Кто разрабатывает ядро линукс

Обновлено: 05.07.2024

Хронология разработки ядра Linux очень обширна, однако точно прослеживаются истоки его создания, которые ведут к UNIX. В 1969 году Кен Томпсон из исследовательской группы Bell Laboratories совместно с Деннисом Ритчи на передовом микро-компьютере PDP-7 разработал ядро многозадачной, многопользовательской операционной системы UNICS ( позже переименованной в UNIX-TP). В момент создания ядра UNIX-TP Ритчи находился под влиянием своего прошлого проекта - ОС MULTICS, несмотря на наличие достаточно инновационных и передовых идей, таких как: строго сегментированная модель данных, сегментно-страничная виртуальная память, динамическое связывание, переконфигурация всей системы «на ходу», иерархическая файловая система, впервые реализованный подход с использованием стеков для каждого вычислительного процесса внутри системы ядра и др; проект был закрыт ввиду сложной архитектуры ОС, а также из-за недостатков, связанных с распределением памяти файлов, больших по размеру чем установленный системный лимит. Стоит также заметить, что вся операционная система, включая сложный компилятор языка PL/I, пользовательские команды и дополнительные библиотеки, состояла из примерно полутора тысяч исходных файлов, каждый из которых содержал примерно по 200 строк кода. В скомпилированном виде весь этот код занимал около 4,5 Мегабайт, что было огромным размером по тем временам. Компиляторы Multics в основном оптимизировали код по размеру, а не по эффективности использования центрального процессора, что было обосновано стремлением к экономии памяти в многопользовательской системе.

Несмотря на неудачу своего предшественника, UNIX вобрал в себя концепцию MULTICS и был детально проработан. Первые две версии ОС были написаны на ассемблере, однако третья и четвертая версии использовали язык, разработанный Ритчи - С [4] , архитектура третьей версии использовала встроенный компилятор языка, а четвертая представляла собой полностью переписанное на СИ системное ядро. С приходом пятой версии UNIX был полностью переписан на язык СИ. Изначально создателем он был задуман как язык необходимый в написании операционных систем. Это переписывание разрешено команде UNIX TM с целью перехода на более мощную аппаратную часть - PDP-11/45 и 11/70 компьютеры. С 1974 года UNIX стал распространяться среди университетов и академических учреждений. С 1975 года началось появление новых версий, разработанных за пределами Bell Labs, и рост популярности системы.

В 1980 году компанией AT&T был разработан пакет коммерческих лицензий на все дистрибутивы UNIX, и сведение всех версий в одну: UNIX System V. Университет Калифорнии, Беркли продолжал разрабатывать свою собственную версию Unix под названием BSD. Многие из важнейших разработок в UNIX изначально пришли из BSD, к примеру, включение TCP/IP в основную версию UNIX. Поскольку основная часть системы поставлялась в исходных текстах, написанных на языке С, опытным программистам не требовалось документации, чтобы разобраться в архитектуре UNIX. C ростом популярности микропроцессоров другие компании переносили эту операционную систему на другие платформы, но простота и ясность операционной системы искушали многих на ее расширение и последующую модификацию, в результате чего появилось много разновидностей базовой системы.

Не желая терять инициативу, AT&T в 1982 году объединила несколько существовавших версий UNIX и создала версию под названием SYSTEM |||. В отличие от редакций, предназначавшихся, в первую очередь, для внутреннего использования и не получивших дальнейшего развития, SYSTEM ||| была создана для распространения за пределами Bell Labs и AT&T и положила начало новой ветви UNIX , которая и сегодня жива и развивается.

Краткая история Linux

В 1991 году в Хельсинки, Финляндии, Линус Торвальдс начал работу над проектом, который был, по его словам, «просто для удовольствия». Этот проект в конечном счете стал ядром Linux. Он никогда не был предназначен для чего-то особенного, просто инструмент, который позволил бы студенту получить доступ к UNIX-серверам в соседнем университете. Он написал его специально для железа, на котором он работал на тот момент, и оно не зависело от операционной системы. Linux разработана "с нуля" для процессора Intel i386, сегодня она перенесена на огромный ряд других аппаратных платформ, включая серверы Alpha фирмы DEC.

Переход от Unix к Linux

Linux был разработан в попытке создать бесплатную альтернативу коммерческим UNIX-средам. Его история начинается в 1991 или даже в 1983 гг., когда был создан проект GNU, чьей исходной целью было предоставить бесплатную альтернативу UNIX. Linux работает на гораздо большем количестве платформ, например на Intel®/AMD x86. Большинство ОС UNIX способны работать только на одной платформе.У Linux и UNIX общие исторические корни, но есть и серьезные отличия. Много инструментов, утилит, и бесплатных приложений, являющихся стандартными для Linux, первоначально задумывались как бесплатная альтернатива программам для UNIX. Linux часто предоставляет поддержку множества опций и приложений, заимствуя лучшую или наиболее популярную функциональность из UNIX. Администратору или разработчику, который привык работать с Linux, система UNIX может показаться не очень удобной для использования. С другой стороны, фундамент UNIX-подобной операционной системы (инструменты, файловая система, интерфейсы API) достаточно стандартизирован.

