Linux API. Исчерпывающее руководство

• В более узком смысле — для обозначения основных программных средств, управляющих ресурсами компьютера (например, центральным процессором, оперативной памятью и устройствами) и занимающихся их распределением.

В качестве синонима второго значения зачастую используется такое понятие, как «ядро». Именно в этом смысле операционная система и будет рассматриваться в данной книге.

Хотя запуск программ на компьютере возможен и без ядра, его наличие существенно упрощает написание других программ и работу с ними, а также повышает доступную программистам эффективность и гибкость. Ядро выполняет эту задачу, предоставляя слой программного обеспечения для управления ограниченными ресурсами компьютера.

Исполняемая программа ядра Linux обычно находится в каталоге с путевым именем /boot/vmlinuz или же в другом подобном ему каталоге. Происхождение этого имени имеет исторические корни. В ранних реализациях UNIX ядро называлось unix. В более поздних реализациях UNIX, работающих с виртуальной памятью, ядро было переименовано в vmunix. В Linux в имени файла отобразилось название системы, а вместо последней буквы x использована буква z. Это говорит о том, что ядро является сжатым исполняемым файлом.

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.