Linux (ydin)

Historiaa

Linus Torvalds aloitti Linuxin kehittämisen opiskellessaan Helsingin yliopistossa tietojenkäsittelytiedettä. Torvalds osti ensimmäisen IBM PC:nsä vuonna 1991 hintojen laskettua riittävästi, mutta oli tyytymätön sen MS-DOS -käyttöjärjestelmään. Torvaldsia itseään kiinnosti enemmän Unix, jota hän oli käyttänyt yliopiston tietokoneilla. Vuonna 1990 Torvalds osallistui lyhyelle Unix-kurssille yliopistossa, johon oli juuri saatu MicroVAX Ultrix-käyttöjärjestelmällä. Aiemmin Torvaldsilla oli ollut Commodore VIC-20 ja Sinclair QL.
Yksi kurssikirjoista oli Andrew Tanenbaumin Operating Systems: Design and Implementation, jossa kuvattiin Unixin kaltaista Minixiä.
Torvaldsin alkuperäinen tavoite ei ollut käyttöjärjestelmän ytimen kirjoittaminen vaan tutustuminen ostamansa tietokoneen ominaisuuksiin. Torvalds aloitti kokeilut kahden vuoroaan vaihtavan tehtävän käsittelyllä. Kokeilujen myötä hän havaitsi olevan melkein riittävästi ytimeen, jolla voisi lukea uutisryhmiä yliopiston palvelimilta. 
Muistinhallinnan, prosessien vuorontamisen ja laite-I/O:n kokeilujen myötä Torvalds kehitti käyttöjärjestelmän ytimen. Torvalds kehitti pääte-emulaattoriaan ja lisäsi siihen ajurin levyä varten ja tuen Minixin tiedostojärjestelmälle. 
Vuonna 1991 Torvalds kyseli uutisryhmissä POSIX-standardin dokumentteja, jotka olivat tuolloin kalliita. POSIX mahdollisti lähdekooditason yhteensopivuuden GNU- ja BSD-projektien ohjelmien kanssa. Tuohon aikaan SunOS oli de facto -standardi jossakin BSD:n ja System V:n välillä.
Torvalds toteutti assemblylla ja C-ohjelmointikielellä käyttöjärjestelmän ytimen, joka hänen omien sanojensa mukaan käytti laajalti GCC-kääntäjän ominaisuuksia. Työ eteni hitaasti eikä hän kertonut hankkeestaan vielä muille. Torvaldsin alkuperäisenä tarkoituksena ei ollut luoda käyttöjärjestelmää koko maailmalle, vaan ainoastaan omiin tarpeisiinsa. Jos hän olisi jatkanut yksin, Linuxia olisi tuskin julkaistu, sillä sen kehittäminen olisi pysähtynyt Torvaldsin omien tarpeiden täytyttyä. Torvalds julkisti projektinsa 25. elokuuta 1991 kirjoittamalla comp.os.minix-uutisryhmään, jota pidetään Linuxin syntymäpäivänä. Versio 0.01 valmistui 17. syyskuuta samana vuotena, joka oli ensimmäinen lähdekoodijulkaisu. Torvalds oli itse tehnyt käännökset bash-komentorivitulkista ja GCC-kääntäjästä.
Lokakuussa 1991 versio 0.02 oli valmis ja Torvalds päätti laittaa sen vapaasti kaikkien saataville. 5. lokakuuta uutisryhmään lähettämässään viestissä Torvalds kertoi lähdekoodin löytyvän FTP-palvelimen nic.funet.fi hakemistosta /pub/OS/Linux ja antoi ohjeita kääntämistä varten. Hän varoitti, että ohjelma oli hakkerilta hakkereille ja ei ollut siten sopiva niille, jotka hakivat vaihtoehtoa Minixille. Se oli kuitenkin vielä riittävän pieni ymmärtää, käyttää sekä muokata ja toivoi kommentteja.
Alun perin Torvalds oli suunnitellut antavansa ohjelmansa nimeksi "Freax", joka olisi johdettu sanoista free Unix (vapaa Unix) tai freaks (omituiset, intoilijat, friikit). FTP-palvelimen ylläpitäjä Ari Lemmke ei pitänyt nimestä ja käytti aiempaa työnimeä "Linux". Hän oli perustanut omalle xgw:n palvelimelleen Linux -nimisen käyttöalueen Torvaldsia varten. 
