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.

---

Операционные системы, в соответствии с особенностями построения, можно разделить на две большие группы: с монолитным ядром и с микроядром. (Есть еще третий тип — экзоядро, которое пока еще используется, в основном, только в исследовательских операционных системах, но уже начинает пробивать дорогу в большой мир.)

Монолитное ядро является самым простым, и до 1980-х годов все ядра строились именно таким образом. Монолитное ядро реализовано в виде одного большого процесса, который выполняется в одном адресном пространстве, Такие ядра обычно хранятся на диске в виде одного большого статического бинарного файла. Все службы ядра существуют и выполняются в одном большом адресном пространстве ядра. Взаимодействия в ядре выполняются очень просто, потому что все, что выполняется в режиме ядра, — выполняется в одном адресном пространстве. Ядро может вызывать функции непосредственно, как это делает пользовательское приложение. Сторонники такой модели обычно указывают на простоту и высокую производительность монолитных ядер.

Микроядра не реализуются в виде одного большого процесса. Все функции ядра разделяются на несколько процессов, которые обычно называют серверами. В идеале, в привилегированном режиме работают только те серверы, которым абсолютно необходим привилегированный режим. Остальные серверы работают в пространстве пользователя. Все серверы, тем не менее, поддерживаются независимыми друг от друга и выполняются каждый в своем адресном пространстве. Следовательно, прямой вызов функций, как в случае монолитного ядра, невозможен. Все взаимодействия внутри микроядра выполняются с помощью передачи сообщений. Механизм межпроцессного взаимодействия (Inter Process Communication, IPC) встраивается в систему, и различные серверы взаимодействуют между собой и обращаются к "службам" друг друга путем отправки сообщений через механизм IPC. Разделение серверов позволяет предотвратить возможность выхода из строя одного сервера при выходе из строя другого.

Кроме того, модульность системы позволяет одному серверу вытеснять из памяти другого. Поскольку механизм IPC требует больше накладных расходов, чем обычный вызов функции, и при этом может потребоваться переключение контекста из пространства пользователя в пространство ядра и наоборот, то передача сообщений приводит к падению производительности по сравнению с монолитными ядрами, в которых используются обычные вызовы функций.

В современных операционных системах с микроядром, большинство серверов выполняется в пространстве ядра, чтобы избавиться от накладных расходов, связанных с переключением контекста, кроме того, это дает потенциальную возможность прямого вызова функций. Ядро операционной системы Windows NT, а также ядро Mach (на котором базируется часть операционной системы Mac OS X) — это примеры микроядер. В последних версиях как Windows NT, так и Mac OS X все серверы выполняются только в пространстве ядра, что является отходом от первоначальной концепции микроядра.

Ядро ОС Linux монолитное, т.е. оно выполняется в одном адресном пространстве, в режиме ядра. Тем не менее ядро Linux позаимствовало некоторые хорошие свойства микроядерной модели: в нем используется преемптивное ядро, поддерживаются потоки пространства ядра и возможность динамической загрузки в ядро внешних бинарных файлов (модулей ядра). Ядро Linux не использует никаких функций микроядерной модели, которые приводят к снижению производительности: все выполняется в режиме ядра с непосредственным вызовом функций, вместо передачи сообщений. Следовательно, операционная система Linux — модульная, многопоточная, а выполнение самого ядра можно планировать.

Прагматизм снова победил.

По мере того как Линус и другие разработчики вносили свой вклад в ядро Linux, они принимали решения о том, как развивать ОС Linux без пренебрежения корнями, связанными с Unix (и, что более важно, без пренебрежения API ОС Unix). Поскольку операционная система Linux не базируется на какой-либо версии ОС Unix, Линус и компания имели возможность найти и выбрать наилучшее решение для любой проблемы и даже со временем изобрести новые решения! Ниже приводится анализ характеристик ядра Linux, которые отличают его от других разновидностей Unix.

• Ядро Linux поддерживает динамическую загрузку модулей ядра. Хотя ядро Linux и является монолитным, оно дополнительно поддерживает динамическую загрузку и выгрузку исполняемого кода ядра по необходимости.

• Ядро Linux поддерживает симметричную многопроцессорную обработку (SMP). Хотя большинство коммерческих вариантов операционной системы Unix сейчас поддерживает SMP, большинство традиционных реализаций ОС Unix такой поддержки не имеет.

