Hạt nhân Linux

Nhân Linux hay Linux kernel là một hạt nhân monolithic cho các hệ điều hành tương tự Unix. Họ hệ điều hành Linux dựa trên hạt nhân này và được triển khai trên cả hai hệ thống máy tính truyền thống là máy tính cá nhân và máy chủ, thường dưới dạng bản phân phối Linux, và trên các thiết bị nhúng khác nhau như router, điểm truy cập không dây, PBX, set-top box, máy thu FTA, smart TV, PVR và thiết bị NAS. Hệ điều hành Android cho máy tính bảng, điện thoại thông minh và đồng hồ thông minh sử dụng các dịch vụ do hạt nhân Linux cung cấp để thực hiện chức năng của nó. Trong khi thị phần trên desktop thấp, các hệ điều hành dựa trên Linux chiếm ưu thế gần như mọi phân đoạn máy tính khác, từ thiết bị di động đến máy tính lớn. Tính đến tháng 11/ 2017, tất cả 500 siêu máy tính mạnh nhất thế giới đều chạy Linux.

Nhân Linux được viết bởi Linus Torvalds vào năm 1991 cho máy tính cá nhân của mình và không có ý định đa nền tảng, nhưng sau đó nó đã mở rộng hỗ trợ số lượng nền tảng kiến trúc máy tính khổng lồ. Linux nhanh chóng thu hút các nhà phát triển và người dùng sử dụng nó làm hạt nhân cho các dự án phần mềm tự do khác, đáng chú ý là Hệ điều hành GNU được tạo ra như một hệ điều hành tự do, không độc quyền và dựa trên UNIX như một sản phẩm phụ của sự sụp đổ của các cuộc chiến Unix. Nhân Linux đã nhận được sự đóng góp của gần 12.000 lập trình viên từ hơn 1.200 công ty, bao gồm một số nhà cung cấp phần mềm và phần cứng lớn nhất.

Linux kernel API, một API thông qua đó các chương trình người dùng tương tác với hạt nhân, nó có ý nghĩa làm ổn định và không phá vỡ các chương trình không gian người dùng (một số chương trình có giao diện đồ họa người dùng GUI, số khác cũng dựa vào các API khác). Là một phần của chức năng của kernel, trình điều khiển thiết bị điều khiển phần cứng; Trình điều khiển "mainlined" (bên trong kernel) cũng có nghĩa là rất ổn định. Tuy nhiên, giao diện giữa các mô-đun hạt nhân và hạt nhân có thể tải (LKMs), không giống như trong nhiều hạt nhân và hệ điều hành khác, không có nghĩa là rất ổn định theo thiết kế.

Hạt nhân Linux được phát triển bởi những người đóng góp trên toàn thế giới, là một ví dụ nổi bật về phần mềm tự do nguồn mở, và nó được hỗ trợ lên đến sáu năm tùy theo phiên bản. Các cuộc thảo luận phát triển hàng ngày diễn ra trên Linux kernel mailing list (LKML). Hạt nhân Linux được phát hành theo Giấy phép Công cộng GNU phiên bản 2 (GPLv2) với một số firmware được phát hành theo nhiều giấy phép không miễn phí.

Lịch sử 
Xem thêm: Lịch sử Linux

Tháng 4/1991, Linus Torvalds, tại thời điểm đó là một sinh viên khoa học máy tính 21 tuổi tại Đại học Helsinki, Phần Lan, bắt đầu nghiên cứu một số ý tưởng đơn giản cho một hệ điều hành. Ông bắt đầu với một tác vụ switcher trong assembly Intel 80386 và một trình điều khiển thiết bị đầu cuối. Ngày 25/8/1991, Torvalds đã đăng thông tin sau lên Usenet comp.os.minix, trong đó có đoạn viết:

Sau đó, nhiều người đã đóng góp mã cho dự án. Ban đầu, cộng đồng MINIX đã đóng góp mã và ý tưởng cho nhân Linux. Vào thời điểm đó, Dự án GNU đã tạo ra nhiều thành phần cần thiết cho một hệ điều hành tự do, nhưng hạt nhân riêng của nó, GNU Hurd, không đầy đủ và không có sẵn. Hệ điều hành BSD vẫn chưa tự giải thoát khỏi các vụ kiện pháp lý. Mặc dù có các chức năng giới hạn của các phiên bản đầu, Linux nhanh chóng thu hút các nhà phát triển và người dùng.

Vào thời điểm này, dự án GNU đã hoàn thành nhiều cấu thành thiết yếu cho một hệ điều hành tự do, tuy nhiên phần hạt nhân (lõi - Linux Kernel) GNU Hurd của hệ điều hành này vẫn chưa được hoàn thành. Ngoài ra hệ điều hành BSD vẫn chưa được tự do hóa do các trở ngại về mặt pháp lý. Những điều này đã tạo ra một chỗ đứng thuận lợi cho hạt nhân Linux, nó nhanh chóng giành được sự quan tâm của các nhà phát triển cũng như người dùng.

Tháng 9/1991, hạt nhân Linux phiên bản 0.01 được phát hành trên máy chủ FTP (ftp.funet.fi) của Đại học Phần Lan và Mạng Nghiên cứu (FUNET). Nó có 10,239 dòng mã. Ngày 10/5/1991, phiên bản 0.02 của hạt nhân Linux đã được phát hành.

Tháng 12/1991, hạt nhân Linux 0.11 đã được phát hành. Phiên bản này là phiên bản đầu tiên được tự lưu trữ vì hạt nhân Linux 0.11 có thể được biên dịch bởi một máy tính chạy cùng phiên bản hạt nhân. Khi Torvald phát hành phiên bản 0.12 vào tháng 2/1992, ông đã thông qua Giấy phép Công cộng GNU (GPL) so với giấy phép tự soạn thảo trước đó của mình, điều này đã không cho phép phân phối lại thương mại.

