estudio de casos: linux

ESTUDIO DE CASOS: LINUX
En este capítulo se estudia el sistema operativo Linux. Se trata de un sistema operativo de libre distribución
que proporciona una interfaz POSIX. Actualmente Linux es ampliamente utilizado y se ha convertido en uno
de los pocos sistemas que puede competir hasta cierto punto con los sistemas Windows por lograr una cuota
del mercado de los sistemas operativos. De hecho, no sólo se trata de dos sistemas operativos diferentes sino
de dos maneras distintas de entender la informática.
Windows es un sistema cerrado y "secreto" creado por una gran multinacional, Microsoft, cuyo único
objetivo es vender su producto sea como sea. Linux es un sistema abierto y público que inicialmente surgió de
un proyecto personal sin ánimo de lucro, pero que se ha convertido en la actualidad en un sistema
desarrollado conjuntamente por gente de todo el mundo gracias al auge de Internet.
En este capítulo se da una visión general de Linux. La exposición se organiza en las siguientes secciones:
• Historia
• Características generales y arquitectura
• Gestión de procesos
• Gestión de memoria
• Entrada/salida
• Sistema de archivos
1 HISTORIA DE LINUX
El origen de Linux se encuentra en el sistema operativo MINIX. MINIX fue desarrollado por Andrew S.
Tanenbaum con el objetivo de que sirviera de apoyo para la enseñanza de sistemas operativos. De hecho, en
su clásico libro "Operating Systems: Design and Implementation" [Tanenbaum 1987], se utilizaba este
sistema operativo para explicar los diferentes conceptos de esta materia, incluyéndose además en un apéndice
un listado completo de su código escrito en lenguaje C.
Además de por su carácter pedagógico, MINIX se caracterizaba por tener una estructura basada en un
microkernel. El autor intentaba demostrar al crear MINIX que se podía construir un sistema operativo más
sencillo y fiable, pero a la vez eficiente, usando este tipo de organización, que era novedosa en aquel
momento. Algunas otras características positivas de MINIX eran las siguientes:
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Ofrecía una interfaz basada en la de UNIX Versión 7. El grupo de trabajo de POSIX todavía no
había terminado su labor en esa época.
Tenía un tamaño relativamente pequeño. Constaba de aproximadamente 12.000 líneas de código.
Podía trabajar en equipos que disponían de unos recursos hardware muy limitados. De hecho, incluso
podía usarse en máquinas que no disponían de disco duro.
Sin embargo, también presentaba algunas deficiencias y limitaciones.
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La gestión de memoria era muy primitiva. No había ni memoria virtual ni intercambio. Además, no
se aprovechaba adecuadamente el mecanismo de paginación del procesador. El autor justificaba esta
limitación argumentando que la inclusión de estos mecanismos complicaría considerablemente el
código del sistema operativo. Aunque esta opinión es razonable desde el punto de vista pedagógico,
tenía como consecuencia que MINIX no se utilizara como un sistema para el desarrollo de
aplicaciones de cierta entidad.
Por simplicidad, algunas partes del sistema operativo, como por ejemplo el sistema de archivos, no
eran concurrentes lo que limitaba considerablemente el rendimiento del sistema.
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A pesar de estos defectos, MINIX atrajo la atención de muchos usuarios de todo el mundo, que usaban el
grupo de noticias comp.os.minix como punto de encuentro. Algunos de estos usuarios se ofrecían a
mejorar partes del sistema o a incluir nuevas funciones al mismo. Sin embargo, el autor siempre fue bastante
reacio a estas ofertas. Entre los interesados en MINIX se encontraba un estudiante finlandés llamado Linus
Torvalds. Fue en el año 1990 cuando este estudiante envió un mensaje a este grupo de noticias comentando
que por curiosidad y ganas de ampliar sus conocimientos estaba desarrollando un nuevo sistema operativo
tomando como base MINIX. Se estaba produciendo el humilde nacimiento de Linux cuya primera versión
(numerada como 0.01) vio la luz a mediados del año 1991.
Es importante recalcar que en su concepción inicial Linux tomaba prestadas numerosas características de
MINIX (por ejemplo, el sistema de archivos). De hecho, Linux se desarrolló usando como plataforma de
trabajo MINIX y las primeras versiones de Linux no eran autónomas sino que tenían que arrancarse desde
MINIX.
Sin embargo, a pesar de esta herencia inicial, MINIX y Linux son radicalmente diferentes. Por un lado, Linux
solventa muchas de las deficiencias de MINIX como, por ejemplo, la carencia de memoria virtual. Estas
mejoras permiten que se trate de un sistema adecuado para trabajar de manera profesional, no limitándose su
uso a un entorno académico. Pero la diferencia más importante entre ellos está en su organización interna.
Mientras que MINIX tiene una estructura moderna basada en un microkernel, Linux posee una estructura
monolítica más clásica. Este diseño conservador tuvo como consecuencia que el autor de MINIX no diera el
visto bueno a Linux ya que consideraba que este sistema suponía un paso atrás en la evolución de los sistemas
operativos.
