Linux-Kernelprogrammierung

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Linux Specials

Michael Beck, Harald Böhme, Mirko Dziadzka, Ulrich Kunitz, Robert Magnus, Claus Schröter, Dirk Verworner Linux-Kernelprogrammierung Algorithmen und Strukturen der Version 2.4 6., aktualisierte und erweiterte Auflage Bitte beachten Sie: Der originalen Printversion liegt eine CD-ROM bei. In der vorliegenden elektronischen Version ist die Lieferung einer CD-ROM nicht enthalten. Alle Hinweise und alle Verweise auf die CD-ROM sind ungültig. ADDISON-WESLEY An imprint of Pearson Education München Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

Die Deutsche Bibliothek CIP-Einheitsaufnahme Ein Titelsatz für diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich Die Informationen in diesem Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autoren können jedoch für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise sind Verlag und Herausgeber dankbar. Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und Speicherung in elektronischen Medien. Die gewerbliche Nutzung der in diesem Produkt gezeigten Modelle und Arbeiten ist nicht zulässig. Fast alle Hardware- und Softwarebezeichnungen, die in diesem Buch erwähnt werden, sind gleichzeitig eingetragene Warenzeichen oder sollten als solche betrachtet werden. Umwelthinweis: Dieses Buch wurde auf chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschrumpffolie zum Schutz vor Verschmutzung ist aus umweltverträglichem und recyclingfähigem PE-Material. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 04 03 02 01 ISBN 3-8273-1659-6 c 2001 Addison-Wesley Verlag, ein Imprint der Pearson Education Deutschland GmbH Martin-Kollar-Straße 10 12, D-81829 München/Germany Alle Rechte vorbehalten Lektorat: Susanne Spitzer, susanne.spitzer@gmx.net Korrektorat: Friederike Daenecke, Zülpich Produktion: TYPisch Müller, Arcevia, Italien, typmy@freefast.it Satz: Hilmar Schlegel, Berlin Umschlaggestaltung: Hommer DesignProduction, Haar bei München Druck und Verarbeitung: Kösel, Kempten Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 6. Auflage Vorwort der Autoren zur 1. Auflage Vorwort von Linus Torvalds zur 1. Auflage Danksagung xi xi xiii xiv 1 Linux Das Betriebssystem 1 1.1 Wesentliche Eigenschaften 2 1.2 Linux-Distributionen 5 2 Die Übersetzung des Kerns 7 2.1 Wo finde ich was? 7 2.2 Die Übersetzung 10 2.3 Zusätzliche Konfigurationsmöglichkeiten 12 3 Einführung in den Kern 15 3.1 Wichtige Datenstrukturen 19 3.1.1 Die Taskstruktur 19 3.1.2 Die Prozesstabelle 28 3.1.3 Files und Inodes 28 3.1.4 Dynamische Speicherverwaltung 30 3.1.5 Warteschlangen und Semaphore 32 3.1.6 Systemzeit und Zeitgeber (Timer) 34 3.2 Zentrale Algorithmen 34 3.2.1 Signale 34 3.2.2 Hardwareinterrupts 36 3.2.3 Softwareinterrupts 37 3.2.4 Booten des Systems 38 3.2.5 Timerinterrupt 40 3.2.6 Scheduler 43 3.3 Implementierung von Systemrufen 46 3.3.1 Wie funktionieren Systemrufe eigentlich? 46 3.3.2 Beispiele für einfache Systemrufe 48 3.3.3 Beispiele für komplexere Systemrufe 49

vi Inhaltsverzeichnis 4 Die Speicherverwaltung 59 4.1 Das architekturunabhängige Speichermodell 61 4.1.1 Speicherseiten 61 4.1.2 Virtueller Adressraum 61 4.1.3 Übersetzung der linearen Adresse 64 4.1.4 Pagedirectories 65 4.1.5 Die Pagetabelle 68 4.2 Der virtuelle Adressraum eines Prozesses 71 4.2.1 Das Nutzersegment 71 4.2.2 Virtuelle Speicherbereiche 73 4.2.3 Der Systemruf brk 76 4.2.4 Funktionen für das Mapping 77 4.2.5 Das Kernelsegment 77 4.2.6 Speicherreservierung im Kernelsegment während des Bootens 78 4.2.7 Dynamische Speicherreservierung im Kernelsegment 78 4.3 Das Caching der Blockgeräte 82 4.3.1 Blockpuffer 82 4.3.2 Bdflush und Kupdate 84 4.3.3 Die Listenstrukturen des Puffercaches 85 4.3.4 Verwendung des Puffercaches 86 4.4 Paging unter Linux 87 4.4.1 Speicherseitenverwaltung und -cache 90 4.4.2 Speicherseitenreservierung 93 4.4.3 Optimierung der Speicherseitenverwaltung durch Kernelthreads 96 4.4.4 Seitenfehler und das Zurückladen einer Speicherseite 97 5 Interprozesskommunikation 99 5.1 Synchronisation im Kern 101 5.2 Kommunikation über Dateien 107 5.2.1 Das Sperren ganzer Dateien 108 5.2.2 Sperren von Dateibereichen 109 5.3 Pipes 113 5.4 Debugging mit ptrace 116 5.5 System V IPC 119 5.5.1 Zugriffsrechte, Nummern und Schlüssel 119 5.5.2 Semaphore 120 5.5.3 Messagequeues 124 5.5.4 Shared Memory 128

