Важно. Эта статья написана не для опытных пользователей, которые и так в курсе как все работает, а для тех кто только начинает разбираться в принципах работы операционных систем. Хотя в общем и целом все описанное ниже верно, все же возможны упрощения для простоты понимания.
Уважаемый читатель, чтобы хорошо усвоить данный материал (если ты ставишь перед собой такую цель) пожалуйста просмотри, чтобы быстренько вспомнить, другие статьи из этой серии, а именно: абстракции и интерфейсы и система изнутри часть 1. Если же вы впервые на данном канале, то прежде чем прочитать данную статью, мы настоятельно рекомендуем прочесть те две, названия которых указанны выше.
Итак как вы уже знаете компьютер это аппарано-программный комплекс. К программному комплексу относится набор программ.
Очень кратенько напомним, что программа это специально оформленный текст, так называемый исходный код, по стандарту определённого языка программирования. В свою очередь он делится на функции, небольшая часть текста исходного кода, которое задает определённое действие, и модули, набор функций логически связанных друг с другом. Подробнее читайте на нашем канале в статье языки программирования.
Что такое ядро операционной системы? Назначение и виды ядер
Ядро операционной системы это ее основа, которая состоит из очень маленьких, но очень важных программ. В чем же их важность?
А вот в чем. Эти программы являются стражами и защитниками критически важных ресурсов системы. Что это за ресурсы? А вот они:
Давайте теперь каждый из этих ресурсов коротко рассмотрим и определим в чем заключается критическая важность каждого из них.
Процессорное время это время необходимое процессору для обработки запросов от программ, а также время, которое может уделить процессор одной, конкретной программе, в зависимости от ее важности.
Почему это важный ресурс? Представьте, что все программы будут делать запросы к процессору и ни одна из них не будет закрываться, что тогда произойдёт? Если нам будут поручать задания больше чем мы можем выполнить, что случится с нами? Мы не будем с ними со всеми справляться, а значит выполняя задания полученные первыми, мы будем пренебрегать другими наиболее важными.
. Также и с процессором, выполняя запросы от программ по порядку, он может пренебречь более важными программами, том числе и программами входящих в операционную систему. А если программы от операционной системы не будут успевать обрабатываться, что тогда случится? Тогда операционная система перестанет отвечать, или другими словами она зависнет. Поэтому процессорное время это критически важный ресурс.
В другом случае одна программа из-за некачественного кода может отнимать слишком много времени у процессора на обработку своих данных, настолько много, что другие программы просто не смогут обрабатываться, в том числе программы от операционной системы. И это тоже приведёт к зависанию и сбою операционной системы. Это еще одна причина почему процессорное время это критически важный ресурс. Такой метод атаки в своё время был очень популярен у хакеров, цель которых было порушить работу операционной системы. Сейчас же более выгодным стало с их точки зрения похищение и продажа персональных данных пользователей, а также похищение финансовой информации: логинов и паролей от онлайн банков.
Semantic Core — What Is It? What for? Program!
В данном случае мы поговорим об оперативном запоминающем устройстве ( далее ОЗУ ), оно же «оперативка», оно же RAM.
Что это и для чего оно нужно? Во-первых, это более быстрая чем постоянно запоминающее устройство ( или ПЗУ, а также ROM, к нему относятся жесткие диски, флешки и тому подобное ) и поэтому более дорогая память в производстве. Во-вторых, так уж сложилось, что эта память энергозависима. То есть при отключении питания все данные оттуда пропадают.
Почему ОЗУ критически важный ресурс? Дело в том, что так как ОЗУ более быстрая память, то она работает с уже запущенными программами, чтобы увеличить скорость их отклика. Но если внутри нее будет запущено программ больше чем она сможет обработать, то и как в случае с процессором, программы ОС перестанут обрабатываться и тогда система зависнет. Но даже если этого не произойдёт, то в любом случае отклик пользовательских программ существенно сократится и они будут работать оооооочень медленно.
