Что делает ядро Linux

Ядро Linux — это ключевой компонент любого дистрибутива. Оно создавалось Линусом Торвальдсом как средство для доступа к терминалу университетского компьютера, но сейчас на него возложено гораздо больше функций.

Мы затронем не только само ядро, но ещё и утилиты проекта GNU. Это поможет определить границы возможностей ядра, а также понять, почему ядро без них бесполезно.

Содержание статьи

• Что делает ядро Linux
  • Аппаратный уровень
  • Уровень драйверов
  • Функциональный уровень
  • Уровень взаимодействия
  • Уровень виртуализации
  • Прикладной уровень
• Что НЕ делает ядро Linux
• Выводы

Что делает ядро Linux

Ядро Linux монолитное. Это значит, что оно самодостаточное и выполняет все низкоуровневые задачи. Код ядра можно разбить на блоки. Часть кода отвечает за общение с аппаратной частью, другая — за виртуализацию и так далее. Чем выше уровень, тем больше системных вызовов доступно программам. Ядро работает со всеми компонентами компьютера: процессором, оперативной памятью, сетью, устройствами ввода/вывода. Ниже представлена карта ядра Linux.

Аппаратный уровень

На нём определяется интерфейс подключения и архитектура, чтобы была возможность перейти на следующий уровень. Например, у процессора считывается идентификатор, что позволяет задействовать все его возможности.

Уровень драйверов

Код драйверов занимает большую часть ядра. Это легко объяснить. Если остальной код ядра унифицирован, то драйверы у каждого устройства свои. Их настолько много, что некоторые вынесены в отдельные модули. Если собирать ядро только под определённое железо, то оно займёт совсем немного места.

Функциональный уровень

На этом уровне, с учётом двух предыдущих, определяются функциональные возможности компьютера. Настраивается планировщик процессора, определяются логические разделы диска и их файловая система.

Именно здесь задаются протоколы передачи данных TCP и UDP. Перезапуск или выключение ядра тоже можно отнести к функциональным возможностям.

Уровень взаимодействия

Этот уровень предназначен для того, чтобы устройства могли общаться между собой и дополнять друг друга. Например, на накопителе выделяется место под SWAP, что позволяет системе выгружать невостребованные данные из оперативной памяти.

Ещё один пример взаимодействия — это управление потоками. Без этого было бы невозможно использовать сотни потоков на процессоре с кратно меньшим количеством ядер. Если процесс ничем не занят, то его поток замораживается, высвобождая тем самым процессорное время для более важных задач.

Здесь же реализуется межпроцессное взаимодействие (IPC). С его помощью потоки одного процесса могут обмениваться данными.

Уровень виртуализации

Это один из самых важных уровней ядра. На нём потоки представляются программам как нечто абстрактное, как будто других программ не существует. Аналогичная ситуация с памятью, под определённую задачу выделяется только её часть, об остальной занятой памяти программа знать не должна.

На этом уровне создаются также виртуальные файловые системы. Это одна из ключевых задач ядра. Вместо того чтобы отображать пользователю файловую систему ext4 или любую другую, ядро приводит её к одному виду, который понятен не только программам, но и пользователю. Что интересно, файловой системой можно сделать даже оперативную память. Для этого на уровне взаимодействия создаётся RAM-диск. Во время загрузки операционной системы это решает вопрос доступа к загрузочным файлам до момента инициализации файловой системы накопителя.

Прикладной уровень

На прикладном уровне описана большая часть системных вызовов. Они нужны для того, чтобы программы могли общаться с ядром. Таким образом, можно запросить чтение или запись файла, создание нового потока и так далее. Иными словами, через вызовы происходит взаимодействие с ресурсами компьютера. Однако даже этого недостаточно для того, чтобы организовать полноценную работу операционной системы. На этом моменте мы плавно переходим к следующему пункту.

Что НЕ делает ядро Linux

Вы наверняка слышали о том, что операционные системы Linux называют GNU/Linux. Именно библиотеки и утилиты проекта GNU дополняют ядро, давая тем самым возможность более гибко и просто использовать его вызовы. Системных вызовов несколько сотен, но библиотека GNU C (glibc) значительно расширяет этот список всевозможными функциями. Аналогичную работу выполняет библиотека DRM (не относится к GNU), дающая доступ к ресурсам видеокарты. На примере ниже показана работа видеоигры.

Другие утилиты GNU не менее полезны. Например, командная оболочка Bash отвечает за выполнение консольных команд.

Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что ядро Linux редко используется напрямую. Посредники в виде библиотек GNU предоставляют доступ к основным функциям ядра и расширяют их. Если сравнить операционную систему GNU/Linux с языком программирования, то ядро — это операторы, а GNU — набор стандартных функций.

Android тоже использует ядро Linux, но вместо библиотек GNU задействует собственные. Поэтому GNU/Linux и Android имеют несовместимые друг с другом программы.

Выводы

Теперь вы знаете что делает ядро Linux. Если кратко описать задачи ядра, то оно управляет ресурсами компьютера и предоставляет к ним доступ в виде абстракций вроде виртуальной памяти и потоков. Но не стоит переоценивать заслуги ядра, вместе с утилитами GNU вы получаете не просто планировщик потоков, а практически полноценную операционную систему.