Inhaltsverzeichnis vii 5.5.5 Die Befehle ipcs und ipcrm 131 5.6 IPC mit Sockets 132 5.6.1 Ein einfaches Beispiel 132 5.6.2 Die Implementierung von Unix-Domain-Sockets 137 6 Das Linux-Dateisystem 141 6.1 Grundlagen 142 6.2 Die Repräsentation von Dateisystemen im Kern 144 6.2.1 Das Mounten 146 6.2.2 Der Superblock 147 6.2.3 Superblock-Operationen 149 6.2.4 Der Verzeichniscache 153 6.2.5 DEntry-Operationen 155 6.2.6 Die Inode 156 6.2.7 Inode-Operationen 158 6.2.8 Die File-Struktur 161 6.2.9 File-Operationen 162 6.2.10 Das Öffnen einer Datei 167 6.3 Das Ext2-Dateisystem 170 6.3.1 Der Aufbau des Ext2-Dateisystems 171 6.3.2 Verzeichnisse im Ext2-Dateisystem 174 6.3.3 Blockallokation im Ext2-Dateisystem 174 6.3.4 Erweiterungen des Ext2-Dateisystems 175 6.4 Das Proc-Dateisystem 177 6.4.1 Strukturen des Proc-Dateisystems 177 6.4.2 Implementierung des Proc-Dateisystems 179 7 Gerätetreiber unter Linux 185 7.1 Zeichen- und Blockgeräte 187 7.2 Hardware 188 7.2.1 Port I/O 188 7.2.2 Der PCI-Bus 189 7.2.3 Der Dinosaurier ISA Bus 200 7.2.4 ISA-PnP 209 7.3 Polling, Interrupts und Wait Queues 214 7.3.1 Polling 214 7.3.2 Interruptbetrieb 216 7.3.3 Interrupt Sharing 217 7.3.4 Softwareinterrupts 218 7.3.5 Bottom Halfs die unteren Interrupthälften 219

viii Inhaltsverzeichnis 7.3.6 Task Queues 220 7.3.7 Timer 222 7.4 Die Implementierung eines Treibers 223 7.4.1 Beispiel PC Lautsprechertreiber 223 7.4.2 Ein einfacher Treiber 227 7.4.3 Die Setup-Funktion 228 7.4.4 Init 230 7.4.5 Open und Release 232 7.4.6 Read und Write 233 7.4.7 IOCTL 235 7.4.8 Poll 237 7.4.9 Llseek 240 7.4.10 MMap 240 7.4.11 Fasync 241 7.4.12 Readdir, Fsync 244 7.5 Dynamische und statische Treiber 245 8 Netzwerkimplementierung 247 8.1 Einführung und Überblick 248 8.1.1 Das Schichtenmodell der Netzwerkimplementation 249 8.1.2 Die Reise der Daten 249 8.2 Wichtige Strukturen 254 8.2.1 Die socket-struktur 254 8.2.2 Die Struktur sk_buff Pufferverwaltung im Netzwerk 255 8.2.3 Der INET-Socket spezieller Teil eines Sockets 259 8.2.4 Protokolloperationen in der proto-struktur 263 8.2.5 Die allgemeine Struktur einer Socketadresse 265 8.3 Netzwerkgeräte unter Linux 265 8.3.1 Ethernet 272 8.3.2 SLIP und PLIP 273 8.3.3 Das Loopback-Gerät 273 8.3.4 Das Dummy-Gerät 273 8.3.5 Ein Beispielgerät 274 9 Module und Debugging 277 9.1 Was sind Module? 277 9.2 Implementierung im Kernel 278 9.2.1 Signatur von Symbolen 280 9.3 Bedeutung der Objektsektionen für Module und Kern 281 9.4 Parameterübergabe und Beispiel 283

