Роберт Лав - Разработка ядра Linux

• Название: Разработка ядра Linux
• Автор: Роберт Лав
• Жанр: Программирование
• Год: 2006
• ISBN: 5-8459-1085-4

В книге детально рассмотрены основные подсистемы и функции ядер Linux серии 2.6, включая особенности построения, реализации и соответствующие программны интерфейсы. Рассмотренные вопросы включают: планирование выполнения процессов, управление временем и таймеры ядра, интерфейс системных вызовов, особенности адресации и управления памятью, страничный кэш, подсистему VFS, механизмы синхронизации, проблемы переносимости и особенности отладки. Автор книги является разработчиком основных подсистем ядра Linux. Ядро рассматривается как с теоретической, так и с прикладной точек зрения, что может привлечь читателей различными интересами и потребностями.

Книга может быть рекомендована как начинающим, так и опытным разработчикам программного обеспечения, а также в качестве дополнительных учебных материалов.

---

Более подробную информацию об этой и других книгах издательства Sams Publishing можно получить на Интернет-сайте www.nowellpress.com. Для поиска информации о книгах введите в поисковое поле код ISBN (без соединительных черточек) или название книги.

Глава 1 Введение в ядро Linux

Даже после трех десятилетий использования операционная система (ОС) Unix все еще считается одной из самых мощных и элегантных среди всех существующих операционных систем. Со времени создания операционной системы Unix в 1969 году, это детище Денниса Ритчи (Dennis Ritchie) и Кена Томпсона (Ken Thompson) стало легендарным творением, системой, принцип работы которой выдержал испытание временем и имя которой оказалось почти незапятнанным.

Операционная система Unix выросла из Multics — многопользовательской операционной системы, проект по созданию которой потерпел неудачу в корпорации Bell Laboratories. По прекращении проекта Multics, сотрудники центра Bell Laboratories Computer Sciences Research Center прекратили работу и так и не создали дееспособной диалоговой операционной системы. Летом 1969 года программисты корпорации Bell Labs разработали проект файловой системы, которая в конце концов была включена в операционную систему Unix. Томпсон осуществил реализацию операционной системы для реально не используемой платформы PDP-7. В 1971 году операционная система Unix была перенесена на платформу PDP-11, а в 1973 году переписана с использованием языка программирования С, что было беспрецедентным шагом в то время, но этот шаг стал основой для будущей переносимости. Первая версия операционной системы Unix, которая использовалась вне стен Bell Labs, называлась Unix System версии 6, ее обычно называют V6.

Другие компании перенесли операционную систему Unix на новые типы машин. Версии, полученные в результате переноса, содержали улучшения, которые позже привели к появлению нескольких разновидностей этой операционной системы, В 1977 году корпорация Bell Labs выпустила комбинацию этих вариантов в виде одной операционной системы Unix System III, а в 1982 году корпорация AT&T представила версию System V[2].

Простота устройства операционной системы Unix, а также тот факт, что эта система распространялась вместе со своим исходным кодом, привели к тому, что дальнейшие разработки начали проводиться в других организациях. Наиболее важным среди таких разработчиков был Калифорнийский университет в городе Беркли (University of California at Berkeley).

Варианты операционной системы Unix из Беркли именовались Berkeley Software Distributions (BSD). Первая версия операционной системы Unix, разработанная в Беркли в 1981 году, называлась 3BSD. Следом за ней появились выпуски серии 4BSD: 4.0BSD, 4.1BSD, 4.2BSD и 4.3BSD. В этих версиях операционной системы Unix была добавлена виртуальная память, замещение страниц по требованию (demand paging) и стек протоколов TCP/IP. Последней официальной версией ОС Unix из Беркли была 4.4BSD, выпущенная в 1993 году, которая содержала переписанную систему управления виртуальной памятью. Сейчас разработка линии BSD продолжается в операционных системах Darwin, Dragonfly BSD, FreeBSD, NetBSD и OpenBSD.

В 1980–1990-х годах многие компании, разработчики рабочих станций и серверов, предложили свои коммерческие версии операционной системы Unix. Эти операционные системы обычно базировались на реализациях AT&T или Беркли и поддерживали дополнительные профессиональные возможности, которые обеспечивала соответствующая аппаратная платформа. Среди таких систем были Tru64 компании Digital, HP-UX компании Hewlett Packard, AIX компании IBM, DYNIX/ptx компании Sequent, IRIX компании SGI, Solaris компании Sun.