Ngày 19/1/1992, bài đăng đầu tiên tới nhóm tin tức mới alt.os.linux đã được đăng tải. Ngày 31/3/1992, nhóm tin được đổi tên thành comp.os.linux. Việc Linux là một hạt nhân nguyên khối chứ không phải là một microkernel là chủ đề của cuộc tranh luận giữa Andrew S. Tanenbaum, người đã tạo ra MINIX, và Torvalds. Cuộc thảo luận này được gọi là cuộc tranh luận Tanenbaum–Torvalds và bắt đầu vào năm 1992 trên nhóm thảo luận Usenet comp.os.minix như một cuộc tranh luận chung về Linux và kiến trúc hạt nhân. Tanenbaum lập luận rằng microkernel vượt trội hơn so với hạt nhân nguyên khối và do đó Linux đã lỗi thời. Không giống như các hạt nhân nguyên khối truyền thống, trình điều khiển thiết bị trong Linux có thể dễ dàng được cấu hình dưới dạng các mô-đun hạt nhân có thể tải và được tải hoặc không tải trong khi chạy hệ thống. Chủ đề này đã được xem lại vào ngày 9 tháng 5 năm 2006, và vào ngày 12 tháng 5 năm 2006 Tanenbaum đã viết một tuyên bố về quan điểm.

Tháng 3 năm 1992, phiên bản 0.xx cuối cùng của Linux kernel được phát hành. Linux version 0.95 là phiên bản đầu tiên có khả năng chạy X, vì Hệ thống X Window đã được port sang Linux. Bước nhảy lớn này được thể hiện trong số hiệu phiên bản, từ 0.1x đến 0.9x, do kỳ vọng phiên bản 1.0, mà không có những phần thiếu sót lớn, sắp xảy ra. Tuy nhiên, điều này đã được chứng minh là sai và từ năm 1993 đến đầu năm 1994, 15 phiên bản phát triển của phiên bản 0.99 đã ra mắt. Ngày 14 tháng 3 năm 1994, phiên bản chính thức đầu tiên của Linux kernel được phát hành. Linux kernel 1.0.0 có 176,250 dòng lệnh. Linux kernel 1.0.0 đã khởi động một hệ thống đánh số phiên bản v.x.y tiêu chuẩn cho kernel,trong đó x đại diện cho một phiên bản chính. Các bản phát hành số lẻ là để thử nghiệm và phát triển. Vào thời điểm đó, chỉ có các phiên bản được đánh số chẵn là phát hành sản xuất. Chữ y được tăng lên khi các bản vá nhỏ được phát hành trong phiên bản chính. Vào tháng 3 năm 1995, Linux kernel 1.2.0 đã được phát hành, với 310.950 dòng mã.

Sau phiên bản kernel v1.3, Torvalds đã quyết định rằng đã có đủ các thay đổi đối với nhân Linux để đảm bảo việc phát hành phiên bản mới. Phiên bản 2.0.0 của Linux kernel được phát hành ngày 9 tháng 6 năm 1996. Trái ngược với Unix, tất cả mã nguồn của Linux kernel có sẵn miễn phí, bao gồm trình điều khiển, thư viện runtime và các công cụ phát triển. Thành công ban đầu của nhân Linux được thúc đẩy bởi sự hỗ trợ của các lập trình viên và người thử nghiệm trên toàn thế giới. Bằng cách cấu trúc nhân Linux theo các tiêu chuẩn POSIX, nó tương thích với một loạt các phần mềm và ứng dụng miễn phí đã được phát triển cho các trường đại học.

Các nhà phát triển đóng góp cho nhân Linux đã nghĩ rằng điều quan trọng là hạt nhân mà Torvald đã viết cho các PC của Intel hỗ trợ các kiến ​​trúc phần cứng khác nhau. Hiện nay hạt nhân Linux có thể chạy trên các CPU từ Intel (80386, 80486, 80686), Digital Equipment Corporation (Alpha), Motorola (MC680x0 and PowerPC), Silicon Graphics (MIPS) và Sun Microsystems (SPARC). Thông qua một trình giả lập FPU tích hợp, nhân Linux thậm chí có thể chạy trên các kiến ​​trúc phần cứng thiếu bộ đồng xử lý toán học dấu phẩy động. Các nhóm nhà phát triển được thành lập cho các kiến ​​trúc khác nhau và với việc phát hành Linux kernel phiên bản 2.0, các nguồn của kernel bao gồm tất cả các thành phần để cấu hình kernel cho các kiến ​​trúc khác nhau trước khi biên dịch nó. Làm cho nhân Linux tương thích với các hệ thống file khác nhau cũng được ưu tiên. Nhân Linux có thể vận hành các hệ thống tập tin đã được định dạng cho Minix, Xenix hoặc System V, trong khi định dạng umsdos thậm chí cho phép Linux được cài đặt trong phân vùng MS-DOS. Vào tháng 12 năm 1999, các bản vá máy tính lớn của IBM cho 2.2.13 đã được xuất bản, cho phép nhân Linux được sử dụng trên các máy cấp doanh nghiệp.

Tháng 12 năm 2003, với việc phát hành phiên bản kernel 2.6.0, 2.6.0, đã coi các hạt nhân Linux ổn định đến mức ông bắt đầu chu trình phát hành 2.6.x.y. Mỗi bản phát hành 2.6 là một hạt nhân để sản xuất, các bản phát hành phát triển được chỉ định bằng -rc ("release candidate") được gắn vào số hiệu phiên bản. Các bản phát hành kernel ổn định 2.6 bắt đầu được phát hành theo lịch trình đều đặn cứ sau 2 tháng 3, cho đến 2.6.39 tháng 5 năm 2011. Chu kỳ phát hành ngắn hơn là kết quả của các cuộc thảo luận giữa các nhà phát triển kernel về sơ đồ phát hành và phiên bản năm 2004.

