Строение GNU/Linux. Часть 1.⚓︎

Дистрибутив по Linux for yourself собрать нельзя, не умея читать документацию, искать нужную информацию в интернете и не зная строение Linux. Именно о строении и пойдёт речь в этой статье. Первая часть даст базовые сведения, а в следующих частях структура типичного Linux-дистрибутива будет рассмотрена подробнее.

Linux for yourself старается придерживаться стандартов FHS и LSB (о них далее).

Термины⚓︎

FHS (Filesystem Hierarchy Standart) - документ, который определяет схему директорий в UNIX-системах. FHS разработан, чтобы предоставить общую схему для упрощения независимой от дистрибутива разработки программного обезпечения (далее - ПО). Другими словами, это стандарт, унифицирующий местонахождение файлов и каталогов с общим назначением в файловой системе UNIX. Таблицу директорий и другую информацию вы сможете лицезреть здесь.
LSB (Linux Standart Base) - совместный проект дистрибутивов Linux при организации Linux Foundation, целью которого является стандартизация их внутренней инфраструктуры. Цель LSB - разработать и продвигать набор стандартов, который увеличит совместимость различных дистрибутивов Linux и даст возможность запускать приложения на любой совместимой системе; помимо этого, LSB помогает сконцентрировать усилия в привлечении разработчиков к написанию и портированию ПО. LSB сертифицирует стандартные библиотеки, пару утилит, структуру иерархии файловой системы (далее - ФС), уровни запуска и et cetera.
конфиг - сленговое. Означает "конфигурационный файл".
юзер - сленговое. Означает "пользователь".
ФС - сокращение от "файловая система".

Filesystem Hierarchy Standard⚓︎

В данном разделе речь пойдёт про иерархию ФС Linux. Может быть применимо и к другим UNIX-Like системам и дистрибутивам, главное, чтобы они соответствовали стандарту FHS. Всякие NixOS и Gobo Linux не рассматриваем.

Независимые классификации в FHS⚓︎

Спецификация FHS основывается на идее существования двух независимых классификаций файлов: разделяемых и неразделяемых, а также изменяемые и статичные. Разделяемые данные могут распространяться на несколько хостов; неразделяемые специфичны для конкретного хоста (например, конфиги). Соответственно, изменяемые файлы изменяются, а статичные - нет (за исключением установки и обслуживания системы).

Резюме. 4 возможные комбинации + нужные директории.

-	Разделяемые	Неразделяемые
статичные	/usr /opt	/etc /boot
изменяемые	/var/mail	/var/run

Само строение ОС⚓︎

Процесс загрузки⚓︎

В данной статье загрузка ПК, BIOS, UEFI и прочее будет пропущено, ибо это не тема этой статьи.

Начнём с загрузчика. Их очень много - GRUB2, rEFInd, systemd-boot, syslinux и другие. Но самым популярным является, конечно, GRUB2. Задача загрузчика - инициализировать ядро Linux (в нашем случае). В помощь ядру загрузчик обычно использует начальный образ загрузки - initrd или initramfs, представляющий собой архив с образом файловой системы, разворачивающейся в ОЗУ в начале загрузки. В initrd/initramfs находятся нужные драйверы, скрипты и прочее, что необходимо для инициализации оборудования и прочих целей.

После начального образа загружается ядро. Находится в /boot, в своём названии имеет vmlinuz:

vm - поддержка виртуальной памяти;
linu - когда-то называлось linux, но позже сократилось до текущего состояния, потому что необходимо указать факт сжатия ядра (следующий пункт);
z - указатель того, что файл с ядром сжат (Поддерживаются форматы сжатия: gzip, bzip2, lzma, xz, lzo, lz4, zstd).

Ядро Linux является монолитным.

Плюсы монолитного ядра

Более прямой доступ к аппаратным средствам
Проще обмен данными между процессами
Процессы реагируют быстрее

Минусы монолитного ядра

Большой размер
Занимает много оперативной памяти
Менее безопасно

Монолитное ядро больше и несколько сложнее других видов ядер. Ну и вспомните спор Таненбаума и Торвальдса. Но у Linux есть достоинство - это модули ядра. Подключать нужные модули можно буквально на лету. вы можете запускать процессы сервера, подключать виртуализацию, а также полностью заменить ядро без перезагрузки. Например, команда

modprobe qemu-nbd

Подключит соответствующий модуль qemu-nbd.

