Ядро Linux

Ядро Linux

Тукс , талисман Linux Пингвин
Загрузка ядра Linux 3.0.0
Оригинальный автор(ы)	Линус Торвальдс
Разработчик(и)	Участники сообщества Линус Торвальдс
Первоначальный выпуск	0,02 (5 октября 1991 ( 1991-10-05 ) )
Стабильная версия	6.9.5   / 16 июня 2024 г.
Предварительный выпуск	6.10-rc4   / 16 июня 2024 г.
Репозиторий	мерзавец .ядро .org /паб /скм /линукс /ядро / git / Торвальдс /линукс .git
Написано в	C ( C11 начиная с 5.18, C89 ранее), Ржавчина (начиная с версии 6.1), Язык ассемблера
Доступно в	Английский
Лицензия	Только GPL-2.0 с примечанием к системному вызову Linux
Веб-сайт	ядро .org

Ядро Linux является бесплатным и открытым исходным кодом . UNIX-подобное ядро , которое используется во многих компьютерных системах по всему миру. Ядро было создано Линусом Торвальдсом в 1991 году и вскоре после этого было принято в качестве ядра (ОС) GNU операционной системы , которая была создана в качестве бесплатной замены Unix .

С конца 1990-х годов он был включен во многие дистрибутивы операционных систем , многие из которых называются Linux . Известная операционная система с ядром Linux — Android , которая используется во многих мобильных и встраиваемых устройствах.

Ядро адаптировано для широкого спектра компьютерного оборудования . Его можно в некоторой степени адаптировать с помощью команд и конфигурации во время сборки. Его также можно адаптировать, изменив исходный код . Привилегированные пользователи могут точно настраивать параметры ядра во время выполнения.

Большая часть кода ядра написана на языке C, который поддерживается коллекцией компиляторов GNU (GCC), которая имеет расширения, выходящие за рамки стандартного C. Код также содержит ассемблерный код для логики, зависящей от архитектуры, такой как оптимизация использования памяти и выполнения задач.

Ядро имеет модульную конструкцию в том смысле, что модули могут быть интегрированы как программные компоненты , в том числе динамически загружаемые.

Ядро является монолитным в архитектурном смысле, поскольку вся ОС работает в пространстве ядра .

Linux предоставляется по лицензии GNU General Public License версии 2, хотя он содержит файлы под другими совместимыми лицензиями .

История

См. также: История Linux и история версий ядра Linux.

Линус Торвальдс на LinuxCon Europe 2014 в Дюссельдорфе

В апреле 1991 года Линус Торвальдс, 21-летний -компьютерщик студент Хельсинкского университета , начал работать над операционной системой, вдохновленной UNIX, для персонального компьютера. Начал он с переключателя задач на языке ассемблера Intel 80386 и драйвера терминала . 25 августа 1991 года Торвальдс опубликовал следующее в comp.os.minix группе новостей в Usenet :

Я делаю (бесплатную) операционную систему (просто хобби, не будет большой и профессиональной, как GNU) для 386(486) AT клонов . Это назревало с апреля и начинает готовиться. Я хотел бы получить любые отзывы о том, что людям нравится/не нравится в minix, поскольку моя ОС чем-то напоминает ее (среди прочего, такое же физическое расположение файловой системы (по практическим соображениям)).
В настоящее время я портировал bash (1.08) и gcc (1.40), и, похоже, все работает. Это означает, что через несколько месяцев я получу что-то практическое [...]
Да, он не содержит никакого миникс-кода и имеет многопоточную файловую систему. Он НЕ переносимый [ sic ] (использует переключение задач 386 и т. д.), и он, вероятно, никогда не будет поддерживать ничего, кроме AT-жестких дисков, поскольку это все, что у меня есть :-(.

17 сентября 1991 года Торвальдс подготовил версию Linux 0.01 и разместил ее на «ftp.funet.fi» — FTP-сервере Финской университетской и исследовательской сети ( FUNET ). Он даже не был исполняемым, поскольку его код все еще нуждался в Minix для компиляции и тестирования.

5 октября 1991 года Торвальдс анонсировал первую «официальную» версию Linux — 0.02.

[Как] я уже говорил месяц назад, я работаю над бесплатной версией Minix-аналога для компьютеров AT-386. Наконец-то он достиг той стадии, когда его можно даже использовать (хотя это может быть и не в зависимости от того, что вы хотите), и я готов выложить исходники для более широкого распространения. Это всего лишь версия 0.02... но я успешно запускал под ней bash, gcc, gnu-make, gnu-sed, compress и т. д.

Linux быстро рос. Несмотря на ограниченный функционал ранних версий, он завоевал пользователей. И многие разработчики, включая сообщество MINIX , внесли свой вклад в проект.

В то время проект GNU завершил работу над многими компонентами для своей бесплатной замены UNIX, ОС GNU , но его ядро, GNU Hurd , было неполным. В качестве своей ОС проект принял ядро ​​Linux.

Распространение программного обеспечения Беркли еще не освободилось от юридических обременений и не боролось за свободное ядро.

Торвальдс присвоил ядру номер основной версии 0, чтобы указать, что оно еще не предназначено для общего использования.

Версия 0.11, выпущенная в декабре 1991 года, была первой версией, размещаемой на собственном хостинге ; скомпилирован на компьютере под управлением ядра Linux.

Когда Торвальдс выпустил версию 0.12 в феврале 1992 года, он принял Стандартную общественную лицензию GNU версии 2 (GPLv2) вместо своей предыдущей лицензии, разработанной им самим, которая не допускала коммерческого распространения. В отличие от Unix , все исходные файлы Linux находятся в свободном доступе, включая драйверы устройств .

Первоначальный успех Linux был обусловлен программистами и тестировщиками по всему миру. Благодаря поддержке POSIX API через libC, которая при необходимости действует как точка входа в адресное пространство ядра, Linux может запускать программное обеспечение и приложения, разработанные для Unix.

Ядро Linux поддерживает различные аппаратные архитектуры, обеспечивая общую платформу для программного обеспечения, включая проприетарное программное обеспечение .

19 января 1992 года было отправлено первое сообщение в новую группу новостей alt.os.linux . 31 марта 1992 года группа новостей была переименована в comp.os.linux .

Тот факт, что Linux представляет собой монолитное ядро, а не микроядро, был темой спора между Эндрю С. Таненбаумом , создателем MINIX, и Торвальдсом. Дебаты Таненбаума и Торвальдса начались в 1992 году в Usenet группе comp.os.minix как общее обсуждение архитектуры ядра.

Версия 0.95 была первой версией, поддерживающей X Window System .

В марте 1994 года был выпущен Linux 1.0.0 с 176 250 строками кода. Судя по номеру версии, это была первая версия, считавшаяся подходящей для производственной среды .

В июне 1996 года, после выпуска 1.3, Торвальдс решил, что Linux достаточно развился, чтобы гарантировать новый основной номер, и поэтому обозначил следующий выпуск как версию 2.0.0. Важные функции версии 2.0 включали симметричную многопроцессорную обработку (SMP), поддержку большего количества типов процессоров и поддержку выбора конкретных аппаратных целей, а также включение функций и оптимизаций, специфичных для архитектуры. Семейство команд make *config команды kbuild включает и настраивает параметры для создания специальных исполняемых файлов ядра ( vmlinux ) и загружаемых модулей.

Версия 2.2, выпущенная 20 января 1999 г., улучшена детализация блокировок и управление SMP, добавлена ​​поддержка m68k , PowerPC , Sparc64 , Alpha и других 64-битных платформ. Кроме того, были добавлены новые файловые системы , включая Microsoft . от NTFS возможность чтения только для чтения В 1999 году IBM опубликовала свои исправления к коду Linux 2.2.13 для поддержки архитектуры S/390 .

Версия 2.4.0, выпущенная 4 января 2001 г., содержала поддержку ISA Plug and Play , USB и PC Cards . В Linux 2.4 добавлена ​​поддержка Pentium 4 и Itanium (последний представил ia64 ISA, который был совместно разработан Intel и Hewlett-Packard для замены старого PA-RISC ), а также нового 64-битного процессора MIPS . Разработка для 2.4. x немного изменился: на протяжении всей серии стало доступно больше функций, включая поддержку Bluetooth , диспетчера логических томов (LVM) версии 1, RAID поддержку InterMezzo и ext3 , файловых систем .

Версия 2.6.0 была выпущена 17 декабря 2003 г. Разработка для 2.6. x были внесены дальнейшие изменения в сторону включения новых функций во всю серию. Среди изменений, внесенных в серию 2.6, можно отметить: интеграцию μClinux в основные исходные коды ядра, поддержку PAE , поддержку нескольких новых линеек процессоров , интеграцию Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) в основные исходные коды ядра, поддержку до 2 ³² пользователи (вместо 2 ¹⁶ ), поддержка до 2 ²⁹ идентификаторы процессов (только 64-битные, 32-битные архитектуры по-прежнему ограничены двумя ¹⁵ ), существенно увеличено количество типов устройств и количество устройств каждого типа, улучшена поддержка 64-бит , поддержка файловых систем , поддерживающих размеры файлов до 16 терабайт внутри ядра , вытеснение , поддержка Native POSIX Thread Library (NPTL) ), интеграция Linux в пользовательском режиме с основными исходными кодами ядра, интеграция SELinux с основными исходными кодами ядра, поддержка InfiniBand и многое другое.

