Ядро линукс что это такое

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.

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.

Источник

Что такое ядро Linux

Ядро Linux содержит более 13 миллионов строк кода и является одним из самых крупных проектов с открытым исходным кодом в мире. Так что такое ядро Linux и для чего оно используется?

Что такое ядро Linux?

Ядро — это самый низкий уровень программного обеспечения, которое взаимодействует с аппаратными средствами компьютера. Оно отвечает за взаимодействие всех приложений, работающих в пространстве пользователя вплоть до физического оборудования. Также позволяет процессам, известным как сервисы получать информацию друг от друга с помощью системы IPC.

Виды и версии ядра

Что такое ядро Linux вы уже знаете, но какие вообще бывают виды ядер? Есть различные способы и архитектурные соображения при создании ядер с нуля. Большинство ядер могут быть одного из трех типов: монолитное ядро, микроядро, и гибрид. Ядро Linux представляет собой монолитное ядро, в то время как ядра Windows и OS X гибридные. Давайте сделаем обзор этих трех видов ядер.

Микроядро

Микроядра реализуют подход, в котором они управляют только тем, чем должны: процессором, памятью и IPC. Практически все остальное в компьютере рассматривается как аксессуары и обрабатывается в режиме пользователя. Микроядра имеют преимущество в переносимости, они могут использоваться на другом оборудовании, и даже другой операционной системе, до тех пор, пока ОС пытается получить доступ к аппаратному обеспечению совместимым образом.

Микроядра также имеют очень маленький размер и более безопасны, поскольку большинство процессов выполняются в режиме пользователя с минимальными привилегиями.

Плюсы

• Портативность
• Небольшой размер
• Низкое потребление памяти
• Безопасность

Минусы

• Аппаратные средства доступны через драйверы
• Аппаратные средства работают медленнее потому что драйверы работают в пользовательском режиме
• Процессы должны ждать свою очередь чтобы получить информацию
• Процессы не могут получить доступ к другим процессам не ожидая

Монолитное ядро

Монолитные ядра противоположны микроядрам, потому что они охватывают не только процессор, память и IPC, но и включают в себя такие вещи, как драйверы устройств, управление файловой системой, систему ввода-вывода. Монолитные ядра дают лучший доступ к оборудованию и реализуют лучшую многозадачность, потому что если программе нужно получить информацию из памяти или другого процесса, ей не придется ждать в очереди. Но это и может вызвать некоторые проблемы, потому что много вещей выполняются в режиме суперпользователя. И это может принести вред системе при неправильном поведении.

Плюсы:

• Более прямой доступ к аппаратным средствам
• Проще обмен данными между процессами
• Процессы реагируют быстрее

Минусы:

• Большой размер
• Занимает много оперативной памяти
• Менее безопасно

Гибридное ядро

Гибридные ядра могут выбирать с чем нужно работать в пользовательском режиме, а что в пространстве ядра. Часто драйвера устройств и файловых систем находятся в пользовательском пространстве, а IPC и системные вызовы в пространстве ядра. Это решение берет все лучшее из обоих предыдущих, но требует больше работы от производителей оборудования. Поскольку вся ответственность за драйвера теперь лежит на них.

Плюсы

• Возможность выбора того что будет работать в пространстве ядра и пользователя
• Меньше по размеру чем монолитное ядро
• Более гибкое

Минусы

• Может работать медленнее
• Драйверы устройств выпускаются производителями

Где хранятся файлы ядра?

Где находится ядро Linux? Файлы ядра Ubuntu или любого другого Linux-дистрибутива находятся в папке /boot и называются vmlinuz-версия. Название vmlinuz походит с эпохи Unix. В шестидесятых годах ядра привыкли называть просто Unix, в 90-х годах Linux ядра тоже назывались — Linux.

Когда для облегчения многозадачности была разработана виртуальная память, перед именем файла появились буквы vm, чтобы показать что ядро поддерживает эту технологию. Некоторое время ядро называлось vmlinux, но потом образ перестал помещаться в память начальной загрузки, и был сжат. После этого последняя буква x была изменена на z, чтобы показать что использовалось сжатие zlib. Не всегда используется именно это сжатие, иногда можно встретить LZMA или BZIP2, поэтому некоторые ядра называют просто zImage.

Нумерация версии состоит из трех цифр, номер версии ядра Linux, номер вашей версии и патчи или исправления.

В паке /boot можно найти не только ядро Linux, такие файлы, как initrd.img и system.map. Initrd используется в качестве небольшого виртуального диска, который извлекает и выполняет фактический файл ядра. Файл System.map используется для управления памятью, пока еще ядро не загрузилось, а конфигурационные файлы могут указывать какие модули ядра включены в образ ядра при сборке.

Архитектура ядра Linux

Так как ядро Linux имеет монолитную структуру, оно занимает больше и намного сложнее других типов ядер. Эта конструктивная особенность привлекла много споров в первые дни Linux и до сих пор несет некоторые конструктивные недостатки присущие монолитным ядрам.

Но чтобы обойти эти недостатки разработчики ядра Linux сделали одну вещь — модули ядра, которые могут быть загружены во время выполнения. Это значит что вы можете добавлять и удалять компоненты ядра на лету. Все может выйти за рамки добавления функциональных возможностей аппаратных средств, вы можете запускать процессы сервера, подключать виртуализацию, а также полностью заменить ядро без перезагрузки.

Представьте себе возможность установить пакет обновлений Windows без необходимости постоянных перезагрузок.