Palautetta ja virheraportteja tuli valtavasti. Internetin ja avoimesti saatavilla olleen lähdekoodin ansiosta ihmiset eri puolilla maailmaa pääsivät kehittämään Linuxia. Ytimen versio 0.10 julkaistiin marraskuun alussa 1991, jolloin käyttäjiä oli 10–20. 0.10 oli ensimmäinen versio, joka oli käyttökelpoinen ilman Minixiä, jolloin Linus päätti nostaa versionumeron suoraan 0.03:sta 0.10:iin. 8. joulukuuta 1991 julkaistu versio 0.11 oli jo täysin itsenäisesti käytettävissä: ydin voitiin kääntää Linuxissa itsessään. 0.11-version myötä jaettavana oli myös muutamia ohjelmia (gcc, bash, make, uemacs, tar) mutta järjestelmästä puuttui muun muassa init ja login-toiminnot.
Version 0.12 yhteydessä Linus kertoi aikomuksesta käyttää GNU GPL -lisenssiä, joka korvasi aiemmin Torvaldsin itse kirjoittaman lisenssin.
Ytimen nykyinen lisenssi on GPL versio 2 (GPLv2) ja Torvalds on sanonut vastustavansa siirtymistä versioon 3 sen lisäämien käyttörajoituksien vuoksi.
Torvalds on kuvaillut päätöstään julkaista Linux-ydin GPL-lisenssillä parhaaksi tekemäkseen asiaksi.
Marraskuussa 1991 Torvalds tuhosi vahingossa tietokoneensa Minix-osion, joka osaltaan vaikutti kehittämään Linuxia eteenpäin.
Kun versio 0.12 julkaistiin tammikuussa 1992, Linuxin parissa työskenteli aktiivisesti lähes kaksisataa ihmistä. Tuolloin ydin oli jo vakaa ja toimiva. Yhdessä GNU-hankkeen luomien työkalujen kanssa siitä oli rakennettavissa kokonainen käyttöjärjestelmä. Linux alkoi levitä nopeasti. Vuonna 1992 saatiin valmiiksi ensimmäinen graafisella käyttöliittymällä varustettu jakelu. Näihin aikoihin Linuxista kiinnostuttiin myös yliopistomaailman ulkopuolella.
Ytimen julkaisun yhteydessä Torvalds ja Tanenbaum kävivät laajalti tunnetun debatin ytimen rakenteesta. Keskeiset kritiikin kohteet Tanenbaumilta oli ytimen rakenne (monoliittinen vs. mikroydin) ja siirrettävyys laitteistoalustalta toiselle. Torvalds vastasi avaamaan Minixin lisenssiä ja julkaisemaan "harrasteprojektin" ilmaiseksi, sekä sanomalla että käyttöjärjestelmän keskeinen tarkoitus on juurikin laitteisto-ominaisuuksien hyödyntäminen ja niiden piilottaminen korkean tason kutsujen taakse.
Microsoftin palkkaama Ken Brown ajoi väitettä, jossa Torvalds olisi kopioinut Minixiä, mutta Tanenbaum on tyrmännyt tämän väitteen.
Vuonna 1992 ytimeen tuli ulkopuolista kehitystä muun muassa verkkoprotokollapinon, SCSI- ja äänilaiteajureiden, Ext2-tiedostojärjestelmän ja ELF-binäärimuodon osalle. Versiossa 0.95 oli myös tuki näennäismuistille.
Torvaldsilla oli tavoite tehdä ytimestä siirrettävämpi kun hän sai käyttöönsä Alpha-suorittimella toimivan järjestelmän.
Torvaldsin mukaan Linux/68k-projekti ytimen siirtämisessä Motorola 68000 -suorittimelle ei painottanut niinkään siirtämistä vaan sen uudelleen kirjoittamista osin. Alkuperäisessä ytimen rakenteessa ei ollut siirtämisen estävää suunnittelua vaan ero oli sen toteutuksessa. Myös tuki SPARC-, MIPS-, PowerPC- ja ARM-suorittimille seurasivat.

