Внутреннее устройство Linux

ПРИМЕЧАНИЕ

Подробности о работе ядра вы можете узнать из книг Operating System Concepts («Основные принципы операционных систем»), 9-е издание, авторы: Авраам Зильбершатц (Abraham Silberschatz), Питер Б. Гелвин (Peter B. Galvin) и Грег Гэнн (Greg Gagne) (Wiley, 2012) и Modern Operating Systems («Современные операционные системы»), 4-е издание, авторы: Эндрю С. Таненбаум (Andrew S. Tanenbaum) и Герберт Бос (Herbert Bos) (Prentice Hall, 2014).

1.3.1. Управление процессами

Управление процессами описывает запуск, остановку, возобновление и прекращение работы процессов. Понятия, которые стоят за процессами запуска и прекращения процессов, достаточно просты. Немного сложнее описать то, каким образом процесс использует центральный процессор в нормальном режиме работы.

В любой современной операционной системе несколько процессов функционируют «одновременно». Например, в одно и то же время вы можете запустить на компьютере браузер и открыть электронную таблицу. Тем не менее на самом деле все обстоит не так, как выглядит: процессы, которые отвечают за эти приложения, как правило, не запускаются в точности в один момент времени.

Рассмотрим систему с одним центральным процессором. Его могут использовать несколько процессов, но в каждый конкретный момент времени только один процесс может в действительности применять процессор. На практике каждый процесс использует процессор в течение малой доли секунды, а затем приостанавливается; после этого другой процесс применяет процессор в течение малой доли секунды; далее наступает черед третьего процесса и т. д. Действие, при котором какой-либо процесс передает другому процессу управление процессором, называется переключением контекста.

Каждый отрезок времени — квант времени — предоставляет процессу достаточно времени для выполнения существенных вычислений (и, конечно же, процесс часто завершает свою текущую задачу в течение одного кванта). Поскольку кванты времени настолько малы, человек их не воспринимает и ему кажется, что в системе одновременно выполняется несколько процессов (такая возможность известна под названием «многозадачность»).

Ядро отвечает за переключение контекста. Чтобы понять, как это работает, представим ситуацию, в которой процесс запущен в режиме пользователя, но его квант времени заканчивается. Вот что при этом происходит.

1. Процессор (реальное аппаратное средство) прерывает текущий процесс, опираясь на внутренний таймер, переключается в режим ядра и возвращает ему управление.

2. Ядро записывает текущее состояние процессора и памяти, которые будут необходимы для возобновления только что прерванного процесса.

3. Ядро выполняет любые задачи, которые могли появиться в течение предыдущего кванта времени (например, сбор данных или операции ввода/вывода).

4. Теперь ядро готово к запуску другого процесса. Оно анализирует список процессов, готовых к запуску, и выбирает какой-либо из них.

5. Ядро готовит память для нового процесса, а затем подготавливает процессор.

6. Ядро сообщает процессору, сколько будет длиться квант времени для нового процесса.

7. Ядро переводит процессор в режим пользователя и передает процессору управление.

Переключение контекста дает ответ на важный вопрос: когда работает ядро? Ответ следующий: ядро работает между отведенными для процессов квантами времени, когда происходит переключение контекста.

В системе с несколькими процессорами дело обстоит немного сложнее, поскольку ядру нет необходимости прекращать управление текущим процессором, чтобы позволить запуск какого-либо процесса на другом процессоре. И тем не менее, чтобы извлечь максимальную пользу из всех доступных процессоров, ядро все же так поступает (и может применить определенные хитрости, чтобы получить дополнительное процессорное время).

1.3.2. Управление памятью

Поскольку ядро должно управлять памятью во время переключения контекста, оно наделено этой сложной функцией. Работа ядра сложна, поскольку необходимо учитывать следующие условия:

• ядро должно располагать собственной областью памяти, к которой не могут получить доступ пользовательские процессы;

• каждому пользовательскому процессу необходима своя область памяти;

• какой-либо пользовательский процесс не должен иметь доступ к области памяти, предназначенной для другого процесса;

• пользовательские процессы могут совместно использовать память;

• некоторые участки памяти для пользовательских процессов могут быть предназначены только для чтения;

• система может применять больше памяти, чем ее есть в наличии, задействовав в качестве вспомогательного устройства дисковое пространство.