Inhaltsverzeichnis ix 9.5 Was kann als Modul implementiert werden? 284 9.6 Der Kernel-Dämon 285 9.7 Einfacher Datenaustausch zwischen Modulen 286 9.8 Ein Modulbeispiel 287 9.9 Debugging 288 9.9.1 Änderungen sind der Anfang vom Ende 289 9.9.2 Der beste Debugger printk() 290 9.9.3 Debuggen mit GDB 291 10 Multiprocessing 293 10.1 Die Intel-Mehrprozessorspezifikation 293 10.2 Probleme bei Mehrprozessorsystemen 294 10.3 Änderungen am Kern 295 10.3.1 Initialisierung des Kerns 295 10.3.2 Scheduling 296 10.3.3 Interruptbehandlung 296 10.4 Atomare Operationen 297 10.4.1 Der atomare Datentyp 297 10.4.2 Zugriffe auf den atomaren Datentyp 297 10.4.3 Ändern und Testen von atomaren Variablen 297 10.5 Spinlocks 298 10.5.1 Zutrittsfunktionen 298 10.5.2 Read-Write-Spinlocks 299 Anhang 301 A Systemrufe 301 A.1 Die Prozessverwaltung 302 A.2 Das Dateisystem 350 A.3 Die Kommunikation 385 A.4 Die Speicherverwaltung 388 A.5 Und der ganze Rest 396 B Kernnahe Kommandos 397 B.1 free Übersicht über den Systemspeicher 397 B.2 ps Ausgabe der Prozessstatistik 398 B.3 top Die CPU-Charts 403 B.4 Init Primus inter pares 405 B.5 shutdown das Herunterfahren des Systems 413 B.6 strace Observierung eines Prozesses 415 B.7 Konfiguration des Netzwerk-Interfaces 418

x Inhaltsverzeichnis B.8 traceroute der Ariadnefaden im Internet 419 B.9 Konfiguration einer seriellen Schnittstelle 421 B.10 Konfiguration einer parallelen Schnittstelle 424 B.11 Wir basteln uns einen Verzeichnisbaum 425 C Das Proc-Dateisystem 433 C.1 Das Verzeichnis /proc/ 433 C.2 Das Verzeichnis net/ 440 C.3 Das Verzeichnis self/ 442 C.4 Das Verzeichnis sys/ 446 D Der Boot-Prozess 449 D.1 Der Ablauf des Bootens 449 D.2 LILO der Linux-Lader 451 D.2.1 MS-DOS-MBR startet LILO 451 D.2.2 LILO wird von einem Bootmanager gestartet 452 D.2.3 LILO im Master-Boot-Record 452 D.2.4 LILO-Dateien 453 D.2.5 LILO-Boot-Parameter 457 D.2.6 LILO-Startmeldungen 458 D.2.7 Fehlermeldungen 458 E Nützliche Kernfunktionen 461 Index 483

Vorwort zur 6. Auflage Ein Preisausschreiben an einem Linux-Stand auf der diesjährigen CeBIT fragte, welche Linux-Version der Version 0.95a vorausging. Ich muss zugeben ich weiß es nicht mehr es war jedenfalls nicht 0.94. Das erinnert uns wieder an die Anfänge und das sich schnell verändernde, kreative Chaos, das Linux zu dieser Zeit umgab. Zu dieser Zeit war es für viele Mitentwickler von Linux eine Herausforderung, die Quellen eines Betriebsystems verstehen und modifizieren zu können. Inzwischen hat Linux nicht nur den magischen Versionsmeilenstein 2.4 erreicht, sondern auch in der hart umkämpften Softwarebranche einen festen Platz erobert. An der Herausforderung, einen Betriebsystemkern zu verstehen, hat sich nichts geändert, sie ist nur größer geworden. Viele der seit der letzten Meilensteinversion hinzugefügten Features dienen heute nicht mehr nur der banalen Funktion eines Betriebssystems, sondern es kommen mehr und mehr Funktionalitäten hinzu, die Kompatibilitäten zu großen Softwareprodukten ermöglichen, der Unterstützung neuer Hardware oder der Verbesserung der Performance des Systems dienen. Aber auch die 2.4 Version bietet wieder spannende neue Konzepte wie die IP-Tables oder verbessertes Plug-and-Play. Wie mit jedem neuen Meilenstein des Linux-Kernels, muss auch ein Kernel-Buch grundlegend überarbeitet werden, um auf dem neuesten Stand zu sein. Trotz massiver Änderungen in Schnittstellen und Konzepten soll es wieder einen Einblick in das Getriebe von Linux geben. Das Ergebnis dieser Überarbeitung liegt nun vor Ihnen. Wir wünschen Ihnen nicht nur beim Lesen des Buches, sondern auch beim Experimentieren mit dem Linux-Kern viel Spaß. Berlin/Frankfurt/Furtwangen, den 24. 4. 2001 Michael Beck Ulrich Kunitz Harald Böhme Robert Magnus Mirko Dziadzka Claus Schröter Vorwort der Autoren zur 1. Auflage Linux gibt es seit etwa zwei Jahren. Was einst als Programmierübung des Informatikstudenten Linus Torvalds begann, ist heute eines der erfolgreichsten Free-Software- Projekte und macht kommerziellen Systemen ernsthaft Konkurrenz. Dies ist das Ergebnis der freiwilligen Arbeit einer weltweiten Programmierergemeinde, die durch ein effektives Kommunikationsmedium, das Internet, verbunden sind. Die freie Verfügbarkeit von Linux hat zu seiner raschen Verbreitung beigetragen. Sicher ist es schwer, die Zahl der Linux-Nutzer zu schätzen. In Deutschland sind es mit Sicherheit schon mehrere zehntausend.