Первоначальное элегантное устройство операционной системы Unix в соединении с многолетними нововведениями и улучшениями, которые за ними последовали, сделали систему Unix мощной, устойчивой и стабильной. Очень небольшое количество характеристик ОС Unix ответственны за ее устойчивость. Во-первых, операционная система Unix проста: в то время как в некоторых операционных системах реализованы тысячи системных вызовов и эти системы имеют недостаточно ясное назначение, Unix-подобные операционные системы обычно имеют только несколько сотен системных вызовов и достаточно четкий дизайн. Во-вторых, в операционной системе Unix все представляется в виде файлов[3]. Такая особенность позволяет упростить работу с данными и устройствами, а также обеспечить это посредством простых системных вызовов: open(), read(), write(), ioctl() и close(). В-третьих, ядро и системные утилиты операционной системы Unix написаны на языке программирования С — это свойство делает Unix удивительно переносимой и доступной для широкого круга разработчиков операционной системой.

Для ОС Unix характерно очень малое время создания нового процесса и уникальный системный вызов fork(). И наконец, операционная система Unix предоставляет простые и в то же время устойчивые средства межпроцессного взаимодействия, которые, в сочетании с быстрым созданием процессов, позволяют создавать простые утилиты, которые умеют выполнять всего одну функцию, но делают это хорошо, и могут быть связаны вместе для выполнения более сложных задач.

Сегодня Unix — современная операционная система, которая поддерживает многозадачность, многопоточность, виртуальную память, замещение страниц по требованию, библиотеки совместного использования, загружаемые по требованию, и сеть TCP/IP. Многие варианты операционной системы Unix поддерживают масштабирование до сотен процессоров, в то время как другие варианты ОС Unix работают на миниатюрных устройствах в качестве встраиваемых систем. Хотя разработка Unix больше не является исследовательским проектом, все же продолжаются разработки (с целью получить дополнительные преимущества) с использованием возможностей операционной системы Unix, которая при этом остается практичной операционной системой общего назначения.

Операционная система Unix обязана своим успехом простоте и элегантности построения. В основе ее сегодняшней мощности лежат давние идеи Денниса Ритчи, Кена Томпсона и других разработчиков, обеспечившие возможность операционной системе Unix бескомпромиссно развиваться.

Потом пришел Линус: введение в Linux

Операционная система Linux была разработана Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds) в 1991 году как операционная система для компьютеров, работающих на новом в то время микропроцессоре Intel 80386. Тогда Линус Торвальдс был студентом университета в Хельсинки и был крайне возмущен отсутствием мощной и в то же время свободно доступной Unix-подобной операционной системы. Операционная система DOS, продукт корпорации Microsoft, была для Торвальдса полезна только лишь, чтобы поиграть в игрушку "Принц Персии", и не для чего больше. Линус пользовался операционной системой Minix, недорогой Unix-подобной операционной системой, которая была создана в качестве учебного пособия. В этой операционной системе ему не нравилось отсутствие возможности легко вносить и распространять изменения исходного кода (это запрещалось лицензией ОС Minix), а также технические решения, которые использовал автор ОС Minix.

Поставленный перед такой проблемой, Линус решил написать свою операционную систему. Начал он с написания простого эмулятора терминала, который он подключал к большим Unix-системам в университете. Его эмулятор терминала постепенно рос, развивался и улучшался. Постепенно у Линуса появилась еще не совсем зрелая, но полноценная Unix-система. В 1991 году он опубликовал в Интернет ее первую версию.

По некоторым неясным причинам, использование операционной системы Linux и количество ее пользователей начали стремительно расти. Более важным для успеха Linux стало то, что эта операционная система привлекла многих разработчиков, которые начали изменять, исправлять и улучшать код. Благодаря соответствующему лицензионному соглашению, ОС Linux быстро стала совместным проектом, который разрабатывается многими людьми.

Сейчас Linux — это развитая операционная система, работающая на аппаратных платформах AMD x86-64, ARM, Compaq Alpha, CRIS, DEC VAX, H8/300, Hitachi SuperH, HP PA-RISC, IBM S/390, Intel IA-64, MIPS, Motorola 68000, PowerPC, SPARC, UltraSPARC и v850. Она работает в различных системах, как размером с часы, так и на больших супер-компьютерных кластерах. Сегодня коммерческий интерес к операционной системе Linux достаточно высок. Как новые корпорации, ориентирующиеся исключительно на Linux (Monta Vista или Red Hat), так и старые (IBM, Novell) предлагают решения на основе этой ОС для встраиваемых систем, десктопов и серверов.

Операционная система Linux является клоном Unix, по ОС Linux— это не Unix. Хотя в ОС Linux позаимствовано много идей от Unix, в Linux реализован API ОС Unix (как это определено в стандарте POSIX и спецификации Single Unix Specification), все же система Linux не является производной от исходного кода Unix, как это имеет место для других Unix-систем, Там, где это желательно, были сделаны отклонения от пути, по которому шли другие разработчики, однако это не подрывает основные принципы построения операционной системы Unix и не нарушает программные интерфейсы.