Một hệ thống Linux chỉ dễ hiểu khi bạn cắt nó thành ba tầng Máy Linux giống một toà nhà ba tầng A Linux system only becomes understandable once you cut it into three levels

Trừu tượng hoá — quyền được bỏ qua chi tiết Trừu tượng hoá — cho phép mình không biết hết Abstraction — the right to ignore detail

Ward định nghĩa trừu tượng hoá theo lối rất thực dụng: đó là cách nói hoa mỹ cho việc bạn có thể bỏ qua hầu hết chi tiết cấu thành một bộ phận, và thay vào đó tập trung vào mục đích cùng cách vận hành cơ bản của nó.1

Trừu tượng hoá nghĩa là: bạn được phép không biết mọi thứ. Bạn biết cái nút để làm gì là đủ, chưa cần biết bên trong nút có gì. Nhớ nhé: biết để làm gì trước, biết làm bằng cách nào sau.

Ward's definition is pragmatic: abstraction is a fancy way of saying you can ignore most of the details that make up a piece you're trying to understand, and concentrate instead on its basic purpose and operation.1

Component — mảnh phần mềm đã được trừu tượng hoá Component — một mảnh ghép Component — an abstracted piece of software

Trong phần mềm có nhiều tên gọi cho một đơn vị đã được chia nhỏ — subsystem, module, package — nhưng Ward chọn từ component cho chương này vì nó đơn giản.1 Điểm đáng nhớ: khi dựng một component, lập trình viên thường không bận tâm cấu trúc bên trong của các component khác, mà chỉ quan tâm dùng được gì và dùng ra sao.1

Một component là một mảnh ghép làm xong một việc. Người làm mảnh này không cần mở mảnh kia ra xem bên trong — chỉ cần biết cách lắp vào nhau. Nhớ nhé: mảnh ghép chỉ cần khớp mép, không cần giống ruột.

Software has many names for an abstracted subdivision — subsystem, module, package — but Ward picks component for this chapter because it is simple.1 The point to keep: when building a component, developers typically don't think much about the internal structure of other components, only about which ones they can use and how.1

Ba tầng — phần cứng, nhân, không gian người dùng Ba tầng: máy, nhân, chương trình The three levels — hardware, kernel, user space

Hình 1-1 trong sách vẽ đúng ba tầng đó. Đáy là phần cứng: bộ nhớ, một hoặc nhiều CPU để tính toán và đọc/ghi bộ nhớ, cùng các thiết bị như đĩa và giao diện mạng. Trên đó là nhân, lõi của hệ điều hành. Trên cùng là không gian người dùng, tập hợp các tiến trình đang chạy.1

Tầng dưới cùng là máy thật: bộ xử lý, bộ nhớ, đĩa, dây mạng. Tầng giữa là nhân — người điều phối. Tầng trên là các chương trình đang chạy. Nhớ nhé: đếm từ dưới lên — máy, nhân, chương trình.

Figure 1-1 in the book draws exactly those three. At the base is hardware: memory, one or more CPUs to compute and to read from and write to memory, plus devices such as disks and network interfaces. Above it sits the kernel, the core of the operating system. On top is user space, the collection of running processes.1

Ward mô tả nhân bằng một câu rất gọn mà đáng thuộc: nhân là phần mềm nằm trong bộ nhớ, bảo CPU tìm tác vụ kế tiếp ở đâu; nó đóng vai trung gian, quản lý phần cứng — đặc biệt là bộ nhớ chính — và là giao diện chính giữa phần cứng với mọi chương trình đang chạy.1

Bộ nhớ chính — nơi mọi thứ thật sự tồn tại Bộ nhớ — chỗ mọi thứ đang nằm Main memory — where everything actually lives

Trong tất cả phần cứng, Ward coi bộ nhớ chính có lẽ là quan trọng nhất. Ở dạng thô nhất, nó chỉ là một vùng lưu trữ lớn chứa các số 0 và 1; mỗi ô chứa một 0 hoặc 1 gọi là một bit. Nhân và các tiến trình đều cư trú ở đó — chúng chỉ là những tập hợp bit rất lớn. CPU, theo cách nói của ông, chỉ là một toán tử trên bộ nhớ: đọc lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ rồi ghi dữ liệu trở lại.1

Bộ nhớ là một cái bảng khổng lồ toàn số 0 và 1. Mỗi ô là một bit. Nhân và mọi chương trình đều đang nằm trên bảng đó. CPU chỉ làm hai việc: đọc bảng và viết lên bảng. Nhớ nhé: mọi thứ đang chạy đều đang nằm trong bộ nhớ.