Kehitysprosessi

Torvalds johtaa edelleen Linuxin ohjelmointityötä. Linux on avoimen lähdekoodin ohjelmisto ja siihen voi kuka tahansa tehdä muutoksia. Mikäli haluaa omat muutoksensa Linuxin viralliseen versioon, ne tulee toimittaa Linux Kernel -postituslistalle, jolloin ohjelmakoodi kulkee Torvaldsin tai hänen luottohenkilöidensä kautta. Muutoksella on oltava sen tekijän allekirjoitus (Signed-off-by) ja se on toimitettava katselmoitavaksi asiaan liittyville henkilöille, joiden hyväksyntä tarvitaan muutoksen etenemiseksi ytimeen liittämiseen.
Kehitysprosessin ohjeet seuraavat ytimen lähdekoodien mukana ja sisältävät joukon esimerkkejä hyvistä ja huonoista kehitystavoista.
Ytimen kehitysprosessia käsitellään Eric S. Raymondin esseessä The Cathedral and the Bazaar, jossa sitä käytetään esimerkkinä "basaarimallista" (vastakohtana "katedraalimallille" kuten GNU Emacsin kehityksessä).
Ytimen version 2.6 kehityksen aikana Torvalds ja Andrew Morton yhdistivät ytimeen muutoksia 10 MB kuukaudessa. Versioon 4.11 otettiin mukaan 12 546 muutosjoukkoa ja ydin kasvoi lähes 300 000 rivillä ohjelmakoodia. Vuosien 2011 – 2012 aikana (ytimen versiot 3.1.0 – 3.5.0) ytimeen tehtiin päivittäin 10 600 uutta riviä, 8 100 riviä poistettiin ja 2 250 riviä muutettiin. Muutoksia tuli 6,03 per tunti.
Kesällä 2015 ytimen versiossa 4.1 oli yli 19,5 miljoonaa lähdekoodiriviä. Linux-ytimen uudelleenkehittämisen arvosta on esitetty useita arvioita: maaliskuussa 2011 sen arvioitiin olevan 3 miljardia Yhdysvaltain dollaria ja kasvavan.Linux Foundationin julkaiseman raportin mukaan kehitykseen on osallistunut yli 13 500 kehittäjää yli 1 300 yrityksestä. 
Ydin on toteutettu pääasiassa C-kielellä. Torvaldsin mukaan vaikeat ongelmat ytimen kehityksessä eivät ratkea ohjelmointikieltä vaihtamalla. Isoimmat ongelmat ovat tyypillisesti laitteistotuessa kuten laiteajurit ja alustakohtaiset erot. Eräät henkilöt ja projektit ovat pyrkineet kehittämään tukea C++:lla toteutetuille moduuleille mukaan lukien ajonaikaisen kirjaston, poikkeuskäsittelyn ja RTTI-tyyppimekanismin lisäämisen sekä pinon käsittelyn muutoksia. C++:n käytössä käyttöjärjestelmän ytimessä on ongelmakohtia, joita neuvotaan välttämään.
Torvalds on vahvan staattisen tyyppijärjestelmän kannattaja, jonka johdosta hän aloitti vuonna 2003 sparse-ohjelman kehityksen. Ytimen käyttötapauksissa kääntäjän oma tyyppitarkastus ei ole riittävä.
Ytimen testaamisessa käytetään apuna useita tarkoitukseen kehitettyjä ohjelmia. Ydintä testataan usein eri tavoin eri tavoitteiden kannalta kuten kehittäjätestaus, integraatiotestaus, regressiotestaus ja stressitestaus. Ytimen yksikkötestaamiseen on kehitetty KUnit-kehys.

