Практическая работа №1

Тема: Ядерные и внеядерные компоненты Linux
Цель работы: Научиться различать ядерные и внеядерные компоненты операционной системы Linux, изучить их взаимодействие через практические примеры.

Инструкция по выполнению работы

Преподаватель демонстрирует каждый шаг, студенты повторяют команды в терминале и фиксируют результаты.

Пояснение

Архитектура Linux построена на принципе разделения пространства ядра (kernel space) и пользовательского пространства (user space). Ядро — это центральный компонент, который напрямую взаимодействует с аппаратным обеспечением. Все остальное — приложения, оболочки, сервисы — работают во внеядерном (пользовательском) пространстве и обращаются к ядру через системные вызовы (system calls). Это разделение обеспечивает стабильность, безопасность и модульность системы.

Шаг 1. Изучение информации о ядре Linux

Цель: Убедиться, что вы работаете с ядром Linux, и изучить его параметры.

Проверьте версию ядра:

bash

uname -a

Пример вывода:
Linux altlinux 6.12.42-6.12-alt1 #1 SMP PREEMPT_DYNAMIC Tue Aug 26 13:33:43 UTC 2025 x86_64 GNU/Linux

Пояснение

Версия ядра следует схеме семантического версионирования: MAJOR.MINOR.PATCH. Например, 5.15.0 означает:

5 — основная версия (мажорная),
15 — второстепенная (минорная), часто добавляет новые функции,
0 — патч (исправления ошибок).

Посмотрите детали ядра через файловую систему /proc:

bash

cat /proc/version

Вывод: Тот же, что и в uname -a, но в «сыром» виде.

Linux version 6.12.42-6.12-alt1 (builder@localhost.localdomain) (gcc-13 (GCC) 13.2.1 20240128 (ALT Sisyphus 13.2.1-alt3), GNU ld (GNU Binutils) 2.41.0.20230826) #1 SMP PREEMPT_DYNAMIC Tue Aug 26 13:33:43 UTC 2025

Подробное пояснение вывода

1. `Linux version 6.12.42-6.12-alt1`

Это основная информация о версии ядра Linux.
6.12.42 — версия ядра Linux:
- 6 — мажорная (основная) версия.
- 12 — минорная (второстепенная) версия.
- 42 — патч-уровень (ревизия, накопленные исправления).
-6.12-alt1 — суффикс, указывающий на специфику сборки:
- Это пакет ядра, собранный для дистрибутива ALT Linux.
- alt1 — номер релиза пакета в репозитории ALT Linux.

2. `(builder@localhost.localdomain)`

Указывает на пользователя и хост, с которого была произведена сборка ядра.
builder — имя пользователя (обычно это автоматизированный аккаунт сборки).
localhost.localdomain — имя машины, где происходила компиляция (стандартное имя для сборочных систем).
Это не обязательно реальное имя хоста, часто используется по умолчанию в автоматизированных средах.

3. `(gcc-13 (GCC) 13.2.1 20240128 (ALT Sisyphus 13.2.1-alt3)`

Информация о компиляторе, использованном для сборки ядра.
gcc-13 — версия GCC (GNU Compiler Collection), использованная для компиляции.
13.2.1 — конкретная версия GCC.
20240128 — дата сборки этого конкретного бинарника GCC.
ALT Sisyphus 13.2.1-alt3 — указывает, что это версия GCC, пакованная для дистрибутива ALT Linux, ветка Sisyphus (основной репозиторий пакетов).

4. `GNU ld (GNU Binutils) 2.41.0.20230826`

Указывает на компоновщик (linker), использованный при сборке ядра.
GNU ld — это стандартный компоновщик из пакета GNU Binutils.
2.41.0.20230826 — версия Binutils (дата указывает на момент сборки).
Компоновщик отвечает за объединение объектных файлов в единый образ ядра.

