки, повышающие производительность, архитектурно-зависимые функции и загрузчик.
2. Архитектура ядра
Уровень доступа к ресурсам компьютера зависит от того, какое ядро использует операционная система. Привилегии ядра выше остальных приложений, а работает оно в едином адресном пространстве. В зависимости от того, сколько задач выполняется на уровне ядра, различают несколько типов ядер. Самые популярные – это монолитное (Linux), микроядро (macOS) и гибридное (Windows).
Ядро Linux монолитное, большая его часть хранится в одном файле. Однако, это не признак монолитного ядра, модули вполне могут храниться отдельно. Основная его особенность заключается в том, что оно обрабатывает все процессы, кроме пользовательских приложений. То есть управление процессами и памятью, драйверы, виртуальная файловая система, сетевой стек и многое другое – это всё заботы ядра, которые к тому же имеют самый высокий уровень доступа к аппаратной части компьютера.
Однако, это не означает то, что пользовательские приложения не могут выполнять схожие функции. Например, система инициализации Systemd помимо прочего выстраивает иерархию процессов поверх групп ядра cgroups, а демоны, вроде PulseAudio, контролируют работу устройств, расширяя функциональность драйверов.
Также стоит понимать, что ядро хоть и монолитное, но состоит из внутренних модулей, которые загружаются только по необходимости, а не все сразу. Некоторые модули хранятся отдельно от ядра, в основном это дополнительные драйверы устройств.
Интерфейсы, имена переменных и структура каталогов системы определяются стандартами POSIX, что делает Linux UNIX-подобной системой. Линус Торвальдс, создатель ядра, выбрал UNIX по той причине, что имелась база приложений, необходимых для функционирования операционной системы, утилиты GNU. Однако, он не разделяет идеи философии UNIX, одна программа – одно действие, текстовый вывод информации как универсальный интерфейс. По его мнению они не отражают запросы современных пользователей.
3. Что делает ядро
Как было сказано ранее, у монолитного ядра самый широкий спектр задач. На верхнем уровне ядро обрабатывает поступающие системные вызовы, которые являются интерфейсом между ядром и пользовательскими приложениями. На нижнем уровне ядро обрабатывает аппаратные прерывания, сигналы, поступающие от периферии, процессора, памяти и так далее.
На обработке прерываний задачи ядра не заканчиваются, оно содержит в себе драйверы устройств. Драйверы нужны для того, чтобы обработать поступающие с устройств сигналы, а команды приложений перевести в машинный код.
Драйверы занимают большую часть ядра. Некоторые из них представлены сразу в виде бинарных файлов, что противоречит идеям фонда СПО. Версия ядра без закрытых драйверов называется Linux-libre, на практике его использование крайне затруднительно, так как собрать компьютер на основе комплектующих только с открытыми драйверами у вас едва ли получится.
Остальные задачи ядра – это работа с абстракциями. Например, планировщик создаёт виртуальные потоки, менеджер памяти выделяет и изолирует часть оперативной памяти под процесс, виртуальная файловая система создаёт единое пространство для хранения файлов, а сетевой модуль создаёт сокеты. Это одно из условий обеспечения высокого уровня безопасности, иначе одна программа могла бы беспрепятственно взять конфиденциальные данные из другой, например, ключи шифрования.
Система межпроцессного взаимодействия следит за тем, чтобы не возникало конфликтов при обращении к одним и тем же ресурсам компьютера, а также обеспечивает обмен данными между процессами.
Со стороны пользовательских приложений всё это выглядит как настоящее оборудование, с той лишь разницей, что общение с процессором и памятью происходит не напрямую, а с помощью системных вызовов. Для периферийных устройств имеются символьные и блочные ссылки в каталоге /dev, последние отличает то, что ни работают с блоками фиксированного размера.
Несмотря на то, что ядро контролирует все процессы, само по себе оно ничего не делает, ему нужны пользовательские программы и их процессы. Среди базовых приложений стоит отметить утилиты проекта GNU, без них не обходится ни один дистрибутив Linux. Например, командная оболочка Bash позволит вам вводить команды в консоли.
4. Версии ядра
Запись версии ядра можно представить в виде: A.B.C-D.