xii Vorwort Vor circa eineinhalb Jahren haben wir, die Autoren, das Linux-System für uns entdeckt. Ein Grund dafür besteht sicherlich darin, dass wir jetzt für unsere heimischen PCs ein richtiges Unix-System haben, ohne dafür gleich Tausende von Mark, die man als Student sowieso nicht hat, auf den Tisch legen zu müssen. Der andere, vielleicht wichtigere Grund besteht für uns, und sicherlich auch für einen Großteil der Linux-Gemeinde in der Welt, in der Verfügbarkeit der Quelltexte des Linux- Systems. Es macht einfach Spaß, in den Interna eines Betriebssystems zu wühlen, eigene Ideen auszuprobieren und das System in allen Belangen an seine eigenen Wünsche anzupassen. Dieses Buch wendet sich an alle, die genauso denken, aber auch an die, die einfach nur entdecken wollen, wie ein 32-Bit-Betriebssystem funktioniert. Der Linux-Kern hat im Laufe der Zeit an Umfang zugenommen. Einen wirklich guten Überblick kann man sich nicht mehr allein verschaffen. Da Dokumentationen dünn gesät sind (die einzige Dokumentation, die wir kennen, ist der Entwurf des Linux Kernel Hackers Guide [Joh95]), haben wir im Sommersemester 1993 ein Linux-Seminar begonnen. Jeder, der sich bei uns mit Linux beschäftigte, gab einen Einblick in sein Interessengebiet, in sein Wissen und seine Erfahrungen beim Kernel Hacking. Im Seminar kam es häufig zu spannenden Diskussionen um Modellierungskonzepte, Implementierungsvarianten und Details, die unterschiedlich aufgefaßt wurden. Wir haben im Rahmen dieses Seminars begonnen, unser Wissen über das Linux-System aufzuschreiben, um anderen einen einfacheren Einstieg zu ermöglichen. Dieses Wissen liegt nun überarbeitet in diesem Buch vor. Da die Entwicklung von Linux sehr schnell vorwärtsschreitet, konnten wir uns für das Schreiben des Buches nicht allzuviel Zeit lassen. Wir teilten deswegen die einzelnen Kapitel des Buches entsprechend den Interessengebieten der Autoren auf. Ulrich Kunitz schrieb die Einleitung, das Kapitel über die Speicherverwaltung und das Kapitel über die Interprozesskommunikation. Mirko Dziadzka zeichnet für die Einführung in den Kern verantwortlich. Harald Böhme, unser Netzexperte, hätte sicherlich ein ganzes Buch schreiben müssen, um die Netzwerkimplementation umfassend zu erläutern. Hier konnte er nur in die Materie einführen. Robert Magnus fiel die undankbare Aufgabe zu, die Referenz der Systemrufe auszuarbeiten und die systemnahen Kommandos zu erläutern. Die weiteren Kapitel teilten sich die anderen Autoren auf. Beim Schreiben eines deutschen Buches über ein Betriebssystem ist man immer wieder mit dem Problem der korrekten Übersetzung englischer Fachbegriffe konfrontiert. Im Buch ist bei der Einführung eines Begriffs die englische Originalbezeichnung und deren deutsche Übersetzung angegeben. Oft wurde, wo es dem Sprachgefühl nicht widersprach, die englische Bezeichnung weiterverwendet. Im Text sind Bezeichner aus Quelltexten in der Schriftart Courier gesetzt. Parameter, die sich aus einem speziellen Kontext ergeben, sind in einem kursiven Font gesetzt. Zum Beispiel: % make Argument Da nicht alle Leser dieses Buches Zugang zum Internet haben, sind auf der beiliegenden CD die Slackware-Distribution 1.2.0 und die deutsche LST-Distribution 1.7 enthalten. Sie