Начиная с выпусков 2.6.x ядро ​​поддерживало большое количество файловых систем; некоторые предназначены для Linux, например ext3 , ext4 , FUSE , Btrfs , и другие, встроенные в другие операционные системы, такие как JFS , XFS , Minix, Xenix , Irix , Solaris , System V , Windows и MS-DOS .

при разработке не использовалась система контроля версий Хотя до сих пор , в 2002 году разработчики Linux приняли BitKeeper , который стал для них бесплатным, хотя и не был свободным программным обеспечением . В 2005 году из-за попыток реконструировать его компания, владевшая этим программным обеспечением, прекратила поддержку сообщества Linux. В ответ Торвальдс и другие написали Git . Новая система была написана за несколько недель, а через два месяца было выпущено первое официальное ядро, созданное с ее использованием.

В 2005 году группа стабильных версий была сформирована в ответ на отсутствие дерева ядра, где люди могли бы работать над исправлением ошибок , и она продолжала обновлять стабильные версии. В феврале 2008 года было создано дерево linux-next , которое служило местом сбора патчей, предназначенных для объединения во время следующего цикла разработки. Некоторые сопровождающие подсистем также использовали суффикс -next для деревьев, содержащих код, который они собираются отправить для включения в следующий цикл выпуска. По состоянию на январь 2014 г. , версия Linux, находящаяся в разработке, хранится в нестабильной ветке с именем linux-next .

20-летие Linux Торвальдс отметил в июле 2011 года выпуском версии 3.0.0. Поскольку номер версии 2.6 был номером версии в течение 8 лет, в ядро ​​пришлось добавить новую личность uname26 , которая сообщает 3.x как 2.6.40+x, чтобы старые программы работали.

Версия 3.0 была выпущена 22 июля 2011 года. 30 мая 2011 года Торвальдс объявил, что большим изменением является «НИЧЕГО. Абсолютно ничего». и спросил: «...давайте убедимся, что мы действительно сделаем следующий выпуск не просто новым блестящим номером, но и хорошим ядром». После ожидаемых 6–7 недель процесса разработки он будет выпущен к 20-летию Linux.

11 декабря 2012 года Торвальдс решил снизить сложность ядра, удалив поддержку процессоров i386 , в частности, отказавшись от эмуляции. атомарная представленная инструкция CMPXCHG, в i486 для обеспечения надежных мьютексов , делает серию ядер 3.7 последней, все еще поддерживающей исходный процессор. В этой же серии унифицирована поддержка процессора ARM .

Версия 3.11, выпущенная 2 сентября 2013 г., добавлено много новых функций, таких как новые Флаг O_TMPFILE для open(2) для уменьшения временных уязвимостей файлов, экспериментальное динамическое управление питанием AMD Radeon , опрос сети с малой задержкой и zswap (сжатый кэш подкачки).

Изменение нумерации с 2.6.39 на 3.0 и с 3.19 на 4.0 не повлекло за собой значимой технической дифференциации. Основной номер версии был увеличен, чтобы избежать больших второстепенных номеров. Стабильные ядра 3.xy выпускались до версии 3.19 в феврале 2015 года.

В апреле 2015 года Торвальдс выпустил версию ядра 4.0. К февралю 2015 года Linux получил вклад почти от 12 000 программистов из более чем 1200 компаний, включая некоторых крупнейших мировых поставщиков программного и аппаратного обеспечения. Версия Linux 4.1, выпущенная в июне 2015 года, содержит более 19,5 миллионов строк кода, написанного почти 14 000 программистами.

В общей сложности 1991 разработчик, из которых 334 работали впервые, добавили более 553 000 строк кода в версию 5.8, побив рекорд, ранее установленный версией 4.9.

Популярность

Основная статья: Доля использования операционных систем

Согласно ежегодному опросу разработчиков Stack Overflow за 2019 год, более 53% всех респондентов разработали программное обеспечение для Linux и около 27% для Android . хотя только около 25% разрабатываются с использованием операционных систем на базе Linux.

Большинство веб-сайтов работают в операционных системах на базе Linux . и все 500 самых мощных суперкомпьютеров в мире используют ту или иную ОС на базе Linux.

Дистрибутивы Linux включают ядро ​​с системным программным обеспечением (например, библиотекой GNU C , systemd и другими Unix утилитами и демонами ) и широким набором прикладного программного обеспечения , но доля их использования на настольных компьютерах невелика по сравнению с другими операционными системами.

Поскольку Android , то есть Linux, составляет большинство операционных систем мобильных устройств, и из-за растущего использования во встраиваемых устройствах Android в значительной степени ответственен за рост использования Linux в целом.

Значение

Стоимость доработки ядра Linux

Стоимость переразработки версии 2.6.0 ядра Linux в рамках традиционной проприетарной разработки оценивается в 612 миллионов долларов США (467 миллионов евро, 394 миллиона фунтов стерлингов) в ценах 2004 года с использованием модели оценки человеко-месяца COCOMO . В 2006 году исследование, профинансированное Европейским Союзом, показало, что стоимость доработки ядра версии 2.6.8 выше и составила 882 миллиона евро (1,14 миллиарда долларов, 744 миллиона фунтов стерлингов).

К этой теме вернулись в октябре 2008 года Аманда Макферсон, Брайан Проффитт и Рон Хейл-Эванс. Используя методологию Дэвида А. Уиллера, они подсчитали, что переработка ядра 2.6.25 теперь стоит 1,3 миллиарда долларов (часть от общей суммы в 10,8 миллиарда долларов, потраченной на переработку Fedora 9). Опять же, Гарсия-Гарсия и Алонсо де Магдалено из Университета Овьедо (Испания) подсчитали, что стоимость, ежегодно добавляемая к ядру, составляла около 100 миллионов евро в период с 2005 по 2007 год и 225 миллионов евро в 2008 году, это также будет стоить более 1 миллиарда евро (около 1,4 миллиарда долларов США). по состоянию на февраль 2010 г.) для разработки в Европейском Союзе.

По состоянию на 7 марта 2011 г. , using then-current LOC (lines of code) of a 2.6.x Linux kernel and wage numbers with David A. Wheeler's calculations it would cost approximately $3bn (about €2.2bn) to redevelop the Linux kernel as it keeps getting bigger. An updated calculation as of 26 September 2018, используя текущие на тот момент 20 088 609 LOC (строк кода) для ядра Linux 4.14.14 и текущую среднюю зарплату программиста в США в 75 506 долларов, мы видим, что переписать существующий код будет стоить примерно 14 725 449 000 долларов (11 191 341 000 фунтов стерлингов).

Распространение

Большинство тех, кто использует Linux, делают это через дистрибутив Linux . Некоторые дистрибутивы поставляются с ванильным или стабильным ядром. Однако некоторые поставщики (например, Red Hat и Debian ) поддерживают собственное дерево исходного кода. Они обычно обновляются медленнее, чем ванильная ветка, и обычно включают все исправления из соответствующей стабильной ветки, но в то же время они также могут добавлять поддержку драйверов или функций, которые не были выпущены в ванильной версии дистрибутива. Вендор начал основывать свой филиал с.

Разработчики

Сообщество

Интел

Никто

Красная шляпа

Линаро

Неизвестный

ИБМ

Консультанты

Samsung

СУЗЕ

Google

почти 500 других
компании

Корпоративная принадлежность вкладов в ядро ​​Linux, 4.8–4.13

Сообщество разработчиков ядра Linux насчитывает около 5000–6000 участников. Согласно исследованию Linux Foundation «Состояние разработки ядра Linux в 2017 году», охватывающему коммиты для выпусков с 4.8 по 4.13, в среднем около 1500 разработчиков внесли свой вклад из примерно 200–250 компаний. Топ-30 разработчиков внесли чуть более 16% кода. Среди компаний наибольший вклад вносят Intel (13,1%) и Red Hat (7,2%), Linaro (5,6%), IBM (4,1%), второе и пятое места занимают «нет» (8,2%) и «нет». неизвестные» (4,1%) категории.

Вместо дорожной карты — технические рекомендации. Вместо централизованного распределения ресурсов существуют люди и компании, которые заинтересованы в дальнейшем развитии ядра Linux совершенно независимо друг от друга:Такие люди, как Линус Торвальдс и я, не планируют эволюцию ядра. Мы не сидим и не продумываем план действий на следующие два года, а затем распределяем ресурсы на различные новые функции. Это потому, что у нас нет ресурсов. Все ресурсы принадлежат различным корпорациям, которые используют и вносят свой вклад в Linux, а также различным независимым участникам. Решают те люди, которые владеют ресурсами...

— Эндрю Мортон , 2005 г.

