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 (формат сжатия обычно zlib. Не всегда используется именно это сжатие, иногда можно встретить LZMA или BZIP2, поэтому некоторые ядра называют просто zImage).

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.