Để đáp lại việc thiếu một nhánh ổn định, nơi mọi người có thể điều phối bộ sưu tập sửa lỗi như vậy, vào tháng 12 năm 2005 Adrian Bunk tuyên bố rằng anh ta sẽ tiếp tục phát hành hạt nhân 2.6.16.y khi nhóm ổn định chuyển sang 2.6.17. Ông cũng bao gồm một số cập nhật trình điều khiển, làm cho việc bảo trì loạt 2.6.16 rất giống với các quy tắc cũ để bảo trì một loạt ổn định như 2.4. Kể từ đó, "nhóm ổn định" đã được thành lập và nó sẽ tiếp tục cập nhật các phiên bản kernel với các sửa lỗi. Vào tháng 10 năm 2008, Adrian Bunk tuyên bố rằng ông sẽ duy trì 2.6.27 trong một vài năm để thay thế 2.6.16. Đội ngũ ổn định đã lên ý tưởng và tính toán năm 2010, họ tiếp tục duy trì phiên bản đó và phát hành các bản sửa lỗi cho nó, ngoài ra còn có các bản sửa lỗi khác. Andrew Morton quyết định tái sử dụng cây-mm của mình từ quản lý bộ nhớ để làm đích cho tất cả các mã mới và thử nghiệm. Vào tháng 9 năm 2007, Morton quyết định ngừng duy trì cây này. Vào tháng 2 năm 2008, Stephen Rothwell đã tạo ra cây linux-next để phục vụ như là một nơi mà các bản vá nhằm mục đích được hợp nhất trong chu kỳ phát triển tiếp theo được tập hợp lại. Một số nhà bảo trì hệ thống con cũng sử dụng hậu tố -next cho các cây có chứa mã được gửi để đưa vào chu kỳ phát hành tiếp theo. , phiên bản đang phát triển của nhân Linux được giữ trong một nhánh không ổn định có tên linux-next.

Mã nguồn nhân Linux được bảo trì mà không cần sự trợ giúp của hệ thống quản lý mã nguồn tự động (SCM), chủ yếu là do Torvalds không thích các hệ thống SCM tập trung. Năm 2002, phát triển nhân Linux đã chuyển sang BitKeeper, một hệ thống SCM đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của Torvalds. BitKeeper đã được cung cấp miễn phí cho Torvalds và một số người khác miễn phí nhưng không phải là phần mềm tự do, đây là một nguồn gây tranh cãi. Hệ thống này đã cung cấp một số khả năng tương tác với các hệ thống SCM miễn phí như CVS và Subversion. Tháng 4 năm 2005, Vào tháng 4 năm 2005, những nỗ lực dò ngược hệ thống BitKeeper của Andrew Tridgell đã khiến BitMover, công ty duy trì BitKeeper, ngừng hỗ trợ cộng đồng phát triển Linux. Đáp lại, Torvalds và những người khác đã viết một hệ thống kiểm soát mã nguồn mới cho mục đích này, được gọi là Git. Hệ thống mới được viết trong vòng vài tuần và trong hai tháng, bản phát hành hạt nhân chính thức đầu tiên được thực hiện bằng Git.

Năm 2008, Greg Kroah-Hartman nói rằng từ năm 2005 hơn 3.700 nhà phát triển các nhân từ hơn 200 công ty khác nhau đã có đóng góp vào kernel. Kỷ niệm 20 năm nhân Linux được Torvalds tổ chức vào tháng 7 năm 2011 với việc phát hành phiên bản kernel 3.0.0. Mặc dù nó không có thay đổi công nghệ lớn khi so sánh với Linux 2.6.39 Linux Foundation đã kỷ niệm 20 năm hạt nhân trong phiên bản 2011 của nghiên cứu phát triển hạt nhân của họ. Kernel 3.0 có 15 triệu dòng lệnh và hơn 1.300 nhà phát triển các nhân có đóng góp cho phiên bản này của nhân Linux. Các nhà phát triển tình nguyện đóng góp 16% tất cả thay đổi của nhân Linux vào năm 2011. Những thay đổi khác đến từ những nhà phát triển phần mềm chuyên nghiệp, những người được các công ty thuê để gửi mã cho kernel. Năm 2011, các nhà phát triển Red Hat đã đóng góp 10% các thay đổi được thực hiện cho kernel, doanh nghiệp đóng góp lớn thứ hai là Intel, tiếp theo là IBM và Novell. Mặc dù lúc đó Nokia đã từ bỏ hệ điều hành cho điện thoại thông minh dựa trên nhân Linux của mình là MeeGo, nhưng năm 2011, các nhà phát triển Nokia vẫn đóng góp nhiều mã cho nhân Linux hơn so với các nhà phát triển được Google thuê, đã phát hành Android vào năm 2007 và Chrome OS vào năm 2009. Đến năm 2011, Microsoft dao động như là doanh nghiệp đóng góp nhiều thứ 17 cho hạt nhân. Các nhà phát triển của nó đã lần đầu tiên bắt đầu đóng góp cho kernel vào năm 2009 để cải thiện hiệu năng của các máy ảo Linux chạy trên trình ảo hóa Windows Hyper-V.

Các hạt nhân ổn định 3.x.y đã được phát hành cho đến 3.19 trong tháng 2 năm 2015, với các phiên bản phát triển mang ký hiệu -rc. Để giải thích cho bản phát hành bản vá đặc biệt thường xuyên, series v3 của kernel đã thêm một chữ số thứ tư vào đánh số phiên bản. tháng 4 năm 2015, Torvalds đã phát hành phiên bản kernel 4.0. Vào tháng 2 năm 2015, nhân Linux đã nhận được sự đóng góp của gần 12.000 lập trình viên từ hơn 1.200 công ty, bao gồm một số nhà cung cấp phần mềm và phần cứng lớn nhất thế giới. Phiên bản 4.1 của nhân Linux, được phát hành vào tháng 6 năm 2015, chứa hơn 19,5 triệu dòng mã được đóng góp bởi gần 14.000 lập trình viên.

Phổ biến 
Các bản phân phối Linux đóng gói nhân Linux với các ứng dụng, chương trình và gói ứng dụng Unix chịu trách nhiệm cho sự phổ biến ngày càng tăng của hệ điều hành Linux với người dùng. Sự phổ biến của hệ điều hành Android, bao gồm nhân Linux, đã khiến hạt nhân này trở thành lựa chọn phổ biến nhất cho các thiết bị di động, cạnh tranh với cơ sở được cài đặt của tất cả các hệ điều hành khác.

Nhiều bộ định tuyến cũng sử dụng nhân Linux, cũng như nhiều loại thiết bị nhúng khác, chẳng hạn như smart TVs, set-top boxes, và webcams. Nhiều bản phân phối Linux trên máy tính để bàn bao gồm cả nhân Linux tồn tại, nhưng tỷ lệ sử dụng của các bản phân phối Linux thấp so với các hệ điều hành khác.