Конфликт

Известные конфликты среди разработчиков ядра Linux:

• В июле 2007 года Кон Коливас объявил, что прекращает разработку ядра Linux.
• В июле 2009 года Алан Кокс оставил свою должность сопровождающего TTY после разногласий с Торвальдсом.
• В декабре 2010 года между сопровождающим Linux SCSI Джеймсом Боттомли и сопровождающим SCST Владиславом Болховитиным состоялась дискуссия о том, какой целевой стек SCSI следует включить в ядро ​​Linux. Это расстроило некоторых пользователей Linux.
• В июне 2012 года Торвальдс ясно дал понять, что он не согласен с тем, чтобы NVIDIA выпускала свои драйверы как закрытые.
• В апреле 2014 года Торвальдс запретил Кею Сиверсу отправлять исправления для ядра Linux за неспособность устранить ошибки , из-за которых systemd отрицательно взаимодействовал с ядром.
• В октябре 2014 года Леннарт Пёттеринг обвинил Торвальдса в том, что он терпит грубый стиль обсуждения в списках рассылки, связанных с ядром Linux, и в том, что он является плохим образцом для подражания.
• В марте 2015 года Кристоф Хеллвиг подал иск против VMware за нарушение авторских прав на ядро ​​Linux. Линус Торвальдс дал понять, что не согласен с этой и подобными инициативами, назвав адвокатов гноящейся болезнью.
• В апреле 2021 года было обнаружено, что команда из Университета Миннесоты в рамках своего исследования отправляла «недобросовестные» исправления для ядра. Это привело к немедленному отмене всех патчей, когда-либо отправленных сотрудниками университета. Кроме того, старший специалист по сопровождению предупредил, что любой будущий патч от университета будет отклонен сразу же.

Выдающиеся разработчики ядра Linux осознавали важность предотвращения конфликтов между разработчиками. Из-за противодействия Торвальдса долгое время не существовало кодекса поведения для разработчиков ядра. Однако Кодекс конфликтов ядра Linux. 8 марта 2015 года был представлен 16 сентября 2018 года он был заменен новым Кодексом поведения, основанным на Соглашении с вкладчиками . Это совпало с публичными извинениями Торвальдса и кратким перерывом в разработке ядра. 30 ноября 2018 года, в соответствии с Кодексом поведения , Яркко Саккинен из Intel разослал патчи, заменяющие слова «ебать», встречающиеся в комментариях к исходному коду, подходящими версиями, сосредоточенными на слове «обнимать».

Разработчики, которые считают, что с ними обошлись несправедливо, могут сообщить об этом в Технический консультативный совет Linux Foundation . В июле 2013 года разработчик драйвера USB 3.0 Сейдж Шарп попросил Торвальдса устранить оскорбительные комментарии в сообществе разработчиков ядра. В 2014 году Шарп отказался от разработки ядра Linux, заявив, что «ориентация на техническое совершенство в сочетании с перегруженностью специалистов по сопровождению и людьми с разными культурными и социальными нормами означает, что специалисты по сопровождению ядра Linux часто бывают резкими, грубыми или жестокими, чтобы получить их работа выполнена». На конференции linux.conf.au (LCA) в 2018 году разработчики выразили мнение, что за последние несколько лет культура сообщества стала намного лучше. Дэниел Веттер, сопровождающий драйвера графического ядра Intel drm/i915, отметил, что «довольно жестокие выражения и дискуссии» в сообществе ядра уменьшились или исчезли.

Лоран Пинчарт попросил разработчиков поделиться своим опытом взаимодействия с сообществом ядра на Европейской конференции по встроенному Linux 2017 года. Поднятые вопросы были обсуждены несколько дней спустя на Саммите сопровождающих. Обеспокоенность по поводу отсутствия последовательности в том, как сопровождающие реагировали на исправления, представленные разработчиками, была поддержана Шуа Ханом , сопровождающим среды самотестирования ядра. Торвальдс утверждал, что никогда не будет единообразия в обработке исправлений, поскольку разные подсистемы ядра с течением времени применяли разные процессы разработки. Поэтому было решено, что каждый сопровождающий подсистемы ядра будет документировать правила принятия исправлений.

Развитие

Linux — это эволюция, а не разумный замысел!

— Линус Торвальдс, 2005 г.

Кодовая база

Исходный код ядра, также известный как дерево исходного кода, управляется в Git системе контроля версий , также созданной Торвальдсом.

По состоянию на 2021 год Версия ядра Linux 5.11 содержала около 30,34 миллиона строк кода. Примерно 14% кода является частью «ядра» (каталоги Arch, Kernel и mm), а 60% — это драйверы.

Взносы

Вклады отправляются в виде исправлений в виде текстовых сообщений в список рассылки ядра Linux (LKML) (а часто также в другие списки рассылки, посвященные конкретным подсистемам). Патчи должны соответствовать набору правил и формальному языку, который, среди прочего, описывает, какие строки кода следует удалить, а какие еще следует добавить в указанные файлы. Эти исправления могут автоматически обрабатываться, чтобы системные администраторы могли применять их для внесения лишь некоторых изменений в код или для постепенного обновления до следующей версии. Linux также распространяется в форматах GNU zip (gzip) и bzip2 .

Разработчик, желающий изменить ядро ​​Linux, пишет и тестирует изменение кода. В зависимости от того, насколько значительным является изменение и сколько подсистем оно модифицирует, изменение будет представлено либо в виде одного исправления, либо в виде нескольких исправлений исходного кода . В случае, если одна подсистема обслуживается одним сопровождающим, эти исправления отправляются по электронной почте сопровождающему подсистемы с соответствующим списком рассылки в поле Cc. Сопровождающий и читатели списка рассылки будут просматривать исправления и оставлять отзывы. После завершения процесса проверки специалист по сопровождению подсистемы принимает исправления в соответствующем дереве ядра Git . Если изменения в ядре Linux представляют собой исправления ошибок, которые считаются достаточно важными, запрос на получение исправлений будет отправлен Торвальдсу в течение нескольких дней. В противном случае запрос на включение будет отправлен Торвальдсу во время следующего окна слияния. Окно слияния обычно длится две недели и начинается сразу после выпуска предыдущей версии ядра. В дереве исходного кода ядра Git имена всех разработчиков, внесших вклад в ядро ​​Linux, указаны в каталоге «Credits» , а все сопровождающие подсистемы перечислены в разделе «Maintainers» .

Как и во многих крупных проектах программного обеспечения с открытым исходным кодом, разработчики обязаны соблюдать Соглашение участников , — кодекс поведения предназначенный для борьбы с преследованием участников меньшинства. использование инклюзивной терминологии в исходном коде. Кроме того, во избежание нарушений обязательно

Язык программирования

См. также: Rust для Linux.

Linux написан на специальном языке программирования C, поддерживаемом GCC , компилятором, который расширяет стандарт C во многих отношениях, например, с использованием встроенных разделов кода, написанных на языке ассемблера (в синтаксисе GCC «AT&T-style») целевой архитектуры. .

В сентябре 2021 года требования к версии GCC для компиляции и сборки ядра Linux были увеличены с GCC 4.9 до 5.1, что позволяет перейти от использования кода C на основе стандарта C89 к использованию кода, написанного с использованием стандарта C11 . при этом переход на стандарт состоится в марте 2022 года с выпуском Linux 5.18.

Первоначальная поддержка языка программирования Rust была добавлена ​​в Linux 6.1. который был выпущен в декабре 2022 года, с более поздними версиями ядра, такими как Linux 6.2 и Linux 6.3, что еще больше улучшает поддержку.

Стиль кодирования

С 2002 года код должен соответствовать 21 правилу, составляющему стиль кодирования ядра Linux.

Управление версиями

Что касается большинства программ, версия ядра обозначается серией чисел, разделенных точками.

В ранних версиях версия состояла из трех или четырех чисел, разделенных точками, называемых основным выпуском , второстепенным выпуском и версией. В то время второстепенные выпуски с нечетными номерами предназначались для разработки и тестирования, а второстепенные выпуски с четными номерами - для производства. Необязательная четвертая цифра указывает уровень исправления. Версии разработки обозначались суффиксом-кандидатом на выпуск ( -rc ).

Текущие соглашения о версиях другие. Нечетное/четное число, подразумевающее dev/prod, было опущено, а основная версия обозначается первыми двумя цифрами вместе. Хотя временные рамки для разработки следующей основной версии открыты, суффикс -rcN используется для обозначения n-го кандидата на выпуск следующей версии. Например, выпуску версии 4.16 предшествовало семь 4.16-rcN (от -rc1 до -rc7). После выпуска стабильной версии ее обслуживание передается команде разработчиков стабильной версии . Обновления стабильной версии обозначаются трехзначной схемой (например, 4.16.1, 4.16.2, ...).

Инструментальная цепочка

Ядро обычно собирается с помощью инструментария GNU . Компилятор GNU C, GNU cc, входящий в коллекцию компиляторов GNU (GCC), является компилятором по умолчанию для основной версии Linux. Секвенированием занимается GNU make . Ассемблер GNU (часто называемый GAS или GNU as) выводит объектные файлы кода , сгенерированного GCC из ассемблерного . Наконец, компоновщик GNU (GNU ld) создает статически связанный исполняемый файл ядра, называемый vmlinux . Оба как и ld являются частью двоичных утилит GNU (binutils).

GNU cc долгое время был единственным компилятором, способным правильно собирать Linux. В 2004 году Intel заявила, что модифицировала ядро ​​так, чтобы его компилятор C также мог его компилировать. Еще один подобный успех был зарегистрирован в 2009 году с модифицированной версией 2.6.22. Поддержка компилятора Intel прекращена в 2023 году.

