🔥 Энтузиаст изучил код ядра Linux и рассказал, как оно работает изнутри

Разработчик изучил код ядра Linux и рассказал, как оно управляет процессами, памятью и прерываниями. Разбор работы CFS, syscalls и синхронизации

Разработчик Лука Каваллин решил глубже разобраться в механизмах работы ядра Linux и поделился своими открытиями после изучения Linux Kernel Development Роберта Лава и анализа исходного кода.

Несмотря на то, что книга посвящена устаревшей версии Linux 2.6, многие концепции до сих пор актуальны.

Как устроена работа ядра Linux

По словам Каваллина, программирование в ядре Linux существенно отличается от работы в пользовательском пространстве.

Среди ключевых особенностей он выделил:

• Отсутствие стандартной библиотеки C – вместо нее используются встроенные аналоги из ядра.
• Жесткие ограничения на память – размер стека фиксирован (например, 8 КБ на 64-битных системах).
• Ошибки могут привести к сбоям в системе – некорректный доступ к памяти вызовет «oops», что потенциально может привести к краху всей ОС.

Каваллин также отметил, что в Linux потоки и процессы не являются разными сущностями. Они представляют собой один объект – task_struct, а функции clone(), fork(), pthread_create() просто создают его вариации.

Как ядро Linux выбирает, что запустить?

Одной из ключевых задач ядра является планирование процессов.

Разработчик с опытом объяснил, почему новички тонут в туториалах, а не в знанияхtproger.ru

В Linux этим занимается Completely Fair Scheduler (CFS), который распределяет процессорное время по принципу виртуального времени (vruntime).

• Процессы с высоким приоритетом получают больше времени на выполнение, так как их vruntime растет медленнее.
• Используется красно-черное дерево, где в первую очередь запускается процесс с наименьшим vruntime.
• Реальное время (RT) обрабатывается отдельно – процессы с приоритетом от 0 до 99 выполняются раньше обычных задач.

Системные вызовы и работа с ядром

Системные вызовы – это точка входа из пользовательского пространства в ядро.

Они обрабатываются через syscall, а ядро проверяет переданные параметры с помощью copy_from_user() и copy_to_user(), предотвращая утечки памяти и ошибки доступа.

Прерывания и работа с устройствами

Для обработки аппаратных событий Linux использует прерывания, которые делятся на два уровня:

1. Верхний уровень (ISR, Interrupt Service Routine) – выполняет только критически важные операции, так как в этот момент остальные прерывания отключены.
2. Нижний уровень (bottom half) – завершает обработку через tasklet, softirq или workqueue, снижая нагрузку на систему.

Каждое прерывание в Linux возвращает IRQ_HANDLED, если оно обработано, или IRQ_NONE, если источник сигнала не был обнаружен.

Синхронизация и защита от гонок данных

Каваллин подчеркнул, что работа ядра на многопоточных системах требует защиты от гонок данных. Для этого применяются:

• spinlock – блокировка без ожидания, используется в обработке прерываний.
• mutex и семафоры – механизмы ожидания освобождения ресурса.
• seqlock – механизм, позволяющий приоритетно обновлять данные.

Вывод

По мнению Каваллина, работа с ядром Linux требует учитывать множество низкоуровневых аспектов: ограничения по памяти, обработку прерываний, синхронизацию и особенности управления процессами.

Однако детальное изучение этих механизмов помогает лучше понять, как современные операционные системы управляют ресурсами и выполняют вычисления на уровне железа.