5. `#1 SMP PREEMPT_DYNAMIC`

Это тег сборки ядра, содержит важные флаги конфигурации:
- #1 — номер сборки (в данном случае первая сборка с такими параметрами).
- SMP — Symmetric Multi-Processing:
  - Ядро поддерживает многопроцессорные (или многоядерные) системы.
  - Может использовать несколько CPU/ядер одновременно.
- PREEMPT_DYNAMIC — режим вытесняющего планирования:
  - Ядро поддерживает динамическое вытеснение (preemption).
  - Это компромисс между производительностью и латентностью: можно включать/выключать вытеснение в зависимости от нагрузки.
  - Более гибкий, чем PREEMPT_NONE, но не такой агрессивный, как PREEMPT_FULL.

6. `Tue Aug 26 13:33:43 UTC 2025`

Дата и время сборки ядра.
Указывается в формате: день недели, месяц, число, время, часовой пояс, год.
Здесь: вторник, 26 августа 2025 года, 13:33:43 по UTC.

Пояснение

Файловая система /proc — это интерфейс ядра для пользовательского пространства. Она не хранит данные на диске, а генерируется ядром «на лету». Например, /proc/cpuinfo показывает информацию о процессоре, /proc/meminfo — о памяти. Это пример того, как ядро предоставляет свои данные через файловый интерфейс, что упрощает взаимодействие с пользовательскими программами.

Шаг 2. Анализ загруженных модулей ядра

Цель: Увидеть, какие модули ядра активны в системе.

Список загруженных модулей:

bash

lsmod

Пример вывода:

Module                  Size  Used by
snd_hda_codec_generic    81920  1
...

Пояснение:

Модули ядра (например, snd_hda_codec_generic для звука) — это ядерные компоненты, расширяющие функционал ядра без перезагрузки.

Пояснение

Модули ядра — это динамически загружаемые компоненты, которые позволяют ядру оставаться компактным. Вместо того чтобы включать поддержку всех возможных устройств «навсегда», ядро загружает модули по мере необходимости (например, при подключении USB-устройства). Это называется динамической загрузкой модулей. Модули имеют расширение .ko (kernel object) и находятся в /lib/modules/$(uname -r)/.

Поиск конкретного модуля (например, связанного с сетью):

bash

lsmod | grep net

Пояснение

Сетевые модули (например, af_packet, nf_conntrack) отвечают за обработку сетевых пакетов, работу с интерфейсами, NAT и т.д. Их наличие в lsmod означает, что соответствующие функции активны в ядре. Это показывает, как ядро масштабируется под задачи системы, загружая только нужные компоненты.

Шаг 3. Исследование процессов ядра

Цель: Найти процессы, непосредственно связанные с ядром.

Просмотр всех процессов:

bash

ps -ef

Обратите внимание на процессы вида [kthreadd], [kworker/*]:

Это потоки ядра (kernel threads), управляющие задачами в фоне (например, обработка прерываний).
Ядерный компонент: Такие процессы не имеют PID в пользовательском пространстве и создаются самим ядром.

Пояснение

kthreadd — это родитель всех потоков ядра. Он запускается при загрузке и порождает другие ядерные потоки, такие как:

kworker/* — выполняют отложенные задачи (work queues),
migration/* — переносят процессы между CPU-ядрами,
ksoftirqd/* — обрабатывают программные прерывания.

Эти потоки не являются обычными процессами — они работают исключительно в пространстве ядра и не могут быть завершены пользователем.

Фильтрация процессов ядра:

bash

ps -ef | grep "\[.*\]"

Вывод: Список процессов в квадратных скобках — это внутренние задачи ядра.

Пояснение

Квадратные скобки [...] в выводе ps — это визуальный индикатор того, что процесс является внутренним потоком ядра. Система не создаёт для них реальных исполняемых файлов — они существуют только в памяти. Это отличает их от пользовательских процессов, которые всегда связаны с исполняемым файлом (например, /usr/bin/firefox).

Шаг 4. Изучение внеядерных компонентов

Цель: Определить компоненты, работающие в пользовательском пространстве.

Просмотр установленных пакетов (пакетный менеджер):

bash

dpkg -l | head -n 10  # Для Ubuntu/Debian
# Или
rpm -qa | head -n 10   # Для CentOS/RHEL/ALT

Пояснение:

Пакеты (например, bash, nginx, firefox) — это внеядерные компоненты.
Они работают в пользовательском пространстве и взаимодействуют с ядром через системные вызовы.