Versiointi

Ydintä on aiemmin kehitetty parittomalla numerolla merkityssä versiohaarassa parillisten ollessa vakaita tuotantokäyttöön tarkoitettuja versioita (vrt. 2.2.x, 2.3.x, 2.4.x ja 2.5.x). Nykyisin seuraavaan versioon tulevat muutokset ovat linux-next nimisessä kehityshaarassa ja versionumeroinnin erityismerkityksestä on luovuttu. Monimutkaisten versionumeroiden kuten 2.6.39.4 sijaan pääversionumeroa muutetaan useammin kuten 4.0 3.20:n sijaan. Longterm support (LTS) versioihin julkaistaan päivityksiä vielä uuden version jälkeen muutaman vuoden ajan.

Linux-next

Ytimen seuraavaan versioon tulevat muutokset sijoitetaan linux-next -nimiseen kehityshaaraan. Muutoksien kehitys tapahtuu linux-next -haaran mukaiseen tilanteeseen. Kehityshaarassa kypsyneet muutokset liitetään tulevaan julkaisuversioon ja konflikteja tai käännösongelmia aiheuttavat muutokset jätetään liittämättä. Kehityshaarasta suoritetaan myös automaattista testausta ja havaituista ongelmista ilmoitetaan kehittäjille. Eri konfiguraatioilla käännetyt ytimet käynnistetään ja ajetaan KVM-instansseissa. Automaattinen testaus suorittaa myös sparse- ja coccinelle-ohjelmia. Automaattista testausjärjestelmää on kehittänyt Fengguang Wu.

Linux-staging

Linux-staging tai lyhyesti staging on versiohallinnan haara, jossa pidetään kehityksen alla olevia muutoksia. Staging-haarassa pidettävät muutokset eivät ole vielä valmiita julkaistavaksi, mutta säilötään jotta niiden saatavuus ja testaaminen on helpompaa niistä kiinnostuneille kehittäjille. Staging-haarassa olevat muutokset ovat suunnattu myöhemmäksi tulevaisuuteen kuin linux-next -haarassa olevat. Staging-haaran perustamisesta ilmoitti Greg Kroah-Hartman 10. kesäkuuta 2008.

Moduulit

Linux-ydin tukee ladattavia moduuleja, joita käytetään muun muassa laiteajureille, tiedostojärjestelmätuelle, verkkoprotokollille, uusille järjestelmäkutsuille ja niin edelleen. Ladattavien moduulien tuki on ollut ytimessä versiosta 1.2 (1995) lähtien.
Suorittimet tukevat ytimen kernel-mode suoritustilassa erityiskomentoja ja sallii kaiken muistiavaruuden käytön. Käyttäjän user-mode tilassa muistialueet käskyt ovat rajatumpia. Suorituksen siirto käyttäjän ja ytimen tilojen välillä järjestelmäkutsujen yhteydessä kuluttaa huomattavasti aikaa. Ytimet, joissa kaikki ajurit ovat kiinteästi osana ydintä ilman ladattavia moduuleja, ovat monoliittisia ytimiä, kun taas ladattavia moduuleja tukevia kuvataan toisinaan hybridiytimiksi. Muita ladattavia moduuleja tukevia käyttöjärjestelmiä ovat esimerkiksi Solaris. Linuxiin liittyvässä dokumentaatiossa monoliittisellä ytimellä on viitattu ytimeen, josta ladattavien moduulien tuki on kytketty pois käännösvaiheessa.
Linux tukee moduulien kryptografista allekirjoittamista. Linux-ytimessä toiminnot voidaan jakaa kaikille moduuleille tai vain GPL-lisenssiä käyttäville moduuleille, jota voidaan käyttää tunnistamaan ytimestä riippuvan toiminnon käyttö (derivative). Suljetun lähdekoodin (ei-GPL) moduulien lataaminen lisää taint-merkinnän, joka kertoo kehittäjille että mahdollisen vian tapahtuessa ongelman syy voi olla tuntemattomassa lähdekoodissa. 
Koska ytimeen ladattavat moduulit toimivat ilman rajoituksia ytimen suoritustilassa niiden toteutuksessa on otettava huomioon samat seikat kuin muussa itse ytimessä olevaa ohjelmakoodiakin koskee.
Moduuleja voidaan debugata etänä toiselta koneelta muun muassa Eclipse-kehitysympäristössä.
Käyttäjät voivat ladata ja poistaa moduuleja ajon aikana muun muassa modprobe -komennolla. Moduulit voidaan kääntää ja ladata ytimeen ajonaikana ilman uudelleenkäynnistystä.
Esimerkki minimaalisesta moduulista, joka tulostaa viestin ytimen logiin:
#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>int init_module(void){
    printk(KERN_INFO "Welcome.....\n");
    return 0;}void cleanup_module(void){
    printk(KERN_INFO "Bye....\n");}
Moduuli ei toteuta main()-funktiota, vaan ytimen koodi kutsuu ladatun moduulin toimintoja.