Узнать версию ядра можно с помощью команды:
5. Где хранятся файлы ядра
Файлы ядра хранятся в каталоге /boot. Непосредственно само ядро находится в запакованном виде в файле vmlinuz, где z как раз и указывает на то, что ядро сжато для экономии места. Файл initrd.img – это первичная файловая система, которая монтируется перед тем, как подключить реальные накопители к виртуальной файловой системе VFS. Там же содержатся дополнительные модули ядра, поэтому этот файл может быть больше самого ядра. В файле system.map можно найти адреса функций и процедур ядра, что будет полезно при отладке.
Выводы
Подведём итоги. Теперь вы знаете что такое ядро Linux. Ядро — это самая привилегированная программа на компьютере. Если говорить конкретно о ядре Linux, то оно монолитное. Иными словами, в режиме ядра работает всё необходимое для управления ресурсами компьютера. В пользовательском режиме также имеются программы для управления, но они лишь расширяют возможности ядра.
Соответствие стандартам POSIX позволило перенести ядро на множество платформ. Но следование философии UNIX во многих аспектах дистрибутивов Linux имеет как плюсы, так и минусы. Простые приложения с выводом в терминал хорошо подходят для серверов, но для домашнего использования такой подход едва ли может привлечь широкие массы.
К примеру, Android использует ядро Linux, но не утилиты GNU и в целом не пытается стать похожим на UNIX, что во многом обеспечило его популярность. Так что ядро – это лишь инструмент, а цели могут быть любыми, от запуска терминала и до создания суперкомпьютеров.
The Linux Kernel Archives
What is Linux?
Linux is a clone of the operating system Unix, written from scratch by Linus Torvalds with assistance from a loosely-knit team of hackers across the Net. It aims towards POSIX and Single UNIX Specification compliance.
It has all the features you would expect in a modern fully-fledged Unix, including true multitasking, virtual memory, shared libraries, demand loading, shared copy-on-write executables, proper memory management, and multistack networking including IPv4 and IPv6.
Although originally developed first for 32-bit x86-based PCs (386 or higher), today Linux also runs on a multitude of other processor architectures, in both 32- and 64-bit variants.
New to Linux?
If you’re new to Linux, you don’t want to download the kernel, which is just a component in a working Linux system. Instead, you want what is called a distribution of Linux, which is a complete Linux system. There are numerous distributions available for download on the Internet as well as for purchase from various vendors; some are general-purpose, and some are optimized for specific uses. We currently have mirrors of several distributions available at https://mirrors.kernel.org/.
Note, however, that most distributions are very large (several gigabytes), so unless you have a fast Internet link you may want to save yourself some hassle and purchase a CD-ROM with a distribution; such CD-ROMs are available from a number of vendors.
Mailing lists
The Linux kernel is discussed on the linux-kernel mailing list at vger.kernel.org. Please read the FAQ before subscribing.
Although there is no official archive site, unofficial archives of the list can be found at:
Other resources
Social
What is: ядро Linux
Состоящее почти из 20 миллионов строк кода ядро Linux является одним из самых крупных Opensource проектов в мире.
Что такое ядро
Ядро представляет собой нижний уровень программного обеспечения, которое взаимодействует с оборудованием компьютера. Оно отвечает за взаимодействие всех приложений, которые работают в т.н. “пользовательском режиме” с физическим оборудованием и позволяет процессам передавать информацию друг другу с помощью inter-process communication (IPC).
Типы ядер
Имеется три основных типа ядер – монолитные (monolithic), микроядра (microkernel) и гибридные (hybrid).
К примеру Linux является монолитным ядром, тогда как OS X и Windows используют гибридные ядра.
Microkernel
Микроядра занимаются управлением только CPU, памятью и IPC. Практически все остальное в компьютере может рассматриваться как дополнительное оборудование и может обслуживаться в пользовательском режиме. Микроядра имеют большую переносимость, т.к. вам не приходиться беспокоиться если вы задумали сменить видеокарту или даже всю операционную систему – если новая ОС работает с оборудованием так же, как и предыдущее. Микроядра так же требуют меньше дискового простанства и RAM. Кроме того – они могут считаться более безопасными в силу того, что большая часть процессов работает в режиме пользователя и не имеет доступа к критически важным частям ситемы.
Monolithic ядра
Монолитные ядра являются противоположностью микроядрам, так как охватывают не только управление процессором, памятью и IPC – но так же включают в себя драйвера устройсв, управление файловыми системами и системными вызовами. Монолитные ядра имеют преимущество в скорости доступа к оборудованию и работе в многозадачном режиме, так как если программе требуется получить информацию из памяти или от другого процесса – она может получить его напрямую и не тратить время в очереди на ожидание ответа. С другой стороны это вызывает и определенные сложности, так как большее количество процессов работает в режиме ядра, что может привести к краху всей системы из-за проблем с одним из них.
