Операционная система Linux

Linux — это современная UNIX-подобная операционная система для персональ­ных компьютеров и рабочих станций, удовлетворяющая стандарту POSIX.

Как известно, Linux — это свободно распространяемая версия UNIX-систем, кото­рая первоначально разрабатывалась Линусом Торвальдсом (torvalds@kruuna.hel-sinki.fi) в университете Хельсинки (Финляндия). Он предложил разрабатывать ее совместно и выдвинул условие, согласно которому исходные коды являются от­крытыми, любой может их использовать и изменять, но при этом обязан оставить открытым и свой код, внесенный в тот или иной модуль системы. Все компоненты системы, включая исходные тексты, распространяются с лицензией на свободное копирование и установку для неограниченного числа пользователей.

Таким образом, система Linux была создана с помощью многих программистов и эн­тузиастов UNIX-систем, общающихся между собой через Интернет. К данному проекту добровольно подключились те, кто имеет достаточно навыков и способ­ностей развивать систему. Большинство программ Linux разработаны в рамках проекта GNU из Free Software Foundation (Кембридж, штат Массачусетс). Но в него внесли свою лепту и многие программисты со всего мира.

Изначально система Linux создавалась как «самодельная» UNIX-подобная реали­зация для машин типа IBM PC с процессором i80386. Однако вскоре Linux стала настолько популярна и ее поддержало такое большое число компаний, что в насто­ящее время имеются реализации этой операционной системы практически для всех типов процессоров и компьютеров на их основе. На базе Linux создаются и встро­енные системы, и суперкомпьютеры. Система поддерживает кластеризацию и боль­шинство современных интерфейсов и технологий.

Большинство свойств Linux присущи другим реализациям UNIX, кроме того, име­ются некоторые уникальные свойства. Этот раздел представляет собой лишь крат­кий обзор этих свойств.

Linux — это полноценная многозадачная многопользовательская операционная система (точно так же, как и все другие версии UNIX). Это означает, что одновре­менно много пользователей могут работать на одной машине, параллельно выпол­няя множество программ. Поскольку при работе за персональным компьютером практически никто не подключает к нему дополнительные терминалы (хотя это в

Семейство операционных систем UNIX___________________________________ 337

принципе возможно), пользователь просто имитирует работу за несколькими тер­миналами. В этом смысле можно говорить о виртуальных терминалах. По умолча­нию пользователь регистрируется на первом терминале. При этом он получает примерно следующее сообщение:

Mandrake Linux release 9.0 (dolphin) for i586 Kernel 2.4.16-16mdk on an i686 /ttyl Vienna login:

Здесь во второй строке слово ttyl означает, что пользователь сейчас взаимодей­ствует с системой через первый виртуальный терминал. Собственно работа на нем возможна только после аутентификации — ввода своих учетного имени и пароля.

При желании открыть второй или последующий сеанс работы на соответствую­щем терминале, пользователь должен нажать комбинацию клавиш Alt+Fi, где i обозначает номер функциональной клавиши и одновременно номер соответству­ющего виртуального терминала. Всего Linux поддерживает до семи терминалов, причем седьмой терминал связан с графическим режимом работы и использова­нием одного из оконных менеджеров. Однако если пользователь работает в графи­ческом режиме, то для перехода в один из алфавитно-цифровых терминалов сле­дует воспользоваться комбинацией клавиш Ctrl+Alt+Fi. В каждом сеансе пользователь может запускать свои задачи.

Система Linux достаточно хорошо совместима с рядом стандартов для UNIX (на­сколько можно говорить о стандартизации UNIX) на уровне исходных текстов, включая IEEE POSIX.l, System V и BSD. Она и создавалась с расчетом на такую совместимость. Большинство свободно распространяемых через Интернет про­грамм для UNIX может быть откомпилировано для Linux практически без особых изменений¹. Кроме того, все исходные тексты для Linux, включая ядро, драйверы устройств, библиотеки, пользовательские программы и инструментальные сред­ства распространяются свободно. Другие специфические внутренние черты Linux включают контроль работ по стандарту POSIX (используемый оболочками, таки­ми как csh и bash), псевдотерминалы (pty), поддержку национальных и стандарт­ных раскладок клавиатур динамически загружаемыми драйверами клавиатур.

Linux поддерживает различные типы файловых систем для хранения данных. Не­которые файловые системы, такие как EXT2FS, были созданы специально для Linux. Поддерживаются также другие типы файловых систем, например Minix-1 и Xenix. Кроме того, реализована система управления файлами на основе FAT, по­зволяющая непосредственно обращаться к файлам, находящимся в разделах с этой файловой системой. Поддерживается также файловая система ISO 9660 CD-ROM для работы с дисками CD-ROM. Имеются системы управления файлами и на то­мах с HPFS и NTFS, правда, они работают только на чтение файлов. Созданы ва­рианты системы управления файлами и для доступа к FAT32; эта файловая систе­ма в операционной системе Linux называется VFAT.