GNU/Linux состоит из четырёх основных частей:

Ядро Linux — основная интересующая нас часть; ядро создаёт абстрактный слой и является «посредником» между первыми двумя частями и hardware-частью компьютера;
Hardware controllers (контроллеры оборудования) — подсистема, охватывающая все возможные физические устройства, такие как CPU, устройства памяти, жёсткие диски, сетевые карты — все они являются частью этой подсистемы
OS services (службы операционной системы) — службы, которые обычно считаются частью операционной системы.
User applications (пользовательские приложения) — набор пользовательских приложений, который в разных дистрибутивах Linux может быть разным. Например, в Linux For Yourself предложен самый небольшой набор ПО, которого хватит для корректной работы операционной системы.

kernel1

Каждая подсистема может взаимодействовать только с двумя соседними, расположенными непосредственно «выше» и «ниже» её уровня. Кроме того, зависимости между этими подсистемами направлены сверху вниз: слои, расположенные выше — зависят от частей ниже, но части, расположенные ниже — не зависят от частей выше их.

Ядро Linux состоит из пяти основных подсистем:

Process Scheduler (SCHED) — планировщик процессов, отвечает за контроль над доступом процессов к CPU. Планировщик обеспечивает такое поведения ядра, при котором все процессы имеют справедливый доступ к центральному процессору;
Memory Manager (MM) — менеджер памяти, обеспечивает различным процессам безопасный доступ к основной памяти системы. Кроме того, MM обеспечивает работу виртуальной памяти, которая позволяет процессам использовать больше памяти, чем реально доступно в системе. Выделенная, но неиспользуемая память вытесняется на файловую систему, и при необходимости — возвращается из неё обратно в память (swapping);
Virtual File System (VFS) — виртуальная файловая система, создаёт абстрактный слой, скрывая детали оборудования, предоставляя общий файловый интерфейс для всех устройств. Кроме того, VFS поддерживает несколько форматов файловых систем, которые совместимы с другими операционными системами;
Network Interface (NET) — сетевые интерфейсы, обеспечивает работу с различными сетевыми стандартами и сетевым оборудованием;
Inter-Process Communication (IPC) — межпроцессная подсистема, поддерживающая несколько механизмов для process-to-process связей в единой Linux-системе.

kernel2 kernel3

Символом ядра Linux является Tux, отличающийся от «обычных» пингвинов жёлтым цветом клюва и лап. Однако, в качестве символа Linux 2.6.29 был принят Tuz (тасманский дьявол), изображение которого ранее служило талисманом конференции linux.conf.au 2009. В следующих версиях ядра используется предыдущий пингвин Tux. Его можно наблюдать и поныне.

Tux Tux

Tuz Tuz

После ядра стартует init - подсистема инициализации в UNIX-ах, которая запускает все остальные процессы. Имеет PID=1. Раньше, де-факто стандартным инитом в GNU/Linux был SysVinit. Однако, в самом начале 10-ых были попытки заменить SysVinit на другую систему инициализации. Например, в Ubuntu первое время использовался upstart от Canonical, а в Gentoo Linux используется OpenRC. Также был создан systemd, на который в данный момент перешло большинство дистрибутивов Linux.

Достоинства systemd

Агрессивная параллелизация и прочее, что позволяет существенно ускорить загрузку ОС
Запуск сервисов по расписанию (вместо cron)
Смена корня (вместо chroot)
Простой и лаконичный синтаксис служб

Недостатки systemd

Не Unix Way. systemd - монолитная и сложная система, заменяющая собой не только инит, но и планировщик, менеджер сети, утилиту по смене корня системы, просмотрщик логов и пр, что не особо нужно многим пользователям
systemd требуется несколько больше ресурсов, чем его менее прожорливым товарищам, из-за чего на старом железе лучше использовать дистрибутив с другой системой инициализации, например, классическим SysVinit

И теперь про SysVinit.