Tính đến tháng 11/ 2017, tất cả 500 siêu máy tính mạnh nhất thế giới đều chạy Linux.

Kiến trúc 

Nhân Linux là một thiết kế nguyên khối và mô đun hóa (có thể nạp vào hay gỡ bỏ các kernel mô đun trong lúc đang chạy), hỗ trợ hầu hết các tính năng chỉ có trên nhân mã nguồn đóng của các hệ điều hành không tự do. Từ giờ trở đi, bài viết này sử dụng các thuật ngữ của các hệ điều hành Unix và tương tự, được đề cập trong các Man page (cẩm nang) chính thức. Các số đằng sau câu lệnh, giao diện hay các tính năng khác chỉ định nó thuộc thành phần nào của nhân (ví dụ  là một lời gọi hệ thống, còn  là một wrapper trong userspace). Danh sách sau đây và các phần tiếp theo mô tả tổng quan không đầy đủ về thiết kế kiến ​​trúc Linux và một số tính năng đáng chú ý của nó.

 Tính toán tương tranh và thậm chí thực thi các tiến trình song song trên các hệ thống SMP và NUMA (nếu có đủ số nhân CPU cho các tác vụ đã sẵn sàng)
 Cho phép lựa chọn và cấu hình hàng trăm tính năng và trình điều khiển trong nhân (bằng cách sử dụng một trong các lệnh  trước khi biên dịch kernel), thay đổi các tham số trong kernel trước khi khởi động (thông qua GRUB menu) và tinh chỉnh cách vận hành của kernel trong lúc chạy (sử dụng giao diện  tới ).
 Cho phép cấu hình và thay đối các chính sách của trình lập lịch tác vụ, thông qua , , và các lời gọi hệ thống , cho phép đa nhiệm ưu tiên (trong chế độ người dùng và trong kernel từ phiên bản 2.6 trở đi); Completely Fair Scheduler (CFS) là trình lập lịch mặc định kể từ 2007, sử dụng một cây đỏ-đen để tìm kiếm, thêm vào và xóa thông tin tiến trình với độ phức tạp của thời gian chạy thuật toán là O(log n), với n là số tác vụ có thể chạy.
 Quản lý bộ nhớ nâng cao với bộ nhớ ảo phân trang.
 Giao tiếp liên tiến trình và đồng bộ hóa.
 Một hệ thống file ảo trên vài hệ thống file thực (ext4, Btrfs, XFS, JFS, FAT32 v.v.).
Trình lập lịch I/O cấu hình được, lời gọi hệ thống  để thay đổi tham số của thiết bị trong các file đặc biệt (tuy nhiên nó không phải lời gọi chuẩn bởi có nhiều thiết bị khác nhau), I/O không đồng bộ của POSIX (tuy nhiên do khả năng mở rộng quy mô kém trong đa luồng, người ta phải tạo ra các lời gọi hệ thống của riêng Linux () ).
 Ảo hóa cấp độ hệ điều hành với Linux-VServer, paravirtualization và ảo hóa với trợ giúp phần cứng (với KVM hoặc Xen, và sử dụng QEMU để giả lập phần cứng); Trên hypervisor Xen, Linux kernel hỗ trợ biên dịch các bản phân phối Linux (như OpenSuSE Leap v.v) gọi là Dom0, các server máy ảo chủ cung cấp môi trường quản lý cho các máy ảo khách của người dùng (DomU).
 Ảo hóa I/O với VFIO và SR-IOV. Virtual function I/O (VFIO) cung cấp truy cập trực tiếp vào thiết bị từ userspace trong một môi trường bảo vệ bộ nhớ nghiêm ngặt (IOMMU). Với VFIO, một máy ảo khách có thể truy cập trực tiếp vào phần cứng trên server máy ảo chủ. Kỹ thuật này cải thiện hiệu năng so với Ảo hóa toàn phần và Paravirtualization. Tuy nhiên với VFIO các thiết bị không thể được chia sẻ giữa các máy ảo khách. Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) kết hợp hiệu năng của VFIO với khả năng chia sẻ thiết bị giữa các máy ảo khách (nhưng nó đòi hỏi phần cứng phải có khả năng hiển thị trong các máy ảo dưới dạng các thiết bị khác nhau).
 Các cơ chế bảo mật để kiểm soát truy cập tùy quyền và bắt buộc (SELinux, AppArmor, POSIX ACLs, v.v.).
 Một số loại giao thức truyền thông phân tầng (bao gồm cả Internet protocol suite)
 Đa xử lý không đối xứng, thông qua hệ thống RPMsg.

Trình điều khiển thiết bị và phần mở rộng kernel chạy trong không gian kernel (ring 0 trong nhiều kiến trúc CPU), với toàn quyền truy cập vào phần cứng, mặc dù một số ngoại lệ chạy trong không gian người dùng, ví dụ: hệ thống file dựa trên FUSE/CUSE, và các phần của UIO. Hơn nữa, X Window và Wayland, các hệ thống cửa sổ và các giao thức máy chủ hiển thị mà hầu hết mọi người sử dụng với Linux không chạy trong kernel.

Không giống như các hạt nhân nguyên khối tiêu chuẩn, trình điều khiển thiết bị dễ dàng được cấu hình dưới dạng các mô-đun và được tải hoặc không tải trong khi hệ thống đang chạy. Ngoài ra driver có thể bị ngắt quãng trong một số điều kiện nhất định; tính năng này đã được thêm vào để xử lý các ngắt phần cứng một cách chính xác và để hỗ trợ tốt hơn cho đa xử lý đối xứng. Theo lựa chọn, nhân Linux không có giao diện nhị phân ứng dụng ổn định cho các driver.

Phần cứng cũng được thể hiện trong hệ thống phân cấp file. Giao diện trình điều khiển thiết bị với các ứng dụng người dùng thông qua một mục trong thư mục  hoặc . Thông tin tiến trình cũng được ánh xạ tới hệ thống file thông qua thư mục .

Giao diện 
Linux là một hệ điều hành giống UNIX, và nhắm tới việc tương thích với POSIX và Single UNIX Specification. Ngoài ra nó còn cung cấp các lời gọi hệ thống và giao diện khác của riêng mình. Một đoạn mã muốn được thêm vào kernel chính thức phải tuân theo một số quy tắc về việc cấp phép.