У ядра есть помощник. Современные процессоры содержат модуль управления памятью (MMU), который активизирует схему доступа к памяти под названием «виртуальная память». При использовании виртуальной памяти процесс не обращается к памяти напрямую по ее физическому расположению в аппаратных средствах. Вместо этого ядро настраивает каждый процесс таким образом, словно в его распоряжении находится вся машина. Когда процесс получает доступ к памяти, модуль MMU перехватывает такой запрос и применяет карту адресов памяти, чтобы перевести местоположение памяти, полученное от процесса, в физическое положение памяти на компьютере. Однако ядро все же должно инициализировать, постоянно поддерживать и изменять эту карту адресов. Например, во время переключения контекста ядро должно изменить карту после отработавшего процесса и подготовить его для наступающего.

Примечание

Реализация карты адресов памяти называется таблицей страниц.

О том, как отслеживать производительность памяти, вы узнаете из главы 8.

1.3.3. Драйверы устройств и управление ими

Задача ядра по отношению к устройствам довольно проста. Как правило, устройства доступны только в режиме ядра, поскольку некорректный доступ (например, когда пользовательский процесс пытается выключить питание) может вызвать отказ в работе компьютера. Еще одна проблема заключается в том, что различные устройства редко обладают одинаковым программным интерфейсом, даже если они выполняют одинаковую задачу: например, две различные сетевые карты. По этой причине драйверы устройств традиционно являются частью ядра и стремятся предоставить унифицированный интерфейс для пользовательских процессов, чтобы облегчить труд разработчиков программного обеспечения.

1.3.4. Системные вызовы и поддержка

Существуют и другие типы функций ядра, доступные для пользовательских процессов. Например, системные вызовы выполняют специальные задачи, которые пользовательский процесс не может выполнить хорошо в одиночку или вообще не может справиться с ними. Так, все действия, связанные с открытием, чтением и записью файлов, вовлекают системные вызовы.

Два системных вызова — fork() и exec() — важны для понимания того, как происходит запуск процессов:

• fork(). Когда процесс осуществляет вызов fork(), ядро создает практически идентичную копию данного процесса;

• exec(). Когда процесс осуществляет вызов exec(program), ядро запускает программу program, которая замещает текущий процесс.

За исключением процесса init (глава 6), все пользовательские процессы в системе Linux начинаются как результат вызова fork(), и в большинстве случаев осуществляется вызов exec(), чтобы запустить новую программу, а не копию существующего процесса. Простым примером является любая программа, которую вы запускаете из командной строки, например команда ls, показывающая содержимое каталога. Когда вы вводите команду ls в окне терминала, запущенная внутри окна терминала оболочка осуществляет вызов fork(), чтобы создать копию оболочки, а затем эта новая копия оболочки выполняет вызов exec(ls), чтобы запустить команду ls. На рис. 1.2 показана последовательность процессов и системных вызовов для запуска таких программ, как ls.

Рис. 1.2. Запуск нового процесса

ПРИМЕЧАНИЕ

Системные вызовы обычно обозначаются с помощью круглых скобок. В примере, показанном на рис. 1.2, процесс, который запрашивает ядро о создании другого процесса, должен осуществить системный вызов fork(). Такое обозначение происходит от способа написания вызовов в языке программирования C. Чтобы понять эту книгу, вам не обязательно знать язык C. Помните лишь о том, что системный вызов — это взаимодействие между процессом и ядром. Более того, в этой книге упрощены некоторые группы системных вызовов. Например, вызов exec() обозначает целое семейство системных вызовов, выполняющих сходную задачу, но отличающихся программной реализацией.

Ядро также поддерживает пользовательские процессы, функции которых отличаются от традиционных системных вызовов. Самыми известными из них являются псевдоустройства. С точки зрения пользовательских процессов, псевдоустройства выглядят как обычные устройства, но реализованы они исключительно программным образом. По сути, формально они не должны находиться в ядре, но они все же присутствуют в нем из практических соображений. Например, устройство, которое генерирует случайные числа (/dev/random), было бы сложно реализовать с необходимой степенью безопасности с помощью пользовательского процесса.

примечание

Технически пользовательский процесс, который получает доступ к псевдоустройству, все же вынужден осуществлять системный вызов для открытия этого устройства. Таким образом, процессы не могут полностью обойтись без системных вызовов.

1.4. Пространство пользователя

Область оперативной памяти, которую ядро отводит для пользовательских процессов, называется пространством пользователя. Поскольку процесс является лишь состоянием (или образом) в памяти, пространство пользователя обращается также к памяти за всей совокупностью запущенных процессов. Вам также может встретиться термин «участок пользователя» (userland), который применяется вместо пространства пользователя.