Понятие ядра операционной системы Linux.

Ядро является сердцем любой операционной системы, обеспечивая базовую функциональность операционной системы:

создает процессы и управляет ими
распределяет и обеспечивает доступ к файлам, а также к периферийным устройствам

Взаимодействие прикладных задач с ядром происходит посредством стандартного интерфейса системных вызовов. Интерфейс системных вызовов представляет собой набор услуг ядра и определяет формат запросов на услуги. Процесс запрашивает услугу посредством системного вызова определенной процедуры ядра, внешне похожего на вызов обычной библиотечной функции . Ядро от имени процесса выполняет запрос и возвращает процессу необходимые данные.

Исходный код ядра коммерческих дистрибутивов UNIX является собственностью их разработчиков и не распространяется за пределы компании. Полностью противоположная ситуация с Linux. Процедуры для компиляции и исправления ядер и драйверов весьма различны. Для Linux и других операционных систем с открытым исходным кодом патч может быть выпущен в виде исходного кода, и конечный пользователь может установить, проверить и даже модифицировать его. Эти патчи обычно проверены не так тщательно как патчи от поставщиков коммерческих ОС UNIX. Поскольку нет полного списка приложений и сред, которые должны быть оттестированы для корректной работы на Linux, Linux-разработчики зависят от конечных пользователей и других разработчиков, которые будут отлавливать ошибки.

Поставщики коммерческих UNIX-дистрибутивов выпускают ядра только в виде исполняемого кода. Некоторые релизы являются монолитными, тогда как другие позволяют обновить только какой-нибудь конкретный модуль ядра. Но в любом случае этот релиз предоставляется только в форме исполняемого кода. Если необходимо обновление, администратор должен ждать, пока производитель выпустит патч в бинарном коде, однако его может утешить то, что производитель выполнит тщательную проверку своего патча на обратную совместимость.

Все коммерческие версии UNIX в некоторой степени эволюционировали до модульного ядра. Драйверы и отдельные особенности ОС доступны как отдельные компоненты и могут быть по необходимости загружены или выгружены из ядра. Но открытая модульная архитектура Linux гораздо гибче. Однако гибкость и адаптируемость Linux означают и постоянное изменение. Исходный код Linux постоянно меняется, и, по прихоти разработчика, может поменяться API. Когда модуль или драйвер написан для коммерческой версии UNIX, он проработает гораздо дольше, чем тот же драйвер для Linux.

Устройство компонентов ядра ОС Linux

Ядро состоит из:

Файловая система
Подсистема управления процессами и памятью
Подсистема ввода / вывода

Файловая подсистема

Файловая подсистема обеспечивает унифицированный интерфейс доступа к данным, расположенным на дисковых накопителях, а также к периферийным устройствам. Одни и те же функции open(), read(), write() могут использоваться как при чтении или записи данных на диск, так и при выводе текста на принтер или в терминал. Файловая подсистема контролирует права доступа к файлу, выполняет операции размещения и удаления файла. Поскольку большинство прикладных функций выполняется через интерфейс файловой системы, права доступа к файлам определяют привилегии пользователя в системе. Файловая подсистема обеспечивает маршрутизацию запросов периферийным устройствам, соответствующим модулям подсистемы ввода/вывода.

Подсистема управления запросами

Запущенная на выполнение программа порождает в системе один или более процессов ( задач ). Подсистема управления процессами контролирует:

Создание и удаление процессов
Распределение системных ресурсов ( памяти, вычислительных ресурсов ) между процессами
Синхронизацию процессов
Межпроцессорное взаимодействие

Известно, что в общем случае число активных процессоров превышает число процессоров компьютера, но в каждый конкретный момент времени на каждом процессоре может выполняться только один процесс. Операционная система управляет доступом процессоров к вычислительным ресурсам, создавая ощущение одновременного выполнения нескольких задач. Специальная задача ядра, называемая распорядителем или планировщиком процессов, разрешает конфликты между процессами в конкуренции за системные ресурсы ( процессор, память, периферийные устройства ). Планировщик запускает процесс на выполнение, следя за тем, чтобы процесс монопольно не захватил разделяемые системные ресурсы. Процесс освобождает процессор, ожидая длительной операции ввода/вывода, или по прошествии периода времени. В этом случае планировщик выбирает следующий процесс с наивысшим приоритетом и запускает его на выполнение. Модуль управления памятью обеспечивает размещение оперативной памяти для прикладных задач. Оперативная память является дорогостоящим ресурсом, и, как правило, она редко "простаивает". В случае, если для всех процессов недостаточно памяти, ядро перемещает части процесса или несколько процессов во вторичную память ( как правило, для этого выделена некоторая область жесткого диска ), освобождая ресурсы для действующих процессов. Все современные системы реализуют виртуальную память: процесс выполняется в собственном логическом адресном пространстве, которое может значительно превышать доступную физическую память. Управление виртуальной памятью процесса также входит в перечень задач модуля управления памятью. Модуль межпроцессного взаимодействия.отвечает за уведомление процессов о событиях с помощью сигналов и обеспечивает возможность передачи данных между различными процессами.