Giao diện nhị phân ứng dụng (ABI) của Linux nằm giữa kernel và không gian người dùng (user space) có bốn mức độ ổn định (ổn định, testing, lỗi thời và bị xóa bỏ), tuy nhiên các lời gọi hệ thống không bao giờ được phép thay đổi vì điều đó có thể làm hỏng các chương trình user space sử dụng chúng.

Các Loadable kernel module (LKM) được thiết kế không thể phụ thuộc vào một ABI ổn định. Do đo chúng phải luôn được biên dịch lại mỗi khi có một kernel mới được cài đặt vào hệ thống, nếu không sẽ không tải được chúng. Các driver đã có sẵn như là một phần trọng yếu trong tập tin thực thi của kernel (gọi là vmlinux) được liên kết tĩnh trong quá trình biên dịch.

Ngoài ra không có sự đảm bảo nào về tính ổn định của các API trong kernel, vì vậy mã nguồn của driver cũng như các hệ thống trong kernel phải được cập nhật thường xuyên. Bất kỳ lập trình viên nào thay đổi một API cũng được yêu cầu phải sửa tất cả các code bị ảnh hưởng.

API giữa kernel và người dùng 
Tập hợp API của kernel liên quan đến giao diện viết cho ứng dụng người dùng, về cơ bản, bao gồm các lời gọi hệ thống của UNIX và các lời gọi của riêng Linux. Một lời gọi hệ thống là một điểm vào bên trong kernel. Ví dụ, trong các lời gọi riêng của Linux có một họ các lời gọi là . Hầu hết các mở rộng phải được bật thông qua macro _GNU_SOURCE trong một header file hoặc trong lúc biên dịch chương trình ứng dụng.

Lời gọi hệ thống chỉ được thực hiện bằng cách sử dụng các lệnh bằng hợp ngữ cho phép chuyển từ chế độ người dùng không đặc quyền lên chế độ kernel đặc quyền trong ring 0. Vì vậy, thư viện C chuẩn (libC) có tác dụng như một wrapper của các lời gọi hệ thống, trong đó các hàm C chỉ khi cần thiết mới vào bên trong kernel để thực hiện lời gọi thay cho chương trình gọi nó. Đối với các lời gọi không có trong libC, ví dụ như fast user mutex (futex), thư viện cung cấp hàm  cho phép thực hiện thẳng lời gọi đó.

Các hệ thống file giả (ví dụ như sysfs hay procfs) và các file đặc biệt như /dev/random, /dev/sda/ hay /dev/tty, v.v là một cách trừu tượng hóa các thiểt bị phần cứng vật lý hoặc thiết bị phần mềm.

ABI giữa kernel và người dùng 
Có sự khác biệt giữa hàng trăm hệ điều hành Linux khác nhau, do đó các tập thực thi nhị phân được biên dịch, hợp dịch (assembly) hay liên kết để chạy trên một kiến trúc máy tính (ISA) cụ thể thường không thể chạy được trên các bản phân phối Linux khác nhau. Lý do chủ yếu là cấu hình riêng của bản phân phối hay các bản vá của kernel, hoặc khác biệt trong thư viện của hệ thống, dịch vụ (daemon), hệ thống file hay biến môi trường.

Tiêu chuẩn chính liên quan đến vấn đề tương thích của các tập tin nhị phân và ứng dụng trong các bản phân phối là Linux Standard Base (LSB). Tuy nhiên LSB không chỉ đề cập đến kernel mà cả các môi trường desktop như thư viện X và Qt, những thứ không liên quan lắm đến kernel. LSB phiên bản 5 dựa trên vài tiêu chuẩn và bản dự thảo như POSIX, SUS, X/Open, File System Hierarchy (FHS), v.v.

Các thành phần phần lớn liên quan đến kernel của LSB gọi là General ABI (gABI), đặc biệt là System V ABI và Executable and Linking Format (ELF) và Processor Specific ABI (psABI), ví dụ như Core Specification for X86-64.

Tiêu chuẩn ABI để các chương trình x86_64 thực hiện lời gọi hệ thống là nạp mã số lời gọi vào thanh ghi rax và các tham số vào các thanh ghi rdi, rsi, rdx, r10, r8 và r9, sau đó thực thi lệnh (hợp ngữ) syscall.

API nội bộ kernel 
Có vài API nội bộ được sử dụng giữa các hệ thống trong kernel. Một số chỉ truy cập được bên trong hệ thống con, ngoài ra có một tập hợp khá ít ỏi các symbol (bao gồm các biến, hàm và cấu trúc) được xuất ra cho các module có thể tải động (ví dụ, các driver được tải khi yêu cầu) bằng cách thêm vào các macro  hoặc  (được dùng riêng cho các module có giấy phép GPL).

Linux còn cung cấp các API nội bộ cho phép tương tác với các cấu trúc dữ liệu (như danh sách liên kết, cây radix, cây đỏ-đen và hàng đợi) hay thực hiện các hành động thông thường như sao chép dữ liệu trong user space, cấp phát bộ nhớ, in ra lịch trình hệ thống, v.v. được ổn định kể từ phiên bản 2.6.

Các API nội bộ bao gồm các thư viện cung cấp các dịch vụ cấp thấp cho các trình điều khiển thiết bị phải kể đến:
 Giao diện SCSI: một giao thức peer-to-peer cho các thiết bị lưu trữ sử dụng USB, SATA, SAS, Fibre Channel, FireWire, ATAPI và libATA: thư viện hỗ trợ các thiết bị và máy chủ sử dụng SATA.
 Direct Rendering Manager (DRM) và Kernel Mode Setting (KMS): giao diện tới GPU và hỗ trợ nhu cầu sử dụng phần cứng 3D hiện đại, và để chọn độ phân giải, màu và tốc độ refresh hiển thị.
 Bộ đệm DMA (DMA-BUF): để chia sẻ bộ đệm DMA giữa các driver và các hệ thống khác.
 Video4Linux dành cho việc thu lại video.
 Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) dành cho card âm thanh.
 New API cho NIC.
 mac80211 và cfg80211 cho các NIC không giây.

