• ядро должно располагать собственной областью памяти, к которой не могут получить доступ пользовательские процессы;
• каждому пользовательскому процессу необходима своя область памяти;
• какой-либо пользовательский процесс не должен иметь доступ к области памяти, предназначенной для другого процесса;
• пользовательские процессы могут совместно использовать память;
• некоторые участки памяти для пользовательских процессов могут быть предназначены только для чтения;
• система может применять больше памяти, чем ее есть в наличии, задействовав в качестве вспомогательного устройства дисковое пространство.
У ядра есть помощник. Современные процессоры содержат модуль управления памятью (MMU), который активизирует схему доступа к памяти под названием «виртуальная память». При использовании виртуальной памяти процесс не обращается к памяти напрямую по ее физическому расположению в аппаратных средствах. Вместо этого ядро настраивает каждый процесс таким образом, словно в его распоряжении находится вся машина. Когда процесс получает доступ к памяти, модуль MMU перехватывает такой запрос и применяет карту адресов памяти, чтобы перевести местоположение памяти, полученное от процесса, в физическое положение памяти на компьютере. Однако ядро все же должно инициализировать, постоянно поддерживать и изменять эту карту адресов. Например, во время переключения контекста ядро должно изменить карту после отработавшего процесса и подготовить его для наступающего.
Примечание
Реализация карты адресов памяти называется таблицей страниц.
О том, как отслеживать производительность памяти, вы узнаете из главы 8.
1.3.3. Драйверы устройств и управление ими
Задача ядра по отношению к устройствам довольно проста. Как правило, устройства доступны только в режиме ядра, поскольку некорректный доступ (например, когда пользовательский процесс пытается выключить питание) может вызвать отказ в работе компьютера. Еще одна проблема заключается в том, что различные устройства редко обладают одинаковым программным интерфейсом, даже если они выполняют одинаковую задачу: например, две различные сетевые карты. По этой причине драйверы устройств традиционно являются частью ядра и стремятся предоставить унифицированный интерфейс для пользовательских процессов, чтобы облегчить труд разработчиков программного обеспечения.
1.3.4. Системные вызовы и поддержка
Существуют и другие типы функций ядра, доступные для пользовательских процессов. Например, системные вызовы выполняют специальные задачи, которые пользовательский процесс не может выполнить хорошо в одиночку или вообще не может справиться с ними. Так, все действия, связанные с открытием, чтением и записью файлов, вовлекают системные вызовы.
Два системных вызова — fork() и exec() — важны для понимания того, как происходит запуск процессов:
• fork(). Когда процесс осуществляет вызов fork(), ядро создает практически идентичную копию данного процесса;
• exec(). Когда процесс осуществляет вызов exec(program), ядро запускает программу program, которая замещает текущий процесс.
За исключением процесса init (глава 6), все пользовательские процессы в системе Linux начинаются как результат вызова fork(), и в большинстве случаев осуществляется вызов exec(), чтобы запустить новую программу, а не копию существующего процесса. Простым примером является любая программа, которую вы запускаете из командной строки, например команда ls, показывающая содержимое каталога. Когда вы вводите команду ls в окне терминала, запущенная внутри окна терминала оболочка осуществляет вызов fork(), чтобы создать копию оболочки, а затем эта новая копия оболочки выполняет вызов exec(ls), чтобы запустить команду ls. На рис. 1.2 показана последовательность процессов и системных вызовов для запуска таких программ, как ls.
Рис. 1.2. Запуск нового процесса
ПРИМЕЧАНИЕ
Системные вызовы обычно обозначаются с помощью круглых скобок. В примере, показанном на рис. 1.2, процесс, который запрашивает ядро о создании другого процесса, должен осуществить системный вызов fork(). Такое обозначение происходит от способа написания вызовов в языке программирования C. Чтобы понять эту книгу, вам не обязательно знать язык C. Помните лишь о том, что системный вызов — это взаимодействие между процессом и ядром. Более того, в этой книге упрощены некоторые группы системных вызовов. Например, вызов exec() обозначает целое семейство системных вызовов, выполняющих сходную задачу, но отличающихся программной реализацией.
Ядро также поддерживает пользовательские процессы, функции которых отличаются от традиционных системных вызовов. Самыми известными из них являются псевдоустройства. С точки зрения пользовательских процессов, псевдоустройства выглядят как обычные устройства, но реализованы они исключительно программным образом. По сути, формально они не должны находиться в ядре, но они все же присутствуют в нем из практических соображений. Например, устройство, которое генерирует случайные числа (/dev/random), было бы сложно реализовать с необходимой степенью безопасности с помощью пользовательского процесса.
примечание
Технически пользовательский процесс, который получает доступ к псевдоустройству, все же вынужден осуществлять системный вызов для открытия этого устройства. Таким образом, процессы не могут полностью обойтись без системных вызовов.
1.4. Пространство пользователя
Область оперативной памяти, которую ядро отводит для пользовательских процессов, называется пространством пользователя. Поскольку процесс является лишь состоянием (или образом) в памяти, пространство пользователя обращается также к памяти за всей совокупностью запущенных процессов. Вам также может встретиться термин «участок пользователя» (userland), который применяется вместо пространства пользователя.
Большинство реальных действий системы Linux происходит в пространстве пользователя. Несмотря на то что все процессы с точки зрения ядра являются одинаковыми, они выполняют различные задачи для пользователей. Системные компоненты, которые представляют пользовательские процессы, организованы в виде элементарной структуры — сервисного уровня (или слоя). На рис. 1.3 показан примерный набор компонентов, связанных между собой и взаимодействующих с системой Linux. Простые службы расположены на нижнем уровне (ближе всего к ядру), сервисные программы находятся в середине, а приложения, с которыми работает пользователь, расположены вверху. Рисунок 1.3 является крайне упрощенной схемой, поскольку показаны только шесть компонентов, но вы можете заметить, что верхние компоненты находятся ближе всего к пользователю (пользовательский интерфейс и браузер); компоненты среднего уровня располагают почтовым сервером, который использует браузер; в нижней части присутствует несколько малых компонентов.
Нижний уровень состоит, как правило, из малых компонентов, выполняющих простые задачи. Средний уровень содержит более крупные компоненты, такие как почтовая служба, сервер печати и база данных. Компоненты верхнего уровня выполняют сложные задачи, которые зачастую непосредственно контролирует пользователь. Если один компонент желает воспользоваться другим, то этот второй компонент находится либо на том же сервисном уровне, либо ниже.