Внутреннее устройство Linux
Шрифт:
Процессы — запущенные программы, которыми управляет ядро, — в совокупности составляют верхний уровень системы, именующийся пространством пользователя.
Примечание
Более точным термином, чем «процесс», является термин «пользовательский процесс», вне зависимости от того, взаимодействует ли пользователь с этим процессом напрямую. Например, все веб-серверы работают как пользовательские процессы.
Существует важное различие между тем, как запускаются процессы ядра и процессы пользователя: ядро запускается в режиме ядра, а пользовательские процессы — в режиме
В режиме пользователя, для сравнения, доступен лишь ограниченный (как правило, небольшой) объем памяти и разрешены лишь безопасные инструкции для процессора. Пространством пользователя называют участки оперативной памяти, которые могут быть доступны пользовательским процессам. Если какой-либо процесс завершается с ошибкой, ее последствия будут ограниченными и ядро сможет их очистить. Это означает, что, если, например, произойдет сбой в работе браузера, выполнение научных расчетов, которые вы запустили на несколько дней в фоновом режиме, не будет нарушено.
Рис. 1.1. Общая структура операционной системы Linux
Теоретически неконтролируемый пользовательский процесс не способен причинить существенный вред системе. В действительности же все зависит от того, что именно вы считаете «существенным вредом», а также от особых привилегий данного процесса, поскольку некоторым процессам разрешено делать больше, чем другим. Например, может ли пользовательский процесс полностью уничтожить данные на жестком диске? Если должным образом настроить разрешения, то сможет, и для вас это окажется крайне опасным. Для предотвращения этого существуют защитные меры, и большинству процессов просто не будет позволено сеять смуту подобным образом.
1.2. Аппаратные средства: оперативная память
Из всех аппаратных средств компьютера оперативная память является, пожалуй, наиболее важным. В своей самой «сырой» форме оперативная память — это всего лишь огромное хранилище для последовательности нулей и единиц. Каждый ноль или единица называется битом. Именно здесь располагаются запущенное ядро и процессы — они являются лишь большими наборами битов. Все входные и выходные данные от периферийных устройств проходят через оперативную память также в виде наборов битов. Центральный процессор просто оперирует с памятью: он считывает из нее инструкции и данные, а затем записывает данные обратно в память.
Вам часто будет встречаться термин «состояние», который будет относиться к памяти, процессам, ядру и другим частям компьютерной системы. Строго говоря, состояние — это какое-либо упорядоченное расположение битов. Например, если в памяти находятся четыре бита, то последовательности 0110, 0001 и 1011 представляют три различных состояния.
Если принять во внимание то, что процесс может с легкостью состоять из миллионов бит в памяти, зачастую проще использовать абстрактные термины, говоря о состояниях. Вместо описания состояния с применением битов вы говорите о том, что произошло или происходит в данный момент. Например, вы
ПРИМЕЧАНИЕ
Поскольку при описании состояния обычно используются абстрактные понятия, а не реальные биты, для обозначения какого-либо физического размещения битов применяется термин «образ».
1.3. Ядро
Практически все, что выполняет ядро, касается оперативной памяти. Одной из задач ядра является распределение памяти на несколько подразделов, после чего ядро должно постоянно содержать в порядке информацию о состоянии этих подразделов. Каждый процесс использует выделенную для него область памяти, и ядро должно гарантировать то, что процессы придерживаются своих областей.
Ядро отвечает за управление задачами в четырех основных областях системы.
• Процессы. Ядро отвечает за то, каким процессам разрешен доступ к центральному процессору.
• Память. Ядру необходимо отслеживать состояние всей памяти: какая часть в данный момент отведена под определенные процессы, что можно выделить для совместного использования процессами и какая часть свободна.
• Драйверы устройств. Ядро выступает в качестве интерфейса между аппаратными средствами (например, жестким диском) и процессами. Как правило, управление аппаратными средствами выполняется ядром.
• Системные вызовы и поддержка. Обычно процессы используют системные вызовы для взаимодействия с ядром.
Теперь мы вкратце рассмотрим каждую из этих областей.
ПРИМЕЧАНИЕ
Подробности о работе ядра вы можете узнать из книг Operating System Concepts («Основные принципы операционных систем»), 9-е издание, авторы: Авраам Зильбершатц (Abraham Silberschatz), Питер Б. Гелвин (Peter B. Galvin) и Грег Гэнн (Greg Gagne) (Wiley, 2012) и Modern Operating Systems («Современные операционные системы»), 4-е издание, авторы: Эндрю С. Таненбаум (Andrew S. Tanenbaum) и Герберт Бос (Herbert Bos) (Prentice Hall, 2014).
1.3.1. Управление процессами
Управление процессами описывает запуск, остановку, возобновление и прекращение работы процессов. Понятия, которые стоят за процессами запуска и прекращения процессов, достаточно просты. Немного сложнее описать то, каким образом процесс использует центральный процессор в нормальном режиме работы.
В любой современной операционной системе несколько процессов функционируют «одновременно». Например, в одно и то же время вы можете запустить на компьютере браузер и открыть электронную таблицу. Тем не менее на самом деле все обстоит не так, как выглядит: процессы, которые отвечают за эти приложения, как правило, не запускаются в точности в один момент времени.
Рассмотрим систему с одним центральным процессором. Его могут использовать несколько процессов, но в каждый конкретный момент времени только один процесс может в действительности применять процессор. На практике каждый процесс использует процессор в течение малой доли секунды, а затем приостанавливается; после этого другой процесс применяет процессор в течение малой доли секунды; далее наступает черед третьего процесса и т. д. Действие, при котором какой-либо процесс передает другому процессу управление процессором, называется переключением контекста.