PDF de programación - Introducción al kernel Linux

Introducción al kernel Linux

Matías Zabaljáuregui

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● Repaso del modelo kernel / proceso

● Contextos de ejecución

● Kernels Unix y Linux

● Reentrancia y Sincronización

● Diferencias con el user space

Repaso:

¿Que es el Kernel?

● El kernel como máquina ampliada o maquina virtual: proveé 

un entorno de ejecución a las aplicaciones.

● El kernel como manejador de recursos: interactúa con la 

plataforma de hardware.

El Modelo Proceso / Kernel

● Los procesos son entidades dinámicas, programas en 

ejecución que consumen recursos.

● El kernel es un administrador de procesos que crea el 

entorno necesario para que los procesos puedan 
ejecutarse.

● El modelo asume que los procesos que requieren un 
servicio del kernel utilizan construcciones específicas 
llamadas system calls.

● Se necesita soporte del hardware para implementar el   

modelo con dos estados de la CPU: uno privilegiado y uno 
no privilegiado.

User Mode vs Kernel Mode

● Una CPU tiene distintos modos de ejecución, con distintos 

privilegios. Por ejemplo x86 tiene 4 niveles de privilegios.

● El modelo que estudiamos utiliza dos modos de ejecución.

● Cuando un programa se ejecuta en User Mode tiene ciertas 

reestricciones de acceso a memoria o hardware.

● Cuando una rutina se ejecuta en Kernel Mode accede a 

todos los recursos sin restricciones.

● Cada tipo de CPU proveé instrucciones especiales para 

pasar de User Mode a Kernel Mode y viceversa.

Kernel Space vs User Space

● El kernel vive en un estado elevado del sistema, comparado con 
las aplicaciones del usuario. Este estado, que incluye un espacio 
de memoria protegido, acceso pleno al hardware y el procesador 
ejecutando en Kernel Mode, es conocido como Kernel Space.

● Por otro lado las aplicaciones de usuario se ejecutan en el User 
Space. Sólo ven un subconjunto de los recursos de la máquina y 
no pueden realizar ciertas funciones directamente. En este 
estado el procesador se ejecuta en User Mode.

● Un programa normalmente se ejecuta en User Space y cambia al 

Kernel Space sólo cuando requiere un servicio provisto por el 
kernel. Cuando el kernel satisface el pedido, vuelve a setear el 
procesador en User Mode y la aplicación vuelve a ejecutarse en 
User Space.

System Calls

● Las aplicaciones invocan funciones del kernel a través de las 

System Calls. Típicamente se llaman a funciones de librerías, las 
cuales invocan systems calls para realizar su trabajo.

● Algunas funciones de librerías invocan a más de una system call o 
llaman a una system call sólo como un paso en su procesamiento. 
Ejemplo: printf().

● Algunas funciones  tienen una relación de uno a uno con system calls. 

Ejemplo: open().

● Otras funciones, no deberían hacer uso de system calls. Por ejemplo: 

strcpy ().

● En una system call, se dice que el kernel se está ejecutando en 
nombre de la aplicación. Es más, se dice que la aplicación está 
ejecutando una función en kernel space y el kernel está corriendo 
en el contexto del proceso de usuario (process context).

Relación entre procesos, kernel 

y hardware

Interrupciones y Excepciones

● Una interrupción suele ser definida como un evento que altera la 

secuencia de instrucciones ejecutadas por un procesador. Esos eventos 
corresponden a señales eléctricas generadas por hardware desde 
dentro y fuera de la CPU. 

● Suelen clasificarse en: 

­ Excepciones: producidas por la unidad de control de la CPU.
­ Interrupciones: generadas por otros dispositivos de hardware.

● Cuando una señal de interrupción llega a la CPU, el kernel debe realizar 

ciertas tareas que generalmente son implementadas desde un módulo 
llamado manejador de interrupción.

Interrupt Context

● Los manejadores de interrupciones no se ejecutan en el 

contexto de un proceso. 

● En cambio, se ejecutan en un contexto especial de 
interrupción, pero los ciclos de CPU consumidos se 
computan al proceso interrumpido.

●  Este contexto existe únicamente para permitir que un 

manejador responda rápidamente a una interrupción y luego 
termina.

Contextos de Ejecución 

del Kernel (vistos hasta ahora)
● Estos contextos representan momentos de actividad del 

kernel. 

● De hecho, en Linux, se puede generalizar que cada 

procesador de una máquina está haciendo alguna de estas 
tres cosas en un momento dado:

●  En kernel space, en “process context”, ejecutando en 

nombre de algún proceso.

●  En kernel space, en “interrupt context”, manejando una 

interrupción.

●  En user space, ejecutando código de un proceso de 

usuario.

Kernel Threads

Además de procesos de usuario, Linux incluye algunos 

“procesos” privilegiados, con las siguientes características:

● Normalmente son creados durante el arranque del sistema 

y permanecen vivos hasta que se apaga la máquina. 

