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!