С 2010 года предпринимаются усилия по созданию Linux с Clang , альтернативным компилятором для языка C; по состоянию на 12 апреля 2014 г. официальное ядро ​​почти можно было скомпилировать с помощью Clang. Проект, посвященный этим усилиям, называется LLVMLinux в честь инфраструктуры компилятора LLVM , на которой построен Clang. LLVMLinux не преследует цель создать форк Linux или LLVM, поэтому это метапроект, состоящий из патчей, которые в конечном итоге передаются вышестоящим проектам. Включив компиляцию Linux с помощью Clang, разработчики могут получить выгоду от сокращения времени компиляции.

В 2017 году разработчики завершили выпуск исправлений для поддержки сборки ядра Linux с помощью Clang в выпуске 4.15, перенеся поддержку X86-64 и AArch64 в ветки стабильного дерева ядра 4.4, 4.9 и 4.14. Google Pixel 2 поставляется с первым Clang . , построенным на Linux ядром хотя патчи для Pixel (1-го поколения) существовали. В 2018 году ChromeOS перешла на сборку ядер с использованием Clang по умолчанию. в то время как Android (операционная система) создала Clang и LLVM компоновщик LLD требуется для сборок ядра в 2019 году. В 2020 году Google перевела свое рабочее ядро, используемое в своих центрах обработки данных, на сборку с помощью Clang . Сегодня группа ClangBuiltLinux координирует исправления как для Linux, так и для LLVM , чтобы обеспечить совместимость, обе группы состоят из членов LLVMLinux и имеют исходные исправления от LLVMLinux .

Отладка

Основные статьи: KGDB , Kernel Panic и Linux kernel oops

Вывод паники ядра Linux

Как и в случае с любым другим программным обеспечением, проблемы с ядром Linux бывает сложно устранить . Общие проблемы связаны с доступом к пространству пользователя и пространству ядра, неправильному использованию примитивов синхронизации и неправильному управлению оборудованием.

Упс — это нефатальная ошибка в ядре. После такой ошибки операции продолжаются с подозрительной надежностью.

Паника (созданная паника() ) является фатальной ошибкой. После такой ошибки ядро ​​выводит сообщение и останавливает компьютер.

Ядро обеспечивает отладку путем печати через printk () , который сохраняет сообщения в кольцевом буфере (перезаписывая старые записи новыми). Системный вызов syslog(2) обеспечивает чтение и очистку буфера сообщений, а также установку максимального уровня журнала сообщений, отправляемых на консоль. Сообщения ядра также экспортируются в пользовательскую среду через интерфейс /dev/kmsg .

Механизм ftrace позволяет выполнять отладку путем трассировки. Он используется для мониторинга и отладки Linux во время выполнения и может анализировать задержки в пользовательском пространстве из-за неправильного поведения ядра. Более того, ftrace позволяет пользователям отслеживать Linux во время загрузки.

kprobes и kretprobes могут прерывать выполнение ядра (как отладчики в пользовательском пространстве) и собирать информацию без прерывания работы. kprobes можно вставлять в код (почти) по любому адресу, а kretprobes работают при возврате функции. У зондов схожие цели, но они также имеют некоторые различия в использовании и реализации.

С помощью KGDB Linux можно отлаживать почти так же, как и программы пользовательского пространства. Для KGDB требуется дополнительная машина, на которой работает GDB и которая подключена к цели для отладки с помощью последовательного кабеля или Ethernet .

Процесс изменения

Проект ядра Linux постоянно интегрирует новый код. Стандартная рабочая процедура заключается в том, что программное обеспечение, включенное в проект, должно работать и компилироваться без ошибок.

За каждой подсистемой ядра закреплен специалист по сопровождению, который отвечает за проверку исправлений на соответствие стандартам кода ядра и поддерживает очередь исправлений, которые могут быть отправлены Торвальдсу в течение окна слияния, которое обычно длится несколько недель.

Патчи объединяются Торвальдсом с исходным кодом предыдущей стабильной версии ядра Linux, создавая кандидата на выпуск (-rc) для следующей стабильной версии. После закрытия окна слияния принимаются только исправления нового кода в разрабатываемой версии. Разрабатываемая версия ядра -rc проходит регрессионное тестирование , и как только Торвальдс и сопровождающие подсистемы считают ее стабильной, выпускается новая версия, и процесс разработки начинается заново.

Основная версия Linux

Дерево Git, содержащее исходный код ядра Linux, называется основной веткой Linux . Каждый стабильный выпуск ядра происходит из основного дерева. и часто публикуется на kernel.org . Mainline Linux имеет надежную поддержку лишь для небольшого подмножества многих устройств, работающих под управлением Linux. Неосновная поддержка обеспечивается независимыми проектами, такими как Yocto или Linaro , но во многих случаях необходимо ядро ​​от поставщика устройства. Для использования ядра поставщика, вероятно, потребуется пакет поддержки платы .

Поддержка дерева ядра за пределами основной версии Linux оказалась сложной задачей.

Под мейнлайнингом подразумевается попытка добавить поддержку устройства в основное ядро. тогда как раньше была только поддержка в развилке или вообще не было поддержки. Обычно это включает добавление драйверов или дерева устройств файлов . Когда это будет завершено, функция или исправление безопасности будет считаться основным .

Linux-подобное ядро

Сопровождающий стабильной ветки Грег Кроа-Хартман применил термин «Linux-подобный» к последующим вилкам ядра от поставщиков, которые добавляют миллионы строк кода в основное ядро. В 2019 году Google заявила, что хочет использовать основное ядро ​​Linux в Android, чтобы сократить количество вилок ядра. Термин «подобный Linux» также применяется к подмножеству встраиваемого ядра Linux , которое включает не полное основное ядро ​​Linux, а небольшое модифицированное подмножество кода.

Форки Linux

iPod ​ загружает iPodLinux

Существуют определенные сообщества, которые разрабатывают ядра на основе официального Linux. Некоторые интересные фрагменты кода из этих ответвлений , в том числе Linux-libre , Compute Node Linux , INK , L4Linux , RTLinux и User-Mode Linux (UML), были объединены в основную ветку. Некоторые операционные системы, разработанные для мобильных телефонов, изначально использовали сильно модифицированные версии Linux, включая Google Android , Firefox OS , HP webOS , Nokia Maemo и Jolla Sailfish OS . В 2010 году сообщество Linux раскритиковало Google за эффективное создание собственного дерева ядра:

Это означает, что любые драйверы, написанные для аппаратных платформ Android, не могут быть объединены с основным деревом ядра, поскольку они зависят от кода, который находится только в дереве ядра Google, что приводит к невозможности его сборки в дереве kernel.org. Из-за этого Google теперь предотвратил объединение большого количества аппаратных драйверов и кода платформы в основное дерево ядра. Эффективное создание ветки ядра, на которую сейчас полагаются несколько различных поставщиков.

— Грег Кроа-Хартман , 2010 г.

Сегодня Android использует настроенный Linux где основные изменения реализованы в драйверах устройств, но требуются некоторые изменения в основном коде ядра. Разработчики Android также отправляют исправления для официального Linux, которые, наконец, могут загружать операционную систему Android. Например, Nexus 7 может загружать и запускать основной Linux.

На презентации 2001 года в Музее компьютерной истории Торвальдс сказал следующее в ответ на вопрос о том, используют ли дистрибутивы Linux точно такие же исходные коды ядра или нет:

Они не... ну, они есть, и это не так. Единого ядра нет. В каждом дистрибутиве есть свои изменения. Это продолжается практически с первого дня. Я не знаю, помните ли вы, что Yggdrasil был известен своими весьма радикальными изменениями в ядре, и даже сегодня у всех основных поставщиков есть свои собственные настройки, потому что у них есть определенная часть рынка, которая им интересна, и, откровенно говоря, именно так так и должно быть. Потому что, если все ожидают, что один человек, я, сможет отслеживать все, это не является целью GPL. Суть открытой системы не в этом. Так что на самом деле тот факт, что дистрибутив решает, что что-то настолько важно для них, что они будут добавлять патчи, даже если этого нет в стандартном ядре, это действительно хороший знак для меня. Вот, например, как было добавлено что-то вроде ReiserFS. И причина, по которой ReiserFS стала первой журналируемой файловой системой, интегрированной в стандартное ядро, заключалась не в том, что я люблю Ханса Райзера. Это произошло потому, что SUSE фактически начала поставлять ReiserFS в качестве стандартного ядра, и это сказало мне «хорошо». Это фактически используется в производстве. Нормальные люди так делают. Они, должно быть, знают что-то, чего я не знаю. Таким образом, в самом прямом смысле то, что делают многие дистрибьюторские дома, они являются частью этого подхода «давайте создадим свой собственный филиал» и «давайте внесем в него свои изменения». А благодаря лицензии GPL я могу забрать лучшие из них.

— Линус Торвальдс , 2001 г.

Долгосрочная поддержка

Загрузочные сообщения ядра Linux 2.6.25.17

Последняя и более ранние версии поддерживаются отдельно. Большинство последних выпусков ядра курировались Торвальдсом.

Сообщество разработчиков ядра Linux поддерживает стабильное ядро, применяя исправления программных ошибок , обнаруженных во время разработки последующего стабильного ядра. Поэтому на сайте www.kernel.org всегда указаны два стабильных ядра. Следующее стабильное ядро ​​Linux будет выпущено примерно через 8–12 недель.

Некоторые выпуски предназначены для долгосрочной поддержки как долгосрочные с выпусками с исправлениями ошибок в течение двух или более лет.