● Corren en kernel space, no necesitan tablas de página para 

mapear memoria de usuario

● No interactúan con usuarios, por lo que no requieren 

dispositivos de E/S (terminales)

● Contexto más liviano, por lo tanto el switch es más rápido 

que el de un proceso de usuario

Funciones Diferibles

● El manejador de interrupciones no es un contexto en el que 

puedan realizarse cualquier tipo de acción. Por ejemplo, no debe 
bloquearse nunca.

● Las operaciones largas y no críticas deberían ser diferidas ya que 
mientras el manejador se está ejecutando, las señales en la línea 
IRQ correspondiente son temporalmente ignoradas.

● Linux implementa esto usando dos tipos de funciones diferibles 

(“bottom halves”) del kernel: “softirqs” y “tasklets”

● Este tipo de funciones suele ser planificada por el programador 
desde un manejador de interrupciones (o de otro contexto) para 
que se ejecute asincrónicamente en algún momento “seguro” 
(elegido por el kernel) en el futuro cercano.

Contextos de Ejecución del 

Kernel (Completo)

●  Un proceso invoca una system call.

●  Una CPU ejecutando un proceso eleva una excepción. El 
kernel maneja la excepción “en nombre” del proceso que la 
causó.

●  Un dispositivo eleva una señal de interrupción a la CPU 

para indicar que se completó una operación de E/S.

●  Un kernel thread es elegido por el scheduler.

●  Una softirq es ejecutada.

Ejemplo de ejecución

Kernels Unix y Linux

● Debido a sus antepasados comunes, los kernels Unix modernos, 

además de sus APIs comparten varias cuestiones de diseño.

● Con algunas excepciones, un kernel Unix es típicamente un 

binario monolítico y estático. Es decir, existe como una imagen 
ejecutable única y de gran tamaño que corre en un único 
espacio de direccionamiento

● Los sistemas Unix normalmente requieren hardware de 

administración de memoria (MMU) el cual proveé protección de 
memoria y un espacio virtual único a cada proceso. Linux tiene 
sus variantes para hardware embebido. Ejemplo: uClinux.

Diseño Monolítico versus Microkernels

Existen dos grandes clasificaciones de kernels con respecto a 

su diseño: 

● kernels monolíticos 
● microkernels

Otras categorías, nanokernels, exokernels, etc,  se 

mencionan principalmente en entornos de investigación.

Kernels Monolíticos

●  Representan el diseño más simple y fue la única opción hasta 

los 80s.

●  Se implementan en forma de un gran “programa” corriendo en un 

único espacio de direccionamiento.

●  La comunicación dentro del kernel es trivial porque todo corre en 

kernel space en el mismo espacio de direccionamiento: se 
invocan funciones.

●  Los defensores de este modelo citan la simplicidad y 

performance como principales ventajas.

●  La mayoria de los kernels Unix son monolíticos.

Microkernels

● La funcionalidad del kernel está distribuida entre procesos 

separados, usualmente llamados servers.

● En teoría, sólo los procesos que realmente lo requieren son los 

que deberían ejecutarse en kernel space, y el resto en user 
space.

● Se incluye algún mecanismo de comunicación entre procesos, 

que ofrece comunicación entre servers a través de mensajes.

●  Diseño modular. Permite fácil reemplazo de subsistemas.

Microkernels

Existen costos asociados al modelo: 

● Pasaje de mensajes tiene mayor overhead que invocacion directa 

a funcion.

● Se producen context switches de kernel­space a user­space y 

viceversa

En consecuencia, todos los sistemas basados en microkernels 

ahora ejecutan sus servers en kernel space. El kernel de 
Windows NT y Mach son ejemplos de microkernels y ninguno 
corre los servers en user space en sus últimas versiones.

Linux: monolítico moderno

Linux es un kernel monolítico, sin embargo, toma muchas de las 

buenas ideas de los microkernels:

● Diseño modular 
● Scheduleable / preemptible (KCPs)
● Soporte para kernel threads
● Modulos Dinámicos en demanda

Por otro lado, no sufre de la pérdida de performance asociada al 

modelo de microkernel:

● Todo corre en kernel mode
● La comunicación es a través de invocaciones funciones

Ejemplos

Kernels Monolíticos:
● Linux
● Kernels Unix tradicionales, como los BSDs
● Solaris

Microkernels famosos:
● Aix (IBM eServers pSeries, utilizando procesadores de la familia IBM POWER de 32 y 64bits)
● Minix
● Mach, usado en GNU Hurd y Mac OS X entre otros
● QNX (real time)

Reentrancia

● Todos los kernels Unix son reentrantes, es decir, más de un 

proceso puede estar en kernel mode a la vez

● Si ocurre una interrupción de hardware, un kernel reentrante es 
capaz de suspender el proceso que se está ejecutando en ese 
momento, aunque esté en kernel mode. Esta capacidad es 
importante para lograr eficiencia.

● Una forma de lograr reentrancia es usar sólo funciones 

reentrantes (como lo hacen algunos kernels de tiempo real), 
aunque esto no es siempre posible. 

● Otra forma es permitir funciones no reentrantes y utilizar 

mecanismos de locking.

Reentrancia y su impacto en la

organización del kernel

● Un camino de control del kernel (KCP) denota una secuencia de 

instrucciones ejecutadas por el kernel. En el caso más simple, el kernel 
ejecuta un K