Bài viết nằm trong series Linux kernel: Hiểu về Operating System để tối ưu Software.
1) Overview
Bản chất, Linux kernel cũng là software. Tuy nhiên nó là một open source project rất lớn và quan trọng.
Nó là trái tim của OS, tương tác trực tiếp với hệ thống hardware. Tất cả software mà chúng ta viết ra đều phải chạy qua kernel sau đó đi đến hardware để thực thi hoặc giao tiếp với thế giới bên ngoài.
Có thể coi kernel là nhân bánh, được gói với nhiều lớp vỏ khác nhau. Với mỗi loại vỏ là một loại bánh khác nhau. Vỏ có thể ngon, chưa ngon, nhưng cuối cùng vẫn là tương tác kết hợp với phần nhân bên trong để làm cho chiếc bánh trở nên tuyệt vời.
Tương tự với Linux kernel, nó có nhiều phiên bản khác nhau, nổi tiếng và ta hay dùng hàng ngày đó là: Ubuntu, CentOS, Android, macOS...
Với series này, mình sử dụng Ubuntu 21.10 với Docker. Nếu chưa biết Docker và cách sử dụng, các bạn có thể sử dụng VM nhé. Theo mình, thời gian set up và đọc qua về Docker có khi nhanh hơn so với cài mới VM.
docker run -it ubuntu:21.10
2) Cụ thể hơn Linux kernel là gì?
Như mình nói ở trên, Linux kernel là một software program. Nó là chương trình được chạy đầu tiên khi máy tính khởi động. Ai sẽ làm điều đó?
- Boot loader sẽ đọc thông tin của kernel được lưu trong disk (HDD, SSD), tiến hành load vào memory và chạy.
- Sau đó, nhường lại toàn bộ quyền điều khiển hệ thống hardware cho kernel xử lý. Với Linux, tên đầy đủ của boot loader là GNU GRand Unified Bootloader (GRUB).
Ngoài ra, Linux kernel là một API service, tất nhiên không phải RESTful APIs Service nhé. Nó cung cấp API để giao tiếp với hệ thống hardware.
Các chương trình chúng ta viết ra (ví dụ viết bằng Java) sẽ không thể truy cập trực tiếp xuống hardware hoặc kernel mà phải thông qua nhiều level khác, trong đó có Linux kernel API. Vậy Linux kernel API là gì?
3) Tổng quan kiến trúc GNU/Linux
Hãy xem qua kiến trúc tổng quan của GNU/Linux (hệ điều hành Linux) trước. Ta sẽ thấy Linux kernel API bao gồm System Call Interface.
Vài thành phần cần chú ý:
- User application. Chính là các ứng dụng desktop Skype, Chrome IntelliJ.. hoặc là các ứng dụng phần mềm mà chúng ta viết ra.
- GNU C library (glibc). Hiểu đơn giản nó là các thư viện viết bằng C. Nó bao gồm các API tiêu chuẩn ví dụ như đọc/ghi file, xử lý chuỗi... hoặc thực hiện gọi System Call Interface xuống kernel.
- User space. Vùng không gian dành cho user, là nơi các chương trình được thực thi.
- Kernel space. Vùng không gian kernel, nơi kernel hoạt động và tương các với hệ thống hardware.
- System Call Interface. Hai vùng user space và kernel space hoạt động độc lập trên vùng nhớ khác nhau. User space không thể truy cập trực tiếp vào Kernel space. System Call là cánh cửa bí mật đi đến kernel. Các User application cần thông qua nó để yêu cầu kernel thực thi một nhiệm vụ. Ngoài ra System call bao gồm các device files để làm việc với device drivers, nói cách khác là tương tác với các thiết bị ngoại vi (mouse, keyboard...).
Trên mô hình, User application có thể gọi trực tiếp xuống System Call với các ngôn ngữ low-level như C, C++ (chính là glibc). Tuy nhiên, chúng ta gọi qua glibc để đơn giản hóa quá trình viết code. Ví dụ để thực hiện lệnh in ra màn hình với C là printf() với 1 dòng code, nhưng bí ẩn đằng sau nó thì.. là một loạt các thao tác phức tạp khác nhau.
Ngoài System Call, Linux kernel API bao gồm một thành phần nữa để tương tác, đọc/ghi các thông tin với kernel là Virtual file systems:
- proc
- sys
- debugfs
Nếu coi System Call là người gác cổng từ user space xuống kernel space, thì Linux kernel là là người gác cổng từ kernel space xuống hardware, cụ thể là CPU.
Đa số các ứng dụng thông thường user process chỉ được thực thi với quyền hạn nhất định với CPU. Tuy nhiên, với root process, chúng sẽ có mọi đặc quyền. CPU có những chỉ dẫn đặc biệt chỉ được thực thi trong chế độ giám sát đặc biệt (xịn sò thật).
Ngoài ra kernel cung cấp thêm các cơ chế liên quan đến kiểm soát quyền truy cập tới hardware và các tài nguyên khác. Đảm bảo các tương tác với hardware/resource diễn ra đúng trình tự và an toàn, không phải muốn làm gì cũng được nhé 
.
Khi kernel được boot and run (GRUB thực thi), nó sẽ lần lượt load thêm các function hoặc divice driver cần thiết cho quá trình thực thi user process theo cơ chế module. Nếu các bạn đã biết Modular System trong Java 9 thì cơ chế load module trong kernel cũng khá giống vậy.
Như vậy, chúng ta biết rằng có thể config hệ thống hardware hoặc kernel để tăng performance cho các software application. Ví dụ như move tối đa các thành phần từ user space xuống kernel space, hoặc thực thi với các root privileges. Đón chờ trong các bài tiếp theo để hiểu rõ hơn nhé!