Vorwort xiii lassen sich, nachdem mit Hilfe der MS-DOS-Programme GZIP.EXE und RAWRITE.EXE entsprechende Startdisketten erzeugt worden sind, direkt von der CD installieren. Die Autoren möchten sich ausdrücklich bei Patrick J. Volkerding und dem Linux-Support- Team Erlangen, namentlich Ralf Flaxa und Stefan Probst, für die gewiß sehr umfangreiche Arbeit an diesen Distributionen bedanken. Die CD enthält darüber hinaus den Linux-Kernel Version 1.0.9, die Quellen der im Anhang B erläuterten Programme sowie die Quellen der GNU-C-Bibliothek und der G++- Bibliothek. Darüber hinaus sind Texte aus dem Linux-Documentation-Project und die Internet-RFCs enthalten. Die Dateien sind nicht komprimiert und können unter Linux mit dem mount-kommando in die Verzeichnisstruktur eingebunden werden. Der Inhalt des Buches entspricht unserem heutigen Wissen über den Linux-Kern 1.0, und dieses Wissen ist mit Sicherheit nicht vollständig. Wir sind für alle Korrekturen, Anregungen, Hinweise und Kommentare dankbar. Über E-Mail sind wir mit der Adresse linux@informatik.hu berlin.de zu erreichen. Wer keinen E-Mail-Zugang besitzt, kann uns auch schreiben: Linux-Team Humboldt-Universität zu Berlin Institut für Informatik 10099 Berlin Vorwort von Linus Torvalds zur 1. Auflage Creating an operating system has been (and still is) an exciting project, and has been made even more rewarding through the extensive (and almost uniformly positive) feedback from users and developers alike. One of the problems for people wanting to get to know the kernel internals better has been the lack of documentation, and fledgling kernel hackers have had to resort to reading the actual source code of the system for most of the details. While I think that is still a good idea, I m happy that there now exists more documentation like this explaining about Linux use and internals. Hope you have a good time with Linux and this book, Helsinki, 28. 4. 1994 Linus Torvalds

xiv Vorwort Danksagung Dieses Buch wäre ohne die Arbeit vieler anderer Menschen nicht möglich gewesen. An erster Stelle möchten wir uns bei den Linux-Hackern in der ganzen Welt und natürlich bei Linus Torvalds bedanken. Ein weiterer Dank geht an die Free Software Foundation (auch unter dem Namen GNU bekannt). Ohne GNU-Software wäre Linux nicht das, was es ist. Danken wollen wir auch den Mitarbeitern und Studenten am Institut für Informatik der Humboldt-Universität zu Berlin und am Fachbereich Allgemeine Informatik der Fachhochschule Furtwangen, die uns bei unserer Arbeit unterstützt haben. Zuletzt noch einen Dank an die unzähligen Korrekturleser, allen voran Ralf Kühnel, deren akribische Korrekturen uns eine große Hilfe waren. Eine besondere Erwähnung verdient hier auch Martin von Löwis, der uns mit konstruktiven Diskussionen und der Implementierung des WindowsNT-Dateisystem für Linux unterstützte. Viel Spaß beim Lesen und der Beschäftigung mit Linux! Berlin/Furtwangen, den 1. 5. 94 Michael Beck, Ulrich Kunitz Harald Böhme, Robert Magnus Mirko Dziadzka, Dirk Verworner

1 Linux Das Betriebssystem Linux is obsolete! Andrew S. Tanenbaum Linux ist ein frei verfügbares Unix-artiges Betriebssystem. Ursprünglich nur für den PC entwickelt, läuft es heute auch auf Digital-Alpha und Sparc Workstations. Weitere Portierungen z. B. auf Pocket-PCs sind in der Entwicklung und laufen schon relativ stabil. Linux ist kompatibel zum POSIX-1003.1-Standard und umfasst große Teile der Funktionalität von Unix System V und BSD. Wesentliche Teile des Linux-Kerns, um den es in diesem Buch gehen soll, wurden von Linus Torvalds, einem finnischen Informatikstudenten, entwickelt. Er stellte die Programmquellen des Kerns unter die GNU Public License. Damit hat jedermann das Recht, die Programme kostenlos zu benutzen, zu kopieren und zu modifizieren. Die erste Version des Linux-Kerns war 1991 im Internet verfügbar. Es bildete sich schnell eine Gruppe von Linux-Aktivisten, die die Entwicklung dieses Betriebssystems vorantrieben. Zahlreiche Nutzer testen neue Versionen und tragen dazu bei, die Software fehlerfrei zu machen. Die Linux-Software wird unter offenen und verteilten Bedingungen entwickelt. Mit offen ist gemeint, dass jeder, der dazu in der Lage ist, sich an der Entwicklung beteiligen kann. Das bedeutet, dass die Linux-Aktivisten schnell, effektiv und vor allem weltweit kommunizieren müssen. Das Medium dafür ist das Internet. So verwundert es nicht, dass ein großer Teil der Entwicklungen von begabten Studenten stammen, die an ihren Universitäten und Colleges auf das Internet zugreifen können. Diesen Studenten standen anfangs Entwicklungssysteme mit eher bescheidener Ausstattung zur Verfügung. Aus diesem Grund ist Linux immer noch das 32-Bit-Betriebssystem, das die wenigsten Ressourcen verbraucht, ohne an Funktionalität einzubüßen. Da Linux unter den Bedingungen der GNU Public License [GPL] verbreitet wird, hat man Zugriff auf den vollständigen Quellcode. Damit kann jeder selbst die Funktionsweisen des Systems erkunden sowie Fehler aufspüren und beseitigen. Der eigentliche Reiz für die Autoren des Buches besteht aber im Herumexperimentieren am System. Linux hat natürlich auch Nachteile. Es ist genauso ein Programmierersystem wie Unix. Kryptische Kommandos, schwer überschaubare Konfigurationen und eine nicht immer durchgängige Dokumentation erschweren nicht nur Anfängern die Nutzung. Es scheint aber so, als ob diese Nachteile von Vielen in Kauf genommen werden, um manch anderer Beschränkung (technologischer oder finanzieller Art) proprietärer Systeme wie MS-DOS, Windows oder auch kommerzieller Unix-Derivate für den PC zu entkommen. Mittlerweile gibt es neben dem Linux Document Project [LDP] auch viele andere