Подсистема ввода/вывода

Подсистема ввода/вывода выполняет запросы файловой подсистемы и подсистемы управления процессами для доступа к периферийным устройствам ( дискам, терминалам, а ранее и к магнитным лентам и др. ). Она обеспечивает необходимую буферизацию данных и взаимодействует с драйверами устройств - специальными модулями ядра, непосредственно обслуживающими внешние устройства.

Особенности архитектуры

Ядро Linux поддерживает многие унаследованные от UNIX особенности, такие как:

многозадачность
виртуальную память
динамические библиотеки
отложенную загрузку
производительную систему управления памятью
современные сетевые протоколы

На сегодняшний день Linux — монолитное ядро с поддержкой загружаемых модулей. Драйверы устройств и расширения ядра обычно запускаются в 0-м кольце защиты, с полным доступом к оборудованию. В отличие от обычных монолитных ядер, драйверы устройств легко собираются в виде модулей и загружаются или выгружаются во время работы системы, эта особенность также является унаследованной от первого предшественника - ОС Multics. То, что архитектура Linux не является микроядерной, вызвало обширнейшие споры между Линусом Торвальдсом и Эндрю Таненбаумом в конференции.

Выполнение в режиме ядра

Существуют всего три события, при которых выполнение процесса переходит в режим ядра:

аппаратные прерывания
особые ситуации
системные вызовы

Во всех случаях ядро Linux получает управление и вызывает соответствующую системную процедуру для обработки события. Непосредственно перед вызовом ядро сохраняет состояние системы, а именно состояние прерванного процесса в системном стеке. После завершения обработки, состояние процесса восстанавливается и процесс возвращается в исходный режим выполнения. Чаще всего это режим задачи, например, когда прерывание возникло, когда процесс уже находился в режиме ядра, после обработки события он останется в том же состоянии. Стоит разграничить особые ситуации и прерывания. Аппаратные прерывания генерируются периферией при наступлении исключительных событий ( например, завершение печати или поступление данных на последовательный вход ввода ) и имеют асинхронный характер, поскольку невозможно в тот или иной момент сказать, когда система нам пробросит исключение. Часто, эти прерывания не связаны с текущим процессом, а вызваны внешними событиями. Именно поэтому, обработка прерываний происходит в системном контексте, при этом недопустим доступ к адресному пространству процесса. По этой причине обработка ситуаций не должна блокироваться, поскольку это вызовет блокирование выполнения независимого процесса Системные вызовы позволяют процессам воспользоваться базовыми услугами ядра. Интерфейс системных вызовов определяет ограниченный набор точек входа в ядро системы, обращение к которым изменяет режим выполнения процесса и позволяет выполнять привилегированные функции ядра. Стандартная библиотека C, позволяющая использовать системные функции как обычные процедуры, на самом деле содержит заглушки, обеспечивающие фактическую реализацию вызова соответствующей точки входа ядра. Эта реализация практически не зависит от аппаратной части системы. Например, для систем на базе процессоров Intel используются шлюзы. Имеются два типа шлюзов: шлюзы ловушек и шлюзы вызовов. Для осуществления вызова через шлюз ловушки процесс выполняет команду прерывания, а при работе через шлюз вызова - команду межсегментного вызова. Выполнение системного вызова происходит в режиме ядра, но в контексте процесса, сделавшего системный вызов. Таким образом, открыт доступ к адресному пространству процесса и используется стек ядра процесса.

Примечания

Литература

Исследование LF охватывает трехлетний период разработки ядра (от версии 2.6.11 до версии 2.6.24) и фокусируется на таких характеристиках, как частота релизов и изменений, размер исходных текстов ядра, и самое главное, позволяет получить представление о том, кто же всё-таки разрабатывает ядро Linux.

Статистика показывает, что, в среднем, каждый новый релиз ядра выходит раз в 2,5 3 месяца (60 110 дней). В первую очередь это связано с выбранной в 2005 г. моделью разработки, направленной на сведение к минимуму длительности промежутков между разработкой новых функций, появлением поддержки новых устройств и включением их в ядро; а также сводящей к минимуму потребность создателей дистрибутивов в модификациях ядра.

При этом число изменений (патчей), вносимых в ядро, имеет тенденцию к росту. Сводя воедино эти две характеристики, можно отметить, что, в среднем, в ядро вносится 2,83 патча в час, при этом, в строках кода каждый день в ядро добавляется свыше 3 тыс. строк, более 1,4 тыс. строк модифицируется.

