Tìm hiểu về Linux Kernel và những chức năng chính của chúng

Với hơn 13 triệu dòng lệnh, Linux kernel là 1 trong những dự án mã nguồn mở rộng lớn nhất trên thế giới, nhưng chính xác chúng là gì và chúng làm gì trong hệ thống?

Kernel là gì?

Khái niệm kernel ở đây nói đến những phần mềm, ứng dụng ở mức thấp (low-level) trong hệ thống, có khả năng thay đổi linh hoạt để phù hợp với phần cứng. Chúng tương tác với tất cả ứng dụng và hoạt động trong chế độ user mode, cho phép các quá trình khác – hay còn gọi là server, nhận thông tin từ các thành phần khác qua inter-process communication (IPC).

Các loại kernel khác nhau

Về bản chất, có nhiều cách để xây dựng cấu trúc và biên dịch 1 bộ kernel nhất định từ đầu. Nhìn chung, với hầu hết các kernel hiện nay, chúng ta có thể chia ra làm 3 loại: monolithic, microkernel, và hybrid. Linux sử dụng kernel monolithic trong khi OS X (XNU) và Windows 7 sử dụng kernel hybrid.

Microkernel:

Microkernel có đầy đủ các tính năng cần thiết để quản lý bộ vi xử lý, bộ nhớ và IPC. Có rất nhiều thứ khác trong máy tính có thể được nhìn thấy, tiếp xúc và quản lý trong chế độ người dùng. Microkernel có tính linh hoạt khá cao, vì vậy bạn không phải lo lắng khi thay đổi 1 thiết bị nào đó, ví dụ như card màn hình, ổ cứng lưu trữ... hoặc thậm chí là cả hệ điều hành. Microkernel với những thông số liên quan footprint rất nhỏ, tương tự với bộ nhớ và dung lượng lưu trữ, chúng còn có tính bảo mật khá cao vì chỉ định rõ ràng những tiến trình nào hoạt động trong chế độ user mode, mà không được cấp quyền như trong chế độ giám sát - supervisor mode.

Ưu điểm:
 - Tính linh hoạt cao
 - Bảo mật
 - Sử dụng ít footprint cài đặt và lưu trữ

Nhược điểm:
 - Phần cứng đôi khi “khó hiểu” hơn thông qua hệ thống driver
 - Phần cứng hoạt động dưới mức hiệu suất thông thường vì các trình điều khiển ở trong chế độ user mode
 - Các tiến trình phải chờ đợi để được nhận thông tin
 - Các tiến trình không thể truy cập tới những ứng dụng khác mà không phải chờ đợi


Monolithic Kernel:

Với Monolithic thì khác, chúng có chức năng bao quát rộng hơn so với microkernel, không chỉ tham gia quản lý bộ vi xử lý, bộ nhớ, IRC, chúng còn can thiệp vào trình điều khiển driver, tính năng điều phối file hệ thống, các giao tiếp qua lại giữa server... Monolithic tốt hơn khi truy cập tới phần cứng và đa tác vụ, bởi vì nếu 1 chương trình muốn thu thập thông tin từ bộ nhớ và các tiến trình khác, chúng cần có quyền truy cập trực tiếp và không phải chờ đợi các tác vụ khác kết thúc. Nhưng đồng thời, chúng cũng là nguyên nhân gây ra sự bất ổn vì nhiều chương trình chạy trong chế độ supervisor mode hơn, chỉ cần 1 sự cố nhỏ cũng khiến cho cả hệ thống mất ổn định.

Ưu điểm:
 - Truy cập trực tiếp đến các phần cứng
 - Dễ dàng xử lý các tín hiệu và liên lạc giữa nhiều thành phần với nhau
 - Nếu được hỗ trợ đầy đủ, hệ thống phần cứng sẽ không cần cài đặt thêm driver cũng như phần mềm khác
 - Quá trình xử lý và tương tác nhanh hơn vì không cần phải chờ đợi

Nhược điểm:
 - Tiêu tốn nhiều footprint cài đặt và lưu trữ
 - Tính bảo mật kém hơn vì tất cả đều hoạt động trong chế độ giám sát - supervisor mode

Hybrid Kernel: 

Khác với 2 loại kernel trên, Hybrid có khả năng chọn lựa và quyết định những ứng dụng nào được phép chạy trong chế độ user hoặc supervisor. Thông thường, những thứ như driver và file hệ thống I/O sẽ hoạt động trong chế độ user mode trong khi IPC và các gói tín hiệu từ server được giữ lại trong chế độ supervisor. Tính năng này thực sự rất có ích vì chúng đảm bảo tính hiệu quả của hệ thống, phân phối và điều chỉnh công việc phù hợp, dễ quản lý.