Of all the hardware, Ward considers main memory perhaps the most important. In its rawest form it is just a big storage area for 0s and 1s; each slot for a 0 or 1 is a bit. The kernel and the processes all reside there — they are just big collections of bits. A CPU, in his phrasing, is just an operator on memory: it reads its instructions and data from memory and writes data back out to it.1

Quản lý tiến trình — chia lượt CPU Chia lượt cho từng chương trình Process management — sharing out the CPU

Quản lý tiến trình mô tả việc khởi động, tạm dừng, tiếp tục, lập lịch và kết thúc tiến trình.1 Với một CPU một lõi, nhiều tiến trình có thể dùng CPU nhưng chỉ một tiến trình thật sự dùng nó tại một thời điểm: mỗi tiến trình dùng CPU trong một phần nhỏ của giây rồi tạm dừng, tiến trình khác tới lượt, và cứ thế. Hành động một tiến trình nhường quyền điều khiển CPU cho tiến trình khác gọi là context switch (chuyển ngữ cảnh).1

Máy trông như đang chạy nhiều chương trình cùng lúc, nhưng thật ra chúng thay phiên nhau rất nhanh — nhanh đến mức mắt người không kịp thấy. Mỗi lần đổi phiên gọi là chuyển ngữ cảnh. Nhớ nhé: không phải cùng lúc, mà là thay phiên siêu nhanh.

Process management covers the starting, pausing, resuming, scheduling and terminating of processes.1 On a one-core CPU, many processes may be able to use the CPU but only one actually uses it at any given time: each runs for a small fraction of a second, then pauses, then another takes a turn. One process giving up control of the CPU to another is called a context switch.1

Quản lý bộ nhớ — MMU và bộ nhớ ảo Chia chỗ trong bộ nhớ Memory management — the MMU and virtual memory

Nhân phải quản lý bộ nhớ trong lúc chuyển ngữ cảnh, và đây là việc phức tạp vì phải thoả nhiều điều kiện cùng lúc: nhân có vùng riêng mà tiến trình người dùng không chạm được; mỗi tiến trình có phần bộ nhớ riêng; tiến trình này không được đọc vùng riêng của tiến trình kia; nhưng tiến trình có thể chia sẻ bộ nhớ; một phần bộ nhớ có thể chỉ đọc; và hệ thống có thể dùng nhiều bộ nhớ hơn lượng vật lý sẵn có bằng cách mượn dung lượng đĩa.1

Nhân phải chia bộ nhớ sao cho mỗi chương trình có chỗ riêng, không ai ngó vào chỗ của ai, nhưng vẫn cho phép hai chương trình dùng chung một chỗ khi cần. Nhớ nhé: mỗi chương trình một phòng riêng, có khoá.

The kernel must manage memory during a context switch, and it is complex because several conditions must hold at once: the kernel has a private area user processes can't access; each process gets its own section; one process may not access another's private memory; yet processes can share memory; some process memory can be read-only; and the system can use more memory than is physically present by using disk space as auxiliary.1

Ward hẹn quay lại cách xem hiệu năng bộ nhớ ở Chương 8.1

Ward defers how to inspect memory performance to Chapter 8.1

Trình điều khiển thiết bị — một giao diện thống nhất Nói chuyện với thiết bị Device drivers — one uniform interface

Vai trò của nhân với thiết bị tương đối đơn giản. Một thiết bị thường chỉ truy cập được ở chế độ nhân, vì truy cập sai — chẳng hạn một tiến trình người dùng đòi tắt nguồn — có thể làm sập máy.1 Khó khăn đáng kể là các thiết bị hiếm khi có cùng giao diện lập trình, ngay cả khi chúng làm cùng một việc, ví dụ hai card mạng khác hãng.1

Mỗi loại thiết bị nói một “thứ tiếng” khác nhau. Trình điều khiển là người phiên dịch, để chương trình chỉ cần học một thứ tiếng duy nhất. Nhớ nhé: trình điều khiển là người phiên dịch của máy.

The kernel's role with devices is relatively simple. A device is typically accessible only in kernel mode, because improper access — a user process asking to turn off the power, say — could crash the machine.1 The notable difficulty is that different devices rarely share a programming interface even when they perform the same task, for example two different network cards.1

Lời gọi hệ thống — cách tiến trình nhờ nhân Chương trình xin phép nhân System calls — how a process asks the kernel

Lời gọi hệ thống (syscall) thực hiện những tác vụ mà một tiến trình người dùng đơn lẻ không làm tốt hoặc không làm được: mở, đọc và ghi tệp đều cần lời gọi hệ thống.19 Hai lời gọi đặc biệt quan trọng để hiểu tiến trình khởi động ra sao là fork() và exec(): khi một tiến trình gọi fork(), nhân tạo một bản sao gần như y hệt của tiến trình đó; khi nó gọi exec(program), nhân nạp và khởi chạy program, thay thế tiến trình hiện tại.123

Chương trình không tự làm được mọi thứ, nên nó phải nhờ nhân. Lời nhờ đó gọi là lời gọi hệ thống. Có hai lời nhờ nổi tiếng: một cái tự nhân đôi mình ra, một cái biến bản sao đó thành chương trình khác. Nhớ nhé: nhân đôi rồi hoá thân — đó là cách chương trình mới ra đời.