' Справедливости ради следует заметить, что в последнее время в Linux наметились тенденции все большего отхода от принятых в семействе UNIX стандартов и увеличения количества различий в разных дистрибутивах Linux. Эти различия распространяются и на структуру каталогов файловой системы, что приводит к определенным проблемам при переносе прикладных программ из одной системы Linux В другую.

338________________ Глава 10. Краткий обзор современных операционных систем

Linux, как и все UNIX-системы, поддерживает полный набор протоколов стека TCP/IP для сетевой работы. Программное обеспечение для работы в Интернет/ интранет включает драйверы устройств для многих популярных сетевых адапте­ров технологии Ethernet, протоколы SLIP (Serial Line Internet Protocol), PLIP (Parallel Line Internet Protocol), PPP (Point-to-Point Protocol), NFS (Network File System) и пр. Поддерживается весь спектр клиентов и услуг TCP/IP, таких как FTP, telnet, NNTP и SMTP.

Ядро Linux сразу было создано с учетом возможностей защищенного режима 32-разрядных процессоров 80386 и 80486 фирмы Intel. В частности, в Linux использу­ется парадигма описания памяти в защищенном режиме и другие новые свойства процессоров с архитектурой ia32. Для защиты пользовательских программ друг от друга и операционной системы от них Linux работает исключительно в защищен­ном режиме¹, реализованном в процессорах фирмы Intel. В защищенном режиме только программный код, исполняющийся в нулевом кольце защиты, имеет не­посредственный доступ к аппаратным ресурсам компьютера — памяти и устрой­ствам ввода-вывода. Пользовательские и системные обрабатывающие программы работают в третьем кольце защиты. Они обращаются к аппаратным ресурсам ком­пьютера исключительно через системные подпрограммы, функционирующие в нулевом кольце защиты. Таким образом, пользовательским программам предо­ставляются только те услуги, которые реализованы разработчиками операцион­ной системы. При этом системные подпрограммы обеспечивают выполнение только тех функций, которые безопасны с точки зрения операционной системы.

Как и в классических UNIX-системах, Linux имеет макроядро, которое содержит уже известные нам три подсистемы. Ядро обеспечивает выделение каждому про­цессу отдельного адресного пространства, так что процесс не имеет возможности непосредственного доступа к данным других процессов и ядра операционной сис­темы. Тем более что сегмент кода, сегмент данных и стек ядра располагаются в нулевом кольце защиты. Для обращения к физическим устройствам компьютера ядро вызывает соответствующие драйверы, управляющие аппаратурой компьюте­ра. Поскольку драйверы функционируют в составе ядра, их код будет выполнять­ся в нулевом (привилегированном) кольце защиты, и они могут получить прямой доступ к аппаратным ресурсам компьютера.

В отличие от старых версий UNIX, в которых задачи выгружались во внешнюю память на магнитных дисках целиком, ядро Linux использует аппаратную поддерж­ку процессорами страничного механизма организации виртуальной памяти. Поэто­му в Linux замещаются отдельные страницы. То есть с диска в память загружаются те виртуальные страницы образа, которые сейчас реально требуются, а неиспользу­емые страницы выгружаются на диск в файл подкачки. Возможно разделение стра­ниц кода, то есть использование одной страницы, физически уже один раз загру­женной в память, несколькими процессами. Другими словами, реентерабельность кода, присущая всем UNIX-системам, осталась. В настоящее время имеются ядра для этой системы, оптимизированные для работы с процессорами Intel и AMD

¹ Напомним, что только в этом режиме процессоры с архитектурой ia32 используют 32-разрядную адресацию и имеют доступ ко всей оперативной памяти.

Семейство операционных систем UNIX___________________________________ 339

последнего поколения, хотя основные архитектурные особенности защищенного режима работы изменились мало. Уже разработаны ядра для работы с 64-разряд­ными процессорами от Intel и AMD.

Ядро также поддерживает универсальный пул памяти для пользовательских про­грамм и дискового кэша. При этом для кэширования может использоваться вся свободная память, и наоборот, требуемый объем памяти, отводимой для кэширо­вания файлов, уменьшается при работе больших программ. Этот механизм, назы­ваемый агрессивным кэшированием, позволяет более эффективно расходовать имеющуюся память и увеличить производительность системы.

Исполняемые программы задействуют динамически связываемые библиотеки (Dynamic Link Library, DLL), то есть эти программы могут совместно использо­вать библиотеку, представленную одним физическим файлом на диске. Это по­зволяет занимать меньше места на диске исполняемым файлам, особенно тем, ко­торые многократно вызывают библиотечные функции. Есть также статические связываемые библиотеки для тех, кто желает пользоваться отладкой на уровне объектных кодов или иметь «полные» исполняемые программы, не нуждающиеся в разделяемых библиотеках. В Linux разделяемые библиотеки динамически свя­зываются во время выполнения, позволяя программисту заменять библиотечные модули своими собственными.