Расхожее в некоторых кругах представление о Linux как о системе, разрабатываемой любителями, неверно

Число разработчиков, принявших участие в выпуске версии 2.6.24, более чем в два раза превысило этот показатель для версии 2.6.11 и составило 1057 человек.

Киберучения: как отработать реагирование на атаки хакеров на полигоне

Компании, которые наиболее активно осуществляют доработку ядра Linux

Название компании	Количество изменений	% от общего числа изменений
Частные пользователи	11,594	13.9%
Название не определено	10,803	12.9%
Red Hat	9,351	11.2%
Novell	7,385	8.9%
IBM	6,952	8.3%
Intel	3,388	4.1%
Linux Foundation	2,160	2.6%
Consultant	2,055	2.5%
SGI	1,649	2.0%
MIPS Technologies	1,341	1.6%
Oracle	1,122	1.3%
MontaVista	1,010	1.2%
Google	965	1.1%
Linutronix	817	1.0%
HP	765	0.9%
NetApp	764	0.9%
SWsoft	762	0.9%
Renesas Technology	759	0.9%
Freescale	730	0.9%
Astaro	715	0.9%
Academia	656	0.8%
Cisco	442	0.5%
Simtec	437	0.5%
Linux Networx	434	0.5%
QLogic	398	0.5%
Fujitsu	389	0.5%
Broadcom	385	0.5%
Analog Devices	358	0.4%
Mandriva	329	0.4%
Mellanox	294	0.4%
Snapgear	285	0.3%

Источник: Linux Foundation

При этом, однако, всего 10 ведущих разработчиков совместно внесли почти 15% изменений, а 30 ведущих разработчиков 30%. Это, однако, не значит, что расхожее в некоторых кругах представление о Linux как о системе, разрабатываемой любителями, верно. Несмотря на то, что далеко не у всех компаний, занимающихся свободным ПО, есть необходимость вносить изменения в ядро, число компаний, участвующих в его разработке, растёт. Четыре крупнейших ядра Red Hat, Novell, IBM и Intel оплатили более 32% внесённых за время исследования изменений, а суммарный процент изменений в ядро, внесённых разработчиками, работающими на компании, составил более 70%.

При этом среди компаний, участвующих в разработке ядра, выделяется несколько групп по основной цели участия в разработке. Это группа компаний, включающая IBM, Intel, HP, SGI, MIPS и других, которая ориентируется, в основном, на поддержку работы Linux на собственном оборудовании. Дистрибьюторы, такие, как Red Hat, Novell, MontaVista, имеют целью добавление в ядро возможностей, на которые существует спрос среди пользователей, и которые усиливают конкурентоспособность дистрибутивов как конечных продуктов. Такие компании, как Sony, Nokia, Samsung, работают над ядром для улучшения работы систем на базе ядра Linux в собственных устройствах.

Таким образом, из исследования Linux Foundation можно сделать выводы о том, что ядро Linux является беспрецедентным примером успешного сотрудничества различных по размеру и производимой продукции компаний и индивидуальных разработчиков, считают исследователи. Количество этих разработчиков и распределение их вклада в разработку может служить, в некотором смысле, гарантией стабильности и независимости разработки. Это наглядно демонстрирует преимущества как открытой модели разработки в целом, так и гарантий, предоставляемых разработчикам и конечным пользователям самой концепцией свободного ПО, закреплённой в лицензии GNU GPL.

Ядро Linux - это огромный проект с открытым исходным кодом, разработка которого ведется уже более 25 лет. Хотя многие думают, что большинство проектов с открытым исходным кодом разрабатываются энтузиастами, над ядром Linux работают профессиональные программисты, которые получают за это деньги.

Согласно данным The Linux Foundation, начиная с 2005 года, более 14 000 индивидуальных разработчиков и более чем 1300 различных компаний внесли свой вклад в ядро. В этой статье мы рассмотрим, как и кем ведется разработка ядра Linux, кто все это финансирует и контролирует.

Разработка ядра Linux

Примерно раз в год The Linux Foundation выпускает отчет по процессу разработки ядра с данными о частоте выпусков, скорости изменений и компаниях, которые в этот раз внесли свой вклад. Например, последний отчет был выпущен в августе 2016 года и охватывает версии ядер 3.9 - 4.7.

Одно из наиболее интересных изменений - это уменьшение вклада в развитие ядра со стороны неоплачиваемых разработчиков. За этот период их доля сократилась от 14,6 до 7,7%. Это объясняется тем, что многие из этих разработчиков были наняты компаниями.

