Внутреннее устройство Linux

Брайан Уорд

Внутреннее устройство Linux

2015

Переводчик С. Черников

Технический редактор Н. Гринчик

Литературный редактор О. Андриевич

Художники А. Барцевич, В. Шимкевич

Корректоры Т. Курьянович, Е. Павлович

Верстка А. Барцевич

Брайан Уорд

Внутреннее устройство Linux. — СПб.: Питер, 2015.

ISBN 978-5-496-01952-1

© ООО Издательство "Питер", 2015

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Предисловие

Я написал эту книгу, будучи уверенным в том, что для успешной, эффективной работы вы должны понимать, как устроено и функционирует программное обеспечение вашего компьютера.

Операционная система Linux прекрасно подходит для изучения, поскольку конфигурация системы хранится большей частью в простых файлах, которые достаточно легко прочитать. Следует только выяснить, за что отвечает каждая из частей, а затем собрать все воедино. Именно этому и посвящена данная книга.

Кому следует читать книгу

Интерес к устройству операционной системы Linux может быть вызван разными причинами. Профессионалы в сфере информационно-технологического обслуживания, а также разработчики программного обеспечения для Linux найдут в этой книге практически все, что необходимо знать, чтобы использовать операционную систему наилучшим образом. Исследователи и студенты, которым зачастую приходится подстраивать систему под себя, найдут здесь практичные объяснения того, почему все устроено именно так, а не иначе. Есть еще «затейники» — пользователи, которым нравится проводить время за компьютером ради развлечения, выгоды или и того и другого сразу.

Хотите узнать, почему некоторые вещи работают, а другие — нет? Вам интересно, что произойдет, если что-либо изменить? Тогда вы относитесь к числу «затейников».

Необходимые условия

Вам не обязательно быть программистом, чтобы читать эту книгу. Понадобятся лишь основные навыки пользователя компьютера: вы должны ориентироваться в графическом интерфейсе (при установке и настройке интерфейса системы), а также иметь представление о файлах и каталогах (папках). Следует также быть готовыми к поиску дополнительной документации в вашей системе и онлайн. Как отмечалось выше, самым важным является ваша готовность и желание исследовать свой компьютер.

Как читать книгу

Когда речь идет о технических предметах, донести все необходимые знания — непростая задача. С одной стороны, читатель увязает в излишних подробностях и с трудом усваивает суть, поскольку человеческий разум просто не может одновременно обработать большое количество новых понятий. С другой — отсутствие подробностей приводит к тому, что читатель получает лишь смутное представление о предмете и не готов к усвоению дальнейшего материала.

В этой книге я упростил изложение и структурировал материал. В большинстве глав важная информация, которая необходима для дальнейшей работы, предлагается в первую очередь. По мере чтения главы вы встретите в ней и дополнительный материал. Надо ли вам сразу усваивать эти частности? В большинстве случаев полагаю, что нет. Если ваши глаза начинают тускнеть при виде большого количества подробностей, относящихся к только что изученному материалу, не раздумывая переходите к следующей главе или сделайте перерыв. Вас ожидают другие важные вещи.

Практический подход

Для работы вам понадобится компьютер с операционной системой Linux. Возможно, вы предпочтете виртуальную установку — для проверки большей части материала данной книги я пользовался приложением VirtualBox. Вы должны обладать правами доступа superuser (root), хотя в основную часть времени следует использовать учетную запись обычного пользователя. Вы будете работать главным образом в командной строке, окне терминала или в удаленном сеансе. Если вы нечасто работали в этой среде, ничего страшного, из главы 2 вы узнаете об этом подробнее.

Как правило, команды будут выглядеть следующим образом:

$ ls /

[some output]

Вводите текст, который выделен жирным шрифтом; обычным шрифтом показан ответный текст, который выдаст машина. Символ $ является приглашением для пользователя с обычной учетной записью. Если вы увидите в качестве приглашения символ #, следует работать в учетной записи superuser (подробнее об этом — в главе 2).

