Внутреннее устройство Linux

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.