Большинство реальных действий системы Linux происходит в пространстве пользователя. Несмотря на то что все процессы с точки зрения ядра являются одинаковыми, они выполняют различные задачи для пользователей. Системные компоненты, которые представляют пользовательские процессы, организованы в виде элементарной структуры — сервисного уровня (или слоя). На рис. 1.3 показан примерный набор компонентов, связанных между собой и взаимодействующих с системой Linux. Простые службы расположены на нижнем уровне (ближе всего к ядру), сервисные программы находятся в середине, а приложения, с которыми работает пользователь, расположены вверху. Рисунок 1.3 является крайне упрощенной схемой, поскольку показаны только шесть компонентов, но вы можете заметить, что верхние компоненты находятся ближе всего к пользователю (пользовательский интерфейс и браузер); компоненты среднего уровня располагают почтовым сервером, который использует браузер; в нижней части присутствует несколько малых компонентов.

Нижний уровень состоит, как правило, из малых компонентов, выполняющих простые задачи. Средний уровень содержит более крупные компоненты, такие как почтовая служба, сервер печати и база данных. Компоненты верхнего уровня выполняют сложные задачи, которые зачастую непосредственно контролирует пользователь. Если один компонент желает воспользоваться другим, то этот второй компонент находится либо на том же сервисном уровне, либо ниже.

Рисунок 1.3 только приблизительно отображает устройство пространства пользователя. В действительности в пространстве пользователя нет правил. Например, большинство приложений и служб записывают диагностические сообщения, которые называются журналами. Большинство программ использует стандартную службу syslog для записи сообщений в журнал, но некоторые предпочитают вести журнал самостоятельно.

Рис. 1.3. Типы процессов и взаимодействий

Кроме того, некоторые компоненты пространства пользователя бывает трудно отнести к какой-либо категории. Серверные компоненты, например веб-сервер или сервер базы данных, можно рассматривать как приложения очень высокого уровня, поскольку они выполняют довольно сложные задачи. Такие приложения можно поместить в верхней части рис. 1.3. В то же время пользовательские приложения могут зависеть от серверных, когда необходимо выполнять задачи, с которыми они не могут справиться самостоятельно. В таком случае серверные компоненты следовало бы поместить на средний уровень.

1.5. Пользователи

Ядро системы Linux поддерживает традиционную концепцию пользователя системы Unix. Пользователь — это сущность, которая может запускать процессы и обладать файлами. С пользователем связано имя пользователя. Например, в системе может быть пользователь billyjoe. Однако ядро не работает с именами пользователей, вместо этого оно идентифицирует пользователя с помощью простого числового идентификатора пользователя (в главе 7 рассказывается о том, как идентификаторы сопоставляются с именами пользователей).

Пользователи существуют главным образом для того, чтобы соблюдались права доступа и ограничения. У каждого процесса из пространства пользователя существует пользователь-владелец, а о процессах говорят, что они запущены в качестве владельцев. Пользователь может прервать или изменить ход принадлежащих ему процессов (в определенных пределах), но не может вмешаться в процессы других пользователей. Кроме того, пользователи могут обладать файлами и предоставлять совместный доступ к ним для других пользователей.

В системе Linux обычно присутствуют дополнительные пользователи помимо тех, которые соответствуют реальным людям, работающим в системе. Более подробно об этом рассказывается в главе 3, но самым важным пользователем является root. Этот пользователь — исключение из приведенных выше правил, поскольку он может прерывать и изменять ход процессов другого пользователя, а также выполнять чтение любого локального файла. По этой причине пользователь root известен как superuser. О человеке, который может работать как пользователь root, говорят, что у него есть root-доступ. В традиционной системе Unix это администратор.

примечание

Работать с правами root может оказаться опасно. Будет сложно выявить и исправить ошибки, поскольку система позволит вам выполнить что угодно, даже если вы пытаетесь причинить ей вред. Системщики постоянно стараются сделать так, чтобы root-доступ не был необходим, насколько это возможно. Например, при переключении между сетями беспроводного доступа на ноутбуке. В то же время, каким бы могущественным ни был пользователь root, он все-таки работает в режиме пользователя системы, а не в режиме ядра.

Группы состоят из пользователей. Основная цель групп заключается в том, чтобы пользователь мог предоставлять файлы для совместного доступа другим пользователям группы.

1.6. Заглядывая вперед

Итак, вы увидели, из чего состоит работающая система Linux. Пользовательские процессы создают среду, с которой вы непосредственно взаимодействуете. Ядро управляет процессами и аппаратными средствами. Обе эти составляющие — ядро и процессы — располагаются в памяти.

Теоретическая информация — это замечательно, но вы не сможете изучить детали системы Linux, только читая о ней. В следующей главе вы начнете свое путешествие, освоив некоторые основы пространства пользователя. Попутно вы узнаете о более обширных частях системы Linux, о которых не говорилось в этой главе: о долговременных запоминающих устройствах (жестких дисках, файлах и т. п.). Вам ведь необходимо где-то хранить свои программы и данные.

