Jak funguje Linux kernel a jeho komponenty

[zapotocnylubos]

1. Architektura kernelu

Základ pro pochopení všeho ostatního – jak je kernel strukturovaný jako celek.

• Monolitický kernel vs mikrokernel – design rozhodnutí, trade-offy
• Subsystémy kernelu – přehled a vztahy mezi nimi
• Kernel modules – dynamické načítání ovladačů, insmod, lsmod, modprobe
• Kernel build systém – jak se kernel kompiluje, Kconfig
• 🔢 Příklad: načtení a odebrání jednoduchého kernel modulu

2. Kernel/Userspace přechody do hloubky

Hlubší pohled na hranici – staví na znalosti syscallů.

• Syscall tabulka – jak kernel mapuje čísla na handlery
• vDSO – proč gettimeofday() nevyžaduje přechod do kernelu
• Kernel stack vs user stack – každý proces má dva zásobníky
• 🔢 Příklad: sledování syscallů reálného programu pomocí strace, měření overhead přechodu

3. Device Drivers

Jak kernel komunikuje s hardwarem.

• Driver model – struct device, struct driver, device tree
• Typy ovladačů – char, block, network – rozdíly a použití
• Interrupt handlery – top half vs bottom half (softirq, tasklet, workqueue)
• DMA – přímý přístup do paměti bez CPU
• 🔢 Příklad: jednoduchý char driver – registrace, otevření, čtení, zápis

4. Síťový stack

Cesta paketu kernelem – od NIC po userspace socket.

• Příjem paketu – NIC → DMA → ring buffer → NAPI
• Zpracování v kernelu – L2, L3, L4 vrstvy
• Netfilter – kde a jak iptables/nftables zachytávají pakety
• Socket API – jak userspace čte data ze síťového stacku
• 🔢 Příklad: sledování cesty paketu pomocí tcpdump a netfilter hooks

5. Block layer

Vrstva mezi VFS a fyzickým diskem – studenti znají VFS, tohle je co je pod ní.

• Block layer architektura – bio, request queue
• I/O scheduler – jak kernel řadí požadavky na disk (mq-deadline, bfq)
• Page cache a dirty pages – kdy se data skutečně zapíší na disk
• Direct I/O vs buffered I/O
• 🔢 Příklad: sledování I/O požadavků pomocí blktrace

6. Kernel alokátory

Jak kernel sám spravuje paměť – hlubší než user-space správa.

• Buddy allocator – správa fyzických stránek, fragmentace
• Slab allocator – efektivní alokace malých objektů, cache reuse
• vmalloc vs kmalloc – kdy co použít
• 🔢 Příklad: sledování využití slab cache pomocí /proc/slabinfo

7. Synchronizace v kernelu do hloubky

Nad rámec mutexů a spinlocků které studenti znají.

• Atomic operace – základ všeho ostatního
• RCU (Read-Copy-Update) – lock-free čtení sdílených dat
• Seqlock – optimalizace pro časté čtení, vzácný zápis
• Memory bariéry – proč pořadí paměťových operací není garantováno
• 🔢 Příklad: porovnání výkonu RCU vs mutex na konkrétním scénáři

[zapotocnylubos]

navazuje na #63