Как устроена эта книга

В начале книги дается обзор системы Linux, а затем предлагается ряд практических заданий с инструментами, которые понадобятся вам для дальнейшей работы в системе. Далее вы детально изучите каждую часть системы, начиная с управления оборудованием и заканчивая конфигурацией сети, следуя обычному порядку, в котором происходит запуск системы. И наконец, вы получите представление о некоторых деталях работающей системы, освоите несколько важных навыков, а также познакомитесь с инструментами, используемыми программистами.

В большинстве первых глав (кроме главы 2) активно задействовано ядро системы Linux, но по мере продвижения по книге вы будете работать и в своем пространстве пользователя. Если вы не понимаете, о чем я сейчас говорю, не беспокойтесь, объяснения будут даны в главе 1.

Материал излагается по возможности без привязки к какому-либо дистрибутиву системы. Было бы скучно описывать все варианты системы, поэтому я попытался рассказать о двух основных семействах дистрибутивов: Debian (включая Ubuntu) и RHEL/Fedora/CentOS. Упор сделан на серверные версии и версии для рабочих станций. Представлены также внедренные системы, например Android и OpenWRT, но изучение отличий этих платформ предоставляется вам.

Что нового во втором издании

Первое издание этой книги касалось главным образом пользовательской стороны работы в системе Linux. Основное внимание было уделено устройству ее частей и тому, как заставить их функционировать. В то время многие элементы системы было трудно установить и корректно настроить.

Благодаря упорному труду разработчиков ПО и создателей дистрибутивов Linux ситуация изменилась. Я пересмотрел материал первого издания в поисках обновлений: особое внимание уделил процессу загрузки системы и тому, как она управляет оборудованием, а также удалил устаревший материал (например, подробное объяснение процесса печати), чтобы расширить рассмотрение роли ядра системы Linux в каждом дистрибутиве. Вы, вероятно, взаимодействуете с ядром гораздо чаще, чем сами об этом догадываетесь, и я специально отметил моменты, когда это бывает.

Я также изменил последовательность подачи материала в книге, чтобы он соответствовал интересам и потребностям современных читателей. Единственное, что не изменилось, — это объем книги.

Мне хотелось снабдить вас сведениями, которые понадобятся для быстрого начала работы. Их усвоение потребует некоторых усилий, однако я не намереваюсь делать из вас «тяжелоатлетов», чтобы вы смогли одолеть эту книгу. Когда вы будете понимать важнейшие моменты, изложенные здесь, для вас не составит труда отыскать подробности и разобраться в них.

Я изъял некоторые исторические детали, которые были в первом издании, главным образом чтобы сконцентрировать ваше внимание. Если вы интересуетесь системой Linux и ее отношением к истории системы Unix, обратитесь к книге Питера Салуса (Peter H. Salus) The Daemon, the Gnu, and the Penguin (Reed Media Services, 2008) — в ней рассказано о том, как развивалось используемое нами программное обеспечение.

Примечание о терминологии

В настоящее время ведутся споры о наименованиях некоторых элементов операционных систем. В них вовлечено даже само название системы Linux — как она должна называться: Linux или же GNU/Linux (чтобы отразить применение некоторых элементов проекта GNU)? В книге я старался использовать самые употребительные и по возможности наименее громоздкие названия.

Благодарности

Благодарю всех, кто помогал мне в работе над первым изданием. Это Джеймс Дункан (James Duncan), Дуглас Н. Арнольд (Douglas N. Arnold), Билл Феннер (Bill Fenner), Кен Хорнстайн (Ken Hornstein), Скотт Диксон (Scott Dickson), Дэн Эрлих (Dan Ehrlich), Феликс Ли (Felix Lee), Скотт Шварц (Scott Schwartz), Грегори П. Смит (Gregory P. Smith), Дэн Салли (Dan Sully), Кэрол Джурадо (Karol Jurado) и Джина Стил (Gina Steele). В этом издании я особо признателен Жорди Гутьеррес Хермозо (Jordi Gutierrez Hermoso) за превосходное техническое рецензирование; его предложения и уточнения неоценимы. Спасибо также Доминику Пулэну (Dominique Poulain) и Дональду Кэрону (Donald Karon) за быстрый отклик на ранних стадиях работы, а также Синьчжу Шей (Hsinju Hsieh), который терпеливо работал со мной над переделкой этой книги.

