Linux 101 - Arquitetura
18/04/2019Neste post veremos um pouco da arquitetura do Kernel Linux. Como vimos no post anterior o papel do kernel é fornecer uma interface genérica para os programas e controlar o acesso aos recursos, lembrando que cada programa em execução no sistema é chamado de processo e cada processo opera como se fosse o único em execução.
Arquitetura
Na parte superior temos o user space, é aqui que os aplicativos do usuário são executados e abaixo do espaço do usuário temos o kernel space.
Entre eles temos também a biblioteca GNU C ou glibc que é responsável por
fornecer a interface de chamada do sistema que se conecta com o kernel,
fornecendo o mecanismo para a transição entre o espaço do usuário e o kernel,
essas transições recebem o nome de context switching.
Esse mecanismo é importante porque tanto o kernel quanto o aplicativo do usuário ocupam diferentes espaços de memória protegidos.
Podemos dividir o Kernel em três níveis. No topo a interface de chamada do sistema, que implementa as funções básicas, como operações de leitura e escrita.
Abaixo da interface de chamada do sistema ou syscall está o código do kernel
que independe de arquitetura, ou seja, este código é comum a todas as arquiteturas
de processadores suportadas pelo Linux.
E abaixo temos o código dependente de arquitetura ou Board Support Package (BSP), que serve como código específico do processador e da plataforma para a arquitetura em uso.
Características
O kernel Linux implementa vários atributos arquiteturais importantes, em níveis altos e baixos, o kernel é separado em vários subsistemas distintos. O Linux também pode ser considerado monolítico (como expliquei em outro post que falo sobre os tipos de kernel), por agregar todos os serviços básicos no kernel.
Isso difere de uma arquitetura microkernel onde o kernel fornece apenas os serviços básicos, como I/O, gerenciamento de memória e processo, e os serviços mais específicos são conectados à camada de microkernel.
Mas o aspecto mais interessante do Linux, dado seu tamanho e complexidade, é sua portabilidade. O Linux pode ser compilado para rodar em um grande quantidade de processadores e plataformas com diferentes tipos de restrições.
Subsistemas
SCI
Relembrando, syscalls são a porta de entrada controlada no kernel, permitindo
que um processo solicite ao kernel que o mesmo execute alguma ação em seu nome.
O SCI funciona como um serviço de multiplexação e desmultiplexação de chamadas de função. O kernel torna uma gama de serviços acessível aos programas através da API do sistema, esses serviços incluem, a criação de um novo processo, executar operações de I/O ou criando um canal para comunicação entre processos.
De modo geral, funciona assim:
- Uma syscall altera o estado do processador do modo usuário para o modo kernel, de modo que a CPU possa acessar a memória protegida do kernel.
- O conjunto de system calls é fixo e cada chamada de sistema é identificada por
um número único, geralmente esse esquema de numeração não é visível para os programas,
que identificam as
syscallspelo nome. - Cada
syscallpode ter um conjunto de argumentos especificando as informações que devem ser transferidas do espaço do usuário para o espaço do kernel e vice-versa.
PM
No kernel os processos são chamados de threads e representam uma virtualização individual do processador. No espaço do usuário, o termo processo é normalmente usado para representar um programa em execução, embora a implementação do Linux não separe os dois conceitos (processos e threads).
O kernel fornece uma API por meio do SCI para criar um novo processo usando funções
como fork() ou exec(), parar um processo com as funções kill() ou exit() e
realizar a comunicação e sincronização entre eles.
No gerenciamento de processos existe também a necessidade de compartilhar a CPU entre as threads ativas. O kernel implementa um algoritmo de agendamento que opera em tempo constante, independentemente do número de threads que disputam a CPU.
MM
O subsistema de gerenciamento de memória do Linux é responsável, como o nome indica, pelo gerenciamento da memória no sistema, isso inclui a implementação de memória virtual e paginação por demanda (cada página com tamanho de 4KB, na maioria das arquiteturas), alocação de memória para estruturas internas do kernel e programas no espaço do usuário e muitas outras coisas.