Архитектура и особенности

См. также: vmlinux

Карта ядра Linux

Диаграмма Санки строк исходного кода ядра Linux

Несмотря на кажущуюся противоречивость, ядро ​​Linux одновременно монолитно и модульно. Ядро классифицируется как монолитное по архитектуре, поскольку вся ОС работает в пространстве ядра. Конструкция является модульной, поскольку ее можно собрать из модулей , которые в некоторых случаях загружаются и выгружаются во время выполнения. Он поддерживает функции, которые когда-то были доступны только в ядрах с закрытым исходным кодом несвободных операционных систем.

В оставшейся части статьи используются соглашения UNIX и Unix-подобных операционных систем, описанные в руководствах . Число, которое следует за именем команды, интерфейса или другой функции, указывает раздел (т. е. тип компонента или функции ОС), к которому она принадлежит. Например execve(2) относится к системному вызову, а exec(3) относится к оболочке библиотеки пользовательского пространства.

Ниже приводится обзор архитектурного дизайна и примечательных особенностей.

• Параллельные вычисления и (при наличии достаточного количества ядер ЦП для готовых к выполнению задач) даже настоящее параллельное выполнение множества процессов одновременно (каждый из которых имеет один или несколько потоков выполнения ) на SMP и NUMA . архитектурах
• Выбор и настройка сотен функций ядра и драйверов (с использованием одного из make *config перед сборкой), семейство команд модификация параметров ядра перед загрузкой (обычно путем вставки инструкций в строки меню GRUB2 ) и точная настройка поведения ядра во время выполнения (с использованием команды sysctl(8) интерфейс для /proc/sys/ ).
• Конфигурация (снова используя команды make *config ) и изменения политик во время выполнения. (с помощью приятно(2) , setpriority(2) и семейство sched_*(2) системные вызовы) планировщиков задач , которые обеспечивают вытесняющую многозадачность (как в пользовательском режиме , так и, начиная с серии 2.6, в режиме ядра) . ); Полностью справедливый планировщик ( CFS ) является планировщиком по умолчанию в Linux с 2007 года и использует красно-черное дерево , которое может искать, вставлять и удалять информацию о процессе ( структуру задачи ) с O(log n) временной сложностью , где n — число. выполняемых задач.
• Расширенное управление памятью с помощью выгружаемой виртуальной памяти .
• Межпроцессные коммуникации и механизм синхронизации .
• Виртуальная файловая система поверх нескольких конкретных файловых систем ( ext4 , Btrfs , XFS , JFS , FAT32 и многих других).
• Настраиваемые планировщики ввода-вывода, ioctl(2) системный вызов, который манипулирует параметрами базового устройства специальных файлов (это нестандартный системный вызов, поскольку аргументы, возвращаемые значения и семантика зависят от рассматриваемого драйвера устройства), поддержка асинхронного ввода-вывода POSIX (однако, поскольку они плохо масштабируются с многопоточными приложениями, семейство системных вызовов ввода-вывода, специфичных для Linux ( это_*(2) ) необходимо было создать для управления контекстами асинхронного ввода-вывода, подходящими для параллельной обработки).
• Виртуализация на уровне ОС (с помощью Linux-VServer ), паравиртуализация и аппаратная виртуализация (с помощью KVM или Xen и использование QEMU для эмуляции оборудования); Xen В гипервизоре ядро ​​Linux обеспечивает поддержку сборки дистрибутивов Linux (таких как openSUSE Leap и многих других), которые работают как Dom0 , которые представляют собой хост-серверы виртуальных машин, обеспечивающие среду управления виртуальными машинами пользователя ( DomU ).
• Виртуализация ввода-вывода с помощью VFIO и SR-IOV . Виртуальный функциональный ввод-вывод (VFIO) предоставляет прямой доступ устройства к пользовательскому пространству в защищенной среде безопасной памяти (IOMMU). С помощью VFIO гость виртуальной машины может напрямую обращаться к аппаратным устройствам на хост-сервере виртуальной машины. Этот метод повышает производительность по сравнению как с полной виртуализацией, так и с паравиртуализацией. Однако с помощью VFIO устройства не могут совместно использоваться несколькими гостевыми виртуальными машинами. Виртуализация ввода-вывода с единым корнем (SR-IOV) сочетает в себе повышение производительности VFIO и возможность совместного использования устройства с несколькими гостями виртуальной машины (но для этого требуется специальное оборудование, которое должно быть способно отображаться двум или более гостям виртуальной машины как разные устройства). .
• Механизмы безопасности для дискреционного и обязательного контроля доступа (SELinux, AppArmor, POSIX ACL и другие).
• Несколько типов многоуровневых протоколов связи (включая набор протоколов Интернета ).
• Асимметричная многопроцессорная обработка через подсистему RPMsg .

Большинство драйверов устройств и расширений ядра работают в пространстве ядра ( кольцо 0 во многих ЦП архитектурах ) с полным доступом к оборудованию. Некоторые исключения выполняются в пространстве пользователя ; Яркими примерами являются файловые системы, основанные на FUSE /CUSE и части UIO. Более того, X Window System и Wayland , оконная система и протоколы сервера отображения, которые большинство людей используют в Linux, не работают в ядре. Иными словами, фактическое взаимодействие с процессорами видеокарт графическими представляет собой внутриядерную подсистему, называемую Direct Rendering Manager (DRM).

В отличие от стандартных монолитных ядер, драйверы устройств легко настраиваются как модули и загружаются или выгружаются во время работы системы, а также могут быть вытеснены при определенных условиях, чтобы правильно обрабатывать аппаратные прерывания и лучше поддерживать симметричную многопроцессорность . По выбору Linux не имеет стабильного двоичного интерфейса приложения драйвера устройства .

Linux обычно использует защиту памяти и виртуальную память , а также может обрабатывать неравномерный доступ к памяти . однако проект вобрал в себя μClinux , который также позволяет запускать Linux на микроконтроллерах без виртуальной памяти.

Аппаратное обеспечение представлено в файловой иерархии. Пользовательские приложения взаимодействуют с драйверами устройств через записи в /dev или /sys каталоги. Информация о процессе отображается в /прок каталог.

Различные уровни в Linux, также показывающие разделение между пользовательской областью и пространством ядра.

Пользовательский режим	Пользовательские приложения	bash , LibreOffice , GIMP , Blender , 0 AD , Mozilla Firefox , ...
	Компоненты системы	демон инициализации : OpenRC , runit , systemd ...	Системные демоны : polkitd , smbd , sshd , udevd ...	Оконный менеджер : X11 , Wayland , SurfaceFlinger (Android)	Графика : Меса , катализатор AMD , ...	Другие библиотеки: GTK , Qt , EFL , SDL , SFML , FLTK , GNUstep , ...
	Стандартная библиотека C	fopen, execv, malloc, memcpy, localtime, pthread_create... (до 2000 подпрограмм ) glibc стремится быть быстрым, musl стремится быть легким, uClibc нацелен на встраиваемые системы, bionic написан для Android и т. д. Все стремятся быть POSIX / SUS -совместимыми.
Режим ядра	Ядро Linux	stat, splice, dup, read, open, ioctl, write, mmap, close, exitи т. д. (около 380 системных вызовов) ядра Linux Интерфейс системных вызовов (SCI) должен быть POSIX / SUS -совместимым.
		планирования процессов Подсистема	IPC Подсистема	управления памятью Подсистема	виртуальных файлов Подсистема	Сетевая подсистема
		Другие компоненты: ALSA , DRI , evdev , klibc , LVM , устройство отображения устройств , сетевой планировщик Linux , Netfilter. Модули безопасности Linux : SELinux , TOMOYO , AppArmor , Smack
Аппаратное обеспечение ( ЦП , основная память , устройства хранения данных и т. д.)

Интерфейсы

Основные страницы: Интерфейсы ядра Linux и Интерфейсы ядра Linux (Категория)

См. также: Системный вызов , POSIX и единая спецификация UNIX.

Выделяются четыре интерфейса: два внутренних по отношению к ядру и два между ядром и пользовательским пространством.

Linux начинался как клон UNIX и нацелен на соответствие POSIX и единой спецификации UNIX . Ядро предоставляет системные вызовы и другие интерфейсы, специфичные для Linux. Чтобы быть включенным в официальное ядро, код должен соответствовать набору правил лицензирования.

Linux Бинарный интерфейс приложений (ABI) между ядром и пользовательским пространством имеет четыре степени стабильности (стабильный, тестируемый, устаревший, удаленный); Ожидается, что системные вызовы никогда не изменятся, чтобы сохранить совместимость с программами пользовательского пространства , которые на них полагаются.

Загружаемые модули ядра (LKM) по своей конструкции не могут полагаться на стабильный ABI. Поэтому их необходимо перекомпилировать каждый раз, когда в системе устанавливается новый исполняемый файл ядра, иначе они не будут загружены. Драйверы в дереве, которые настроены стать неотъемлемой частью исполняемого файла ядра ( vmlinux ), статически связываются в процессе сборки.

Нет никакой гарантии стабильности API внутри ядра на уровне исходного кода. и поэтому код драйвера устройства , а также код любой другой подсистемы ядра должен постоянно обновляться по мере развития ядра. Любой разработчик, вносящий изменения в API, обязан исправить любой код, который выходит из строя в результате их изменения.