Пояснение

Пакетный менеджер (например, dpkg, rpm, apt, yum) — это инфраструктура управления внеядерными компонентами. Он отслеживает, какие программы установлены, их зависимости и версии. Эти компоненты не являются частью ядра, но критически важны для функциональности системы. Например, bash — это просто программа, как и любой другой бинарник, но она предоставляет интерфейс для взаимодействия с ОС.

Просмотр активных сервисов (демонов):

bash

systemctl list-units --type=service --state=running

Пример вывода:

UNIT                     LOAD   ACTIVE SUB     DESCRIPTION
ssh.service              loaded active running OpenBSD Secure Shell server
...

Пояснение:

Сервисы (демоны) — внеядерные компоненты, управляющие фоновыми задачами (например, веб-сервер, SSH).

Пояснение

Демоны — это внеядерные процессы, которые запускаются при загрузке или по требованию. Они работают в фоне и предоставляют сетевые или системные услуги. Например, sshd слушает порт 22 и обрабатывает входящие SSH-подключения. Он взаимодействует с ядром через системные вызовы (например, socket(), bind(), accept()), чтобы работать с сетью.

Проверка оболочки (shell):

bash

echo $SHELL

Вывод: /bin/bash — путь к оболочке, которая является внеядерным компонентом.

Пояснение

Оболочка (shell) — это пользовательская программа, которая интерпретирует команды. Она не является частью ядра, хотя и кажется «фундаментальной». Например, bash можно удалить и заменить на zsh или fish — система продолжит работать. Shell использует системные вызовы (fork, exec, read, write) для выполнения команд и взаимодействия с ядром.

Шаг 5. Сравнение ядерных и внеядерных компонентов

Цель: Систематизировать полученные данные.

Заполните таблицу в тетради:

Компонент	Пример	Принадлежность	Как проверить?
Ядерный	Модуль `snd_hda_codec`	Ядро	`lsmod`
Внеядерный	Сервис `ssh.service`	Пользовательское пространство	`systemctl`
Ядерный	Процесс `[kworker/0:1]`	Ядро	`ps -ef`
Внеядерный	Оболочка `bash`	Пользовательское пространство	`echo $SHELL`

Вывод:

Ядро — «мозг» системы, отвечающий за управление ресурсами.
Внеядерные компоненты (пакеты, сервисы, оболочки) предоставляют пользователю функционал, но зависят от ядра.

Пояснение

Важно понимать, что разделение на ядро и пользовательское пространство — это не просто классификация, а архитектурный принцип безопасности и стабильности. Если программа в пользовательском пространстве «падает», это не приводит к краху всей системы. Но если падает ядро — система зависает (BSOD в Windows, kernel panic в Linux). Поэтому критически важные функции (управление памятью, планирование процессов) остаются в ядре, а всё остальное — «снаружи».

Шаг 6. Изучение вывода htop

Установите новый пакет (например, htop):

bash

apt-get install htop

Запустите его и сравните процессы, отображаемые в htop и ps -ef.
Объясните, к какой категории (ядерные/внеядерные) относится htop.

Пояснение

Установка htop — хороший пример того, как внеядерный компонент может отображать информацию о ядре. htop читает данные из /proc и /sys — виртуальных файловых систем, предоставляемых ядром. Он не «видит» ядро напрямую, а интерпретирует его данные, как и любой другой пользовательский процесс. Это иллюстрирует, как пользовательское пространство «наблюдает» за ядром через стандартизированные интерфейсы.

Шпаргалка по htop

1. Запуск htop

Просто введите в терминале:

bash

htop

Для просмотра всех процессов (включая чужие) может потребоваться sudo:

bash

sudo htop

2. Интерфейс htop

После запуска вы увидите:

Верхняя часть (панель ресурсов):

CPU: использование каждого ядра (в процентах и графически).
Mem: использование оперативной памяти.
Swp: использование swap-раздела.

