Внутреннее устройство Linux
Шрифт:
Каждый отрезок времени — квант времени — предоставляет процессу достаточно времени для выполнения существенных вычислений (и, конечно же, процесс часто завершает свою текущую задачу в течение одного кванта). Поскольку кванты времени настолько малы, человек их не воспринимает и ему кажется, что в системе одновременно выполняется несколько процессов (такая возможность известна под названием «многозадачность»).
Ядро отвечает за переключение контекста. Чтобы понять, как это работает, представим ситуацию, в которой процесс запущен в режиме пользователя, но его квант времени заканчивается. Вот что при этом происходит.
1.
2. Ядро записывает текущее состояние процессора и памяти, которые будут необходимы для возобновления только что прерванного процесса.
3. Ядро выполняет любые задачи, которые могли появиться в течение предыдущего кванта времени (например, сбор данных или операции ввода/вывода).
4. Теперь ядро готово к запуску другого процесса. Оно анализирует список процессов, готовых к запуску, и выбирает какой-либо из них.
5. Ядро готовит память для нового процесса, а затем подготавливает процессор.
6. Ядро сообщает процессору, сколько будет длиться квант времени для нового процесса.
7. Ядро переводит процессор в режим пользователя и передает процессору управление.
Переключение контекста дает ответ на важный вопрос: когда работает ядро? Ответ следующий: ядро работает между отведенными для процессов квантами времени, когда происходит переключение контекста.
В системе с несколькими процессорами дело обстоит немного сложнее, поскольку ядру нет необходимости прекращать управление текущим процессором, чтобы позволить запуск какого-либо процесса на другом процессоре. И тем не менее, чтобы извлечь максимальную пользу из всех доступных процессоров, ядро все же так поступает (и может применить определенные хитрости, чтобы получить дополнительное процессорное время).
1.3.2. Управление памятью
Поскольку ядро должно управлять памятью во время переключения контекста, оно наделено этой сложной функцией. Работа ядра сложна, поскольку необходимо учитывать следующие условия:
• 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
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.