В книге детально рассмотрены основные подсистемы и функции ядер Linux серии 2.6, включая особенности построения, реализации и соответствующие программны интерфейсы. Рассмотренные вопросы включают: планирование выполнения процессов, управление временем и таймеры ядра, интерфейс системных вызовов, особенности адресации и управления памятью, страничный кэш, подсистему VFS, механизмы синхронизации, проблемы переносимости и особенности отладки. Автор книги является разработчиком основных подсистем ядра Linux. Ядро рассматривается как с теоретической, так и с прикладной точек зрения, что может привлечь читателей различными интересами и потребностями.
Книга может быть рекомендована как начинающим, так и опытным разработчикам программного обеспечения, а также в качестве дополнительных учебных материалов.
Предисловие
В связи с тем, что ядро и приложения операционной системы Linux используются все более широко, возрастает число разработчиков системного программного обеспечения, желающих заняться разработкой и поддержкой операционной системы Linux. Некоторые из этих инженеров руководствуются исключительно собственным интересом, некоторые работают в компаниях, которые занимаются операционной системой Linux, некоторые работают на производителей компьютерных аппаратных средств, некоторые заняты в проектах по разработке программного обеспечения на дому.
Однако все они сталкиваются с общей проблемой: кривая затрат на изучение ядра становится все длиннее и круче. Система становится все более сложной и, кроме того, очень большой по объему. Годы проходят, и нынешние члены команды разработчиков ядра приобретают все более широкие и глубокие знания, что увеличивает разрыв между ними и разработчиками-новичками.
Я уверен, что понимание основного кода ядра Linux уже сейчас является проблемой, приводящей к ухудшению качества ядра, и в будущем эта проблема станет еще более серьезной. Все, кому нравится операционная система Linux, несомненно, заинтересованы в увеличении числа разработчиков, которые смогут внести свой вклад в развитие ядра этой операционной системы.
Один из возможных подходов к решению данной проблемы — ясность исходного кода: удобные интерфейсы, четкая структура, следование принципу "Делать мало, но делать хорошо" и т.д. Такое решение предложено Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds).
Подход, который предлагаю я, состоит в использовании большего числа комментариев внутри исходного кода, что поможет читателю понять, чего хотел достичь программист. (Процесс выявления расхождений между целью и реализацией известен как
отладка
. Этот процесс значительно затрудняется, если не известно, чего хотели достичь.)
Введение
Когда я сделал первую попытку превратить свой опыт работы с ядром Linux в текст книги, понял, что не знаю, как двигаться дальше. Не хотелось просто писать еще одну книгу о ядре операционной системы. Конечно, на эту тему
не так уж и много
книг, но все же я хотел сделать что-то такое, благодаря чему моя книга была бы особенной. Как достичь этой цели? Я не могу успокоиться, пока не сделаю что- нибудь особенное, лучшее в своем роде.
Наконец я решил, что смогу предложить достаточно уникальный подход к данной теме. Моя работа — изучение и разработка ядра операционной системы. Мое увлечение — изучение и разработка ядра операционной системы. Моя любовь — ядро операционной системы. Конечно, за многие годы я успел собрать много интересных анекдотов и полезных советов. С моим опытом я смог бы написать книгу о том, как нужно разрабатывать программный код ядра и как этого делать
не нужно
. Прежде всего, эта книга об устройстве и практической реализации ядра операционной системы Linux. В ней информация представлена так, чтобы получить достаточно знаний для решения реальных практических задач и чтобы эти задачи решать правильно. Я человек прагматичный, и книга имеет практический уклон. Она должна быть полезной, интересной и легко читаться.
Я надеюсь, что читатели, после прочтения этой книги, получат хорошее понимание тек правил (писанных и неписаных), которые действуют в ядре операционной системы. Я также надеюсь, что читатели сразу после прочтения этой книги смогут начать действовать и писать полезный, правильный и хороший код ядра. Конечно, эту книгу можно читать и просто ради интереса.
Это то, что касалось еще первого издания книги. Однако время идет и снова приходится возвращаться к рассмотренным вопросам. В этом издании представлено несколько больше информации по сравнению с первым: материал серьезно пересмотрен и доработан, появились новые разделы и главы. С момента выхода первого издания в ядро были внесены изменения. Однако, что более важно, сообщество разработчиков ядра Linux приняло решение
Как бы там ни было, книга написана, и я надеюсь, что она вам понравится.