. И это еще не все. Так как программы выполняются в ОЗУ, то туда переносятся и данные этих программ, в том числе, те которые важны для их выполнения. И если бы не было защитных механизмов защищающих данные одной программы от данных других, то программы могли повредить друг другу (или одна программа могла получить доступ к другим )! К счастью такие механизмы существуют и реализованы они в ядре ОС.
Что это? Если сказать просто, это внешнее устройства с помощью, которых человек дает команды и получает видимый результат. К этому относится манипулятор «мышь», клавиатура.
Почему это критически важный ресурс? Ну тут в общем-то все очевидно. Если кто-то чужой захватит устройство ввода, то именно он будет отдавать команды вашему компьютеру. А если захватить устройство выводы, то будет видеть, то же что и вы глядя на свой монитор. Думается понятно к чему может привести захват устройства ввода-вывода вместе.
Защита устройств ввода-вывода также реализована на уровне ядра. Но как показывает практика она не достаточна. Поэтому все же на сегодняшний день без качественных дополнительных мер защиты не обойтись.
На сегодня это все. Следующая статья из этой серии будет посвящена графическому интерфейсу и драйверам.
Источник: dzen.ru
Что такое ядро Linux
Ядро Linux за авторством Линуса Торвальдса недавно отметило юбилей, вот уже три десятилетия оно используется в компьютерах по всему миру. Благодаря тому, что оно перенесено на множество платформ, его можно встретить практически везде, в персональных компьютерах, смартфонах, носимой электронике, бытовой технике и сетевых устройствах.
Так что же делает ядро Linux и почему оно так востребовано? Мы рассмторим архитектуру ядра, его основные задачи и интерфейсы. Это поможет понять его преимущества и недостатки.
Что такое ядро Linux
1. На чём написано ядро
Несмотря на то, что ассемблерный код позволяет достичь наилучшей производительности, его возможности весьма ограничены, поэтому большая часть кода написана на языке C, его доля достигает 98%. На ассемблере написаны только небольшие вставки, повышающие производительность, архитектурно-зависимые функции и загрузчик.
2. Архитектура ядра
Уровень доступа к ресурсам компьютера зависит от того, какое ядро использует операционная система. Привилегии ядра выше остальных приложений, а работает оно в едином адресном пространстве. В зависимости от того, сколько задач выполняется на уровне ядра, различают несколько типов ядер. Самые популярные – это монолитное (Linux), микроядро (macOS) и гибридное (Windows).
Ядро Linux монолитное, большая его часть хранится в одном файле. Однако, это не признак монолитного ядра, модули вполне могут храниться отдельно. Основная его особенность заключается в том, что оно обрабатывает все процессы, кроме пользовательских приложений. То есть управление процессами и памятью, драйверы, виртуальная файловая система, сетевой стек и многое другое – это всё заботы ядра, которые к тому же имеют самый высокий уровень доступа к аппаратной части компьютера.
Однако, это не означает то, что пользовательские приложения не могут выполнять схожие функции. Например, система инициализации Systemd помимо прочего выстраивает иерархию процессов поверх групп ядра cgroups, а демоны, вроде PulseAudio, контролируют работу устройств, расширяя функциональность драйверов.
Также стоит понимать, что ядро хоть и монолитное, но состоит из внутренних модулей, которые загружаются только по необходимости, а не все сразу. Некоторые модули хранятся отдельно от ядра, в основном это дополнительные драйверы устройств.
Интерфейсы, имена переменных и структура каталогов системы определяются стандартами POSIX, что делает Linux UNIX-подобной системой. Линус Торвальдс, создатель ядра, выбрал UNIX по той причине, что имелась база приложений, необходимых для функционирования операционной системы, утилиты GNU. Однако, он не разделяет идеи философии UNIX, одна программа – одно действие, текстовый вывод информации как универсальный интерфейс. По его мнению они не отражают запросы современных пользователей.
3. Что делает ядро
Как было сказано ранее, у монолитного ядра самый широкий спектр задач. На верхнем уровне ядро обрабатывает поступающие системные вызовы, которые являются интерфейсом между ядром и пользовательскими приложениями. На нижнем уровне ядро обрабатывает аппаратные прерывания, сигналы, поступающие от периферии, процессора, памяти и так далее.