ABI nội bộ kernel 
Các nhà phát triển Linux chọn cách không bảo trì các ABI ổn định bên trong kernel. Các module được biên dịch cho một phiên bản nhất định không thể nạp được vào phiên bản khác nếu không được biên dịch lại , cho dù mã nguồn của API nội bộ kernel không thay đổi. Nếu chúng bị thay đổi thì mã nguồn module phải được viết lại.

Phát triển

Cộng đồng nhà phát triển 
Tính đến năm 2007, sự phát triển của hạt nhân đã chuyển từ top 20 nhà phát triển tích cực nhất, viết 80% mã thành top 30 viết 30% mã, với các nhà phát triển hàng đầu dành nhiều thời gian xem xét thay đổi hơn. Các nhà phát triển cũng có thể được phân loại theo liên kết; trong năm 2007, các nhóm hàng đầu là không rõ trong khi đứng đầu nhóm doanh nghiệp là Red Hat với 12% đóng góp, và những người nghiệp dư được biết ở mức 3.9%. Những thay đổi về hạt nhân được thực hiện trong năm 2007 đã được gửi bởi hơn 1900 nhà phát triển, có thể là một đánh giá thấp đáng kể bởi vì các nhà phát triển làm việc theo nhóm thường được tính là một. Nó thường được giả định rằng cộng đồng các nhà phát triển hạt nhân Linux bao gồm 5000 hoặc 6000 thành viên.

Cập nhật từ 2016 Linux Kernel Development Report, do Linux Foundation phát hành,bao gồm giai đoạn từ 3,18 (tháng 12 năm 2014) đến 4,7 (tháng 7 năm 2016): Khoảng 1500 nhà phát triển đã đóng góp cho mỗi bản phát hành từ khoảng 200-250 công ty trên mỗi bản phát hành. 30 nhà phát triển hàng đầu đã đóng góp hơn 16% mã. Trong khối doanh nghiệp, những công ty đóng góp nhiều nhất là Intel (12,9%) và Red Hat (8,0%), vị trí thứ ba và thứ tư được tổ chức bởi danh mục 'không' (7,7%) và 'không xác định' (6,8%).

Quá trình phát triển 
Một nhà phát triển muốn thay đổi hạt nhân Linux bắt đầu bằng việc phát triển và thử nghiệm sự thay đổi đó. Tùy thuộc vào mức độ thay đổi đáng kể và số lượng hệ thống con mà nó thay đổi mà thay đổi sẽ bao gồm một bản vá hoặc nhiều bản vá. Trong trường hợp của một hệ thống con duy nhất được duy trì bởi một người bảo trì duy nhất, các bản vá này được gửi dưới dạng e-mail đến người duy trì hệ thống con với danh sách gửi thư thích hợp trong Cc. Người duy trì và độc giả của danh sách gửi thư sẽ xem xét các bản vá và cung cấp phản hồi. Khi quá trình xem xét kết thúc, người duy trì chấp nhận các bản vá lỗi trong cây hạt nhân của mình. Nếu những thay đổi này là sửa lỗi được coi là đủ quan trọng, yêu cầu kéo bao gồm các bản vá sẽ được gửi đến Linus Torvalds trong vòng vài ngày. Nếu không, yêu cầu kéo sẽ được gửi đến Linus Torvalds trong cửa sổ hợp nhất tiếp theo. Cửa sổ hợp nhất thường kéo dài hai tuần và bắt đầu ngay sau khi phát hành phiên bản hạt nhân trước đó.

Linus Torvalds là nhân tố cuối cùng không chỉ qua những thay đổi được chấp nhận vào nhân Linux mà còn hơn những người có thể trở thành một người bảo trì. Các nhà bảo trì hạt nhân giữ vai trò của họ trừ khi họ tự nguyện đóng vai trò của họ. Không có ví dụ nào được biết về các nhà bảo trì hạt nhân đã được yêu cầu từ bỏ. Ngoài ra, không có ví dụ nào được biết đến về trình bảo trì hạt nhân đã bị chỉ trích vì kiểu tương tác của cô ấy với các nhà phát triển của Linus. Điều này mang đến cho người bảo trì một lượng năng lượng đáng kể. Mặc dù văn hóa trong cộng đồng phát triển hạt nhân đã được cải thiện qua nhiều năm, cộng đồng phát triển hạt nhân có tiếng tăm đôi khi rất thô lỗ. Các nhà phát triển cảm thấy bị đối xử không công bằng có thể báo cáo điều này với Linux Foundation's Technical Advisory Board. Một số thành viên cộng đồng hạt nhân không đồng ý với văn hóa thảo luận hiện tại.

Ngôn ngữ lập trình 
Linux được viết bằng một phiên bản của ngôn ngữ lập trình C hỗ trợ bởi GCC (đã giới thiệu một số phần mở rộng và thay đổi cho tiêu chuẩn C), cùng với một số phần ngắn viết bằng hợp ngữ (trong cú pháp "AT&T-style" của GCC) cho kiến trúc đích. Bởi vì sự hỗ trợ mở rộng của C mà nó được viết, GCC trong một thời gian dài là trình biên dịch có thể dịch được đúng hạt nhân Linux.
Nhiều ngôn ngữ khác được sử dụng trong nhiều cách, chủ yếu liên quan đến quá trình biên dịch. Bao gồm Perl, Python và nhiều loại shell scripting.

Sự tương thích với các trình biên dịch 
GCC là trình biên dịch mặc định cho nguồn nhân Linux. Năm 2014, Intel ttuyên bố đã sửa đổi kernel để trình biên dịch C của họ cũng có khả năng biên dịch hạt nhân. Có một báo cáo thành công như vậy trong năm 2009, với phiên bản kernel đã được sửa đổi 2.6,22.

Từ năm 2010, nỗ lực đã được tiến hành để xây dựng nhân Linux với Clang, một trình biên dịch thay thế cho ngôn ngữ C; kể từ ngày 12 tháng 4 năm 2014, kernel chính thức gần như có thể được biên dịch bằng Clang. Dự án dành riêng cho nỗ lực này được đặt tên là LLVMLinux theo cơ sở hạ tầng trình biên dịch LLVM mà Clang được xây dựng. LLVMLinux không nhằm mục đích phân nhánh hạt nhân Linux hoặc LLVM, do đó, đây là một siêu dự án bao gồm các bản vá cuối cùng được gửi cho các dự án ngược dòng. Bằng cách cho phép nhân Linux được Clang biên dịch, trong số các ưu điểm khác, được biết đến với khả năng biên dịch nhanh hơn so với GCC, các nhà phát triển nhân có thể được hưởng lợi từ quy trình làm việc nhanh hơn do thời gian biên dịch ngắn hơn.