Итак…
Разработка программного кода ядра операционной системы не требует наличия гениальной, волшебной или густой бороды Unix-хакера. Хотя ядро операционной системы и имеет некоторые свои особенности, оно незначительно отличается от любого большого программного продукта. Так же как и в случае любой сложной программы, здесь есть, что изучать, но в программировании ядра не намного больше священных или непонятных вещей, чем в создании любой другой программы.
Очень важно, чтобы вы читали программный код. Доступность открытого исходного кода операционной системы Linux — это подарок, который встречается очень редко. Однако недостаточно
только
читать исходный код. Необходимо взяться за дело серьезно и изменять этот программный код. Находите ошибки и исправляйте их! Улучшайте драйверы для своего аппаратного обеспечения! Находите слабые места и закрывайте их! У вас все получится, если вы будете сами писать программный код.
Версия ядра
Эта книга посвящена ядрам Linux серии 2.6 и базируется на версии ядра 2.6.10. Ядро — это "движущийся объект", и никакая книга не в состоянии передать динамику во все моменты времени. Тем не менее базовые внутренние структуры ядра уже сформировались, и основные усилия по представлению материала были направлены на то, чтобы этот материал можно было использовать и в будущем.
Читательская аудитория
Эта книга предназначена для разработчиков программного обеспечения, которые заинтересованы в понимании ядра операционной системы Linux. Тем не менее это не построчные комментарии исходного кода ядра. Это также не руководство по разработке драйверов и не справочник по программному интерфейсу (API) ядра (кстати, формализованного API ядра Linux никогда не было). Целью книги является предоставление достаточной информации об устройстве и реализации ядра для того, чтобы подготовленный программист смог начать разработку программного кода. Разработка ядра может быть увлекательным и полезным занятием, и я хочу ознакомить читателя с этой сферой деятельности по возможности быстро. В книге обсуждаются как вопросы теории, так и практические приложения, она обращена к людям, которые интересуются и тем, и другим. Я всегда придерживался мнения, что для понимания практических приложений необходима теория, тем не менее я считаю, что эта книга не сильно углубляется в оба этих направления. Я надеюсь, что, независимо от мотиваций необходимости понимания ядра операционной системы Linux, эта книга сможет объяснить особенности устройства и реализации в достаточной степени.
Таким образом, данная книга освещает как использование основных подсистем ядра, так и особенности их устройства и реализации. Я думаю, что эти вопросы важны и достойны обсуждения. Хороший пример — глава 7, "Обработка нижних половин и отложенные действия", посвященная обработчикам нижних половин (bottom half).
В этой главе рассказывается о принципах работы и об особенностях реализации механизмов обработки нижних половин (эта часть может быть интересна разработчикам основных механизмов ядра), а также о том, как на практике использовать экспортируемый интерфейс ядра для реализации собственных обработчиков bottom half (это может быть интересно для разработчиков драйверов устройств). На самом деле мне кажется, что обе эти стороны обсуждения будут интересны для всех групп разработчиков. Разработчик основных механизмов ядра, который, конечно, должен понимать принципы работы внутренних частей ядра, должен также понимать и то, как интерфейсы ядра будут использоваться на практике. В то же самое время разработчик драйверов устройств получит большую пользу от хорошего понимания того, что стоит за этим интерфейсом.
Все это сродни изучению программного интерфейса некоторой библиотеки наряду с изучением того, как эта библиотека реализована. На первый взгляд, разработчик прикладных программ должен понимать лишь интерфейс (API). И действительно, интерфейсы часто предлагают рассматривать в виде черного ящика. Разработчик библиотеки, наоборот, обычно интересуется лишь принципом работы и реализации функций библиотеки. Я уверен, что обе группы разработчиков должны потратить некоторое время на изучение другой стороны предмета. Разработчик программ, который хорошо понимает операционную систему, сможет значительно лучше эту операционную систему использовать. Аналогично разработчик библиотеки должен иметь хотя бы малое представление о том, что происходит в реальной жизни, и, в частности, о тех программах, в которых будет использоваться его библиотека. Поэтому я старался коснуться как устройства, так и использования подсистем ядра не только в связи с тем, что эта книга может быть полезна для одной или другой группы разработчиков, а в надежде, что
Предполагается, что читатель знаком с языком программирования С и операционной системой Linux. Некоторые знания принципов построения операционных систем также желательны. Я старался объяснять все понятия, однако в случае проблем в списке литературы можно найти несколько отличных книг, которые посвящены основам построения операционных систем.
Интернет-ресурс
Автор поддерживает Интернет-сайт
http://tech9.net/rml/kernel_book/
, содержащий информацию о данной книге, включая ошибки, расширенные и исправленные разделы, а также информацию о будущих изданиях. Всем читателям рекомендуется посетить этот сайт.
