мета-данные страницы
  •  

Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

Ссылка на это сравнение

Предыдущая версия справа и слеваПредыдущая версия
Следующая версия		Предыдущая версия
notes:howlinuxworks:vol1 [2026/05/08 14:14] – ↷ Страница перемещена из notes:notes:howlinuxworks:vol1 в notes:howlinuxworks:vol1 radi0devnotes:howlinuxworks:vol1 [2026/05/12 17:17] (текущий) – radi0dev
Строка 1: Строка 1:
 ====== Глава 1: Общая картина ====== ====== Глава 1: Общая картина ======
 +
 +===== 1.1 Уровни абстракции =====
 +
 +linux можно поделить на 3 уровня обстракции: hardware -> kernel -> processes
 +  - hardware - железо, это память (RAM и ROM), это ЦП и перифирийные устройства.
 +  - kernel - процесс, лежащий в памяти. Посредник между пользовательскими процессами и железом.
 +  - processes - пользовательские процессы, которыми управляет ядро.
 +
 +**Kernel mode** - режим работы программы ядра, позволяющее ему привелегии в виде полного доступа к УП и ОЗУ. Область памяти, доступ к которой может получить только ядро, называется **пространством ядра** (**kernel space**).
 +
 +**User mode** - режим работы пользовательских процессов, не имеющих прямого доступа к оборудыванию. Пользовательский режим ограничен доступом к подмножеству памяти (обычно довольно небольшому) и безопасным операциям процессора. **Пользовательское пространство** - это части основной памяти, к которым могут получить доступ пользовательские процессы.
 +
 +
 +
 +===== 1.3 Ядро =====
 +
 +Ядро отвечает за управление задачами в четырех основных областях
 +системы:
 +  * Процессы. Ядро определяет, каким процессам разрешено использовать процессор.
 +  * Память. Ядро должно отслеживать распределение памяти: сколько в данный момент выделено конкретному процессу, сколько можно разделить между другими процессами и сколько свободно.
 +  * Драйверы устройств. Ядро действует как интерфейс между оборудованием (например, диском) и процессами. Обычно оно управляет подключенным оборудованием.
 +  * Системные вызовы и поддержка. Процессы обычно используют системные вызовы для связи с ядром.
 +
 +==== 1.3.1 Управление процессами ====
 +
 +**переключение контекста** - это акт передачи одним процессом управления процессором другому процессу.
 +
 +Ядро отвечает за переключение контекста.
 +++++как это работает|рассмотрим ситуацию, в которой процесс работает в пользовательском режиме, но его временной квант истек. Вот что происходит:
 +  - Процессор (фактическое оборудование) прерывает текущий процесс на основе внутреннего таймера, переключается в режим ядра и передает управление обратно ядру.
 +  - Ядро записывает текущее состояние процессора и памяти, что необходимо для возобновления только что прерванного процесса.
 +  - Ядро выполняет любые задачи, которые могли возникнуть в течение предыдущего временного кванта (например, сбор данных из ввода-вывода).
 +  - Теперь ядро готово к запуску другого процесса. Оно анализирует список процессов, готовых к запуску, и выбирает один из них.
 +  - Ядро подготавливает память для нового процесса, а затем готовит к нему процессор.
 +  - Ядро сообщает процессору длительность временного кванта для нового процесса.
 +  - Ядро переключает процессор в пользовательский режим и передает управление процессором процессу.
 +++++
 +
 +Переключение контекста позволяет понять, когда именно запускается ядро. Суть заключается в том, что ядро запускается между временными квантами процесса во время переключения контекста.
 +
 +==== 1.3.2 Управление памятью ====
 +
 +Ядро должно управлять памятью во время переключения контекста, а это довольно сложная задача. Должны выполняться следующие условия:
 +  * Ядро должно иметь в памяти выделенную область, к которой пользовательские процессы не могут получить доступ.
 +  * Каждому пользовательскому процессу необходима собственная область памяти.
 +  * Один пользовательский процесс не может получить доступ к области памяти, выделенной другому процессу.
 +  * Пользовательские процессы могут совместно работать с памятью.
 +  * Часть памяти пользовательских процессов может быть доступна только для чтения.
