Задачи, выполняемые ядром
Кроме всего прочего, в круг задач, выполняемых ядром, входят следующие.
• Диспетчеризация процессов. У компьютера имеется один или несколько центральных процессоров (CPU), выполняющих инструкции программ. Как и другие UNIX-системы, Linux является многозадачной операционной системой с вытеснением. Многозадачность означает, что несколько процессов (например, запущенные программы) могут одновременно находиться в памяти и каждая может получить в свое распоряжение центральный процессор (процессоры). Вытеснение означает, что правила, определяющие, какие именно процессы получают в свое распоряжение центральный процессор (ЦП) и на какой срок, устанавливает имеющийся в ядре диспетчер процессов (а не сами процессы).
Управление памятью. По меркам конца прошлого века объем памяти современного компьютера огромен, но и объем программ также соответственно увеличился. При этом физическая (оперативная) память осталась в разряде ограниченных ресурсов, которые ядро должно распределять между процессами справедливым и эффективным образом. Как и в большинстве современных операционных систем, в Linux используется управление виртуальной памятью (см. раздел 6.4) — технология, дающая два основных преимущества.
• Процессы изолированы друг от друга и от ядра, поэтому один процесс не может читать или изменять содержимое памяти другого процесса или ядра.
• В памяти требуется хранить только часть процесса, снижая таким образом объем памяти, требуемый каждому процессу и позволяя одновременно содержать в оперативной памяти большее количество процессов. Вследствие этого повышается эффективность использования центрального процессора, так как в результате увеличивается вероятность того, что в любой момент времени есть по крайней мере один процесс, который может быть выполнен центральным процессором (процессорами).
Предоставление файловой системы. Ядро предоставляет файловую систему на диске, позволяя создавать, cчитывать обновлять, удалять файлы, выполнять их выборку и производить с ними другие действия.
Создание и завершение процессов. Ядро может загрузить новую программу в память, предоставить ей ресурсы (например, центральный процессор, память и доступ к файлам), необходимые для работы. Такой экземпляр запущенной программы называется процессом. Как только выполнение процесса завершится, ядро обеспечивает высвобождение используемых им ресурсов для дальнейшего применения другими программами.
Доступ к устройствам. Устройства (мыши, мониторы, клавиатуры, дисковые и ленточные накопители и т. д.), подключенные к компьютеру, позволяют обмениваться информацией между компьютером и внешним миром — осуществлять ввод/вывод данных. Ядро предоставляет программы с интерфейсом, упрощающим доступ к устройствам. Этот доступ происходит в рамках определенного стандарта. Одновременно с этим ядро распределяет доступ к каждому устройству со стороны нескольких процессов.
Работа в сети. Ядро от имени пользовательских процессов отправляет и принимает сетевые сообщения (пакеты). Эта задача включает в себя маршрутизацию сетевых пакетов в направлении целевой операционной системы.
• Предоставление интерфейса прикладного программирования (API) системных вызовов. Процессы могут запрашивать у ядра выполнение различных задач с использованием точек входа в ядро, известных как системные вызовы. API системных вызовов Linux — главная тема данной книги. Этапы выполнения процессом системного вызова подробно описаны в разделе 3.1.
Кроме перечисленных выше свойств, такая многопользовательская операционная система, как Linux, обычно предоставляет пользователям абстракцию виртуального персонального компьютера. Иначе говоря, каждый пользователь может зайти в систему и работать в ней практически независимо от других. Например, у каждого пользователя имеется собственное дисковое пространство (домашний каталог). Кроме этого, пользователи могут запускать программы, каждая из которых получает свою долю времени центрального процессора и работает со своим виртуальным адресным пространством. Эти программы, в свою очередь, могут независимо друг от друга получать доступ к устройствам и передавать информацию по сети. Ядро занимается разрешением потенциальных конфликтов при доступе к ресурсам оборудования, поэтому пользователи и процессы обычно даже ничего о них не знают.