Обзор ядра Linux и его архитектура

Глубокое погружение в сердце операционной системы

Введение

Интересный факт
Ядро Linux было создано Линусом Торвальдсом в 1991 году как хобби-проект. Сегодня это одна из самых успешных open-source систем в мире, работающая на миллиардах устройств - от смартфонов до суперкомпьютеров.

Структура каталогов ядра Linux

Основные каталоги

Примечание: Каталог io_uring содержит подсистему асинхронного ввода-вывода, которая обеспечивает высокую производительность, но имеет потенциальные уязвимости. Google отключает её по умолчанию из соображений безопасности.

Архитектура ядра Linux

Монолитная архитектура

Загружаемые модули

module_init() // инициализация модуля module_exit() // выгрузка модуля // Поддержка KUnit для модульного тестирования

Процесс загрузки ядра Linux

1️⃣ Предварительная загрузка (BIOS/UEFI):

• BIOS выполняет POST (Power-On Self Test)
• Читает загрузочный сектор (первые 512 байт)
• Загружает загрузчик (обычно GRUB 2)

2️⃣ Загрузка ядра

• BIOS выполняет POST (Power-On Self Test)
• Читает загрузочный сектор (первые 512 байт)
• Загружает загрузчик (обычно GRUB 2)

3️⃣ Инициализация ядра
Процесс начинается с функции start_kernel():

• set_task_stack_end_magic() - защита от переполнения стека
• smp_setup_processor_id() - настройка идентификаторов CPU
• local_irq_disable() - отключение прерываний
• setup_arch() - архитектурно-зависимая настройка
• mm_init() - инициализация управления памятью
• sched_init() - инициализация планировщика

4️⃣ Создание процессов init и kthreadd

• Создание процесса init с PID=1
• Создание потока kthreadd для управления ядерными потоками
• Запуск планировщика

5️⃣ Системные сервисы

• init_IRQ() - настройка прерываний
• vfs_caches_init() - инициализация VFS
• Запуск системных служб

{$te}

Функция setup_arch()
Эта функция выполняет критически важные архитектурно-зависимые настройки:

• Инициализация KASLR (рандомизация адресного пространства ядра)
• Настройка KASAN (kernel address sanitizer)
• Обработка командной строки ядра
• Инициализация областей CPU

Основные функции ядра

1. Управление процессами

• Создание: fork(), clone()
• Завершение: exit()
• Ожидание: wait()
• Замена: exec()

2. Планирование процессов

• Completely Fair Scheduler (CFS) или планировщик на основе дедлайнов
• Вытесняющая многозадачность
• Учет приоритетов и состояний процессов

3. Управление памятью
Аллокаторы:

• Buddy allocator - для больших блоков
• Slab/SLUB allocator - для объектов фиксированного размера
• kmalloc()/kfree() - общие функции выделения
• vmalloc() - виртуальная памят

4. Системные вызовы
Интерфейс между пользовательским пространством и ядром:

• open(), read(), write() - работа с файлами
• fork(), exec(), exit() - управление процессами
• socket() - сетевое взаимодействие

Системы инициализации

SystemD

Альтернативы

Заключение