Потом пришел Линус: введение в Linux
Операционная система Linux была разработана Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds) в 1991 году как операционная система для компьютеров, работающих на новом в то время микропроцессоре Intel 80386. Тогда Линус Торвальдс был студентом университета в Хельсинки и был крайне возмущен отсутствием мощной и в то же время свободно доступной Unix-подобной операционной системы. Операционная система DOS, продукт корпорации Microsoft, была для Торвальдса полезна только лишь, чтобы поиграть в игрушку "Принц Персии", и не для чего больше. Линус пользовался операционной системой Minix, недорогой Unix-подобной операционной системой, которая была создана в качестве учебного пособия. В этой операционной системе ему не нравилось отсутствие возможности легко вносить и распространять изменения исходного кода (это запрещалось лицензией ОС Minix), а также технические решения, которые использовал автор ОС Minix.
Поставленный перед такой проблемой, Линус решил написать свою операционную систему. Начал он с написания простого эмулятора терминала, который он подключал к большим Unix-системам в университете. Его эмулятор терминала постепенно рос, развивался и улучшался. Постепенно у Линуса появилась еще не совсем зрелая, но полноценная Unix-система. В 1991 году он опубликовал в Интернет ее первую версию.
По некоторым неясным причинам, использование операционной системы Linux и количество ее пользователей начали стремительно расти. Более важным для успеха Linux стало то, что эта операционная система привлекла многих разработчиков, которые начали изменять, исправлять и улучшать код. Благодаря соответствующему лицензионному соглашению, ОС Linux быстро стала совместным проектом, который разрабатывается многими людьми.
Сейчас Linux — это развитая операционная система, работающая на аппаратных платформах AMD x86-64, ARM, Compaq Alpha, CRIS, DEC VAX, H8/300, Hitachi SuperH, HP PA-RISC, IBM S/390, Intel IA-64, MIPS, Motorola 68000, PowerPC, SPARC, UltraSPARC и v850. Она работает в различных системах, как размером с часы, так и на больших супер-компьютерных кластерах. Сегодня коммерческий интерес к операционной системе Linux достаточно высок. Как новые корпорации, ориентирующиеся исключительно на Linux (Monta Vista или Red Hat), так и старые (IBM, Novell) предлагают решения на основе этой ОС для встраиваемых систем, десктопов и серверов.
Операционная система Linux является клоном Unix, по ОС Linux— это не Unix. Хотя в ОС Linux позаимствовано много идей от Unix, в Linux реализован API ОС Unix (как это определено в стандарте POSIX и спецификации Single Unix Specification), все же система Linux не является производной от исходного кода Unix, как это имеет место для других Unix-систем, Там, где это желательно, были сделаны отклонения от пути, по которому шли другие разработчики, однако это не подрывает основные принципы построения операционной системы Unix и не нарушает программные интерфейсы.
Одна из наиболее интересных особенностей операционной системы Linux — то, что это не коммерческий продукт; наоборот, это совместный проект, который выполняется через всемирную сеть Интернет. Конечно, Линус остается создателем Linux и занимается поддержкой ядра, но работа продолжается группой мало связанных между собой разработчиков. Фактически кто угодно может внести свой вклад в операционную систему Linux. Ядро Linux, так же как и большая часть операционной системы, является свободно распространяемым программным обеспечением и имеет открытый исходный код[4].
В частности, ядро Linux выпускается под лицензией GNU General Public License (GPL) версии 2.0. В результате каждый имеет право загружать исходный код и вносить в него любые изменения. Единственная оговорка — любое распространение внесенных вами изменений должно производиться на тех же условиях, которыми пользовались вы при получении исходного кода, включая доступность самого исходного программного кода[5].
Операционная система Linux предоставляет много возможностей для многих людей. Основными частями системы являются ядро, библиотека функций языка С, компилятор, набор инструментов, основные системные утилиты, такие как программа для входа в систему (login) и обработчик команд пользователя (shell). В операционную систему Linux может быть включена современная реализация системы X Windows, включая полно-функциональную среду офисных приложений (desktop environment), такую как, например, GNOME. Для ОС Linux существуют тысячи свободных и коммерческих программ. В этой книге под понятием Linux, в основном, имеется в виду ядро Linux. Там, где это может привести к неопределенностям, будет указано, что имеется в виду под понятием Linux — вся система или только ядро. Строго говоря, термин Linux относится только к ядру.