На обработке прерываний задачи ядра не заканчиваются, оно содержит в себе драйверы устройств. Драйверы нужны для того, чтобы обработать поступающие с устройств сигналы, а команды приложений перевести в машинный код.
Драйверы занимают большую часть ядра. Некоторые из них представлены сразу в виде бинарных файлов, что противоречит идеям фонда СПО. Версия ядра без закрытых драйверов называется Linux-libre, на практике его использование крайне затруднительно, так как собрать компьютер на основе комплектующих только с открытыми драйверами у вас едва ли получится.
Остальные задачи ядра – это работа с абстракциями. Например, планировщик создаёт виртуальные потоки, менеджер памяти выделяет и изолирует часть оперативной памяти под процесс, виртуальная файловая система создаёт единое пространство для хранения файлов, а сетевой модуль создаёт сокеты. Это одно из условий обеспечения высокого уровня безопасности, иначе одна программа могла бы беспрепятственно взять конфиденциальные данные из другой, например, ключи шифрования.
Система межпроцессного взаимодействия следит за тем, чтобы не возникало конфликтов при обращении к одним и тем же ресурсам компьютера, а также обеспечивает обмен данными между процессами.
Со стороны пользовательских приложений всё это выглядит как настоящее оборудование, с той лишь разницей, что общение с процессором и памятью происходит не напрямую, а с помощью системных вызовов. Для периферийных устройств имеются символьные и блочные ссылки в каталоге /dev, последние отличает то, что ни работают с блоками фиксированного размера.
Несмотря на то, что ядро контролирует все процессы, само по себе оно ничего не делает, ему нужны пользовательские программы и их процессы. Среди базовых приложений стоит отметить утилиты проекта GNU, без них не обходится ни один дистрибутив Linux. Например, командная оболочка Bash позволит вам вводить команды в консоли.
4. Версии ядра
Запись версии ядра можно представить в виде: A.B.C-D.
- A – это версия ядра, изначально планировалось повышать номер только после значительной переработки ядра, но сейчас это делают после достаточного количества правок и нововведений примерно два раза за десятилетие.
- B – это ревизия ядра, обновление происходит каждые 2-3 месяца. Некоторые из них получают долгосрочную поддержку (LTS – long term support). Последним таким ядром стало 5.10. Каждая ревизия имеет большой список изменений, которые сначала проверяют тестировщики.
- C и D отвечают за небольшие правки в коде ядра. С увеличивается в том случае, если были обновлены драйверы устройств, а D – когда вышел очередной патч безопасности. Эти номера могут меняться практически каждый день.
Узнать версию ядра можно с помощью команды:
5. Где хранятся файлы ядра
Файлы ядра хранятся в каталоге /boot. Непосредственно само ядро находится в запакованном виде в файле vmlinuz, где z как раз и указывает на то, что ядро сжато для экономии места. Файл initrd.img – это первичная файловая система, которая монтируется перед тем, как подключить реальные накопители к виртуальной файловой системе VFS. Там же содержатся дополнительные модули ядра, поэтому этот файл может быть больше самого ядра. В файле system.map можно найти адреса функций и процедур ядра, что будет полезно при отладке.
Выводы
Подведём итоги. Теперь вы знаете что такое ядро Linux. Ядро — это самая привилегированная программа на компьютере. Если говорить конкретно о ядре Linux, то оно монолитное. Иными словами, в режиме ядра работает всё необходимое для управления ресурсами компьютера.
В пользовательском режиме также имеются программы для управления, но они лишь расширяют возможности ядра.
Соответствие стандартам POSIX позволило перенести ядро на множество платформ. Но следование философии UNIX во многих аспектах дистрибутивов Linux имеет как плюсы, так и минусы. Простые приложения с выводом в терминал хорошо подходят для серверов, но для домашнего использования такой подход едва ли может привлечь широкие массы.
К примеру, Android использует ядро Linux, но не утилиты GNU и в целом не пытается стать похожим на UNIX, что во многом обеспечило его популярность. Так что ядро – это лишь инструмент, а цели могут быть любыми, от запуска терминала и до создания суперкомпьютеров.