Laiteajurit

Linux ydin tukee usean prosessorin järjestelmiä, ytimen sisäistä moniajoa, asynkronisia keskeytyksiä ja yksittäistä laitetta voi yrittää käyttää useampi prosessi samaan aikaan: laiteajureja on voitava käyttää useita yhtä aikaa (reentrant). Laiteajurit voidaan kääntää kiinteästi osaksi ydintä tai ajonaikana ladattaviin moduuleihin.
Yksinkertaisimmillaan ajurit käyttävät vain IO-muistialueita, mutta useimmat laitteet vaativat monimutkaisempaa käsittelyä.
Laiteajurit ovat tapahtumapohjaisia, jotka reagoivat järjestelmäkutsuihin, laitteistokeskeytyksiin ja niin edelleen.

Moniajo ja rinnakkaisuus

Linux-ydin tukee ulkoista moniajoa (preempt), sekä ytimen sisäinen moniajo on mukana 2.6-sarjassa, jota on myöhemmin laajennettu nk. vapaaehtoiseen moniajoon.
Ydin tukee useita menetelmiä ja algoritmeja tehtävien ajoituksen hallintaan. Ytimen versiossa 2.6.23 lisätty CFS korvasi O(1) vuorontajan. Ytimeen on kehitetty tuki ladattaville skedulereille eri käyttötarpeita varten.
Ydintä voidaan suorittaa moniajossa yhdellä suorittimella sekä rinnakkain moniprosessoinnilla. Ydin tukee ulkoisien NPTL-säikeiden lisäksi ytimen sisäisiä säikeitä.
Ytimen sisäinen moniajo tunnistaa mm. spinlock-lukituksen käytön ytimen sisäisessä moniajossa. Ydin käyttää runsaasti suoritinkohtaisia per-CPU tietorakenteita, jotka parantavat muun muassa välimuistin käytön tehokkuutta, mutta joiden käytössä sisäinen moniajo voidaan kytkeä hetkellisesti pois käytöstä.
Sisäistä moniajoa voi konfiguroida eri käyttötarkoituksiin soveltuvaksi.Reaaliaikakäyttöön tarkoitettu Real-Time Linux lisää omia vaihtoehtoja ytimen sisäiseen moniajoon.
Ytimen NO_HZ -optio vähentää ajoituksen vaatimia herätteitä tehostaen virrankäyttöä ja suorituskykyä tietyissä tilanteissa.

Verkkotoiminnot

Ytimeen on kehitetty useita menetelmä suodattaa (engl. filtering) ja reitittää (engl. routing) verkkoprotokollien paketteja. Eräitä ratkaisuja Linuxissa ovat ipchains, netfilter ja Berkeley Packet Filter (BPF), joka on saatavilla myös useille muille Unixin kaltaisille käyttöjärjestelmille. Ydin tukee VPN-verkkoja muun muassa IPsec-protokollan kanssa.