2. Основные команды и структура каталогов

Эта глава является справочником по командам и утилитам операционной системы Unix. Вероятно, вы уже знаете большинство этих команд, но для подкрепления уверенности, в особенности в том, что касается структуры каталогов (см. раздел 2.19), прочитайте данную главу до конца. Здесь представлен вводный материал, на который я буду ссылаться на протяжении всей книги.

Почему речь пойдет о командах Unix? Разве эта книга не о том, как работает Linux? Да, конечно же, об этом, но в самой сердцевине Linux заложена система Unix.

В этой главе вы встретите слово Unix чаще, чем слово Linux, поскольку полученные сведения можно тут же применить к Solaris, BSD и к другим системам, связанным с Unix. Я попытался уйти от рассмотрения излишнего числа расширений пользовательского интерфейса, специфичных для Linux, не только ради того, чтобы у вас появился прочный фундамент для использования других систем, но и потому, что такие расширения довольно нестабильны. Вы сможете адаптировать новые выпуски системы Linux быстрее, если будете знать основные команды.

примечание

Дополнительные подробности для начинающих изучать Linux можно найти в книгах The Linux Command Line («Командная строка Linux») (No Starch Press, 2012), UNIX for the Impatient («UNIX для нетерпеливых») (Addison-Wesley Professional, 1995) и Learning the UNIX Operating System («Осваиваем операционную систему UNIX»), 5-е издание (O’Reilly, 2001).

2.1. Оболочка Bourne shelname = "note" /bin/sh

Оболочка является одной из важнейших частей системы Unix. Оболочка — это программа, запускающая команды (например, те, которые вводит пользователь). Оболочка выступает также в роли небольшой среды программирования. Программисты, работающие в Unix, часто разбивают обычные задачи на несколько небольших компонентов, а затем используют оболочку, чтобы управлять задачами и собирать части воедино.

Многие важные части системы в действительности являются сценариями оболочки — текстовыми файлами, которые содержат последовательность команд оболочки. Если вам до этого приходилось работать в системе MS-DOS, то вы можете представлять сценарии оболочки как очень мощные файлы. BAT. Поскольку эти файлы очень важны, их рассмотрению полностью посвящена глава 11.

По мере чтения этой книги и приобретения практических навыков вы пополните свои знания командами, использующими оболочку. Одно из свойств оболочки позволяет, если вы совершили ошибку, сразу же увидеть, что именно набрано неверно, и попробовать заново.

Существуют различные варианты оболочки Unix, но все они заимствуют некоторые функции от оболочки Bourne shell (/bin/sh) — стандартной оболочки, разработанной в компании Bell Labs для ранних версий системы Unix.

Каждой системе Unix для правильной работы необходимо наличие оболочки Bourne shell. Система Linux использует улучшенную версию оболочки Bourne shell — bash, или «заново рожденную»1 оболочку. Оболочка bash является оболочкой по умолчанию в большинстве дистрибутивов Linux, а путь /bin/sh, как правило, — ссылка на эту оболочку. При запуске примеров из книги следует применять оболочку bash.

примечание

Возможно, оболочка bash не является установленной у вас по умолчанию, если вы используете эту главу как справочник для учетной записи Unix в организации, где вы не являетесь системным администратором. Можно изменить оболочку с помощью команды chsh или попросить помощи у вашего системного администратора.

2.2. Использование оболочки

При установке системы Linux вы должны создать по крайней мере одну учетную запись обычного пользователя (в дополнение к корневому пользователю), которая будет вашей личной учетной записью. В этой главе необходимо входить в систему с учетной записью обычного пользователя.

2.2.1. Окно оболочки

После входа в систему откройте окно оболочки, которое часто называют терминалом. Проще всего это выполнить с помощью запуска терминального приложения из графического интерфейса пользователя Gnome или Unity в Ubuntu. При этом оболочка открывается в новом окне. После запуска оболочки в верхней части окна должно отобразиться приглашение, которое обычно заканчивается символом доллара ($). В Ubuntu это приглашение будет выглядеть примерно так: name@host: path$, а в Fedora оно такое: [name@host path]$. Если вы хорошо знакомы с Windows, окно оболочки будет выглядеть подобно окну командной строки DOS; приложение Terminal в OS X, по сути, такое же, как окно оболочки Linux.

В этой книге много команд следует набирать в строке приглашения оболочки. Чтобы обозначить приглашение, все они начинаются с символа $. Наберите приведенную ниже команду (только выделенный жирным шрифтом текст, без символа $) и нажмите клавишу Enter:

$ echo Hello there.