Достоинства SysVinit

Устоявшаяся и хорошо понятная система
Простая настройка
Стабильная и надёжная работа

Недостатки SysVinit

Неудобная (а для некоторых ещё и сложная) работа с сервисами
Последовательная обработка задач загрузки, что может в некоторых случаях замедлить скорость старта ОС

После инита загружается командная оболочка, коих так же довольно много:

bourne shell (sh) - "тот самый";
bourne again shell (bash) - ставшая классической в Linux оболочка, которая используется во многих дистрибутивах по умолчанию. В Linux for yourself /bin/sh является символической ссылкой на /bin/bash;
BusyBox - представляет собой целое пользовательское окружение, в том числе, командную оболочку (вызов: busybox sh). Достоинство: малый размер и небольшие требования к аппаратуре;
Z shell (zsh) - мощная современная оболочка. Она почти полностью совместима с bash, но имеет преимущества, такие как улучшенное завершение на клавишу Tab (англ. tab completion), автоматическое исправление опечаток и огромное количество разработанных сообществом плагинов. К слову, именно она по умолчанию используется в macOS.
friendly interactive shell (fish) - удобная оболочка, которая "из коробки" имеет подсветку синтаксиса, автодополнения, генерируемые из мануалов, и т. п. Из минусов нужно выделить несовместимость со спецификацией POSIX sh;
et cetera.

Командная оболочка прописана в стандарте POSIX и необходима для работы системы. В Linux for yourself список оболочек содержится в файле /etc/shells.

Далее идёт графика. О ней можно говорить очень много, ибо тема довольно объёмная, но я опишу всё вкратце.

Состоит из следующих компонентов:

Display Server - дисплейный сервер;
Display Manager (DM) - дисплейный менеджер;
Desktop Manager (DE) - рабочее окружение.

Рабочее окружение (DE) можно разделить на следующее:

WM (Window Manager) - программа, которая управляет отображением окон в системе GUI (Graphic User Interface) - графическом интерфейсе пользователя;
Средство запуска ПО;
Панель, на которой располагаются апплеты/виджеты:
средство запуска приложений;
апплет переключения между открытыми окнами;
апплет системного трея;
другие апплеты/виджеты по усмотрению пользователя.
Файловый менеджер, задача которого - не только работа с файлами, но и управление иконками на рабочем столе;
Менеджер обоев рабочего стола;
Приложения по умолчанию (эмулятор терминала, файловый менеджер (см. по списку выше), настройки системы и рабочего окружения, et cetera);
et cetera.

Example

Хочу заострить ваше внимание на том, что оконный менеджер, панель и некоторые другие компоненты можно использовать и отдельно от рабочего окружения. Например, оконные менеджеры Fluxbox, Openbox, i3-wm, Awesome, Sway и др. используются отдельно от DE. Также существуют отдельные файловые менеджеры, которые так же поставляются отдельно от рабочего окружения.

Предупреждение

Не путайте понятия "рабочий стол" и "рабочее окружение". Хотя эти два термина похожи, но значения немного разные.

Теперь описание компонентов графики.

Display server⚓︎

Дисплейный сервер - программа, отвечающая за координацию ввода и вывода своих клиентов с ОС, а также между оборудованием и ОС. Именно благодаря Display Server вы используете Linux в графическом режиме, а не в TTY. Когда говорят "дисплейный сервер", нередко имеют ввиду Xorg, Wayland, Mir и прочие.

Display Manager⚓︎

Первая программа, которая запускается при старте графики. Её основные задачи:

запросить аутентификационные данные нужного пользователя (имя, пароль или отпечаток пальца);
выбрать, какую среду рабочего стола запустить.

Примеры DM:

LightDM;
XDM;
GDM (из состава GNOME);
SDDM (из состава KDE);
TDM (из состава Trinity);
WDM (из состава Window Maker).

Как и упоминалось ранее, дисплейные менеджеры можно использовать и отдельно от DE.

Window Manager⚓︎

Я не случайно начал именно с WM. Во-первых, про DE было сказано выше, а во-вторых, оконный менеджер можно использовать отдельно от всего громоздкого рабочего окружения. Что такое WM было так же сказано выше. Можно выделить три вида оконных менеджеров:

Стековые (плавающие, англ. stacking, floating) следуют классической метафоре, которая на данный момент самая удобная и популярная. Классическое расположение окон, которые могут накладываться и перекрывать друг друга;
Фреймовые (англ. tiling) WM располагают окна в виде фреймов (плиток), эти фреймы не способны перекрывать друг друга, подобное поведение встречается в графическом интерфейсе Windows 1.x. Наиболее удобно использовать такие оконные менеджеры посредством клавиатуры, хотя поддержка мыши во многих из них также присутствует;
Динамические (например, i3wm) - динамически переключаются между двумя режимами, описанными выше (стековый и фреймовый режимы). Поддержка мыши есть в большинстве из них.