Гибридные ядра
Гибридные ядра ядра могут сами определять – какую часть выполнять в режиме пользователя, а какую – в режиме ядра. Как правило – в режиме пользователя работают драйвера устройств и системы ввода-вывода, тогда как системные вызовы обслуживаются в режиме ядра. Этот подход сочетает в себе преимущества как монолитных, так и микроядер – однако и требует больше внимания со стороны производителей оборудования, так как работа драйверов зависят от них. Кроме того – этот подход может иметь некоторые проблемы быстродействия, унаследованные от микроядерной архитектуры.
Файлы ядра Linux
Архитектура ядра Linux
Так как ядро Linux является монолитным – оно является самым большим и сложным по сравнению с другими типами ядер. Что бы нивелировать эти недостатки – разработчики ядра добавили возможность работы ядра с модулями, которые могут быть загружены в него во время работы без необходимости перезагрузки всей системы.
Модули ядра Linux
Что если бы Windows изначально содержило в себе все необходимые драйвера, и все что требовалось бы от пользователя – это просто включить некоторые из них?
Именно так и работают модули Linux, которые так же называют Loadable Kernel Module (LKM) и которые жизненно необходимы для того, что бы ядро имело возможность взаимодейтсвовать со всем оборудованием компьютера и при этом не занимать всю его память.
Ядро не является чем-то волшебным, но является жизненно необходимым для работы любого компьютера. Ядро Linux отличается от ядер в Windows или OS X системах, так как включает в себя драйвера на уровне ядра системы и поддерживает многие возможности “из коробки”.
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Linux (ядро)
Содержание
Историческая справка
Краткая история Unix
В 1980 году компанией AT&T был разработан пакет коммерческих лицензий на все дистрибутивы UNIX, и сведение всех версий в одну: UNIX System V. Университет Калифорнии, Беркли продолжал разрабатывать свою собственную версию Unix под названием BSD. Многие из важнейших разработок в UNIX изначально пришли из BSD, к примеру, включение TCP/IP в основную версию UNIX. Поскольку основная часть системы поставлялась в исходных текстах, написанных на языке С, опытным программистам не требовалось документации, чтобы разобраться в архитектуре UNIX. C ростом популярности микропроцессоров другие компании переносили эту операционную систему на другие платформы, но простота и ясность операционной системы искушали многих на ее расширение и последующую модификацию, в результате чего появилось много разновидностей базовой системы.
Краткая история Linux
В 1991 году в Хельсинки, Финляндии, Линус Торвальдс начал работу над проектом, который был, по его словам, «просто для удовольствия». Этот проект в конечном счете стал ядром Linux. Он никогда не был предназначен для чего-то особенного, просто инструмент, который позволил бы студенту получить доступ к UNIX-серверам в соседнем университете. Он написал его специально для железа, на котором он работал на тот момент, и оно не зависело от операционной системы. Linux разработана «с нуля» для процессора Intel i386, сегодня она перенесена на огромный ряд других аппаратных платформ, включая серверы Alpha фирмы DEC.
Переход от Unix к Linux
Linux был разработан в попытке создать бесплатную альтернативу коммерческим UNIX-средам. Его история начинается в 1991 или даже в 1983 гг., когда был создан проект GNU, чьей исходной целью было предоставить бесплатную альтернативу UNIX. Linux работает на гораздо большем количестве платформ, например на Intel®/AMD x86. Большинство ОС UNIX способны работать только на одной платформе.У Linux и UNIX общие исторические корни, но есть и серьезные отличия. Много инструментов, утилит, и бесплатных приложений, являющихся стандартными для Linux, первоначально задумывались как бесплатная альтернатива программам для UNIX. Linux часто предоставляет поддержку множества опций и приложений, заимствуя лучшую или наиболее популярную функциональность из UNIX. Администратору или разработчику, который привык работать с Linux, система UNIX может показаться не очень удобной для использования. С другой стороны, фундамент UNIX-подобной операционной системы (инструменты, файловая система, интерфейсы API) достаточно стандартизирован.
Понятие ядра операционной системы Linux.