API взаимодействия ядра с пользовательским пространством

Набор API ядра Linux , который касается интерфейсов, предоставляемых пользовательским приложениям, в основном состоит из системных вызовов UNIX и Linux . Системный вызов — это точка входа в ядро ​​Linux. Например, среди Linux-специфичных есть семейство clone(2) системные вызовы. Большинство расширений необходимо включить, определив _GNU_SOURCE макрос в заголовочном файле или при компиляции пользовательского кода.

Системные вызовы могут быть вызваны только с помощью инструкций ассемблера, которые позволяют перейти из непривилегированного пользовательского пространства в привилегированное пространство ядра в кольце 0 . По этой причине стандартная библиотека C (libC) действует как оболочка для большинства системных вызовов Linux, предоставляя функции C, которые при необходимости прозрачно войти в ядро, которое будет выполняться от имени вызывающего процесса. Для системных вызовов, не предоставляемых libC, таких как быстрый мьютекс пользовательского пространства , библиотека предоставляет функцию под названием syscall(2), который можно использовать для их явного вызова.

Псевдофайловые системы (например, файловые системы sysfs и procfs ) и специальные файлы (например, /dev/random, /dev/sda, /dev/ttyи многие другие) представляют собой еще один уровень интерфейса для структур данных ядра, представляющих аппаратные или логические (программные) устройства.

ABI между ядром и пользовательским пространством

Основная статья: Стандартная база Linux

Из-за различий, существующих между сотнями различных реализаций ОС Linux, исполняемые объекты, даже если они скомпилированы, собраны и скомпонованы для работы на конкретной аппаратной архитектуре (то есть используют ISA целевого оборудования), часто не может работать в разных дистрибутивах Linux. Эта проблема в основном связана с конфигурациями, специфичными для дистрибутива, и набором исправлений, примененных к коду ядра Linux, различиями в системных библиотеках, службах (демонах), иерархиях файловой системы и переменных среды.

Основным стандартом, касающимся совместимости приложений и двоичной совместимости дистрибутивов Linux, является Linux Standard Base (LSB). Однако LSB выходит за рамки того, что касается ядра Linux, поскольку он также определяет спецификации рабочего стола, библиотеки X и Qt, которые имеют мало общего с ним. LSB версии 5 построена на основе нескольких стандартов и проектов (POSIX, SUS, X/Open, File System Hierarchy (FHS) и других).

Части младшего значащего разряда, более важные для ядра, — это общий ABI (gABI), особенно System V ABI и формат исполняемых файлов и ссылок (ELF), и ABI для конкретного процессора (psABI), например базовая спецификация для X86-64.

Стандартный ABI для того, как пользовательские программы x86_64 вызывают системные вызовы, заключается в загрузке номера системного вызова в регистр rax , а других параметров в rdi , rsi , rdx , r10 , r8 и r9 и, наконец, помещения инструкции сборки системного вызова в код.

Внутриядерный API

На XDC2014 Алекс Дойчер из AMD анонсировал единый драйвер режима ядра. Собственный графический драйвер Linux, libGL-fglrx-glx будет использовать ту же DRM инфраструктуру , что и Mesa 3D . в ядре нет Поскольку стабильного встроенного ABI , AMD приходилось постоянно адаптировать прежний двоичный объект, используемый Catalyst.

Между подсистемами ядра существует несколько внутренних API ядра. Некоторые из них доступны только внутри подсистем ядра, в то время как несколько ограниченный набор внутриядерных символов (т. е. переменных, структур данных и функций) доступен динамически загружаемым модулям (например, драйверам устройств, загружаемым по требованию), независимо от того, экспортируются ли они. с EXPORT_SYMBOL() и EXPORT_SYMBOL_GPL() Макросы (последнее зарезервировано для модулей, выпущенных по лицензии, совместимой с GPL).

Linux предоставляет встроенные API-интерфейсы, которые манипулируют структурами данных (например, связанными списками , базовыми деревьями , красно-черные деревья , очереди ) или выполнять общие процедуры (например, копирование данных из и в пространство пользователя, выделение памяти, вывод строк в системный журнал и т. д.), которые остаются стабильными, по крайней мере, начиная с версии Linux 2.6.

Внутриядерные API включают библиотеки общих служб низкого уровня, используемых драйверами устройств:

• SCSI Интерфейсы и libATA — соответственно одноранговый пакетный протокол связи для устройств хранения данных, подключенных к устройствам USB, SATA, SAS, Fibre Channel, FireWire, ATAPI, и встроенная библиотека для поддержки хост-контроллеров и устройств [S]ATA.
• Диспетчер прямого рендеринга (DRM) и настройка режима ядра (KMS) — для взаимодействия с графическими процессорами и поддержки потребностей современного видеооборудования с 3D-ускорением, а также для настройки разрешения экрана, глубины цвета и частоты обновления.
• DMA Буферы ( DMA-BUF ) — для совместного использования буферов для прямого доступа к памяти оборудования несколькими драйверами устройств и подсистемами.
• Video4Linux – для оборудования захвата видео.
• Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) – для звуковых карт.
• Новый API – для контроллеров сетевых интерфейсов
• mac80211 и cfg80211 – для контроллеров интерфейса беспроводной сети

Внутриядерный ABI

Разработчики Linux решили не поддерживать стабильный встроенный ABI. Модули, скомпилированные для определенной версии ядра, нельзя загрузить в другую версию без перекомпиляции.

Многопроцессорность

См. также: Процесс (вычисления) , Поток (вычисления) и Управление процессами (вычисления).

Linux создает процессы с помощью клон(2) или новее клон3(2) системные вызовы. Эти системные вызовы создают новые объекты, начиная от новых независимых процессов (каждый из которых имеет специальный идентификатор, называемый TGID в структуре данных Task_struct в пространстве ядра, хотя этот же идентификатор называется PID в пространстве пользователя), до новых потоков внутри вызывающего процесса.

Если исполняемый файл динамически связан с общими библиотеками, динамический компоновщик используется для поиска и загрузки необходимых объектов, подготовки программы к запуску и последующего ее запуска.

Собственная библиотека потоков POSIX (NPTL) предоставляет стандартный интерфейс потоков POSIX ( pthreads ) для пользовательского пространства.

Ядро обеспечивает futex(7) (быстрый мьютекс пользовательского пространства) для блокировки и синхронизации пользовательского пространства. Большинство операций выполняются в пользовательском пространстве, но может потребоваться связь с ядром с помощью futex(2) . Системный вызов

В отличие от потоков пользовательского пространства, описанных выше, потоки ядра выполняются в пространстве ядра.

Планирование

Основные статьи: Полностью честный планировщик и Первое планирование виртуального крайнего срока на самые ранние сроки.

Linux Планировщик процессов является модульным в том смысле, что он позволяет использовать различные классы и политики планирования. Классы планировщика — это подключаемые алгоритмы планировщика, которые можно зарегистрировать с помощью базового кода планировщика. Каждый класс планирует различные типы процессов. Основной код планировщика перебирает каждый класс в порядке приоритета и выбирает планировщик с наивысшим приоритетом, у которого есть планируемый объект типа struct sched_entity, готовый к запуску. Сущностями могут быть потоки, группы потоков и даже все процессы конкретного пользователя.

Linux обеспечивает как приоритетное вытеснение пользователя , так и полное вытеснение ядра . Упреждение уменьшает задержку , увеличивает скорость реагирования, и делает Linux более подходящим для настольных компьютеров и реального времени приложений .

Для обычных задач ядро ​​по умолчанию использует класс Completely Fair Scheduler (CFS), представленный в версии 2.6.23. Планировщик определяется как макрос в заголовке C как SCHED_NORMAL. В других ядрах POSIX аналогичная политика, известная как SCHED_OTHER выделяет временные интервалы ЦП (т. е. назначает абсолютные интервалы процессорного времени в зависимости от заранее определенного или динамически вычисленного приоритета каждого процесса). Linux CFS отказывается от абсолютных временных интервалов и назначает значительную долю процессорного времени в зависимости от таких параметров, как общее количество запущенных процессов и время, в течение которого они уже выполнялись; эта функция также учитывает своего рода вес, который зависит от их относительных приоритетов (приятных значений).

Благодаря приоритету пользователя планировщик ядра может заменить текущий процесс выполнением переключения контекста на другой, который, таким образом, получает вычислительные ресурсы для работы (ЦП, память и т. д.). Делает это по алгоритму CFS (в частности, использует переменную под названием vruntime для сортировки объектов, а затем выбирает тот, который имеет меньшее время vruntime (т. е. планируемый объект, у которого была наименьшая доля процессорного времени), к активной политике планировщика и относительным приоритетам. При использовании вытеснения ядра ядро ​​может вытеснять себя, когда возвращается обработчик прерывания, когда задачи ядра блокируются, а также всякий раз, когда подсистема явно вызывает функцию Schedule().

Ядро также содержит два POSIX-совместимых классы планирования в реальном времени с именем SCHED_FIFO ( в режиме реального времени в порядке очереди ) и SCHED_RR ( циклический перебор в реальном времени ), оба из которых имеют приоритет над классом по умолчанию. Дополнительная политика планирования, известная как SCHED DEADLINE, реализующий алгоритм первого крайнего срока (EDF), был добавлен в версию ядра 3.14, выпущенную 30 марта 2014 года. SCHED_DEADLINE имеет приоритет над всеми остальными классами планирования.