Я хотел бы также поблагодарить своего редактора по развитию Билла Поллока (Bill Pollock) и выпускающего редактора Лорел Чан (Laurel Chun). Серена Янг (Serena Yang), Элисон Ло (Alison Law) и все сотрудники издательства No Starch Press, как обычно, замечательно выполнили свою работу при подготовке нового издания книги.

От издательства

Ваши замечания, предложения и вопросы отправляйте по адресу электронной почты [e-mail] (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.

1. Общая картина

На первый взгляд современная операционная система, например Linux, является достаточно сложной и состоит из большого количества частей, которые одновременно функционируют и взаимодействуют друг с другом. Так, веб-сервер может обмениваться данными с сервером базы данных, который, в свою очередь, использует совместную библиотеку, применяемую многими другими программами. Как же все это работает?

Наиболее эффективно понять устройство операционной системы можно с помощью абстракции — изящного способа сказать о том, что вы игнорируете большинство деталей. Например, когда вы едете в автомобиле, вам, как правило, не приходится задумываться о таких деталях, как крепежные болты, которые удерживают двигатель внутри машины, или же о людях, проложивших дорогу и поддерживающих ее в хорошем состоянии. Если вы едете в машине как пассажир, вам нужно знать лишь то, для чего предназначен автомобиль (он перемещает вас куда-либо), а также некоторые элементарные правила его использования (как обращаться с дверью и ремнем безопасности).

Если же вы ведете машину, вам необходимо знать больше. Вам потребуется изучить элементы управления (например, рулевое колесо и педаль газа), а также усвоить, что следует делать в случае неисправности.

Предположим, автомобиль движется рывками. Можно разбить абстракцию «автомобиль, который едет по дороге» на три части: автомобиль, дорога и ваш стиль вождения. Это поможет установить причину. Если дорога ухабиста, вам не придется винить машину или себя. Вместо этого вы можете попытаться выяснить, почему дорога испортилась, или же, если дорога новая, почему ее строители так отвратительно выполнили работу.

Разработчики программного обеспечения пользуются абстракцией как инструментом при создании операционных систем и приложений. Имеется множество терминов для абстрагированных разделов компьютерного ПО, в их число входят подсистема, модуль и пакет. Однако мы будем применять в данной главе термин компонент, поскольку он прост. При создании программного компонента, как правило, разработчиков не сильно заботит внутренняя структура других компонентов, однако им все же приходится думать о том, какие компоненты и как они могут использовать.

В этой главе приводится общий обзор компонентов, составляющих систему Linux. Хотя каждый из них обладает немыслимым количеством технических деталей, относящихся к внутреннему устройству, мы не будем обращать на них внимания и сосредоточимся на том, что эти компоненты делают по отношению к системе в целом.

1.1. Уровни и слои абстракции в операционной системе Linux

Использование абстракций для разделения компьютерных систем на компоненты упрощает их понимание, но не приносит пользы, если отсутствует структура. Мы упорядочим компоненты в виде слоев, или уровней. Слой, или уровень, — это способ классификации (или группирования) компонентов в соответствии с их расположением между пользователем и аппаратными средствами. Браузеры, игры и т. п. расположены на верхнем слое; на нижнем слое мы видим память компьютера: нули и единицы. Операционная система занимает наибольшее число слоев между этими двумя.

В операционной системе Linux три главных уровня. На рис. 1.1 показаны уровни, а также некоторые компоненты внутри каждого из них. В основе расположены аппаратные средства. Они включают память, а также один или несколько центральных процессоров (CPU), выполняющих вычисления и запросы на чтение из памяти и запись в нее. Такие устройства, как жесткие диски и сетевые интерфейсы, также относятся к аппаратным средствам.

Уровнем выше располагается ядро, которое является сердцевиной операционной системы. Ядро — это программа, расположенная в памяти компьютера и отдающая распоряжения центральному процессору. Ядро управляет аппаратными средствами и выступает главным образом в качестве интерфейса между аппаратными средствами и любой запущенной программой.

Процессы — запущенные программы, которыми управляет ядро, — в совокупности составляют верхний уровень системы, именующийся пространством пользователя.