Цвета:

Синий — низкоприоритетные задачи (nice)
Зелёный — пользовательские процессы
Красный — системные процессы
Жёлтый — время ожидания ввода/вывода (iowait)

Средняя часть (список процессов):

Колонки по умолчанию:

PID — идентификатор процесса
USER — владелец процесса
PRI — приоритет
NI — nice-значение (приоритет планировщика)
VIRT — виртуальная память
RES — физическая память (резидентная)
SHR — разделяемая память
S — состояние (R=работает, S=спит, Z=зомби, D=ожидание I/O)
CPU% — загрузка CPU
MEM% — использование памяти
TIME+ — общее время работы процесса
Command — команда/имя процесса

3. Управление с помощью клавиатуры

Клавиша	Действие
↑ / ↓, Page Up / Page Down	Прокрутка списка процессов
F1	Помощь (Help) — подробная справка по всем клавишам
F2	Настройки (Setup) — настройка отображения
F3	Поиск процесса по имени
F4	Фильтр — показывать только процессы, содержащие введённую строку
F5	Режим дерева — отображение процессов в виде дерева (с учётом родительских процессов)
F6	Сортировка — выбрать колонку для сортировки (например, по CPU%, MEM%, PID и т.д.)
F7	Уменьшить приоритет (Nice --)
F8	Увеличить приоритет (Nice ++)
F9	Отправить сигнал процессу (например, SIGKILL для завершения)
F10	Выход из htop
Space	Пометить/снять пометку с процесса (для массовых действий)
u	Показать только процессы определённого пользователя
k	Показать/скрыть названия сигналов (в режиме отправки сигнала)
H	Включить/выключить отображение потоков (threads)
U	Снять пометки со всех процессов
l	Показать открытые файлы процесса (через `lsof`)
i	Показать/скрыть задержку ввода-вывода (iowait) на графике CPU

4. Полезные настройки (F2 — Setup)

Вкладки:

[Display options] — отображение:
- Hide kernel threads — скрыть системные потоки (начинающиеся с kthreadd, kworker)
- Hide userland process threads — не показывать потоки пользовательских процессов
- Show custom thread names — показывать имена потоков
- Highlight changes — подсвечивать изменения при обновлении
[Colors] — выбрать цветовую схему (напр., black on white, blue, green и т.п.)
[Fields] — выбрать, какие колонки отображать в списке процессов

5. Поиск и фильтрация

F3 → введите имя процесса (например, firefox) — htop найдёт и подсветит.
F4 → введите строку — останутся только процессы, содержащие её в команде.
Чтобы сбросить фильтр — нажмите F4, затем Backspace и Enter.

6. Управление процессами

Завершение процесса:

Выделите нужный процесс стрелками.
Нажмите F9.
Выберите сигнал:
- SIGTERM (15) — вежливое завершение (рекомендуется).
- SIGKILL (9) — принудительное уничтожение (если процесс не отвечает).
Нажмите Enter.

Можно пометить несколько процессов через Пробел, затем применить сигнал ко всем.

7. Сортировка

Нажмите F6.
Выберите колонку для сортировки:
- CPU% — по загрузке процессора
- MEM% — по использованию памяти
- TIME+ — по времени работы
- PID — по номеру процесса
Сортировка обновляется в реальном времени.

8. Режим дерева (F5)

Включает древовидное отображение: дочерние процессы показываются под родительскими.
Удобно для анализа, какие процессы порождены другими (например, скрипты, сервисы, оболочки).

9. Полезные советы

Запускайте htop с sudo, чтобы видеть все процессы.
Используйте htop --no-color — если терминал некорректно отображает цвета.
Можно запустить htop и оставить его работать в фоне, например, в tmux или screen.
Чтобы быстро найти "тяжёлые" процессы — сортируйте по CPU% или MEM%.

10. Примеры использования

Показать только процессы пользователя `alex`:

bash

htop -u alex

Отсортировать по памяти при запуске:

(в htop нажмите F6 → MEM%)

Запустить в режиме дерева:

bash

htop -t

Совет: Нажмите F1, чтобы всегда иметь под рукой полную справку!