Что касается корпоративных взносов, то за этот период доля Intel составила 12,9%, Red Hat - 8%, Linaro - 4%, Samsung - 3,9%, SuSE - 3,2%, IBM - 2,7%. Но несколько лет назад история была совсем иной. В 2010 году Red Hat была на первом месте - 10.2%, за ней Intel - 8,8%, Texsa Instruments - 4,1%, Linaro - 4,1%, SuSE - 3,5%, IBM - 3,1%. Заметно выросла доля Intel. Директор отдела Intel Open Source Technology Center не раз заявлял, что ядро Linux имеет для компании очень важное, стратегическое значение. Как видим, поддержка ядра Linux выполняется многими компаниями.

Также интересным есть увеличение вклада компании Samsung от 2,9 до 3,9%. На фоне других компаний вклад Red Hat снижается, но совместное участие Red Hat и Intel держится достаточно стабильным на протяжении многих лет. Начиная от низкого уровня 18,1% в 2012 и до максимума - 20,9% в 2016.

На конференции LinuxCon в 2016 году генеральный директор Red Hat, Джим Уайтхерст, говорил о том, что на ряду с техническим вкладом в ядро, они строят новую бизнес модель. Возможно, увеличение доли Intel свидетельствует о том, что они пытаются повторить то, что уже было сделано в Red Hat. В плане патчей вклад различных компаний за 2016 год таков: Red Hat - 18,4%, The Linux Foundation - 13,5%, Intel - 12,1%, Linaro - 8,7%, Google - 5,3%, Samsung - 3,5%, SuSE - 2,9%, AMD - 2,1%.

То, что организация The Linux Foundation находится на втором месте не удивительно, поскольку здесь работает Грег Кроа-Хартман, который занимается поддержкой стабильной ветви ядра, подсистему тестирования, а также несколько других подсистем. Этот человек был ответственен за 13,992 из 14,180 правок от The Linux Foundation.

Кто управляет процессом?

Тем не менее вклады компаний и разработчиков ничего нам не говорят о том, как принимаются патчи в ядро и как идет разработка ядра Linux. Ядро Linux - это огромный проект, над которым работает большое количество разработчиков. Все это невозможно контролировать одному человеку. Сделаем небольшое описание ядра Linux.

Ядро имеет различные подсистемы, например, графическую, устройств USB, сетевую, планировщик и так далее. Поддержанием каждой из подсистем занимается отдельный человек - сопровождающий. Компании и разработчики отправляют свои патчи сопровождающим тех или иных подсистем.

Сопровождающие просматривают патчи, отправленные другими программистами, или компаниями и принимает их, или же возвращает на доработку. Так происходит с каждой подсистемой. После принятия патча, он добавляется в тестовую ветку ядра, где проходит тестирование, и уже тогда, если все хорошо идет дальше.

Для координации действий всех разработчиков используется рассылка Email. На первый взгляд, может показаться, что это устаревшая технология, но на самом деле это не так. Почта - это лучший способ управления таким большим проектом, как ядро. Она быстрее, чем любая из альтернатив, при количестве изменений от 8 в час от 4000 разработчиков и 400 компаний, нужно очень мощное решение.

Git мог бы давно заменить рассылку, он имеет несколько преимуществ, но он хорош для небольших проектов, что касается таких мощных проектов, как ядро, то возможностей и масштабируемости недостаточно.

Выводы

В этой статье мы сделали описание процесса разработки ядра linux, кто основные разработчики ядра, и как они это делают. Надеюсь, информация была полезной для вас.

Видео "Как разрабатывается Linux" от The Linux Foundation:

Linux — это семейство операционных систем (ОС), работающих на основе одноименного ядра. Нет одной операционной системы Linux, как, например, Windows или MacOS. Есть множество дистрибутивов (набор файлов, необходимых для установки ПО), выполняющих конкретные задачи.

Кратчайшая история создания Linux

Линус Торвальдс — первый разработчик и создатель Linux. Именно в честь него и была названа ОС. В 1981 году Линус начал работу над собственной ОС семейства Unix. Через три года появилась первая версия, доступная для скачивания. Но тогда она имела очень низкий спрос — ей пользовались буквально несколько человек.

Только через 10 лет ОС Linux получила широкое распространение. Сообщество программистов подхватило идею свободного ПО, специалисты стали помогать развивать проект.

Про логотип

Логотип и талисман Linux — пингвин Tux с желтыми лапами и клювом. В 1996 году разработчики ядра Linux решили выбрать талисман. Торвальдс обмолвился о том, что ему очень нравятся пингвины. Поэтому на логотипе ОС изображен пингвин.

Где нужен Linux?

Веб-серверы

Дистрибутивы Linux практически полностью захватили рынок веб-серверов. Согласно рейтингу аналитического агентства W3Techs, на Linux-серверах развернуты 75,1% сайтов.

Мобильные устройства

ОС Android работает на ядре Linux, поэтому она используется и в мобильных устройствах.

Суперкомпьютеры

Это специализированные вычислительные машины, превосходящие по своим техническим параметрам и скорости вычислений многие обычные компьютеры.

