Linux: architettura di base

Che lo abbiate installato su una macchina virtuale di VirtualBox oppure direttamente sul vostro PC, da un liveCD oppure da Windows usando Wubi, è arrivato il momento di guardare da vicino come funziona un sistema operativo Linux.

Linux è un sistema operativo multitasking e multiutente, ossia può gestire più processi e più utenti contemporaneamente (un processo è l'unita minima di elaborazione di un programma).

Il cuore di un sistema operativo è il kernel. Quello di Linux si occupa solamente di una cosa: eseguire processi sfruttando le risorse hardware della macchina su cui gira. Tutto il resto, dai servizi di sistema all'interfaccia grafica, è ottenuto facendo girare un programma. Il kernel di per se non offre nessuno di questi servizi: non offre ad esempio funzionalità per copiare i file, non offre un'interfaccia utente, ne di testo ne di tipo grafico.

Quando usate un'interfaccia grafica come Gnome o KDE, queste non sono funzionalità offerte dal kernel, bensì normalissimi programmi esterni al kernel, al pari di un OpenOffice.org o Firefox. Ecco perché in Linux potete scegliere più interfacce grafiche, è semplicemente un programma come tutti gli altri. In Windows invece l'interfaccia grafica è integrata nel sistema operativo, ed in alcune versioni, anche il browser per la navigazione Internet.

Quando diciamo Linux poi, non stiamo riferendoci all'intero sistema operativo, ma solo al kernel. Sfruttando i servizi che questi mette a disposizione, una moltitudine di programmi si occupa di fornire tutte le funzionalità che ci si aspetta da un moderno sistema operativo. Questi programmi arrivano direttamente, o derivano in qualche modo, dal progetto GNU della Free Software Foundation: ecco perché in generale si parla di sistema operativo GNU/Linux.

Infine, quella che comunemente viene chiamata distribuzione, Debian, Ubuntu, openSUSE, RedHat solo per fare qualche nome fra le più conosciute, è l'insieme del sistema operativo GNU/Linux più una raccolta coerente di programmi usati dagli utenti per le loro normali attività: programmi di grafica, produttività personale, navigazione Internet, player audio/video e così via.

Da qui in poi però, per semplificarci la vita, un sistema operativo GNU/Linux continueremo a chiamarlo con il solo termine Linux.

Ok, accordatici sulla terminologia da usare, torniamo ora ad occuparci del kernel vedendo quali sono le poche ma fondamentali mansioni che svolge per darci l'unico servizio che offre: eseguire processi, l'unità minima di elaborazione di un programma. Queste mansioni sono svolte dalle tre sottosezioni del KERNEL visibili in fig. 1:


fig. 1

- gestione dei processi tramite lo Scheduler.
Questa parte del kernel si occupa di tutto ciò che riguarda la gestione di un processo, ad esempio di stabilire l'ordine di esecuzione dei processi, l'esecuzione stessa, la sospensione dell'elaborazione, la ripresa, lo stop e così via.

- gestione della memoria tramite il Virtual Memory (VM).
La memoria fisica non è liberamente accessibile ai processi. E' il VM che, anche con l'aiuto del Memory Management Unit (MMU), apposita unità presente direttamente nell'hardware dei microprocessori, rimappa opportunamente quella fisica in uno spazio virtuale che rende disponibile al processo. In questo modo, ogni processo non accede mai alla memoria reale del sistema, ma solo a quella resagli disponibile dal VM.

Sigillato all'interno del suo spazio di memoria, il processo non può creare problemi accedendo per sbaglio allo spazio di un altro processo (chi ha usato le prime versioni di Windows, sa quanto fossero frequenti i blocchi dell'intero sistema causati proprio da problemi di questo tipo). Quando la memoria RAM poi per qualche motivo diventa insufficiente, è sempre il VM a gestire lo swap, lo spostamento cioè di parti della memoria sul disco fisso per liberare spazio.

- gestione delle periferiche tramite i Driver.
Questa indicazione generica è relativa a quella parte del kernel che si occupa di accedere alle periferiche rendendole disponibili ai programmi. La particolarità di questa sezione è che fornisce un modalità comune (un'interfaccia) di accesso a periferiche anche molto diverse fra loro, porte seriali, dischi rigidi, scheda audio tanto per fare degli esempi, trattandole tutte come se fossero dei file; da qui uno dei motti di Linux: tutto è un file. Vedremo successivamente come ciò sia possibile e i vantaggi di questo approccio.

Ecco, questa è in estrema sintesi l'architettura di un sistema Linux, giusto per iniziare a capire; in realtà le cose sono ben più complesse, provate a dare un'occhiata a questa mappa interattiva del kernel di Linux e vi renderete conto.

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