Контрольные вопросы

Какая команда покажет версию ядра Linux?
Почему процессы в квадратных скобках (например, [kthreadd]) считаются ядерными?
Приведите 3 примера внеядерных компонентов и объясните их назначение.
Как проверить, какие модули ядра используются для работы Wi-Fi?

Требования к отчету

Скриншоты выполнения ключевых команд.
Заполненная таблица из Шага 5.
Ответы на контрольные вопросы.

Пояснение

При оформлении отчета обратите внимание: скриншоты должны отражать не только результат, но и контекст. Например, если вы показываете lsmod, полезно добавить пояснение: «Этот модуль отвечает за X и был загружен автоматически при обнаружении устройства Y». Это покажет понимание, а не просто копирование вывода.

Примечание: Эта работа закрепляет теорию архитектуры ОС, показывая разделение на ядро (монолитное ядро Linux) и пользовательское пространство (POSIX-совместимые утилиты, демоны).

Выводы

Linux использует монолитное ядро, но с поддержкой модулей — это компромисс между производительностью (все в одном адресном пространстве) и гибкостью (возможность загружать компоненты динамически). В отличие от микроядер (например, в системах на базе Mach), где многие компоненты работают во внеядерном пространстве, Linux держит большую часть драйверов и подсистем внутри ядра, что даёт высокую производительность, но требует большей осторожности при разработке.

Практическая работа №1 ​

Инструкция по выполнению работы ​

Шаг 1. Изучение информации о ядре Linux ​

1. Linux version 6.12.42-6.12-alt1 ​

2. (builder@localhost.localdomain) ​

3. (gcc-13 (GCC) 13.2.1 20240128 (ALT Sisyphus 13.2.1-alt3) ​

4. GNU ld (GNU Binutils) 2.41.0.20230826 ​

5. #1 SMP PREEMPT_DYNAMIC ​

6. Tue Aug 26 13:33:43 UTC 2025 ​

Шаг 2. Анализ загруженных модулей ядра ​

Шаг 3. Исследование процессов ядра ​

Шаг 4. Изучение внеядерных компонентов ​

Шаг 5. Сравнение ядерных и внеядерных компонентов ​

Шаг 6. Изучение вывода htop ​

1. Запуск htop ​

2. Интерфейс htop ​

Верхняя часть (панель ресурсов): ​

Средняя часть (список процессов): ​

3. Управление с помощью клавиатуры ​

4. Полезные настройки (F2 — Setup) ​

Вкладки: ​

5. Поиск и фильтрация ​

6. Управление процессами ​

Завершение процесса: ​

7. Сортировка ​

8. Режим дерева (F5) ​

9. Полезные советы ​

10. Примеры использования ​

Показать только процессы пользователя alex: ​

Отсортировать по памяти при запуске: ​

Запустить в режиме дерева: ​

Контрольные вопросы ​

Требования к отчету ​

Практическая работа №1

Инструкция по выполнению работы

Шаг 1. Изучение информации о ядре Linux

1. `Linux version 6.12.42-6.12-alt1`

2. `(builder@localhost.localdomain)`

3. `(gcc-13 (GCC) 13.2.1 20240128 (ALT Sisyphus 13.2.1-alt3)`

4. `GNU ld (GNU Binutils) 2.41.0.20230826`

5. `#1 SMP PREEMPT_DYNAMIC`

6. `Tue Aug 26 13:33:43 UTC 2025`

Шаг 2. Анализ загруженных модулей ядра

Шаг 3. Исследование процессов ядра

Шаг 4. Изучение внеядерных компонентов

Шаг 5. Сравнение ядерных и внеядерных компонентов

Шаг 6. Изучение вывода htop

1. Запуск htop

2. Интерфейс htop

Верхняя часть (панель ресурсов):

Средняя часть (список процессов):

3. Управление с помощью клавиатуры

4. Полезные настройки (F2 — Setup)

Вкладки:

5. Поиск и фильтрация

6. Управление процессами

Завершение процесса:

7. Сортировка

8. Режим дерева (F5)

9. Полезные советы

10. Примеры использования

Показать только процессы пользователя `alex`:

Отсортировать по памяти при запуске:

Запустить в режиме дерева:

Контрольные вопросы

Требования к отчету