Ưu điểm:
 - Các nhà phát triển có thể chọn và phân loại những ứng dụng nào sẽ chạy trong chế độ thích hợp
 - Sử dụng ít footprint hơn so với monolithic kernel
 - Có tính linh hoạt và cơ động cao nhất

Nhược điểm:
 - Có thể bị bỏ lại trong quá trình gây treo hệ thống tương tự như với microkernel
 - Các trình điều khiển thiết bị phải được quản lý bởi người dùng

Vậy những file Linux Kernel này ở đâu?

Các file kernel này, trong Ubuntu chúng được lưu trữ tại thư mục /boot và đặt tên theo vmlinuz-version. Khi bộ nhớ ảo bắt đầu được phát triển để thực hiện các tác vụ đa luồng, tiền tố vm sẽ được đặt vào đầu các file kernel để phân biệt khả năng hỗ trợ công nghệ ảo hóa. Kể từ đó, Linux kernel được gọi là vmlinux, nhưng hệ thống kernel này đã phát triển với tốc độ quá nhanh, lớn hơn so với dung lượng bộ nhớ boot chuẩn của hệ điều hành, vì vậy những file kernel này đã được nén theo chuẩn zlib – và ký tự z được thêm vào là do như vậy. Ngoài ra còn 1 số định dạng nén thường gặp khác là LZMA hoặc BZIP2, nhưng chúng vẫn được gọi chung là zImage.

Các phiên bản được sắp xếp thứ tự theo định dạng A.B.C.D, trong đó A.B thường là 2.6, C đại diện cho phiên bản, và D là ký hiệu các bản vá lỗi hoặc patch:

Trong thư mục /boot còn có rất nhiều file quan trọng khác như, initrd.img-version, system.map-version, và config-version. File initrd được dùng như 1 ổ đĩa RAM để giải nén và kích hoạt các file kernel thực sự, còn file system.map được dùng để quản lý bộ nhớ trước khi kernel được tải đầy đủ, và file config làm nhiệm vụ thông báo cho kernel biết những lựa chọn hoặc module nào sẽ được nạp vào quá trình hệ thống khởi động.

Cấu trúc file Linux Kernel

Thực tế, Windows đã có tất cả các trình điều khiển sẵn có và người sử dụng chỉ việc kích hoạt các trình điều khiển tương ứng để sử dụng. Và đó cũng chính là nhiệm vụ các module kernel Linux đảm nhiệm, hay còn được gọi là loadable kernel module (LKM), rất cần thiết để giữ các chức năng đi kèm với toàn bộ hệ thống phần cứng hoạt động mà không ảnh hưởng đến bộ nhớ. 1 module thông thường sẽ gán chức năng cơ bản tới các kernel như điều khiển driver, file hệ thống... LKM có phần đuôi mở rộng là .ko và được lưu trữ trong thư mục /lib/modules, người sử dụng có thể thiết lập thuộc tính tự khởi động, cho phép tải hoặc không trong khi hệ điều hành khởi động, bằng cách dùng lệnh menuconfig, can thiệp vào file /boot/config, hoặc bằng cách sử dụng lệnh modprobe.

Các module của các hãng thứ 3 thường có sẵn trên 1 số distributor, ví dụ như Ubuntu, hoặc không được tích hợp sẵn ở chế độ mặc định. Các nhà phát triển phần mềm (ví dụ nVidia, ATI hoặc các hãng khác), không cung cấp mã nguồn nhưng họ đã tự xây dựng và biên dịch các module cần thiết, sau đó cung cấp cho người sử dụng file .ko. Và tất nhiên, có nhiều module hoàn toàn miễn phí, trong khi một số khác thì không.

Như vậy, các bạn đã có thể hình dung được sự quan trọng của kernel. Kernel của Linux khác hẳn so với Mac OS X và Windows bởi trình điều khiển driver cũng như cách thức quản lý và hỗ trợ khác. Trên đây là 1 số thông tin cơ bản và cần thiết giúp mọi người có thể hiểu được kernel là gì, chúng hoạt động như thế nào và tại sao chúng lại cần thiết như vậy. Chúc các bạn thành công!

T.Anh (theo HowToGeek)