В режиме реального времени PREEMPT_RT патчи, включенные в основную ветку Linux начиная с версии 2.6, обеспечивают детерминированный планировщик , удаление вытеснения и отключение прерываний (там, где это возможно), PI Mutexes (т. е. блокировку примитивов, позволяющих избежать инверсии приоритетов), поддержка таймеров событий высокой точности (HPET), упреждающего чтения-копирования-обновления (RCU), (принудительных) потоков IRQ и других второстепенных функций.

В 2023 году Питер Зийлстра предложил заменить CFS самым ранним подходящим планировщиком виртуального графика первого срока (EEVDF), чтобы предотвратить необходимость в исправлениях CFS с «оптимальной задержкой». Планировщик EEVDF заменил CFS в версии 6.6 ядра Linux.

Синхронизация

Ядро имеет разные причины параллелизма (например, прерывания, нижние половины, вытеснение задач ядра и пользователей, симметричная многопроцессорная обработка).

Для защиты критических областей (разделов кода, которые должны выполняться атомарно), областей разделяемой памяти (например, глобальных переменных и других структур данных с глобальной областью действия) и областей памяти, которые асинхронно модифицируются аппаратно (например, наличие C volatile квалификатор типа ), Linux предоставляет большой набор инструментов. Они состоят из атомарных типов (манипулировать которыми можно только с помощью набора определенных операторов), спин-блокировок , семафоров , мьютексов , и алгоритмы без блокировки (например, RCU ). Большинство алгоритмов без блокировки построены поверх барьеров памяти с целью обеспечения порядка в памяти и предотвращения нежелательных побочных эффектов из-за оптимизации компилятора .

PREEMPT_RT код, включенный в основную версию Linux, предоставляет RT-мьютексы , особый вид мьютексов, которые не отключают вытеснение и поддерживают наследование приоритетов. Почти все блокировки переводятся в спящие при использовании конфигурации для работы в реальном времени. Наследование приоритетов позволяет избежать инверсии приоритетов, предоставляя задаче с низким приоритетом, которая удерживает конкурирующую блокировку приоритетом ожидания с более высоким приоритетом, пока эта блокировка не будет снята.

Linux включает в себя валидатор блокировки ядра под названием Lockdep .

Прерывания

Хотя управление прерываниями можно рассматривать как одну задачу, оно разделено на две части. Такое разделение на две части обусловлено различными временными ограничениями и необходимостью синхронизации задач, из которых состоит управление. Первая часть состоит из асинхронной процедуры обслуживания прерываний , которая в Linux известна как верхняя половина , тогда как вторая часть выполняется одним из трех типов так называемых нижних половин ( softirq , тасклеты и рабочие очереди ). .

Подпрограммы обработки прерываний Linux могут быть вложенными. Новое прерывание может попасть в ISR с высоким приоритетом, который вытеснит любое другое ISR с более низким приоритетом.

Память

См. также: Управление памятью и виртуальная память.

Управление памятью в Linux — сложная тема. Прежде всего, ядро ​​не является страничным (т. е. оно всегда находится в физической памяти и не может быть перенесено на диск). В ядре нет защиты памяти (нет сигналов SIGSEGV , в отличие от пользовательского пространства), поэтому нарушения памяти приводят к нестабильности и сбоям системы.

Linux реализует виртуальную память с 4- и 5-уровневыми таблицами страниц . Как уже было сказано, только пространство пользовательской памяти всегда доступно для страниц . Он хранит информацию о каждом страничном кадре в ОЗУ соответствующих структурах данных (типа struct page ), которые заполняются сразу после загрузки и сохраняются до завершения работы, независимо от того, связаны они с виртуальными страницами или нет. Более того, он классифицирует все страничные фреймы по зонам в соответствии с ограничениями, зависящими от их архитектуры, и предполагаемым использованием. Например, страницы, зарезервированные для операций DMA, находятся в ZONE_DMA, страницы, которые не сопоставлены постоянно с виртуальными адресами, находятся в ZONE_HIGHMEM (в архитектуре x86_32 эта зона предназначена для физических адресов размером более 896 МБ, тогда как x86_64 в ней не нуждается, поскольку x86_64 может постоянно отображать физические адреса). страницы, находящиеся по более высоким адресам), и все, что остается (за исключением других, менее используемых классификаций), находится в ZONE_NORMAL.

Небольшие фрагменты памяти могут быть динамически выделены с помощью семейства kmalloc() API и освобождены с помощью соответствующего варианта kfree(). vmalloc() и kvfree() используются для больших, практически смежных фрагментов. alloc_pages() выделяет желаемое количество целых страниц.

Схема стека хранилища Linux

Ядро включает в себя распределители SLAB, SLUB и SLOB в качестве настраиваемых альтернатив. SLUB — новейший вариант, а также распределитель по умолчанию. Он нацелен на простоту и эффективность, и есть PREEMPT_RT совместимый. Распределитель SLOB позже был удален в Linux 6.4. при этом распределитель SLAB планируется удалить в Linux 6.5, оставив единственным оставшимся распределителем SLUB, распределитель, который доступен начиная с Linux 2.6.

Поддерживаемые архитектуры

См. Также: Список компьютерных архитектур, поддерживаемых Linux , и устройств под управлением Linux.

TiVo DVR , потребительское устройство под управлением Linux

Хотя изначально он не был предназначен для портативного использования , В настоящее время Linux является одним из наиболее широко портируемых ядер операционной системы, работающим на самых разных системах — от архитектуры ARM IBM z/Architecture до мейнфреймов . Первый порт был выполнен на платформе Motorola 68000 . Модификации ядра были настолько фундаментальными, что Торвальдс рассматривал версию Motorola как ответвление и «Linux-подобную операционную систему». Однако это побудило Торвальдса провести серьезную реструктуризацию кода, чтобы облегчить портирование на большее количество вычислительных архитектур. Первый Linux, который в одном дереве исходного кода содержал код более чем для одного только i386, поддерживал DEC Alpha AXP . 64-битную платформу

Linux работает в качестве основной операционной системы IBM на Summit ; по состоянию на октябрь 2019 г. в мире , все 500 самых быстрых суперкомпьютеров работают под управлением той или иной операционной системы, основанной на ядре Linux, большое изменение по сравнению с 1998 годом, когда в список был добавлен первый суперкомпьютер Linux.

Linux также был портирован на различные портативные устройства, такие как Apple iPhone 3G и iPod .

Поддерживаемые устройства

В 2007 году был начат проект LKDDb по созданию комплексной базы данных оборудования и протоколов, известных ядрам Linux. База данных создается автоматически путем статического анализа исходников ядра. Позже в 2014 году был запущен проект Linux Hardware для автоматического сбора базы данных всех протестированных конфигураций оборудования с помощью пользователей различных дистрибутивов Linux.

Живое обновление

Обновления без перезагрузки можно даже применять к ядру с помощью технологий оперативного исправления, таких как Ksplice , kpatch и kGraft . Минималистичные основы для оперативного исправления ядра были объединены с основной веткой ядра Linux в версии ядра 4.0, выпущенной 12 апреля 2015 года. Эти основы, известные как livepatch и основанные главным образом на функциональности ядра ftrace , образуют общее ядро, способное поддерживать горячее исправление. как kGraft, так и kpatch, предоставляя интерфейс прикладного программирования (API) для модулей ядра, содержащих горячие исправления, и двоичный интерфейс приложения (ABI) для утилит управления пользовательским пространством. Однако общее ядро, включенное в ядро ​​Linux 4.0, поддерживает только архитектуру x86 и не предоставляет никаких механизмов для обеспечения согласованности на уровне функций во время применения горячих исправлений. По состоянию на апрель 2015 г. , продолжается работа по портированию kpatch и kGraft на общее ядро ​​оперативного исправления, предоставляемое основной веткой ядра Linux.

Безопасность

Ошибки ядра представляют собой потенциальные проблемы безопасности. Например, они могут допускать повышение привилегий или создавать векторы атак типа «отказ в обслуживании» . За прошедшие годы было обнаружено и исправлено множество ошибок, влияющих на безопасность системы. Часто реализуются новые функции для повышения безопасности ядра.

Возможности(7) уже были представлены в разделе о процессах и потоках. Android использует их, а systemd предоставляет администраторам детальный контроль над возможностями процессов.

Linux предлагает множество механизмов для уменьшения поверхности атаки ядра и повышения безопасности, которые известны под общим названием « Модули безопасности Linux» (LSM). Они включают в себя модуль Security-Enhanced Linux (SELinux), код которого был первоначально разработан, а затем опубликован АНБ . и AppArmor среди других. SELinux сейчас активно развивается и поддерживается на GitHub . SELinux и AppArmor обеспечивают поддержку политик безопасности контроля доступа, включая обязательный контроль доступа (MAC), хотя они существенно различаются по сложности и объему.

Еще одной функцией безопасности является Seccomp BPF (Безопасные вычисления с фильтрами пакетов Беркли), которая работает путем фильтрации параметров и сокращения набора системных вызовов, доступных для пользовательских приложений.