Они уникальны, для многих из них требуется особая ОС, способная решать конкретные задачи. Благодаря открытому исходному коду разработчики могут видоизменять ОС так, чтобы она работала и на таких машинах.

Игровые консоли

Linux занял свою нишу и в игровых консолях, но ориентированных на эту ОС игр пока не так много. Компания Steam работает над исправлением ситуации — разрабатывает операционную систему SteamOS. Она будет поставляться вместе с игровой консолью Steam Machine.

Устройства IoT и умная техника

Многие из них созданы на основе Linux. Так, компания Samsung разработала операционную систему Tize, LG — WebOS, а Panasonic и Philips используют FirefoxOS.

Авиация и транспорт

Во встроенных компьютерах Tesla и машинах с автопилотами Google используется операционная система Linux. ПО для отслеживания трафика в США аналогично разработано на этой ОС, а администрация авиации Америки перешла на нее еще в 2006 году.

Какие компоненты у дистрибутива Linux?

Начинающий программист должен знать структуру Linux, чтобы понимать, как она устроена и каким образом функционирует.

Что это такое, как работает и зачем нужно? Это так называемая главная программа, основная часть ОС. Ядро выступает в качестве посредника между устройствами ПК (видеокартой, процессором, оперативной памятью и пр.) и его ПО. Для этого в коде есть драйверы устройств. Они загружаются в память или подключаются по мере необходимости ресурса определенного устройства. Ядра управляют устройствами, процессами и памятью, обрабатывают системные вызовы.

На компьютере могут быть запущены сразу несколько программ. Первые работают в фоновом режиме, вторые ожидают определенных действий от пользователя, третьи получают информацию из других запущенных программ. Именно ядро распределяет ресурсы компьютера между всеми программами и организует параллельную работу множества разных процессов.

Какие есть виды ядер? Всего выделяют 3 типа: микроядра, монолитные и гибридные.

Микроядро (microkernel)

Состоит из нескольких независимых модулей, которые подгружаются в память по мере надобности.

Плюсы:

теоретически высокая степень надежности (по сравнению с другими архитектурами);

низкое потребление памяти;

легкое подключение дополнительных частей ядра (модульность).

Минусы:

низкая скорость из-за постоянного переключения между отдельными частями;

доступность аппаратных средств только через драйверы.

Монолитное ядро (monolithic)

Противоположность микроядра. В памяти ПК всегда размещен весь (либо практически весь) код ядра. Поэтому скорость его работы выше в сравнении с микроядром.

Плюсы:

прямой доступ к аппаратным средствам;

простой обмен данными между процессами;

более высокая скорость реакции процессов.

Минусы:

меньшая степень безопасности (по сравнению с микроядром);

занимает много оперативной памяти.

Гибридное ядро (hybrid)

Комбинация элементов двух ранее описанных архитектур. Для ускорения работы запускает модули операционной системы в пространстве ядра.

Плюсы:

возможность выбора того, что будет функционировать в пространстве ядра и пользователя;

меньший физический размер (в сравнении монолитным ядром);

большая степень гибкости.

Минусы:

более медленная работа;

выпуск драйверов устройств только производителями.

Начните свой путь в IT

Попробуйте себя в программировании, аналитике данных, Data Science и других востребованных специальностях — получите все курсы для входа в IT по цене одного.

Скидка 45% по промокоду BLOG.

Ядро Linux — монолитное, при этом оно заимствует некоторые идеи из микроядерной архитектуры. Это означает, что вся ОС функционирует в пространстве ядра, а драйвера устройств могут легко загружаться (или выгружаться) непосредственно при работе операционной системы.

Железо — аппаратное обеспечение ПК с его периферийными устройствами.

Ядро — основной компонент ОС, взаимодействует с аппаратным обеспечением, выступает посредником между низкоуровневым железом и компонентами верхнего уровня.

Оболочка — интерфейс для взаимодействия между ядром ОС и пользователями, абстрагирует внутреннее устройство системы, получает команды от пользователей, запускает необходимые функции.

Утилиты — служебные программы, дающие пользователю большую часть функциональных возможностей System OS Linux. Виды утилит: sed, cat, date, vi и прочие.

Компиляторы — технические средства, преобразующие программный код в машинный.

Системные утилиты

Утилиты — вспомогательные компьютерные программы в составе общего ПО. Они нужны для выполнения типовых задач, связанных с работой оборудования и ОС. У Linux есть набор простых утилит. Они позволяют, например, редактировать данные, изменять расположение файлов.

Системные библиотеки

Системные библиотеки — это специальные программы, дающие доступ к функциям ядра. Для выполнения какой-либо задачи ядро вначале получает системный вызов, исходящий от приложений. Но у каждого ядра свой набор системных вызовов, и они должны понимать формат выполнения задачи. Поэтому программисты разработали стандартную библиотеку процедур, описывающую набор системных вызовов для конкретной ОС.

