Что такое ядро операционной системы?
Ядро представляет собой центральный компонент каждой операционной системы. Существуют две точки зрения: одна считает операционную систему только ядром, а другая включает также системные программы, что позволяют пользователю взаимодействовать с аппаратными ресурсами через ядро.
Итак, какое значение имеет ядро ОС и каковы его функции? Компьютер – это не только аппаратная часть, но и программное обеспечение, работающее на нем. Чтобы программы могли эффективно функционировать на оборудовании, необходима программа, которая упростит взаимодействие с железом и предоставит удобный интерфейс для пользователей и приложений.
Оборудование "разговаривает" с помощью сигналов и регистров, тогда как программы используют команды вроде "прочитать" или "записать". Программа, обеспечивающая такой удобный интерфейс, и есть ядро ОС. Создание виртуальной машины — лишь одна из его функций.
Представьте, если бы ядра не существовало, и каждая программа сама бы работала с аппаратной частью и обрабатывала её сигналы. Таким образом, одинаковый код пришлось бы включать в каждую программу. Компьютер взаимодействует с множеством программ одновременно. Как они будут координировать использование ресурсов общего оборудования?
Можно предположить, что программы стали бы выполняться по очереди, одна за одной. Однако многие из них требуют постоянной работы в фоновом режиме или быстрого реагирования на события. Задача распределения аппаратных ресурсов ложится на ядро, которое организует параллельную работу разных программ.
Ядро операционной системы — это программа, написанная на одном из языков программирования и скомпилированная в исполняемый файл. В отличие от многих программ, ядро загружается первым и постоянно остается в оперативной памяти, охватывая взаимодействие как с аппаратной частью, так и с системными и пользовательскими программами.
Код ядра обычно включает драйверы устройств, функции которых связаны с доступом к аппаратному обеспечению, например, к видеокарте. Однако драйвер загружается в память только при необходимости, что экономит ресурсы, но может снизить скорость.
Различают монолитные ядра и микроядра, а также промежуточные варианты. Монолитное ядро работает быстрее, так как в памяти хранится весь код. Микроядра меньшего размера сложнее и медленнее работают, но считаются более современными из-за легкости подключения новых функций. Микроядро организует взаимодействие между различными компонентами операционной системы, такими как драйверы, загруженные по требованию.
Ядра Unix-подобных систем
Ядро Unix стало первой реализацией новых концепций в области операционных систем, возникших в 60-70-х годах XX века.
Unix имеет простое монолитное ядро, где почти все объекты представлены как файлы. Настройки находятся в текстовых файлах, а аппаратура имеет файловый интерфейс. Будучи написана на языке C, Unix стала переносимой между аппаратными платформами. Впервые были применены такие функции, как многозадачность, многопоточность и виртуальная память.
В 80-х Unix-системы начали активно развиваться и видоизменяться. Для обеспечения совместимости были разработаны специальные стандарты POSIX, которые гарантируют, что программы для одной Unix-системы будут функционировать на другой.
Особенности ядра Linux
Пользователи обычно работают с различными дистрибутивами Linux, отличающимися компонентами ядра, такими как драйверы. Тем не менее, в основе всех дистрибутивов лежит ядро Linux, исходные коды которого доступны благодаря проекту Linux Kernel. Это международный проект, в который может внести вклад каждый программист, под руководством Линуса Торвальдса.
С технической точки зрения, Linux — это не операционная система, а ядро. Когда оно объединяется с программами проекта GNU, создается операционная система GNU/Linux. Но таковой в чистом виде не существует, так как разработчики дистрибутивов модифицируют ее, создавая различные операционные системы. Каждый дистрибутив получает уникальное имя, такие как Ubuntu или Fedora, хотя в их основе всегда лежит ядро Linux.
Начав разработку в 1991 году, Линус Торвальдс заложил фундамент ядра Linux, которое далее развивалось благодаря множеству специалистов. Лицензия GNU GPL позволяет свободное использование и распространение кода ядра.
Linux заимствовала идеи Unix и, в основном, написана на языке С, соответствуя стандартам POSIX.
Хотя Linux имеет монолитное ядро, в ней применяются некоторые идеи микроядер. Драйверы устройств могут загружаться по требованию как модули, вместо загрузки вместе со всем ядром.
Ядро Linux выпускается в стабильных и разрабатываемых версиях. Стабильные версии избавлены от ошибок и обеспечивают поддержку новых устройств. Ранее четное второе число в названии означало стабильность, но после 2011 года от такого подхода отказались.
Опытные пользователи часто самостоятельно обновляют ядро, скачивая исходные коды, конфигурируя и компилируя их перед размещением в загрузочном каталоге и настройкой загрузчика.
Конфигурация ядра позволяет включать или отключать драйверы и функции, создавая оптимальное "ядро под себя", которое лишено ненужных драйверов для отсутствующего оборудования.