Xung đột cộng đồng phát triển 
Đã có một số xung đột đáng chú ý giữa các nhà phát triển nhân Linux. Ví dụ về những xung đột đó là:

 Ngày 10 tháng 7 năm 2007 Con Kolivas tuyên bố rằng ông sẽ ngừng phát triển cho nhân Linux. Thảo luận về lý do của mình trong một cuộc phỏng vấn, ông bày tỏ sự thất vọng với các khía cạnh của quy trình phát triển nhân chính, mà ông cảm thấy không ưu tiên đủ cho tương tác máy tính để bàn, ngoài việc hack gây tổn hại cho sức khỏe, công việc và gia đình.
 Ngày 28 tháng 7 năm 2009, Alan Cox đã từ bỏ vai trò là người duy trì lớp TTY sau khi không đồng ý với Torvalds về phạm vi công việc cần thiết để sửa lỗi trong hệ thống con đó.
 Tháng 12 năm 2010, đã có một cuộc thảo luận giữa nhà bảo trì SCSI James bottomley và nhà duy trì SCST Vladislav Bolkhovitin về việc ngăn xếp mục tiêu SCSI nào sẽ được đưa vào nhân Linux - SCST hoặc LIO. Mặc dù tại thời điểm đó SCST được coi là vượt trội về mặt kỹ thuật, LIO đã được sáp nhập ngược dòng. Điều này làm cho một số người dùng Linux buồn bã.
 Vào ngày 14 tháng 6 năm 2012 Linus Torvalds đã nói rất rõ rằng ông không đồng ý với việc NVIDIA phát hành trình điều khiển của mình dưới dạng trình điều khiển nguồn đóng.
 Ngày 6 tháng 10 năm 2014, Lennart Poettering đã cáo buộc Linus Torvalds dung túng kiểu thảo luận thô lỗ trong danh sách gửi thư liên quan đến nhân Linux và là một mô hình vai trò xấu.
 Ngày 5 tháng 3 năm 2015, Christoph Hellwig đã đệ đơn kiện VMware vì vi phạm bản quyền trên nhân Linux. Linus Torvalds nói rõ rằng ông không đồng ý với việc này và các ý định tương tự bằng cách gọi luật sư là một bệnh hoạn.

Các nhà phát triển nhân Linux nổi bật đã nhận thức được tầm quan trọng của việc tránh xung đột giữa các nhà phát triển. Trong một thời gian dài, không có quy tắc ứng xử nào cho các nhà phát triển nhân do sự phản đối của Linus Torvalds. Tuy nhiên, một Linux Kernel Code of Conflict đã được giới thiệu vào ngày 8 tháng 3 năm 2015. Nó đã được thay thế vào ngày 16 tháng 9 năm 2018 bởi Code of Conduct dựa trên Giao ước cộng tác viên (Contributor Covenant). Điều này trùng hợp với một lời xin lỗi công khai của Linus và một thông báo rằng ông đang tạm nghỉ phát triển nhân.

Codebase

Phương diện luật pháp

Điều khoản cấp phép 
Ban đầu, Torvalds phát hành Linux theo một giấy phép cấm sử dụng thương mại. Điều này đã được thay đổi trong phiên bản 0.12 bằng cách chuyển sang Giấy phép Công cộng GNU (GPL). Giấy phép này cho phép phân phối và bán các phiên bản có thể sửa đổi và chưa sửa đổi của Linux nhưng yêu cầu tất cả các bản sao đó phải được phát hành theo cùng một giấy phép và được kèm theo mã nguồn tương ứng hoàn chỉnh.

Torvalds đã mô tả việc cấp phép Linux theo GPL là "điều tốt nhất tôi từng làm".

GPL v3 
Linux kernel chỉ được cấp phép rõ ràng theo phiên bản 2 của GPL, mà không cung cấp cho người được cấp phép tùy chọn "bất kỳ phiên bản mới hơn", đây là một phần mở rộng GPL phổ biến. Đã có cuộc tranh luận đáng kể về việc giấy phép có thể được thay đổi dễ dàng để sử dụng các phiên bản GPL sau này (bao gồm cả phiên bản 3) và liệu sự thay đổi này có đáng mong muốn hay không. Bản thân Torvalds đã chỉ định cụ thể khi phát hành phiên bản 2.4.0 rằng mã riêng của ông chỉ được phát hành trong phiên bản 2. Tuy nhiên, các điều khoản của trạng thái GPL rằng nếu không có phiên bản nào được chỉ định thì có thể sử dụng bất kỳ phiên bản nào, và Alan Cox chỉ ra rằng rất ít người đóng góp Linux khác đã chỉ định một phiên bản cụ thể của GPL.

Tháng 9/2006, một cuộc khảo sát với 29 lập trình viên hạt nhân chính đã chỉ ra rằng 28 người thích GPLv2 hơn dự thảo hiện tại của GPLv3. Torvalds nhận xét: "Tôi nghĩ rằng một số người ngoài cuộc... tin rằng cá nhân tôi chỉ là người kỳ quặc vì tôi đã công khai không phải là một fan hâm mộ lớn của GPLv3." Nhóm các nhà phát triển hạt nhân cao cấp này, bao gồm Linus Torvalds, Greg Kroah-Hartman và Andrew Morton, đã bình luận trên các phương tiện truyền thông đại chúng về sự phản đối của họ đối với GPLv3. Họ đã đề cập đến các điều khoản liên quan đến DRM/tivoization, bằng sáng chế, "các hạn chế bổ sung" và cảnh báo Balkanisation của "Open Source Universe" của GPLv3. Linus Torvalds, người quyết định không áp dụng GPLv3 cho nhân Linux, đã nhắc lại những lời chỉ trích của mình thậm chí nhiều năm sau đó.

Loadable kernel modules 
Cuộc tranh luận liệu các loadable kernel modules (LKMs) có được coi là tác phẩm phái sinh theo luật bản quyền hay không, và do đó nằm trong các điều khoản của GPL.