Утилиты разработки ПО

При помощи трех вышеперечисленных компонентов операционная система сможет запускаться и функционировать. Но для обновления и создания новых программ нужно иметь дополнительные библиотеки и инструменты — toolchain. Этот набор программ, инструментов и утилит поможет создавать рабочее приложение из исходных кодов.

Пользовательские программы

Они не считаются обязательными компонентами ОС. Нередко их пишут сами пользователи. Программы помогают задать конкретную работу. К таким утилитам относятся браузеры, офисные пакеты, инструменты графического дизайна, плееры и пр.

Плюсы Linux

Минусы Linux

Сложности с освоением ОС. Интерфейс большей части версий Linux значительно отличается от привычных Windows и MacOS.

Консоль и терминал. Консоль позволяет управлять операционной системой через ввод текста. Там же высвечиваются ответы ОС. Терминал — это современный аналог консоли, он отображается в виде окна на фоне рабочего стола.

Требование прав доступа к файлам для работы части программ. Для пользователя это значит, что придется вводить пароль по несколько раз в сутки.

Малое количество совместимых игр и программ (по сравнению с Windows). Сегодня это одна из основных причин, почему пользователи не переходят на Linux.

Поддержка и помощь

Существуют разные онлайн-форумы и чат-каналы, которые можно использовать для получения помощи. Эти каналы варьируются в зависимости от дистрибутива, который используется.

Станьте универсальным специалистом по администрированию Linux с нуля и разверните собственный кластер. Дополнительная скидка 5% по промокоду BLOG.

Что такое ядро ОС? Типы ядер

Как правило, большинство ядер ОС делятся на три типа:

Микроядро

Микроядро — это ядро, состоящее из нескольких подгружаемых в память по мере надобности независимых модулей, выполняющихся в отдельных адресных пространствах. По сути, в таком варианте исполнения оно не сильно отличается от обычных прикладных программ. К достоинствам данного ядра можно отнести теоретически большую надежность в сравнении с другими архитектурами (в действительности же не всё так радужно и гладко) и его модульность (легкость в подключении дополнительных частей ядра). К минусам микроядерной архитектуры относится то, что ядро, построенное по такой схеме, получается очень медленным (ведь ему нужно постоянно переключаться между отдельными частями).

небольшие требования к используемой памяти;

аппаратное обеспечение сильнее абстрагировано от системы;

аппаратное обеспечение может медленнее реагировать, поскольку драйверы находятся в пользовательском пространстве;

процессы не могут получить доступ к другим процессам без ожидания.

Монолитное ядро

Монолитное ядро — это полная противоположность микроядра, т.к. в памяти компьютера всегда находится весь (или почти весь) код ядра, вследствие чего скорость его работы выше в сравнении с микроядром. Монолитные ядра, как правило, лучше справляются с операциями доступа к оборудованию и многозадачностью, потому что, если программе нужно получить информацию из памяти или другого запущенного процесса, у нее есть прямая линия для доступа к ней, и программе не нужно ждать в очереди, чтобы сделать что-то. Однако такой подход может вызвать серьезные проблемы, потому что, чем больше процессов выполняется на уровне ядра, тем больше вероятность, что в случае непредвиденного поведения они создадут общий сбой вашей системы.

практически прямой доступ программ к оборудованию;

процессам проще взаимодействовать друг с другом;

если ваше устройство поддерживается ядром, никаких дополнительных установок ПО не потребуется;

процессы реагируют быстрее, потому что не требуется ожидания в очереди за процессорным временем.

большой размер ядра;

больший размер занимаемой памяти;

проблемы с безопасностью, т.к. все части работают в пространстве ядра.

Гибридное ядро

Гибридное ядро — это ядро, сочетающее в себе элементы как монолитной, так и микроядерной архитектур. У таких ядер есть возможность выбирать, какие части будут работать в пользовательском пространстве (например, драйверы устройств и система ввода-вывода файловой системы), а какие — в пространстве ядра (вызовы межпроцессного (IPC) и серверного взаимодействий). Но этот подход имеет и некоторые проблемы, унаследованные от микроядерной архитектуры (особенно, по части быстродействия).

разработчик может выбрать, какие программы будут работать в пользовательском пространстве, а какие — в пространстве ядра;

меньший размер в сравнении с монолитным ядром;

гибче в отличие от других ядер.

может страдать от пониженной производительности (как и микроядро);

работа драйверов устройств, как правило, сильнее зависит от производителей оборудования.

Ядро Linux хоть и относится к монолитным ядрам, но оно также заимствует и некоторые идеи из микроядерной архитектуры, что означает, что вся операционная система работает в пространстве ядра, а драйверы устройств (в виде модулей) могут быть легко загружены (или выгружены) прямо во время работы операционной системы.

Где находится ядро Linux?

Каждый раз во время запуска (или перезапуска) системы первым компонентом, который загружается в память компьютера, является ядро Linux.