Критики обвиняют разработчиков ядра в сокрытии недостатков безопасности или, по крайней мере, не объявляют о них; в 2008 году Торвальдс ответил на это следующим образом:

Лично я считаю ошибки безопасности просто «обычными ошибками». Я не скрываю их, но у меня также нет никаких оснований думать, что отслеживать их и объявлять о чем-то особенном - это хорошая идея... одна из причин, по которой я отказываюсь беспокоиться обо всей безопасности. Цирк заключается в том, что я думаю, что он прославляет – и, таким образом, поощряет – неправильное поведение. Это делает людей, занимающихся безопасностью, «героями», как будто люди, которые не просто исправляют обычные ошибки, не так важны. На самом деле, все скучные обычные ошибки гораздо важнее просто потому, что их [sic] намного больше. Я не думаю, что какую-то впечатляющую дыру в безопасности следует прославлять или рассматривать как более «особенную», чем случайный впечатляющий сбой из-за плохой блокировки.

Дистрибутивы Linux обычно выпускают обновления безопасности для исправления уязвимостей в ядре Linux. Многие предлагают выпуски с долгосрочной поддержкой , которые получают обновления безопасности для определенной версии ядра Linux в течение длительного периода времени.

Юридический

Условия лицензирования

Первоначально Торвальдс выпустил Linux по лицензии, запрещавшей любое коммерческое использование. В версии 0.12 это было изменено путем перехода на Стандартную общественную лицензию GNU версии 2 (GPLv2). Эта лицензия разрешает распространение и продажу, возможно, модифицированных и немодифицированных версий Linux, но требует, чтобы все эти копии выпускались под одной и той же лицензией и сопровождались полным соответствующим исходным кодом или, по запросу, предоставлялся свободный доступ. Торвальдс назвал лицензирование Linux по лицензии GPLv2 «лучшим, что я когда-либо делал».

Ядро Linux лицензируется только по лицензии GNU General Public License версии 2 (только GPL-2.0) с явным исключением системного вызова (Linux-syscall-note), без предоставления лицензиату возможности выбрать любую более позднюю версию, которая является распространенным расширением GPL. Предоставленный код должен быть доступен по лицензии, совместимой с GPL .

Были серьезные споры о том, насколько легко можно изменить лицензию для использования более поздних версий GPL (включая версию 3) и желательно ли это изменение вообще. Сам Торвальдс при выходе версии 2.4.0 специально указал, что его собственный код выпускается только под версией 2. Однако условия GPL гласят, что если версия не указана, то можно использовать любую версию. и Алан Кокс отметил, что очень немногие другие участники Linux указали конкретную версию GPL.

В сентябре 2006 года опрос 29 ключевых программистов ядра показал, что 28 из них предпочли GPLv2 действующему на тот момент проекту GPLv3. Торвальдс прокомментировал: «Я думаю, что многие посторонние… считали, что лично я был просто лишним человеком, потому что публично я не был большим поклонником GPLv3». Эта группа известных разработчиков ядра, в которую вошли Торвальдс, Грег Кроа-Хартман и Эндрю Мортон , прокомментировала в средствах массовой информации свои возражения против GPLv3. Они ссылались на положения, касающиеся DRM / тивоизации , патентов, «дополнительных ограничений» и предупреждали о балканизации «Вселенной с открытым исходным кодом» GPLv3. Торвальдс, который решил не использовать GPLv3 для ядра Linux, повторил свою критику даже годы спустя.

Загружаемые модули ядра

Спорным является вопрос о том, некоторые загружаемые модули ядра следует ли считать (LKM) производными произведениями в соответствии с законом об авторском праве и, следовательно, подпадают ли они под условия GPL.

В соответствии с правилами лицензии, ЛКМ используют только общедоступное подмножество интерфейсов ядра. являются непроизводными произведениями, поэтому Linux предоставляет системным администраторам механизмы для загрузки двоичных объектов вне дерева в адресное пространство ядра.

Существуют некоторые загружаемые вне дерева модули, которые законно используют функцию ядра dma_buf . Код, соответствующий GPL, безусловно, может его использовать. Однако другим возможным вариантом использования может быть Nvidia Optimus , который объединяет быстрый графический процессор со встроенным графическим процессором Intel, где графический процессор Nvidia записывает данные в кадровый буфер Intel , когда он активен. Но Nvidia не может использовать эту инфраструктуру, поскольку это требует обхода правила, которое может использоваться только LKM, которые также являются GPL. Алан Кокс ответил на LKML , отклонив просьбу одного из инженеров Nvidia удалить это техническое требование из API. Торвальдс четко заявил в LKML, что «[я] заявляю, что модули ядра, состоящие только из двоичных файлов, ЯВЛЯЮТСЯ производными «по умолчанию»».

С другой стороны, Торвальдс также сказал, что «[одна] серая зона, в частности, представляет собой что-то вроде драйвера, который изначально был написан для другой операционной системы (т. е. явно не является производной версией Linux). ЭТО серая зона. , и _это_ - это область, в которой я лично считаю, что некоторые модули можно считать не производными просто потому, что они не были разработаны для Linux и не зависят от какого-либо особого поведения Linux». проприетарные В частности, активно обсуждаются графические драйверы.

Всякий раз, когда в Linux загружаются проприетарные модули, ядро ​​помечает себя как «испорченное». и поэтому отчеты об ошибках из испорченных ядер часто игнорируются разработчиками.

Бинарные файлы прошивки

Официальное ядро, то есть ветка Linus git в репозитории kernel.org, содержит двоичные объекты, выпущенные в соответствии с условиями лицензии GNU GPLv2. Linux также может выполнять поиск в файловых системах в поисках двоичных объектов, проприетарного встроенного ПО, драйверов или других исполняемых модулей, а затем загружать и связывать их в пространство ядра.

Когда это необходимо (например, для доступа к загрузочным устройствам или для повышения скорости), прошивка может быть встроена в ядро, это означает встраивание прошивки в vmlinux ; однако это не всегда приемлемый вариант по техническим или юридическим вопросам (например, не разрешается делать это с прошивкой, не совместимой с GPL, хотя, тем не менее, это довольно распространено).

Торговая марка

Linux является зарегистрированной торговой маркой Линуса Торвальдса в США, Европейском Союзе и некоторых других странах. Судебная тяжба по поводу товарного знака началась в 1996 году, когда Уильям Делла Кроче, юрист, никогда не занимавшийся разработкой Linux, начал требовать лицензионные сборы за использование слова Linux . После того, как было доказано, что это слово широко использовалось задолго до того, как Делла Кроче заявил о первом использовании, товарный знак был передан Торвальдсу.

См. также

• Микроядро — ядро, предоставляющее меньше служб, чем традиционное ядро.
• История версий ядра Linux — история версий ядра Linux.
• Сравнение операционных систем
• Сравнение ядер операционных систем
• Linux — семейство Unix-подобных операционных систем.
• Minix 3 – Unix-подобная операционная система.
• macOS – операционная система для компьютеров Apple.
• Microsoft Windows – Компьютерные операционные системы

Дальнейшее чтение

• Торвальдс, Линус; Даймонд, Дэвид (2001). Просто для развлечения: история случайного революционера . ХарперБизнес . ISBN  978-0066620732 .
• Безруков Николай. «Глава 4: Доброжелательный диктатор» . Портреты пионеров открытого исходного кода (электронная книга). Мягкая панорама. Архивировано из оригинала 13 октября 2005 года . Проверено 3 октября 2005 г.
• «LinkSys и бинарные модули» . Еженедельное издание LWN.net. 16 октября 2003 г. Архивировано из оригинала 1 августа 2016 г. Проверено 21 июля 2016 г.
• «Всеобщий любимый талисман Linux» . Архивировано из оригинала 16 августа 2005 года . Проверено 16 июня 2005 г.
• Праневич, Джозеф (декабрь 2003 г.). «Чудесный мир Linux 2.6» . Архивировано из оригинала 16 июля 2003 года.
• «Изменения Linux» . Архивировано из оригинала 31 октября 2005 года . Проверено 31 октября 2005 г.
• «Семинар по ядру Linux 2.6» . Архивировано из оригинала 2 февраля 2007 года.
• «Драйверы устройств Linux» (3-е изд.). Архивировано из оригинала 27 июля 2016 года . Проверено 21 июля 2016 г.
• «Понимание ядра Linux» (книга) (3-е изд.). Архивировано из оригинала 17 декабря 2005 года . Проверено 22 декабря 2005 г.
• Сеть ядра Linux, Рами Розен, 2014 г. (книга). Архивировано из оригинала 12 мая 2015 года . Проверено 14 июня 2015 г.
• «Linux: GPL и бинарные модули» . Архивировано из оригинала 23 июля 2005 года.
• «Анатомия ядра Linux» . ИБМ . Архивировано из оригинала 27 июня 2007 года . Проверено 9 июня 2007 г.
• Таненбаум, Эндрю; Бос, Герберт (2015). Современные операционные системы . Соединенные Штаты Америки: Пирсон. п. 722. ИСБН  9781292061429 . OCLC   892574803 .

Внешние ссылки

• Официальный сайт
  • Указатель документации ядра Linux
  • Справочные страницы ядра Linux
  • Kernel bugzilla и регрессии для каждой последней версии ядра
• Kernel Newbies — источник различной информации, связанной с ядром.
• Освещение ядра на LWN.net , авторитетном источнике информации, связанной с ядром.
• Bootlin's Elixir Cross Referencer , перекрестная ссылка на исходный код ядра Linux.
• Грег Кроа Хартман о ядре Linux на YouTube