O esquema de gerenciamento de memória usa buffers de 4KB como base, mas mantém o controle de quais páginas estão cheias, parcialmente usadas e vazias. Permitindo que o esquema cresça e diminua dinamicamente com base nas necessidades do sistema.
Há momentos em que a memória disponível pode ser esgotada, por esse motivo, as
páginas podem ser movidas para fora da memória sendo alocadas em disco.
Esse processo é chamado de swap porque as páginas são trocadas da memória
para o disco rígido. Este é um assunto complexo e merece um post separado ;)
VFS
O sistema de arquivos virtual (VFS) é um aspecto interessante do kernel do Linux, pois fornece uma abstração de interface comum para sistemas de arquivos. O VFS fornece uma camada de comutação entre o SCI e os sistemas de arquivos suportados pelo kernel.
No VFS, existe uma abstração comum de API de funções como abrir, fechar, ler e gravar arquivos. Em seguida estão as abstrações do sistema de arquivos que definem como as funções da camada superior são implementadas. São plugins para o sistema de arquivos fornecido.
Além disso, o Linux fornece o sistema de arquivos /proc, que consiste em um
conjunto de diretórios e arquivos montados sob o diretório /proc.
Este é um sistema de arquivos virtual que fornece uma interface para estruturas
de dados do kernel que se parece com arquivos e diretórios em um sistema de arquivos comum.
Isso fornece um mecanismo fácil para visualizar e alterar vários atributos do
sistema exibindo um conjunto de diretórios com nomes no formato /proc/PID,
onde o PID é o ID de um processo. Com isso é possível visualizar informações
sobre cada processo em execução no sistema.
Geralmente o conteúdo de /proc está em formato de texto legível e um programa
pode simplesmente abrir, ler ou gravar no arquivo desejado.
Abaixo da camada do sistema de arquivos temos o cache de buffer, que fornece um conjunto de funções para a camada do sistema de arquivos. Essa camada de armazenamento em cache otimiza o acesso aos dispositivos físicos mantendo os dados por um curto período de tempo.
Logo abaixo do cache de buffer estão os drivers de dispositivo, que implementam a interface para o dispositivo físico específico.
Network Stack
A pilha de rede, por padrão, segue uma arquitetura em camadas modelada após os próprios protocolos. Lembrando que o Protocolo da Internet (IP) é o protocolo da camada de rede básica que fica abaixo do protocolo de transporte ou Protocolo de Controle de Transmissão (TCP).
Acima de TCP temos a camada de sockets, que é chamada por meio do SCI. A camada de sockets é a API padrão para o subsistema de rede e fornece uma interface de usuário para uma variedade de protocolos de rede. Desde o acesso as data units do protocolo IP (PDUs) e até o TCP e o UDP, a camada de sockets fornece uma maneira padronizada de gerenciar conexões e mover dados entre endpoints.
DD
A maior parte do código fonte do Kernel Linux é composta de drivers de dispositivos que tornam um determinado dispositivo de hardware utilizável.
A estrutura de diretórios nos fontes do Linux fornece um subdiretório de drivers que é dividido pelos vários dispositivos suportados, como Bluetooth, USB, serial e assim por diante.
ARCH
Embora a maior parte do Linux seja independente da arquitetura na qual ele é
executado, existem elementos que precisam considerar a arquitetura em uso para
operações eficiêntes. O subdiretório /arch define a parte dependente da
arquitetura contida em vários subdiretórios específicos formando o BSP.
Geralmente o diretório x86 é usado. Cada subdiretório de arquitetura contém
vários outros subdiretórios que se concentram em um aspecto específico do kernel,
como inicialização, gerenciamento de memória, virtualização e outros.
Conclusão
Até agora vimos vários conceitos fundamentais e limitados relacionados ao funcionamento do Kernel Linux. Nos próximos posts tentarei aprofundar um pouco mais em cada parte que vimos até agora.