Ядро является сердцем любой операционной системы, обеспечивая базовую функциональность операционной системы:
Исходный код ядра коммерческих дистрибутивов UNIX является собственностью их разработчиков и не распространяется за пределы компании. Полностью противоположная ситуация с Linux. Процедуры для компиляции и исправления ядер и драйверов весьма различны. Для Linux и других операционных систем с открытым исходным кодом патч может быть выпущен в виде исходного кода, и конечный пользователь может установить, проверить и даже модифицировать его. Эти патчи обычно проверены не так тщательно как патчи от поставщиков коммерческих ОС UNIX. Поскольку нет полного списка приложений и сред, которые должны быть оттестированы для корректной работы на Linux, Linux-разработчики зависят от конечных пользователей и других разработчиков, которые будут отлавливать ошибки.
Поставщики коммерческих UNIX-дистрибутивов выпускают ядра только в виде исполняемого кода. Некоторые релизы являются монолитными, тогда как другие позволяют обновить только какой-нибудь конкретный модуль ядра. Но в любом случае этот релиз предоставляется только в форме исполняемого кода. Если необходимо обновление, администратор должен ждать, пока производитель выпустит патч в бинарном коде, однако его может утешить то, что производитель выполнит тщательную проверку своего патча на обратную совместимость.
Все коммерческие версии UNIX в некоторой степени эволюционировали до модульного ядра. Драйверы и отдельные особенности ОС доступны как отдельные компоненты и могут быть по необходимости загружены или выгружены из ядра. Но открытая модульная архитектура Linux гораздо гибче. Однако гибкость и адаптируемость Linux означают и постоянное изменение. Исходный код Linux постоянно меняется, и, по прихоти разработчика, может поменяться API. Когда модуль или драйвер написан для коммерческой версии UNIX, он проработает гораздо дольше, чем тот же драйвер для Linux.
Устройство компонентов ядра ОС Linux
Файловая подсистема
Файловая подсистема обеспечивает унифицированный интерфейс доступа к данным, расположенным на дисковых накопителях, а также к периферийным устройствам. Одни и те же функции open(), read(), write() могут использоваться как при чтении или записи данных на диск, так и при выводе текста на принтер или в терминал. Файловая подсистема контролирует права доступа к файлу, выполняет операции размещения и удаления файла. Поскольку большинство прикладных функций выполняется через интерфейс файловой системы, права доступа к файлам определяют привилегии пользователя в системе. Файловая подсистема обеспечивает маршрутизацию запросов периферийным устройствам, соответствующим модулям подсистемы ввода/вывода.
Подсистема управления запросами
Запущенная на выполнение программа порождает в системе один или более процессов ( задач ). Подсистема управления процессами контролирует:
Известно, что в общем случае число активных процессоров превышает число процессоров компьютера, но в каждый конкретный момент времени на каждом процессоре может выполняться только один процесс. Операционная система управляет доступом процессоров к вычислительным ресурсам, создавая ощущение одновременного выполнения нескольких задач. Специальная задача ядра, называемая распорядителем или планировщиком процессов, разрешает конфликты между процессами в конкуренции за системные ресурсы ( процессор, память, периферийные устройства ). Планировщик запускает процесс на выполнение, следя за тем, чтобы процесс монопольно не захватил разделяемые системные ресурсы. Процесс освобождает процессор, ожидая длительной операции ввода/вывода, или по прошествии периода времени. В этом случае планировщик выбирает следующий процесс с наивысшим приоритетом и запускает его на выполнение. Модуль управления памятью обеспечивает размещение оперативной памяти для прикладных задач. Оперативная память является дорогостоящим ресурсом, и, как правило, она редко «простаивает». В случае, если для всех процессов недостаточно памяти, ядро перемещает части процесса или несколько процессов во вторичную память ( как правило, для этого выделена некоторая область жесткого диска ), освобождая ресурсы для действующих процессов. Все современные системы реализуют виртуальную память: процесс выполняется в собственном логическом адресном пространстве, которое может значительно превышать доступную физическую память. Управление виртуальной памятью процесса также входит в перечень задач модуля управления памятью. Модуль межпроцессного взаимодействия.отвечает за уведомление процессов о событиях с помощью сигналов и обеспечивает возможность передачи данных между различными процессами.
Подсистема ввода/вывода
Особенности архитектуры
Ядро Linux поддерживает многие унаследованные от UNIX особенности, такие как:
Выполнение в режиме ядра
Существуют всего три события, при которых выполнение процесса переходит в режим ядра:
Примечания
Литература
Робачевский, Андрей (2002). Autotools : Операционная система Unix / by Андрей Робачевский. No Starch Press. p. 528. ISBN 5-8206-0030-4.