Глубокое погружение в GNU/Linux: как это работает внутри

Введение

Если вы когда-нибудь хотели разобраться, что заставляет GNU/Linux работать, вы попали по адресу. Я уже годы вожусь с этой системой, и для тех, кто любит копаться в технологиях, это настоящая находка. GNU/Linux — это не просто одна штука, это сочетание ядра Linux и набора ПО от GNU, которые вместе запускают всё — от крошечных Raspberry Pi до огромных серверов. В этой статье я разберу технические детали: ядро, инструменты GNU, файловая структура, файловые системы, программирование и даже графика. Никакой воды — только суть, объяснённая так, как я бы рассказал другу за чашкой кофе. Поехали!

Ядро Linux: основа системы

Ядро Linux — это основа GNU/Linux. Оно отвечает за связь с вашим оборудованием — процессором, оперативкой, диском, сетевой картой — и делает так, чтобы программы могли это использовать. Без ядра ваша система — просто бесполезная коробка.

Когда вы включаете машину с GNU/Linux, ядро стартует после того, как загрузчик (например, GRUB) передаёт ему управление. Оно инициализирует оборудование, загружает драйверы и настраивает управление памятью. Например, оно определяет, сколько у вас оперативки, и распределяет её между процессами. Ещё оно управляет многозадачностью — если вы запускаете Firefox и плеер, ядро переключается между ними так быстро, что вы этого не замечаете.

Драйверы тут играют важную роль. Это куски кода, которые позволяют ядру общаться с конкретным оборудованием, например, с Wi-Fi или SSD. Большинство встроены в ядро или загружаются как модули. Скажем, я подключаю USB-флешку, ядро видит её через модуль usb-storage и делает доступной.

Ядро также предоставляет системные вызовы — это как крючки, которыми пользуются инструменты GNU. Хотите открыть файл? Системный вызов open() говорит ядру это сделать. Так ядро Linux и компоненты GNU держатся вместе. Пример из жизни: когда я загружаю свой Arch Linux, ядро подключает драйвер intel_pstate для управления питанием процессора, а потом передаёт управление системе init (например, systemd), которая дружит с GNU.

Компоненты GNU: основа пользовательского пространства

Ядро — это здорово, но без инструментов для работы с ним оно бесполезно. Тут на сцену выходит GNU. Проект, начатый Ричардом Столлманом в 1983 году, создал набор ПО для работы с ядром — Linux заполнил этот пробел в 1991-м.

Ключевые части GNU — это coreutils (команды вроде ls, cp, mv), bash (оболочка, куда я ввожу команды), glibc (библиотека C, связывающая программы с ядром) и GCC (компилятор для сборки софта). Всё это живёт в «пользовательском пространстве» — области над ядром, где работают программы пользователя.

Возьмём bash. Когда я ввожу ls -l (на некоторых системах это dir, но GNU использует ls), это программа из coreutils, которая через glibc вызывает системный вызов readdir(), чтобы показать файлы. Ядро берёт данные из файловой системы и возвращает их. Это замкнутый цикл: инструменты GNU просят, ядро выполняет.

Пример: я пишу программу на C, которая выводит «Привет, мир!» с помощью GCC. Код такой:

#include <stdio.h>
int main() {
    printf("Привет, мир!\n");
    return 0;
}

Компилирую её командой gcc hello.c -o hello, и GCC через glibc подключает функции ядра, вроде write() для вывода. Запускаю ./hello, и ядро выводит текст. GNU и Linux тут как команда — один делает инструменты, другой их запускает.

Файловая структура и файловые системы

В GNU/Linux всё организовано в единой файловой иерархии, начиная с /. Это стандарт иерархии файловой системы (FHS), карта того, где что лежит. Вот основные директории:

• /bin: основные утилиты, вроде ls и cat.
• /etc: файлы конфигурации, например, /etc/passwd с данными о пользователях.
• /usr: программы и библиотеки для пользователей.
• /var: логи и временные файлы.
• /home: домашние папки пользователей.

Тут нет отдельных дисков, как C: или D: в Windows — всё под /. Например, мой внешний диск может быть примонтирован в /mnt/usb, и ядро это обрабатывает.

Файловые системы — это способ хранения данных. Ядро поддерживает кучу вариантов: ext4 (стандарт для большинства дистрибутивов), Btrfs (удобно для снимков), XFS (быстро для больших файлов). У каждой своя структура — например, ext4 использует иноды для отслеживания файлов. Когда я монтирую диск командой mount /dev/sdb1 /mnt/usb, ядро читает суперблок (кусок метаданных) и открывает доступ.

Попробуйте: выполните ls /etc, чтобы посмотреть конфиги. Отредактируйте /etc/fstab, чтобы диск монтировался при загрузке — ядро читает этот файл через инструменты GNU, такие как mount.

Программирование в GNU/Linux

Программировать в GNU/Linux — одно удовольствие, потому что всё открыто. Ядро предоставляет системные вызовы — read(), write(), fork() — а glibc оборачивает их для программ на C. Вот простая программа для чтения файла:

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    char buf[100];
    read(fd, buf, 99);
    write(1, buf, 99); // 1 = stdout
    close(fd);
    return 0;
}

Компилирую её с gcc read.c -o read, запускаю, и она выводит содержимое test.txt. Ядро тут всё делает — open() создаёт дескриптор файла, read() берёт данные с диска.

Скрипты на bash — ещё одна фишка. Вот проверка использования диска:

#!/bin/bash
df -h | grep '/dev/sda1' | awk '{print $5}'

Делаю chmod +x disk.sh, затем ./disk.sh, и вижу, сколько занято на корневом разделе. Bash опирается на инструменты GNU (df, grep, awk), а те — на ядро.

Графика и системы отображения

Графика в GNU/Linux работает через X11 или Wayland. X11 — это классика, сервер, который общается с фреймбуфером ядра (например, /dev/fb0) или драйверами GPU, такими как intel или nvidia. Wayland — новее, работает напрямую с DRM (Direct Rendering Manager) ядра для плавного рендеринга.

Драйверы GPU важны. Открытые (как intel) — это модули ядра, а проприетарные (как от NVIDIA) добавляют свои слои. Чтобы проверить X11, запускаю startx с простым .xinitrc — открывается окно через графический стек ядра.

Сборка всего вместе: день из жизни

Загружаете систему: GRUB запускает ядро, оно инициализирует оборудование и монтирует / (например, ext4 на /dev/sda1). Система init (systemd, дружащая с GNU) запускает службы из /etc. Вы входите через bash, компилируете программу с gcc, открываете Firefox через X11. Ядро управляет процессами, памятью и вводом-выводом, а инструменты GNU делают это удобным. Выключаете машину — ядро сбрасывает данные на диск и отключается.

Установите, например, htop: sudo pacman -S htop (на Arch). Это инструмент GNU, показывающий процессы, которыми управляет ядро — запустите и посмотрите.

Заключение

GNU/Linux крут, потому что ядро и инструменты GNU идеально сливаются. Ядро управляет оборудованием, файловыми системами и процессами, а GNU даёт вам инструменты для контроля. От написания кода на C до настройки графики — это мечта любителя покопаться. Я возвращаюсь к нему снова и снова, потому что это не просто ОС, а площадка, где вы главный.