• Ядро Linux является преемптивным. В отличие от традиционных вариантов ОС Unix, ядро Linux в состоянии вытеснить выполняющееся задание, даже если это задание работает в режиме ядра. Среди коммерческих реализаций ОС Unix преемптивное ядро имеют только операционные системы Solaris и IRIX.

• В ядре Linux используется интересный подход для поддержки многопоточности (threads): потоки ни чем не отличаются от обычных процессов. С точки зрения ядра все процессы одинаковы, просто некоторые из них имеют общие ресурсы.

• В ядре Linux отсутствуют некоторые функции ОС Unix, которые считаются плохо реализованными, как, например, поддержка интерфейса STREAMS, или отвечают "глупым" стандартам.

• Ядро Linux является полностью открытым во всех смыслах этого слова. Набор функций, реализованных в ядре Linux, — это результат свободной и открытой модели разработки операционной системы Linux. Если какая-либо функция ядра считается маловажной или некачественной, то разработчики ядра не обязаны ее реализовать. В противоположность этому, внесение изменений при разработке ядра Linux занимает "элитарную" позицию: изменения должны решать определенную практическую задачу, должны быть логичными и иметь понятную четкую реализацию. Следовательно, функции некоторых современных вариантов ОС Unix, такие как память ядра со страничной реализацией, не были реализованы. Несмотря на имеющиеся различия, Linux является операционной системой со строгим наследованием традиций ОС Unix.

Версии ядра Linux

Ядро Linux поставляется в двух вариантах: стабильном (stable) и разрабатываемом (development). Версии стабильного ядра - это выпуски продукции промышленного уровня, которая готова для широкого использования. Новые стабильные версии ядра обычно выпускаются для исправления ошибок и для предоставления новых драйверов устройств. Разрабатываемые версии ядра, наоборот, подвержены быстрым изменениям. По мере того как разработчики экспериментируют с новыми решениями, часто вносятся радикальные изменения в ядро.

Ядра Linux стабильных и разрабатываемых версий можно отличить друг от друга с помощью простой схемы присваивания имен (рис. 1.2.). Три числа, которые разделяются точкой, определяют версию ядра. Первое число — значение старшей (major) версии, второе — значение младшей (minor), третье число — значение редакции (выпуска, revision). Значение младшей версии также определяет, является ли ядро стабильным или разрабатываемым; если это значение четное, то ядро стабильное, а если нечетное, то разрабатываемое. Так, например, версия 2.6.0 определяет стабильное ядро. Ядро имеет старшую версию 2, младшую версию 6 и редакцию 0. Первые два числа также определяют "серию ядер", в данном случае серия ядер — 2.6.

Рис. 1.2. Соглашение о присваивании имен ядрам

Разработка ядра соответствует различным фазам. Вначале разработчики ядра работают над новыми функциями, что напоминает хаос. Через определенное время ядро оказывается сформировавшимся, и в конце концов объявляется замораживание функций.

Начиная с этого момента никакие новые функции не могут быть добавлены в ядро. Однако работа над существующими функциями может быть продолжена. После того как ядро становится почти стабильным, осуществляется замораживание кода. В этом случае допускаются только исправления ошибок. Вскоре после этого (можно надеяться) ядро выпускается в виде первой, новой, стабильной версии. Например, при стабилизации серии ядер 2.5 получается серия 2.6.

Все это неправда

По крайней мере — не совсем. Приведенное только что описание процесса разработки ядра технически правильное. Раньше процесс происходил именно так, как описано. Тем не менее летом 2004 года на ежегодном саммите для приглашенных разработчиков ядра Linux было принято решение продолжить разработку серии 2.6 ядра Linux и в ближайшем будущем не переходить на серию разрабатываемого ядра 2.7. Такое решение было принято потому, что ядро 2.6 получилось хорошим; оно, в основном, стабильно и на горизонте нет никаких новых функций, которые требуют серьезного вторжения в ядро.

Кроме того, и, возможно, это главное — существующая система поддержки, которая обеспечивается Линусом Торвальдсом и Эндрю Мортоном, работает чрезвычайно хорошо. Разработчики ядра уверены, что процесс разработки может продолжаться таким образом, что серия ядер 2.6 будет оставаться стабильной и в ней будут появляться новые возможности. Время рассудит, но уже сейчас результаты выглядят хорошо.