Обнаружили ошибку в тексте? Сообщите мне об этом. Выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter.
Источник: losst.pro
Ядро Linux. Объясняем простыми словами
Существует огромное количество дистрибутивов Linux, но де-факто, у них есть только одна общая черта: ядро Linux. И хотя об этом часто говорят, многие люди на самом деле не знают точно, что оно делает.
Давайте посмотрим, что на самом деле делает ядро Linux и зачем оно нужно, используя как можно меньше отвратительных терминов.
Что такое ядро?
Каждая операционная система использует ядро. Без ядра, у вас не может быть операционной системы, которая действительно работает. Windows, Mac OS X и Linux имеют ядра, и все они разные. Это ядро также выполняет основную работу операционной системы. Помимо ядра, есть много приложений, связанных с ядром, чтобы сделать весь пакет чем-то полезным — об этом чуть позже.
Задача ядра — общаться с аппаратным и программным обеспечением и максимально эффективно управлять ресурсами системы. Оно взаимодействует с оборудованием через драйверы, которые включены в ядро (или дополнительно установлены позже в виде модуля ядра). Таким образом, когда приложение хочет что-то сделать (скажем, изменить настройку громкости динамиков), оно может просто отправить этот запрос ядру, и ядро может использовать драйвер для динамиков, чтобы фактически изменить громкость.
Ядро активно участвует в управлении ресурсами. Необходимо убедиться, что для запуска приложения достаточно памяти, а также разместить приложение в нужном месте в памяти. Ядро пытается оптимизировать использование процессора, чтобы он мог выполнять задачи как можно быстрее. Оно также направлено на то, чтобы избежать взаимоблокировок, которые являются проблемами, которые полностью останавливают систему, когда одному приложению требуется ресурс, который использует другое приложение. Это довольно сложный «цирковой акт», чтобы координировать все эти вещи, но это нужно сделать, для этого и нужно ядро.
Что еще составляет операционную систему?
Как я упоминал ранее, операционные системы включают собственное ядро вместе с кучей других приложений. Только с ядром, практически невозможно что-либо сделать с операционной системой. Вам также понадобятся некоторые другие приложения, такие как оболочка. Оболочка отвечает за отображение приглашения, которое вы видите в терминалах или командных строках.
Оболочки — гораздо более простой способ запуска приложений, навигации по папкам и многого другого. Все те задачи, которые вы можете выполнять в оболочке, поддерживаются другими приложениями, которые также должны быть связаны. Например, приложение tar необходимо, если вы работаете с tarballs в оболочке.
Затем операционные системы, в частности дистрибутивы Linux, продолжают объединять больше приложений, таких как среда рабочего стола, веб-браузер, офисный пакет и другие приложения, с которыми вы часто взаимодействуете напрямую. Итак, как вы можете видеть, ядро - это очень маленькая часть операционной системы, но, пожалуй, самая важная.
- Что такое ядро в Linux и как проверить его версию?
- Линус Торвальдс — Разум, создавший Linux
- Ответы на наиболее часто задаваемые вопросы о Linux
История Linux
Как долго существует ядро Linux? Впервые оно было создано финским студентом по имени Линус Торвальдс в 1991 году. Он отправил электронное письмо в список рассылки со словами: «Привет всем, кто использует Minix! Я делаю (бесплатную) операционную систему для клонов AT на базе процессоров 386 (486). Это просто хобби, а не что-то большое и профессиональное вроде GNU».
За более чем два десятилетия, операционная система для хобби, превратилась в основную часть программного обеспечения, которое теперь используется для миллионов устройств по всему миру.
В течение этого времени, Линус решил лицензировать ядро, используя лицензию GPL, что означало, ядро имеет открытый исходный код. Люди могут свободно просматривать код, изменять его в соответствии со своими потребностями, а затем распространять его среди других (по той же лицензии).
Теперь вы знаете о ядре Linux
Итак, теперь, когда кто-нибудь спросит вас, что такое ядро Linux, вы сможете рассказать им об этом! Если у вас есть другие вопросы о ядре Linux, задайте их в комментариях, а я постараюсь на них ответить.
Источник: komyounity.com