2 1 Linux Das Betriebssystem für Einsteiger brauchbare Bücher zu Linux. Insbesondere auf dem deutschsprachigen Markt hat sich hier vieles getan. Hier sei auf das Literaturverzeichnis verwiesen. Linux-Systeme werden längst in Softwarehäusern, bei Internet-Providern, in Schulen und Universitäten sowie privat eingesetzt. Mittlerweile gibt es kaum eine Computerzeitschrift mehr, die nicht regelmäßig über dieses Betriebssystem berichtet. Allein auf dem deutschen Linux-Markt werden mehrere Millionen DM pro Jahr umgesetzt. Linux als reines Hackerspielzeug zu bezeichnen, wird der Realität nicht mehr gerecht. Obwohl es inzwischen Portierungen auf andere Hardwarearchitekturen gibt, benutzen die meisten Nutzer Linux noch auf Intel 386ern oder kompatiblen Systemen. Durch die weite Verbreitung dieser Intel-Systeme hat man unter Linux auch kaum Probleme mit Treibern für Peripheriehardware. Sobald eine neue Steckkarte für den PC auf dem Markt ist, findet sich ein Linux-Nutzer, der dafür einen Treiber implementiert. 1 Seit der Version 2.0 werden auch Mehrprozessorsysteme unterstützt. Für ein vernünftiges Arbeiten mit Linux sollte ein PC mindestens acht, bei der Benutzung des X-Window-Systems als grafischer Oberfläche mindestens 16 MByte Hauptspeicher enthalten. Mit jeweils der doppelten Menge macht das Arbeiten auch dann noch Spaß, wenn man im Hintergrund mehrere Compiler gleichzeitig laufen lässt und im Vordergrund einen Text bearbeiten will. Für Spezialanwendungen wie Modem/Fax-Server oder Firewalls reichen aber auch schon vier MByte vollkommen aus. Linux unterstützt im Prinzip jede frei verfügbare Unix-Software. So kann man mit GNU-C++ objektorientiert programmieren oder unter dem X-Window-System Grafiken erstellen. Spiele wie Tetris stehen genauso zur Verfügung wie Entwicklungssysteme für grafische Oberflächen. Durch die Netzwerkunterstützung können Linux-Rechner problemlos in bestehende Netze eingebunden werden. Dieses Buch ist (natürlich) mit L A TEX unter Linux gesetzt worden. 1.1 Wesentliche Eigenschaften Linux erfüllt alle Anforderungen, die heute an ein modernes, Unix-ähnliches Betriebssystem gestellt werden. Multitasking Linux unterstützt echtes präemptives Multitasking. Alle Prozesse laufen völlig unabhängig voneinander. Damit braucht kein Prozess dafür Sorge zu tragen, anderen Prozessen Rechenzeit abzugeben. Linux erlaubt es mehreren Nutzern gleichzeitig, mit dem System zu arbei- Multiuser ten. 1 Ausnahmen sind Karten von Herstellern, die Informationen über die Funktionsweise ihrer Hardware geheim halten.