Käyttäjäoikeuksienhallinta

Linux-ydin tukee perinteisten Unix-tyylisten oikeuksienhallinnan lisäksi Access Control List (ACL) ja Mandatory Access Control (MAC) -tyyppisiä mekanismeja kuten SELinux, AppArmor, TOMOYO ja SMACK.

Prosessien välinen kommunikointi

Linux-ydin tukee useimpia tyypillisiä menetelmiä prosessien väliseen kommunikaatioon kuten anonyymit putket, nimetyt putket, viestijonot ja jaettu muisti. Linuxissa on mahdollista käyttää myös useita muita menetelmiä.
Lisäksi on mahdollista käyttää useita käyttäjäavaruudessa toimivia menetelmiä kuten D-Bus, jotka perustuvat daemon-prosessien palveluihin.
Muita ratkaisuja ovat muun muassa kehityksen alla oleva bus1 ja Androidin käyttämä binder.

Virheenjäljitys

Linux-ydin tukee kahdenlaisia debuggeriohjelmia ytimen virheenjäljitykseen: kdb (komentorivillä, ei lähdekooditason debuggausta) ja kgdb (etänä, lähdekooditason debuggaus).
kdb tukee mm. muistin ja rekisterien tilojen tutkimista ja pysäytyskohtien asettamista. kgdb käytetään GNU Debuggerin kanssa.
Lisäksi ydin tukee suorituksen seurantaan muita menetelmiä kuten ftrace, strace, ptrace() ja kprobe.
Suorituskyvyn profilointiin on olemassa muun muassa perf laskurit, jota ovat edeltäneet oprofile, perfctr ja perfmon2.

Virtualisointi ja säiliöinti

Ydin tukee hypervisor-virtualisointia kuten KVM sekä säiliöintiä. Xen-tuki sekä isäntänä (Dom0) että vieraana (DomU) on ollut ytimessä versiosta 3.0 lähtien. Lisäksi User-mode Linux mahdollistaa ytimen ajamisen käyttöjärjestelmän prosessina (Linux-on-Linux, Linux-on-Windows). Cooperative Linux (CoLinux) on virtualisointiin perustuva projekti, jolla Linux-ydintä voidaan pienen virtuaalikoneen avulla suorittaa Windowsin rinnalla.Jailhouse on turvakriittisiin järjestelmiin tarkoitettu virtualisointi Linuxille.

Lisensointi

Linuxin varhaiset versiot oli julkaistu Torvaldsin itse kirjoittamalla lisenssillä, joka ei sallinut ytimen levitystä rahaa vastaan koska halusi sen pysyvän ilmaisena eikä niinkään vapaan ideologian mukaisena. Eräiden tahojen toivoessa voivansa kerätä Linuxin levittämisestä syntyvät kustannukset Torvalds päätti muuttaa lisenssiä ja totesi rahaan liittyvän rajoituksen olleen virhe.
Linus ilmoitti version 0.12 julkistuksen yhteydessä siirtyvänsä käyttämään GNU GPL -lisenssiä 1. helmikuuta 1992 lähtien. Ytimen nykyinen lisenssi on GPL versio 2 ja Torvalds on sanonut vastustavansa siirtymistä versioon 3 sen lisäämien käyttörajoituksien vuoksi.
Torvalds on kuvaillut päätöstään julkaista Linux-ydin GPL-lisenssillä parhaaksi tekemäkseen asiaksi.
Koska Linux-ydin käyttää nimenomaan GNU GPL versiota 2 (GPLv2), sitä eivät sido lisenssiversion 3 rajoitukset, joita Torvalds on vastustanut ja on ilmoittanut, ettei Linux-ydin siirry versioon 3. Torvalds arvosteli lisenssiversion 3 tiukkaa linjaa kaupallisiin ja omisteisiin ohjelmistoihin.
Linux-libre on Linux-ytimeen perustuva ydin, josta on poistettu ei-vapaat (omisteiset) firmware-osiot.