Torvalds đã tuyên bố niềm tin của mình rằng các LKM chỉ sử dụng một tập hợp con giới hạn, "công khai" của các giao diện kernel đôi khi có thể là các tác phẩm không có nguồn gốc, do đó cho phép một số trình điều khiển chỉ nhị phân và các LKM khác không được cấp phép theo GPL. Một ví dụ điển hình cho việc này là việc sử dụng dma_buf bởi các trình điều khiển đồ họa Nvidia độc quyền. dma_buf là một tính năng kernel gần đây giống như phần còn lại của kernel, nó được cấp phép theo GPL), cho phép nhiều GPU nhanh chóng sao chép dữ liệu vào bộ đệm khung của nhau. Một trường hợp sử dụng có thể là Nvidia Optimus kết hợp GPU nhanh với GPU tích hợp Intel, trong đó GPU Nvidia ghi vào bộ đệm khung Intel khi nó hoạt động. Nhưng, Nvidia không thể sử dụng cơ sở hạ tầng này vì nó sử dụng một phương tiện kỹ thuật để thực thi quy tắc rằng nó chỉ có thể được sử dụng bởi các LKM cũng là GPL. đã trả lời trên LKML, từ chối yêu cầu từ một trong các kỹ sư của họ để loại bỏ thực thi kỹ thuật này khỏi API. Tuy nhiên, không phải tất cả những người đóng góp nhân Linux đều đồng ý với cách giải thích này, và ngay cả Torvald cũng đồng ý rằng nhiều LKM là các tác phẩm có nguồn gốc rõ ràng, và thực sự ông viết rằng "các mô-đun hạt nhân là dẫn xuất 'theo mặc định'".

Mặt khác, Torvalds cũng đã nói rằng "một vùng màu xám nói riêng giống như một trình điều khiển ban đầu được viết cho một hệ điều hành khác (nghĩa là rõ ràng không phải là một tác phẩm có nguồn gốc từ Linux). [...] ĐÓ là một khu vực màu xám, and _that_ is khu vực mà cá nhân tôi tin rằng một số mô-đun có thể được coi là không có nguồn gốc hoạt động đơn giản vì chúng không được thiết kế cho Linux và không phụ thuộc vào bất kỳ hành vi đặc biệt nào của Linux". Trình điều khiển đồ họa độc quyền, đặc biệt, được thảo luận rất nhiều. Cuối cùng, có khả năng những câu hỏi như vậy chỉ có thể được giải quyết bởi một tòa án.

Firmware binary blobs 
Một điểm gây tranh cãi về cấp phép là việc sử dụng firmware "binary blobs" trong Linux kernel để hỗ trợ một số thiết bị phần cứng. Các tập tin này thuộc nhiều loại giấy phép, trong đó nhiều tập tin bị hạn chế và mã nguồn cơ bản chính xác của chúng thường không được biết.

Năm 2002, Richard Stallman đã tuyên bố tại sao, theo quan điểm của mình, những đốm màu đó làm cho nhân Linux không phải là một phần mềm miễn phí và việc phân phối nhân Linux "vi phạm GPL", đòi hỏi phải có "mã nguồn tương ứng hoàn chỉnh". Năm 2008, Tổ chức Phần mềm Tự do Mỹ Latinh đã khởi động Linux-libre như một dự án tạo ra một biến thể hoàn toàn miễn phí của nhân Linux mà không có đối tượng độc quyền; nó được sử dụng bởi một số bản phân phối Linux hoàn toàn tự do, chẳng hạn như những bản phân phối được chứng nhận bởi Free Software Foundation, trong khi nó cũng có thể được sử dụng trên hầu hết các bản phân phối.

Vào ngày 15 tháng 12 năm 2010, Dự án Debian đã thông báo rằng phiên bản ổn định tiếp theo của Debian "6.0 Squeeze" sẽ đi kèm với một hạt nhân "loại bỏ tất cả các bit phần mềm không tự do". Chính sách này tiếp tục được áp dụng trong các bản phát hành Debian ổn định sau này.

Thương hiệu 
Linux là thương hiệu đã đăng ký của Linus Torvalds tại Mỹ và một số quốc gia khác. Đây là kết quả của một sự cố trong đó William Della Croce, Jr., người không tham gia vào dự án Linux, đã đăng ký nhãn hiệu tên và sau đó yêu cầu tiền bản quyền để sử dụng nó. Một số người ủng hộ Linux đã yêu cầu tư vấn pháp lý và nộp đơn kiện chống lại Della Croce. Vấn đề đã được giải quyết vào tháng 8 năm 1997 khi nhãn hiệu được giao cho Linus Torvalds.

Tranh chấp SCO 
Đầu năm 2007, SCO đã đệ trình các chi tiết cụ thể về vi phạm bản quyền có mục đích. Mặc dù các tuyên bố trước đó rằng SCO là chủ sở hữu hợp pháp của 1 triệu dòng mã, họ chỉ xác định 326 dòng mã, hầu hết trong số đó là không bản quyền. Vào tháng 8 năm 2007, tòa án trong vụ Novell đã phán quyết rằng SCO đã không thực sự sở hữu bản quyền của Unix, mặc dù Tòa án phúc thẩm thứ mười phán quyết vào tháng 8 năm 2009 rằng câu hỏi về người sở hữu bản quyền vẫn còn đúng cho bồi thẩm đoàn câu trả lời. Tòa án đã ra phán quyết ngày 30 tháng 3 năm 2010 có lợi cho Novell.

Xem thêm 

 Hệ điều hành
 Nhân hệ điều hành
 Linux
 Minix
 macOS
 Microsoft Windows

Tham khảo

Đọc thêm

Liên kết ngoài 

 
 Linux kernel documentation index
 Linux kernel man pages
 Kernel bugzilla, and regressions for each recent kernel version
 Kernel Newbies, a source of various kernel-related information
 Kernel coverage at LWN.net, an authoritative source of kernel-related information
 Bootlin's Elixir Cross Referencer, a Linux kernel source code cross-reference
 

Linux
Hạt nhân hệ điều hành
Hệ điều hành
Lịch sử Internet
Phần mềm hệ thống tự do
Phát minh của Phần Lan