1.1 Wesentliche Eigenschaften 3 Multiprozessing Linux arbeitet seit der Version 2.0 auch auf Multiprozessor- Architekturen. Das heißt, dass das Betriebssystem mehrere Anwendungen (echt parallel) auf mehrere Prozessoren verteilen kann. Architekturunabhängig Linux läuft inzwischen auf fast allem, was Bits und Bytes verarbeiten kann. Die unterstützte Hardware reicht von Embedded-Systemen bis zu IBM-Mainframes. Diese Hardwareunabhängigkeit wird von keinem anderen Betriebssystem erreicht. Demand Load Executables Es werden nur die Teile eines Programms in den Speicher geladen, die auch wirklich zur Ausführung benötigt werden. Bei der Erzeugung eines neuen Prozesses mittels fork() wird nicht sofort Speicher für Daten angefordert, sondern der Datenspeicher des Elternprozesses wird von beiden Prozessen gemeinsam genutzt. Greift dann der neue Prozess irgendwann schreibend auf einen Teil des Datenspeichers zu, muss dieser Teil vor der Modifizierung erst kopiert werden. Dieses Konzept wird Copy-On-Write genannt. Paging Trotz aller Maßnahmen, um den physischen Speicher effektiv zu verwenden, kann es vorkommen, dass dieser vollständig belegt ist. Linux sucht dann 4 KByte große Speicherseiten, so genannte Pages, die freigemacht werden können. Seiten, deren Inhalt auf Festplatte gespeichert ist (z. B. Code aus Programmdateien), werden verworfen. Alle anderen Seiten werden auf die Festplatte ausgelagert. Wird auf eine dieser Speicherseiten wieder zugegriffen, muss sie wieder zurückgeladen werden. Dieses Verfahren wird Paging genannt. Es unterscheidet sich vom Swapping älterer Unix-Varianten, bei denen der gesamte Speicher eines Prozesses auf die Festplatte geschrieben wird, was ohne Zweifel wesentlich ineffektiver ist. Dynamischer Cache für Festplatten MS-DOS-Nutzer kennen das Problem, dass man für ein Festplattencache-Programm wie SMARTDRIVE Speicher mit einer festen Größe reservieren muss. Linux passt die Größe des verwendeten Cache dynamisch an die aktuelle Speicherauslastungssituation an. Ist momentan kein Speicher mehr frei, wird die Größe des Cache reduziert und damit freier Speicher zur Verfügung gestellt. Wird wieder Speicher freigegeben, wird der Cachebereich vergrößert. Shared Libraries Bibliotheken sind eine Sammlung von Routinen, die ein Programm zur Abarbeitung benötigt. Es gibt eine Reihe von Standardbibliotheken, die von mehreren Prozessen gleichzeitig benutzen werden. Es ist daher naheliegend, den Programmcode für diese Bibliotheken nur einmal in den Speicher zu laden und nicht für jeden Prozess extra. Genau das ist mit Shared Libraries möglich. Da diese Bibliotheken erst zur Laufzeit des Programms zu dessen Code hinzugeladen werden, spricht man auch von dynamisch gebundenen Bibliotheken. So ist es kein Wunder, dass in anderen Betriebssytemwelten dieses Konzept als Dynamic Link Libraries bekannt ist.

4 1 Linux Das Betriebssystem Unterstützung des POSIX-1003.1-Standards, teilweise System V und BSD PO- SIX 1003.1 definiert eine minimale Schnittstelle zu einem Unix-ähnlichen Betriebssystem. Mittlerweile wird dieser Standard von allen neueren und anspruchsvollen Betriebssystemen unterstützt. Linux (ab Version 1.2) unterstützt POSIX 1003.1 vollständig. Mittlerweile gibt es sogar Linux-Distributionen, die den offiziellen Zertifizierungsprozess durchlaufen haben und sich deshalb auch offiziell POSIX-kompatibel nennen dürfen. Zusätzliche Systemschnittstellen der Unix-Entwicklungslinien System V und BSD wurden auch implementiert. Software, die für Unix geschrieben wurde, lässt sich deswegen in der Regel ohne weiteres auf Linux übersetzen. Verschiedene Formate von ausführbaren Dateien Es ist sicher wünschenswert, Programme, die in anderen Systemumgebungen laufen, unter Linux auszuführen. Aus diesem Grund werden zur Zeit Emulatoren für MS-DOS und MS-Windows entwickelt. Des Weiteren ist Linux in der Lage, Programme anderer Unix-Systeme, die dem ibcs2- Standard entsprechen, auszuführen. Dies trifft zum Beispiel für viele unter SCO-Unix eingesetzte kommerzielle Programme zu. Auch bei den Portierungen für andere Hardwarearchitekturen (z. B. Sparc und Alpha) wird darauf geachtet, die jeweiligen native- Binaries ausführen zu können. So steht dem Linux-Anwender eine Fülle von kommerzieller Software zur Verfügung, ohne dass diese speziell auf Linux portiert wurde. Speicherschutz Linux benutzt die Speicherschutzmechanismen der Prozessoren, um den Zugriff eines Prozesses auf den Speicher des Systemkerns oder anderer Prozesse zu verhindern. Dies trägt entscheidend zur Sicherheit und Stabilität des Systems bei. Ein fehlerhaftes Programm kann deswegen (theoretisch) das System nicht zum Absturz bringen. Unterstützung von nationalen Tastaturen und Fonts Unter Linux kann man mit den unterschiedlichsten nationalen Tastaturen und Zeichensätzen arbeiten. Da der von der internationalen Standardisierungsorganisation (ISO) definierte Zeichensatz Latin1 auch deutsche Umlaute enthält, ist die Verwendung anderer Zeichensätze in Deutschland nicht unbedingt notwendig. Verschiedene Dateisysteme Linux unterstützt verschiedenste Dateisysteme. Das zur Zeit gebräuchlichste Dateisystem ist das zweite erweiterte Dateisystem (Ext2- Dateisystem). Es unterstützt Dateinamen mit bis zu 255 Zeichen und hat eine Reihe von Merkmalen, die es gegenüber herkömmlichen Unix-Dateisystemen sicherer machen. Weitere implementierte Dateisysteme sind das MS-DOS-Dateisystem und das VFAT-Dateisystem für den Zugriff auf MS-DOS bzw. Windows-95-Partitionen, das ISO-Dateisystem für den Zugriff auf CD-ROMs und das NFS für den transparenten Zugriff auf Dateisysteme anderer im Netzwerk befindlicher Unix-Rechner. Weniger gebräuchlich sind das AFF-Dateisystem für den Zugriff auf das Amiga-Fast-Filesystem, das UFS-Dateisystem und das SysV-Dateisystem für den Zugriff auf Unix-Filesysteme anderer Hersteller, das HPFS für den Zugriff auf OS/2-Partitionen oder das Samba- Dateisystem für den Zugriff auf exportierte Filesysteme von Windows-Rechnern.

