Если же вы ведете машину, вам необходимо знать больше. Вам потребуется изучить элементы управления (например, рулевое колесо и педаль газа), а также усвоить, что следует делать в случае неисправности.

Предположим, автомобиль движется рывками. Можно разбить абстракцию «автомобиль, который едет по дороге» на три части: автомобиль, дорога и ваш стиль вождения. Это поможет установить причину. Если дорога ухабиста, вам не придется винить машину или себя. Вместо этого вы можете попытаться выяснить, почему дорога испортилась, или же, если дорога новая, почему ее строители так отвратительно выполнили работу.

Разработчики программного обеспечения пользуются абстракцией как инструментом при создании операционных систем и приложений. Имеется множество терминов для абстрагированных разделов компьютерного ПО, в их число входят подсистема, модуль и пакет. Однако мы будем применять в данной главе термин компонент, поскольку он прост. При создании программного компонента, как правило, разработчиков не сильно заботит внутренняя структура других компонентов, однако им все же приходится думать о том, какие компоненты и как они могут использовать.

В этой главе приводится общий обзор компонентов, составляющих систему Linux. Хотя каждый из них обладает немыслимым количеством технических деталей, относящихся к внутреннему устройству, мы не будем обращать на них внимания и сосредоточимся на том, что эти компоненты делают по отношению к системе в целом.

1.1. Уровни и слои абстракции в операционной системе Linux

Использование абстракций для разделения компьютерных систем на компоненты упрощает их понимание, но не приносит пользы, если отсутствует структура. Мы упорядочим компоненты в виде слоев, или уровней. Слой, или уровень, — это способ классификации (или группирования) компонентов в соответствии с их расположением между пользователем и аппаратными средствами. Браузеры, игры и т. п. расположены на верхнем слое; на нижнем слое мы видим память компьютера: нули и единицы. Операционная система занимает наибольшее число слоев между этими двумя.

В операционной системе Linux три главных уровня. На рис. 1.1 показаны уровни, а также некоторые компоненты внутри каждого из них. В основе расположены аппаратные средства. Они включают память, а также один или несколько центральных процессоров (CPU), выполняющих вычисления и запросы на чтение из памяти и запись в нее. Такие устройства, как жесткие диски и сетевые интерфейсы, также относятся к аппаратным средствам.

Уровнем выше располагается ядро, которое является сердцевиной операционной системы. Ядро — это программа, расположенная в памяти компьютера и отдающая распоряжения центральному процессору. Ядро управляет аппаратными средствами и выступает главным образом в качестве интерфейса между аппаратными средствами и любой запущенной программой.

Процессы — запущенные программы, которыми управляет ядро, — в совокупности составляют верхний уровень системы, именующийся пространством пользователя.

Примечание

Более точным термином, чем «процесс», является термин «пользовательский процесс», вне зависимости от того, взаимодействует ли пользователь с этим процессом напрямую. Например, все веб-серверы работают как пользовательские процессы.

Существует важное различие между тем, как запускаются процессы ядра и процессы пользователя: ядро запускается в режиме ядра, а пользовательские процессы — в режиме пользователя. Код, работающий в режиме ядра, обладает неограниченным доступом к процессору и оперативной памяти. Это сильное преимущество, но оно может быть опасным, поскольку позволяет процессам ядра с легкостью нарушить работу всей системы. Область, которая доступна только ядру, называется пространством ядра.

В режиме пользователя, для сравнения, доступен лишь ограниченный (как правило, небольшой) объем памяти и разрешены лишь безопасные инструкции для процессора. Пространством пользователя называют участки оперативной памяти, которые могут быть доступны пользовательским процессам. Если какой-либо процесс завершается с ошибкой, ее последствия будут ограниченными и ядро сможет их очистить. Это означает, что, если, например, произойдет сбой в работе браузера, выполнение научных расчетов, которые вы запустили на несколько дней в фоновом режиме, не будет нарушено.

Рис. 1.1. Общая структура операционной системы Linux

Теоретически неконтролируемый пользовательский процесс не способен причинить существенный вред системе. В действительности же все зависит от того, что именно вы считаете «существенным вредом», а также от особых привилегий данного процесса, поскольку некоторым процессам разрешено делать больше, чем другим. Например, может ли пользовательский процесс полностью уничтожить данные на жестком диске? Если должным образом настроить разрешения, то сможет, и для вас это окажется крайне опасным. Для предотвращения этого существуют защитные меры, и большинству процессов просто не будет позволено сеять смуту подобным образом.

1.2. Аппаратные средства: оперативная память

Из всех аппаратных средств компьютера оперативная память является, пожалуй, наиболее важным. В своей самой «сырой» форме оперативная память — это всего лишь огромное хранилище для последовательности нулей и единиц. Каждый ноль или единица называется битом. Именно здесь располагаются запущенное ядро и процессы — они являются лишь большими наборами битов. Все входные и выходные данные от периферийных устройств проходят через оперативную память также в виде наборов битов. Центральный процессор просто оперирует с памятью: он считывает из нее инструкции и данные, а затем записывает данные обратно в память.