Ядро Linux представляет собой сердце операционной системы, выполняющее роль посредника между аппаратным обеспечением компьютера и пользовательскими приложениями. Это сложная система, состоящая из миллионов строк кода (около 38 миллионов на текущий момент), которая обеспечивает базовые функции операционной системы.

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

При клонировании репозитория ядра Linux можно увидеть логично организованную структуру каталогов, где каждый имеет свое четкое назначение:

Основные каталоги

Дополнительные важные 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

Linux использует монолитную архитектуру - основные функции реализованы в одном большом исполнительном файле.

Загружаемые модули

Несмотря на монолитность, Linux поддерживает динамическую загрузку модулей:

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

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

• Модульная архитектура

• Параллельная загрузка сервисов

• Легкая настройка пользовательских сервисов

• Мониторинг жизненного цикла

Альтернативы

• OpenRC (Gentoo)

• SysV init - традиционная система

• Различные подходы к управлению сервисами

Заключение

Ядро Linux представляет собой сложную монолитную систему, выполняющую огромный объем работы для обеспечения функционирования современного компьютера. От момента включения питания до появления приглашения командной строки ядро проходит через множество этапов инициализации, настраивая аппаратное обеспечение, подсистемы безопасности и все необходимые компоненты для работы операционной системы.

Более подробно разбираем на наших курсах Разработка модулей ядра Linux (Linux Kernel developer) и Разработка на C под Linux