 +  * Система может использовать больше памяти, чем ее существует физически, задействуя дисковое пространство в качестве вспомогательного механизма.
 +
 +Современные процессоры включают в себя блок управления памятью (**memory management unit**, **MMU**), который обеспечивает схему доступа к памяти, называемую виртуальной памятью.
 +
 +++++как это работает?|
 +При использовании виртуальной памяти процесс не получает прямого доступа к памяти через ее физическое местоположение в компьютерной системе. Вместо этого ядро настраивает каждый процесс, чтобы он действовал так, будто ему доступна вся система. Когда процесс обращается к части своей памяти, MMU перехватывает обращение и с помощью таблицы соответствий преобразует адрес памяти с точки
 +зрения процесса в фактическое физическое местоположение памяти в системе. Ядро по-прежнему должно инициализировать, постоянно поддерживать и изменять таблицу соответствий адресов памяти. Например, во время переключения контекста ядро должно заменить таблицу соответствий исходного процесса на таблицу последующего процесса.
 +
 +Реализация таблицы соответствий адресов памяти называется **таблицей страниц**.
 +++++
 +
 +==== 1.3.3 Управления драйверами устройств ====
 +
 +Роль ядра в работе с устройствами относительно проста. Устройство обычно доступно только в режиме ядра, поскольку неправильный доступ (например, пользовательский процесс, запрашивающий отключение питания) может привести к сбою системы. Значительная проблема заключается в том, что различные устройства редко имеют один и тот же интерфейс программирования, даже если устройства выполняют одну и ту же задачу (например, две разные сетевые карты). Поэтому драйверы устройств традиционно являются частью ядра, и они стремятся представить единый интерфейс для пользовательских процессов, чтобы упростить работу разработчика программного обеспечения.
 +
 +==== 1.3.4 Системные вызовы и поддержка ====
 +
 +Существует несколько других функций ядра, доступных пользовательским процессам. К примеру, системные вызовы (system calls, syscalls) выполняют определенные задачи, которые сам по себе пользовательский процесс выполнить не может. Например, все действия по открытию, чтению и записи файлов связаны с системными вызовами.
 +
 +Ядро поддерживает пользовательские процессы с функциями, отличными от традиционных системных вызовов, наиболее распространенными из которых являются псевдоустройства. Они выглядят как устройства для пользовательских процессов, но реализуются исключительно в программном обеспечении. Это означает, что технически их не должно быть в ядре, но обычно они там присутствуют из практической необходимости. Например, устройство генератора случайных чисел ядра (/dev/random) было бы трудно безопасно реализовать с помощью пользовательского процесса. 
 +
 +P.S Технически пользовательский процесс, который обращается к псевдоустройству, должен задействовать системный вызов, чтобы открыть устройство, поэтому процессы не могут полностью избежать применения системных вызовов.
 +
 +===== 1.5. Пользователи =====
 +
 +Ядро Linux поддерживает традиционную концепцию пользователя Unix. Пользователь (user) — это сущность, которая может запускать процессы и владеть файлами.
 +
 +Ядро не управляет именами пользователей, оно лишь идентифицирует пользователей с помощью простых числовых идентификаторов пользователей (**user ID**, **UID**). 
 +
 +Пользователи существуют в основном для поддержки прав и границ в системе. Каждый процесс пользовательского пространства имеет владельца (**owner**) и, как говорят, выполняется от его имени. Пользователь может прекратить свои процессы или изменить их поведение (в определенных пределах), но не может вмешиваться в процессы других пользователей. Кроме того, пользователи могут владеть файлами
 +и выбирать, делиться ли ими с другими пользователями.
 +
 +Помимо пользователей, ассоциируемых с реальными людьми, есть и т.н. системные пользователи, например пользователи-программы или суперпользователь (**root**), имеющий полный доступ (root access) к системе. Такой пользователь традиционно считается администратором системы.
 +
 +