Примечание

Более точным термином, чем «процесс», является термин «пользовательский процесс», вне зависимости от того, взаимодействует ли пользователь с этим процессом напрямую. Например, все веб-серверы работают как пользовательские процессы.

Существует важное различие между тем, как запускаются процессы ядра и процессы пользователя: ядро запускается в режиме ядра, а пользовательские процессы — в режиме пользователя. Код, работающий в режиме ядра, обладает неограниченным доступом к процессору и оперативной памяти. Это сильное преимущество, но оно может быть опасным, поскольку позволяет процессам ядра с легкостью нарушить работу всей системы. Область, которая доступна только ядру, называется пространством ядра.

В режиме пользователя, для сравнения, доступен лишь ограниченный (как правило, небольшой) объем памяти и разрешены лишь безопасные инструкции для процессора. Пространством пользователя называют участки оперативной памяти, которые могут быть доступны пользовательским процессам. Если какой-либо процесс завершается с ошибкой, ее последствия будут ограниченными и ядро сможет их очистить. Это означает, что, если, например, произойдет сбой в работе браузера, выполнение научных расчетов, которые вы запустили на несколько дней в фоновом режиме, не будет нарушено.

Рис. 1.1. Общая структура операционной системы Linux

Теоретически неконтролируемый пользовательский процесс не способен причинить существенный вред системе. В действительности же все зависит от того, что именно вы считаете «существенным вредом», а также от особых привилегий данного процесса, поскольку некоторым процессам разрешено делать больше, чем другим. Например, может ли пользовательский процесс полностью уничтожить данные на жестком диске? Если должным образом настроить разрешения, то сможет, и для вас это окажется крайне опасным. Для предотвращения этого существуют защитные меры, и большинству процессов просто не будет позволено сеять смуту подобным образом.

1.2. Аппаратные средства: оперативная память

Из всех аппаратных средств компьютера оперативная память является, пожалуй, наиболее важным. В своей самой «сырой» форме оперативная память — это всего лишь огромное хранилище для последовательности нулей и единиц. Каждый ноль или единица называется битом. Именно здесь располагаются запущенное ядро и процессы — они являются лишь большими наборами битов. Все входные и выходные данные от периферийных устройств проходят через оперативную память также в виде наборов битов. Центральный процессор просто оперирует с памятью: он считывает из нее инструкции и данные, а затем записывает данные обратно в память.

Вам часто будет встречаться термин «состояние», который будет относиться к памяти, процессам, ядру и другим частям компьютерной системы. Строго говоря, состояние — это какое-либо упорядоченное расположение битов. Например, если в памяти находятся четыре бита, то последовательности 0110, 0001 и 1011 представляют три различных состояния.

Если принять во внимание то, что процесс может с легкостью состоять из миллионов бит в памяти, зачастую проще использовать абстрактные термины, говоря о состояниях. Вместо описания состояния с применением битов вы говорите о том, что произошло или происходит в данный момент. Например, вы можете сказать «данный процесс ожидает входных данных» или «процесс выполняет второй этап процедуры запуска».

ПРИМЕЧАНИЕ

Поскольку при описании состояния обычно используются абстрактные понятия, а не реальные биты, для обозначения какого-либо физического размещения битов применяется термин «образ».

1.3. Ядро

Практически все, что выполняет ядро, касается оперативной памяти. Одной из задач ядра является распределение памяти на несколько подразделов, после чего ядро должно постоянно содержать в порядке информацию о состоянии этих подразделов. Каждый процесс использует выделенную для него область памяти, и ядро должно гарантировать то, что процессы придерживаются своих областей.

Ядро отвечает за управление задачами в четырех основных областях системы.

• Процессы. Ядро отвечает за то, каким процессам разрешен доступ к центральному процессору.

 Память. Ядру необходимо отслеживать состояние всей памяти: какая часть в данный момент отведена под определенные процессы, что можно выделить для совместного использования процессами и какая часть свободна.

 Драйверы устройств. Ядро выступает в качестве интерфейса между аппаратными средствами (например, жестким диском) и процессами. Как правило, управление аппаратными средствами выполняется ядром.

 Системные вызовы и поддержка. Обычно процессы используют системные вызовы для взаимодействия с ядром.

Теперь мы вкратце рассмотрим каждую из этих областей.