System calls (syscalls) perform tasks a user process alone cannot do well or at all: opening, reading and writing files all involve system calls.19 Two are especially important for understanding how processes start — fork() and exec(): when a process calls fork(), the kernel creates a nearly identical copy of it; when it calls exec(program), the kernel loads and starts program, replacing the current process.123

Ba mức dịch vụ trong không gian người dùng Ba nấc trong tầng trên cùng Three service levels inside user space

Dưới mắt nhân, mọi tiến trình về cơ bản là như nhau; nhưng chúng làm những việc khác nhau cho người dùng, nên vẫn có một cấu trúc mức dịch vụ sơ khởi. Hình 1-3 xếp dịch vụ cơ bản ở dưới cùng (gần nhân nhất), dịch vụ tiện ích ở giữa, và ứng dụng mà người dùng chạm vào ở trên cùng.1

Trong tầng trên cùng lại có ba nấc nhỏ: nấc dưới là các việc lặt vặt đơn giản, nấc giữa là dịch vụ lớn hơn như in ấn hay cơ sở dữ liệu, nấc trên là thứ bạn bấm vào. Nhớ nhé: càng lên cao càng gần tay bạn.

From the kernel's point of view all processes are essentially equal; but they do different jobs for users, so a rudimentary service-level structure exists. Figure 1-3 places basic services at the bottom (closest to the kernel), utility services in the middle, and the applications users touch at the top.1

Vì sao trình duyệt sập mà máy vẫn sống Một chương trình hỏng không làm hỏng cả máy Why a browser can crash and the machine survives

Vùng bộ nhớ chỉ nhân chạm được gọi là kernel space. Ngược lại, chế độ người dùng giới hạn truy cập vào một tập con bộ nhớ (thường khá nhỏ) và các thao tác CPU an toàn. Nếu một tiến trình mắc lỗi và sập, hậu quả bị giới hạn và nhân dọn dẹp được — nên trình duyệt của bạn sập thì phép tính khoa học chạy nhiều ngày trong nền nhiều khả năng vẫn sống.1

Mỗi chương trình chỉ được chơi trong sân của nó. Nếu nó ngã, nó ngã một mình; nhân dọn dẹp rồi mọi thứ chạy tiếp. Nhớ nhé: sân riêng thì tai nạn cũng riêng.

The memory area only the kernel can access is called kernel space. User mode, by contrast, restricts access to a (usually quite small) subset of memory and to safe CPU operations. If a process makes a mistake and crashes, the consequences are limited and the kernel can clean up — so if your web browser crashes, the scientific computation that has been running for days in the background probably survives.1

Có một ngoại lệ đáng nhớ: nhân Linux có thể chạy kernel thread — trông rất giống tiến trình nhưng truy cập được kernel space; kthreadd và kblockd là hai ví dụ.1

One exception is worth remembering: the Linux kernel can run kernel threads — they look much like processes but have access to kernel space; kthreadd and kblockd are examples.1

Người dùng tồn tại để dựng ranh giới Người dùng là để phân chia ranh giới Users exist to draw boundaries

Ward nói rõ mục đích: người dùng tồn tại chủ yếu để hỗ trợ quyền và ranh giới. Mỗi tiến trình trong không gian người dùng có một người dùng sở hữu, và ta nói tiến trình “chạy dưới danh nghĩa” người đó. Một người dùng có thể kết thúc hoặc thay đổi hành vi tiến trình của chính mình — trong giới hạn nhất định — nhưng không thể can thiệp vào tiến trình của người khác.1

Mỗi chương trình đang chạy đều thuộc về một ai đó. Bạn tắt được chương trình của mình, nhưng không tắt được chương trình của người khác. Nhớ nhé: của ai người nấy quản.

Ward is explicit about the purpose: users exist primarily to support permissions and boundaries. Every user-space process has a user owner and is said to run as that owner. A user may terminate or modify the behaviour of its own processes — within limits — but cannot interfere with another user's processes.1

root — ngoại lệ, và vì sao đó là gánh nặng root — người được làm mọi thứ root — the exception, and why it is a burden

Người dùng quan trọng nhất cần biết là root. root là ngoại lệ của các quy tắc vừa nêu: root có thể kết thúc và thay đổi tiến trình của người dùng khác, và truy cập mọi tệp trên hệ thống cục bộ — vì vậy root được gọi là superuser. Người có thể thao tác với tư cách root là quản trị viên trên một hệ thống Unix truyền thống.1

root là “chìa khoá vạn năng”: mở được mọi cửa. Nghe thì oai, nhưng cầm chìa vạn năng thì lỡ tay là hỏng thật. Nhớ nhé: quyền càng to càng phải cẩn thận.

The most important user to know is root. root is the exception to the rules just given: it may terminate and alter other users' processes and access any file on the local system — which is why root is known as the superuser. A person who can operate as root is an administrator on a traditional Unix system.1