Обзор ядра Linux и его архитектура

Обзор ядра Linux и его архитектура

Введение

Ядро Linux представляет собой сердце операционной системы, выполняющее роль посредника между аппаратным обеспечением компьютера и пользовательскими приложениями. Это сложная система, состоящая из миллионов строк кода (около 38 миллионов на текущий момент), которая обеспечивает базовые функции операционной системы.

Структура каталогов ядра Linux

При клонировании репозитория ядра Linux можно увидеть логично организованную структуру каталогов, где каждый имеет свое четкое назначение:

Основные каталоги

• arch - архитектурно-специфичный код для различных платформ (x86, ARM, MIPS и др.)
• block - подсистема блочных устройств ввода-вывода
• drivers - драйверы устройств (самый большой каталог)
• fs - файловые системы и виртуальная файловая система (VFS)
• kernel - основные компоненты ядра
• mm - подсистема управления памятью
• net - сетевая подсистема

Дополнительные важные каталоги

• crypto - криптографические алгоритмы и API
• Documentation - документация по ядру
• include - заголовочные файлы
• init - код загрузки и инициализации ядра
• io_uring - подсистема асинхронного ввода-вывода (высокопроизводительная, но с потенциальными уязвимостями)
• ipc - межпроцессное взаимодействие
• lib - библиотеки ядра
• rust - экспериментальная поддержка языка Rust
• security - механизмы безопасности (SELinux, AppArmor, YAMA)
• scripts - скрипты конфигурации и сборки
• tools - утилиты для разработки

Архитектура ядра Linux

Монолитная архитектура

Linux использует монолитную архитектуру, что означает:

Преимущества:

• Все компоненты находятся в едином адресном пространстве
• Высокая производительность за счет быстрого взаимодействия между подсистемами
• Эффективность - нет накладных расходов на межпроцессное взаимодействие

Недостатки:

• Сложность разработки и отладки
• Высокая взаимозависимость модулей
• Большой размер (38 млн строк кода)
• Уязвимость в одном компоненте может компрометировать всю систему

Загружаемые модули

Несмотря на монолитность, Linux поддерживает динамическую загрузку модулей:

• module_init() - инициализация модуля
• module_exit() - выгрузка модуля
• Поддержка KUnit для модульного тестирования

Процесс загрузки ядра Linux

1. Предварительная загрузка (BIOS/UEFI)

• BIOS выполняет POST (Power-On Self Test)
• Читает загрузочный сектор (первые 512 байт)
• Загружает загрузчик (обычно GRUB 2)

2. Загрузка ядра

• Выбор ядра из меню GRUB
• Распаковка сжатого образа ядра
• Перемещение в верхнюю часть адресного пространства

3. Инициализация ядра

Процесс инициализации начинается с функции start_kernel(), которая выполняет множество критически важных операций:

Ключевые этапы инициализации:

1. Базовая настройкаset_task_stack_end_magic() - защита от переполнения стека
   smp_setup_processor_id() - настройка идентификаторов CPU
   local_irq_disable() - отключение прерываний
   
2. Инициализация подсистемboot_cpu_init() - инициализация загрузочного CPU
   page_address_init() - настройка адресации страниц
   setup_arch() - архитектурно-зависимая настройка (KASLR, KASAN)
   
3. Управление памятьюbuild_all_zonelists() - создание списков зон памяти
   mm_init() - инициализация подсистемы управления памятью
   Настройка механизмов виртуальной памяти
   
4. Планировщик и процессыsched_init() - инициализация планировщика
   Создание процесса init (PID=1)
   Создание потока kthreadd для управления ядерными потоками
   
5. Системные сервисыinit_IRQ() - настройка прерываний
   vfs_caches_init() - инициализация VFS
   Запуск системных служб
   

4. Функция setup_arch()

Эта функция выполняет критически важные архитектурно-зависимые настройки:

• Инициализация KASLR (рандомизация адресного пространства ядра)
• Настройка KASAN (kernel address sanitizer)
• Обработка командной строки ядра
• Инициализация областей CPU

5. Создание процессов init и kthreadd

В функции rest_init() происходит:

• Создание процесса init с PID=1 через user_mode_thread()
• Создание потока kthreadd через kernel_thread()
• Использование RCU для безопасной синхронизации
• Запуск планировщика через schedule_preempt_disabled()

Основные функции ядра

1. Управление процессами

• Создание: fork(), clone()
• Завершение: exit()
• Ожидание: wait()
• Замена: exec()

2. Планирование процессов

• Completely Fair Scheduler (CFS) или планировщик на основе дедлайнов
• Вытесняющая многозадачность
• Учет приоритетов и состояний процессов

3. Управление памятью

Аллокаторы:

• Buddy allocator - для больших блоков
• Slab/SLUB allocator - для объектов фиксированного размера
• kmalloc()/kfree() - общие функции выделения
• vmalloc() - виртуальная память

Виртуальная память:

• Изоляция адресных пространств
• Механизм подкачки (paging)
• Поддержка больших объемов памяти

4. Управление устройствами

• Драйверы как загружаемые модули
• Динамическая загрузка/выгрузка
• Поддержка огромного количества устройств

5. Файловые системы

• VFS как уровень абстракции
• Поддержка множества файловых систем
• Единая иерархия файлов

6. Сетевые функции

• Полноценный TCP/IP стек
• Поддержка различных протоколов
• Сетевые интерфейсы и маршрутизация

7. Обработка прерываний и сигналов

• Аппаратные прерывания от устройств
• Сигналы для межпроцессного взаимодействия (SIGINT, SIGTERM, SIGKILL)
• Сохранение и восстановление контекста

8. Системные вызовы

Интерфейс между пользовательским пространством и ядром:

• open(), read(), write() - работа с файлами
• fork(), exec(), exit() - управление процессами
• socket() - сетевое взаимодействие

Системы инициализации

SystemD

• Модульная архитектура
• Параллельная загрузка сервисов
• Легкая настройка пользовательских сервисов
• Мониторинг жизненного цикла

Альтернативы

• OpenRC (Gentoo)
• SysV init - традиционная система
• Различные подходы к управлению сервисами

Заключение

Ядро Linux представляет собой сложную монолитную систему, выполняющую огромный объем работы для обеспечения функционирования современного компьютера. От момента включения питания до появления приглашения командной строки ядро проходит через множество этапов инициализации, настраивая аппаратное обеспечение, подсистемы безопасности и все необходимые компоненты для работы операционной системы.

Понимание архитектуры и процесса загрузки ядра Linux критически важно для системных администраторов, разработчиков и всех, кто хочет глубже понять, как работает одна из самых популярных операционных систем в мире.

Более подробно разбираем на наших курсах Разработка модулей ядра Linux (Linux Kernel developer) и Разработка на C под Linux