Обзор операционных систем и ядер
Из-за неуклонного роста возможностей и не очень качественного построения некоторых современных операционных систем, понятие операционной системы стало несколько неопределенным. Многие пользователи считают, что то, что они видят на экране, — и есть операционная система. Обычно, и в этой книге тоже, под операционной системой понимается часть компьютерной системы, которая отвечает за основные функции использования и администрирования. Это включает в себя ядро и драйверы устройств, системный загрузчик (boot loader), командный процессор и другие интерфейсы пользователя, а также базовую файловую систему и системные утилиты. В общем, только необходимые компоненты. Термин система обозначает операционную систему и все пользовательские программы, которые работают под ее управлением.
Конечно, основной темой этой книги будет ядро операционной системы. Интерфейс пользователя — это внешняя часть операционной системы, а ядро — внутренняя. В своей основе ядро — это программное обеспечение, которое предоставляет базовые функции для всех остальных частей операционной системы, занимается управлением аппаратурой и распределяет системные ресурсы. Ядро часто называют основной частью (core) или контроллером операционной системы. Типичные компоненты ядра — обработчики прерываний, которые обслуживают запросы на прерывания, планировщик, который распределяет процессорное время между многими процессами, система управления памятью, которая управляет адресным пространством процессов, и системные службы, такие как сетевая подсистема и подсистема межпроцессного взаимодействия. В современных системах с устройствами управления защищенной памятью ядро обычно занимает привилегированное положение по отношению к пользовательским программам. Это включает доступ ко всем областям защищенной памяти и полный доступ к аппаратному обеспечению. Состояние системы, в котором находится ядро, и область памяти, в которой находится ядро, вместе называются пространством ядра (или режимом ядра, kernel-space). Соответственно, пользовательские программы выполняются в пространствах задач (пользовательский режим, режим задач, user-space). Пользовательским программам доступно лишь некоторое подмножество машинных ресурсов, они не могут выполнять некоторые системные функции, напрямую обращаться к аппаратуре и делать другие недозволенные вещи. При выполнении программного кода ядра система находится в пространстве (режиме) ядра, в отличие от нормального выполнения пользовательских программ, которое происходит в режиме задачи.
Прикладные программы, работающие в системе, взаимодействуют с ядром с помощью интерфейса системных вызовов (system call) (рис. 1.1). Прикладная программа обычно вызывает функции различных библиотек, например библиотеки функций языка С, которые, в свою очередь, обращаются к интерфейсу системных вызовов для того, чтобы отдать приказ ядру выполнить определенные действия от их имени. Некоторые библиотечные вызовы предоставляют функции, для которых отсутствует системный вызов, и поэтому обращение к ядру — это только один этап в более сложной функции. Давайте рассмотрим всем известную функцию printf(). Эта функции обеспечивает форматирование и буферизацию данных и лишь после этого один раз обращается к системному вызову write() для вывода данных на консоль. Некоторые библиотечные функции соответствуют функциям ядра один к одному. Например, библиотечная функция open() не делает ничего, кроме выполнения системного вызова open(). В то же время некоторые библиотечные функции, как, например, strcpy(), надо полагать, вообще не используют обращения к ядру. Когда прикладная программа выполняет системный вызов, то говорят, что ядро выполняет работу от имени прикладной программы. Более того, говорят, что прикладная программа выполняет системный вызов в пространстве ядра, а ядро выполняется в контексте процесса. Такой тип взаимодействия, когда прикладная программа входит в ядро через интерфейс системных вызовов, является фундаментальным способом выполнения задач.
4
Для тех, кому интересно, дискуссии по поводу отличия свободного кода от открытого доступна в Интернет по адресам http://www.fsf.org и http://www.opensource.org.
5
Вероятно, вам нужно прочесть лицензию GNU GPL, если вы еще не читали ее. В файле COPYING, в исходном коде ядра, есть копия этой лицензии. В Интернет лицензия доступна по адресу http://www.fsf.org.