1.2 Linux-Distributionen 5 Andere Filesysteme, wie das unter Windows-NT benutzte WindowsNT-Dateisystem sind in Arbeit und als Beta-Versionen verfügbar. Große Verbreitung gewinnen auch Journaling Filesysteme wie z. B. das Reiser-FS, die sich durch ihre kurze Recovery-Zeit für kommerzielle System empfehlen. Welches kommerzielle Betriebssystem kann schon mit einer solchen Vielfalt aufwarten? TCP/IP, SLIP und PPP-Unterstützung Linux kann in lokale Unix-Netze integriert werden. Im Prinzip können alle Netzwerkdienste, wie das Network File System und Remote Login, benutzt werden. SLIP und PPP unterstützen die Nutzung des TCP/IP- Protokolls über serielle Leitungen. Damit ist mit einem Hochgeschwindigkeitsmodem die Einbindung in das Internet über das öffentliche Telefonnetz möglich. Embedded Linux In letzter Zeit wird Linux mehr und mehr auch für Aufgaben eingesetzt, bei denen es nicht auf die Bedienerfreundlichkeit eines Desktop-Systems ankommt, sondern auf schonenden Umgang mit den verfügbaren Ressourcen. Das ist zum Beispiel in so genannten Embedded-Anwendungen, wie in Industriesteuerungen, Routern, Unterhaltungselektronik und Palmtops der Fall. In den Kern der Version 2.4 sind einige Änderungen eingeflossen, die diesen Anwendungsbereich möglich machen. So kann beispielsweise die Konsole abgeschaltet werden, und es gibt eine Unterstützung für handelsübliche Flash-Memory Hardware (Disk-On-Chip). 1.2 Linux-Distributionen Zur Installation von Linux ist eine Distribution notwendig. Sie besteht aus einer Boot- Diskette und weiteren Disketten oder einer CD-ROM. Installationsskripten ermöglichen es auch unerfahrenen Benutzern, lauffähige Systeme zu installieren. Vorteilhaft ist, dass viele Softwarepakete schon an Linux angepasst und entsprechend konfiguriert sind, was dem Anwender eine Menge Arbeit erspart. In der Linux-Gemeinde gibt es immer wieder Diskussionen über die Qualität der einzelnen Distributionen. Dabei wird sehr oft übersehen, dass das Zusammenstellen einer solchen Distribution eine sehr umfangreiche und komplexe Aufgabe ist. Sehr verbreitet sind international die RedHat-, die S.u.S.E.-, die Debian- und die Slackware-Distribution. Welche dieser Distributionen Sie verwenden, ist Geschmackssache. Erhalten können Sie die angesprochenen Distributionen auf FTP-Servern, in Mailboxen, bei Public-Domain-Vertrieben und in einigen Buchhandlungen. Bezugsquellen finden Sie in einschlägigen Fachzeitschriften oder in den Linux-Newsgruppen des Usenet.