В системах Debian/Ubuntu файлы присутствующих в системе ядер расположены в каталоге /boot и именуются в виде vmlinuz-[версия_ядра] (выполнив в терминале команду uname-r , мы получим информацию о текущей версии установленного ядра):

В папке /boot вы также найдете и другие очень важные файлы:

img-[версия_ядра] — используется в качестве RAM-диска, в который распаковывается и с которого загружается ядро;

map-[версия_ядра] — используется для управления памятью до полной загрузки ядра;

config-[версия_ядра] — сообщает ядру, какие параметры и модули следует загрузить в образ ядра при его компиляции.

Примечание: Также для сжатия ядра часто применяются алгоритмы LZMA или bzip2, а сами ядра именуются zImage.

Модули ядра Linux

Модули обычно расширяют базовые возможности ядра, связанные с различной работой устройств, файловых систем и системных вызовов. Они, как правило, имеют расширение .ko и обычно хранятся в каталоге /lib/modules:

Версии ядра дистрибутивов Linux

Stable

Stable — это последняя доступная стабильная версия ядра Linux, предназначенная для широкого круга использования. По умолчанию, в большинстве дистрибутивов Linux применяется именно stable-версия ядра. Она регулярно обновляется, и к ней довольно часто выпускаются новые патчи.

Несмотря на то, что исправления безопасности внедряются в LTS-версию так же часто, как и в обычную, она, тем не менее, не дает 100% гарантии отсутствия каких-либо ошибок. Правда, шанс того, что с LTS-версией ядра Linux возникнут какие-то проблемы, немного меньше по сравнению с обычной версией ядра Linux, и поэтому многие предприятия отдают предпочтение именно LTS-релизам.

Примечание: По данным компании Canonical, примерно 95% всех установок Ubuntu являются LTS-релизами.

Hardened

Hardened — это усиленная различными обновлениями безопасности stable-версия ядра Linux. Она умеет блокировать потенциально опасные операции, обеспечивая тем самым эффективную защиту от эксплойтов, нацеленных на использование уязвимостей ядра. Данная версия ядра не так популярна, как другие, из-за того, что несколько медленнее их. Hardened-ядро убивает любой процесс, который покажется ему потенциально опасным. Кроме этого, он не отображает PID процессов, и, следовательно, вы не сможете напрямую обратиться к запущенному исполняемому файлу. Также некоторые программы и функции могут не работать с hardened-ядром.

Zen — версия ядра Linux, ориентированная на повышение производительности и отзывчивости системы. Также говорят, что это лучшее ядро Linux для игр. Zen имеет низкую задержку и высокочастотный планировщик.

Установка/Обновление ядра Linux

Соответственно, из этого можно сделать следующие выводы:

Если вам нужно ядро Linux с правками под какой-то конкретный дистрибутив (например, Debian или Manjaro), то вам нужно скачать ядро из репозитория конкретного дистрибутива с помощью менеджера пакетов.

Есть 2 способа установки/обновления ядра Linux:

Обновление ядра Linux через менеджер пакетов.

На этом уроке мы рассмотрим обновление ядра Linux через менеджер пакетов, а на следующем — самостоятельную установку и конфигурирование ядра Linux.

Обновление ядра Linux через менеджер пакетов

Обычно, вместе с обновлением системы происходит и обновление ядра. Но если вы по каким-либо причинам хотите произвести установку/обновление непосредственно только ядра Linux, то ниже мы рассмотрим данный процесс для нескольких дистрибутивов Linux.

Linux Mint (Debian/Ubuntu)

Для начала сверим текущую установленную версию ядра:

Далее выполним поиск доступных для установки ядер (сгенерированный список может быть очень длинным, поэтому, чтобы хоть как-то ограничить вывод и сделать его постраничным, применим фильтр | more ):

$ sudo apt-cache search linux-image | more

Мой выбор пал на ядро linux-image-4.15.0-1004-oem. Чтобы его установить, нужно выполнить команду:

$ sudo apt-get install linux-image-4.15.0-1004-oem

Останется только перезагрузить систему и убедиться, что новое ядро успешно установилось:

Manjaro (Arch Linux)

В Manjaro используется свой менеджер пакетов — pacman, поэтому его команды будут немного отличаться от команд в других дистрибутивах. Чтобы вывести список доступных для установки ядер, необходимо выполнить:

$ sudo pacman –S linux

В рамке обведен список ядер, которые мы можем установить. Я выбрал пункт №5 (linux510), нажав соответствующую кнопку на цифровой клавиатуре. После этого запустился процесс скачивания необходимых пакетов. Когда всё будет готово, перезагружаем систему и радуемся новому ядру:

Установка ядра Zen (Liquorix)

Liquorix — это отдельный проект ядра, собранный из исходников zen-ядра, но с использованием лучшей конфигурации для повышения производительности системы.