Модули ядра

Что, если бы Windows уже имела все нужные драйвера по умолчанию, а вы лишь могли включить те, которые вам нужны? Именно такой принцип реализуют модули ядра Linux. Модули ядра также известные как загружаемые модули (LKM), имеют важное значение для поддержки функционирования ядра со всеми аппаратными средствами, не расходуя всю оперативную память.

Модуль расширяет функциональные возможности базового ядра для устройств, файловых систем, системных вызовов. Загружаемые модули имеют расширение .ko и обычно хранятся в каталоге /lib/modules/. Благодаря модульной природе вы можете очень просто настроить ядро путем установки и загрузки модулей. Автоматическую загрузку или выгрузку модулей можно настроить в конфигурационных файлах или выгружать и загружать на лету, с помощью специальных команд.

Сторонние, проприетарные модули с закрытым исходным кодом доступны в некоторых дистрибутивах, таких как Ubuntu, но они не поставляются по умолчанию, и их нужно устанавливать вручную. Например, разработчики видеодрайвера NVIDIA не предоставляют исходный код, но вместо этого они собрали собственные модули в формате .ko. Хотя эти модули и кажутся свободными, они несвободны. Поэтому они и не включены во многие дистрибутивы по умолчанию. Разработчики считают что не нужно загрязнять ядро несвободным программным обеспечением.

Теперь вы ближе к ответу на вопрос что такое ядро Linux. Ядро не магия. Оно очень необходимо для работы любого компьютера. Ядро Linux отличается от OS X и Windows, поскольку оно включает в себя все драйверы и делает много вещей поддерживаемых из коробки. Теперь вы знаете немного больше о том, как работает ваше программное обеспечение и какие файлы для этого используются.

Источник

Ядро Linux. Объясняем простыми словами

Существует огромное количество дистрибутивов Linux, но де-факто, у них есть только одна общая черта: ядро ​​Linux. И хотя об этом часто говорят, многие люди на самом деле не знают точно, что оно делает.

Давайте посмотрим, что на самом деле делает ядро ​​Linux и зачем оно нужно, используя как можно меньше отвратительных терминов.

Что такое ядро?

Каждая операционная система использует ядро. Без ядра, у вас не может быть операционной системы, которая действительно работает. Windows, Mac OS X и Linux имеют ядра, и все они разные. Это ядро ​​также выполняет основную работу операционной системы. Помимо ядра, есть много приложений, связанных с ядром, чтобы сделать весь пакет чем-то полезным – об этом чуть позже.

Задача ядра – общаться с аппаратным и программным обеспечением и максимально эффективно управлять ресурсами системы. Оно взаимодействует с оборудованием через драйверы, которые включены в ядро ​​(или дополнительно установлены позже в виде модуля ядра). Таким образом, когда приложение хочет что-то сделать (скажем, изменить настройку громкости динамиков), оно может просто отправить этот запрос ядру, и ядро ​​может использовать драйвер для динамиков, чтобы фактически изменить громкость.

Ядро активно участвует в управлении ресурсами. Необходимо убедиться, что для запуска приложения достаточно памяти, а также разместить приложение в нужном месте в памяти. Ядро пытается оптимизировать использование процессора, чтобы он мог выполнять задачи как можно быстрее. Оно также направлено на то, чтобы избежать взаимоблокировок, которые являются проблемами, которые полностью останавливают систему, когда одному приложению требуется ресурс, который использует другое приложение. Это довольно сложный “цирковой акт”, чтобы координировать все эти вещи, но это нужно сделать, для этого и нужно ядро.

Что еще составляет операционную систему?

Как я упоминал ранее, операционные системы включают собственное ядро ​​вместе с кучей других приложений. Только с ядром, практически невозможно что-либо сделать с операционной системой. Вам также понадобятся некоторые другие приложения, такие как оболочка. Оболочка отвечает за отображение приглашения, которое вы видите в терминалах или командных строках. Оболочки – гораздо более простой способ запуска приложений, навигации по папкам и многого другого. Все те задачи, которые вы можете выполнять в оболочке, поддерживаются другими приложениями, которые также должны быть связаны. Например, приложение tar необходимо, если вы работаете с tarballs в оболочке.

Затем операционные системы, в частности дистрибутивы Linux, продолжают объединять больше приложений, таких как среда рабочего стола, веб-браузер, офисный пакет и другие приложения, с которыми вы часто взаимодействуете напрямую. Итак, как вы можете видеть, ядро ​​- это очень маленькая часть операционной системы, но, пожалуй, самая важная.

История Linux

Как долго существует ядро ​​Linux? Впервые оно было создано финским студентом по имени Линус Торвальдс в 1991 году. Он отправил электронное письмо в список рассылки со словами: “Привет всем, кто использует Minix! Я делаю (бесплатную) операционную систему для клонов AT на базе процессоров 386 (486). Это просто хобби, а не что-то большое и профессиональное вроде GNU”. За более чем два десятилетия, операционная система для хобби, превратилась в основную часть программного обеспечения, которое теперь используется для миллионов устройств по всему миру.

В течение этого времени, Линус решил лицензировать ядро, используя лицензию GPL, что означало, ядро имеет открытый исходный код. Люди могут свободно просматривать код, изменять его в соответствии со своими потребностями, а затем распространять его среди других (по той же лицензии).

Теперь вы знаете о ядре Linux

Итак, теперь, когда кто-нибудь спросит вас, что такое ядро ​​Linux, вы сможете рассказать им об этом! Если у вас есть другие вопросы о ядре Linux, задайте их в комментариях, а я постараюсь на них ответить.

Источник