Linux API. Исчерпывающее руководство

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.

Режим ядра и пользовательский режим

Современные вычислительные архитектуры обычно позволяют центральному процессору работать как минимум в двух различных режимах: пользовательском и режиме ядра (который иногда называют защищенным). Аппаратные инструкции позволяют переключаться из одного режима в другой. Соответственно области виртуальной памяти могут быть помечены в качестве части пользовательского пространства или пространства ядра. При работе в пользовательском режиме ЦП может получать доступ только к той памяти, которая помечена в качестве памяти пользовательского пространства. Попытки обращения к памяти в пространстве ядра приводят к выдаче аппаратного исключения. При работе в режиме ядра центральный процессор может получать доступ как к пользовательскому пространству памяти, так и к пространству ядра.

Некоторые операции могут быть выполнены только при работе процессора в режиме ядра. Сюда можно отнести выполнение инструкции halt для остановки системы, обращение к оборудованию, занимающемуся управлением памятью, и инициирование операций ввода-вывода на устройствах. Используя эту конструктивную особенность оборудования для размещения операционной системы в пространстве ядра, разработчики ОС могут обеспечить невозможность доступа пользовательских процессов к инструкциям и структурам данных ядра или выполнения операций, которые могут отрицательно повлиять на работу системы.

Сравнение взглядов на систему со стороны процессов и со стороны ядра

Решая множество повседневных программных задач, мы привыкли думать о программировании, ориентируясь на процессы. Но, прежде чем рассматривать различные темы, освещаемые далее в этой книге, может быть полезно переориентировать свои взгляды на систему, став на сторону ядра. Чтобы контраст стал заметнее, рассмотрим, как все выглядит, сначала с точки зрения процесса, а затем с точки зрения ядра.

В работающей системе обычно выполняется множество процессов. Для процесса многое происходит асинхронно. Выполняемый процесс не знает, когда он будет приостановлен в следующий раз, для каких других процессов будет спланированно время центрального процессора (и в каком порядке) или когда в следующий раз это время будет спланировано для него. Передача сигналов и возникновение событий обмена данными между процессами осуществляются через ядро и могут произойти в любое время. Многое происходит незаметно для процесса. Он не знает, где находится в памяти, размещается ли конкретная часть его пространства памяти в самой оперативной памяти или же в области подкачки (в выделенной области дискового пространства, используемой для дополнения оперативной памяти компьютера). Точно так же процесс не знает, где на дисковом накопителе хранятся файлы, к которым он обращается, — он просто ссылается на файлы по имени. Процесс работает изолированно, он не может напрямую обмениваться данными с другим процессом. Он не может сам создать новый процесс или даже завершить свое собственное существование. И наконец, процесс не может напрямую обмениваться данными с устройствами ввода-вывода, подключенными к компьютеру.