Desde su lanzamiento público en 1991, Linux ha ido evolucionando e incorporando nuevas características.
Además, se ha transportado a otros procesadores como SPARC, Alpha y MIPS. En la actualidad es un sistema
con unas características y prestaciones comparables a las de cualquier sistema operativo comercial.
Puesto que en esta sección se ha presentado la historia de Linux, parece el lugar adecuado para explicar cuál
es el convenio usado para numerar las sucesivas versiones del sistema. El número de la versión contiene un
número primario y uno secundario separados por un punto (por ejemplo, versión 2.2). Un incremento en el
número primario corresponde con una nueva versión que incluye cambios significativos en el sistema. En el
caso de una modificación de menor impacto, sólo se modifica el número de versión secundario. Además, un
número secundario de versión que sea impar (como, por ejemplo, la versión 2.1) indica que se trata de una
versión inestable en la que se han incluido nuevas características que todavía hay que probar y depurar.
Evidentemente, un usuario normal debería instalarse una versión con un número secundario par.
2 CARACTERÍSTICAS Y ESTRUCTURA DE LINUX
Linux es un sistema UNIX y, por tanto, posee las características típicas de los sistemas UNIX. Se trata de un
sistema multiusuario y multitarea de propósito general. Algunas de sus características específicas más
relevantes son las siguientes:
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Proporciona una interfaz POSIX.
Tiene un código independiente del procesador en la medida de lo posible. Aunque inicialmente se
desarrolló pera procesadores Intel, se ha transportado a otras arquitecturas con un esfuerzo
relativamente pequeño.
Puede adaptarse a máquinas de muy diversas características. Como el desarrollo inicial se realizó en
máquinas con recursos limitados, ha resultado un sistema que puede trabajar en máquinas con
prestaciones muy diferentes.
Permite incluir de forma dinámica nuevas funcionalidades al núcleo del sistema operativo gracias al
mecanismo de los módulos.
Proporciona soporte para una gran variedad de tipos de sistemas de archivos, entre ellos los
utilizados en Windows. También es capaz de manejar distintos formatos de archivos ejecutables.
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Proporciona soporte para multiprocesadores utilizando un esquema de multiproceso simétrico. Para
aprovechar al máximo el paralelismo del hardware, se ha ido modificando progresivamente el núcleo
con el objetivo de aumentar su concurrencia interna.
En cuanto a la estructura de Linux, como se comentó previamente, tiene una organización monolítica al igual
que ocurre con la mayoría de las implementaciones de UNIX. A pesar de este carácter monolítico, el núcleo
no es algo estático y cerrado sino que se pueden añadir y quitar módulos de código en tiempo de ejecución. Se
trata de un mecanismo similar al de las bibliotecas dinámicas pero aplicado al propio sistema operativo. Se
pueden añadir módulos que correspondan con nuevos tipos de sistemas de archivos, nuevos manejadores de
dispositivos o gestores de nuevos formatos de ejecutables.
Un sistema Linux completo no sólo está formado por el núcleo monolítico sino también incluye programas
del sistema (como, por ejemplo, demonios) y bibliotecas del sistema.
Debido a las dificultades que hay para instalar y configurar el sistema, existen diversas distribuciones de
Linux que incluyen el núcleo, los programas y bibliotecas del sistema, así como un conjunto de herramientas
de instalación y configuración que facilitan considerablemente esta ardua labor. Hay distribuciones tanto de
carácter comercial como gratuitas. Algunas de las distribuciones más populares son Slackware, Debian, Suse
y Red Hat.
3 GESTIÓN DE PROCESOS
La gestión de procesos en Linux es básicamente igual que en cualquier otra variedad de UNIX. Un aspecto
original de Linux es el servicio clone que es una extensión del clásico fork.
Este nuevo servicio permite crear un proceso que comparta con el padre su mapa de memoria, sus rutinas de
manejo de señales y sus descriptores de archivos. Aunque Linux no implementa threads en el núcleo, se
pueden construir bibliotecas de threads usando este nuevo servicio.
En cuanto a la sincronización dentro del núcleo, siguiendo la tradición de UNIX, Linux no permite que haya
llamadas concurrentes activas dentro del sistema operativo. Así, si se produce un evento que causa un cambio
de proceso mientras se está ejecutando una llamada al sistema (por ejemplo, una interrupción de reloj), el
cambio se difiere hasta que la llamada termina o se bloquea.
Para evitar las condiciones de carrera entre la ejecución de una llamada y el tratamiento de una interrupción,
se prohíben las interrupciones en pequeñas zonas del código del sistema.
Puesto que el código de una rutina de interrupción ejecuta con una prioridad alta bloqueando el tratamiento de
las interrupciones, es importante que estas rutinas sean muy cortas. Para ayudar a lograr este objetivo, Linux
ofrece un mecanismo que permite dividir las operaciones asociadas a una interrupción en dos partes:
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Las operaciones de carácter más urgente se ejecutan en el entorno de la rutina de interrupción,
denominada mitad superior en la nomenclatura de Linux.
Las operaciones menos urgentes las ejecuta una rutina del núcleo que tiene una prioridad inferior a la
de los dispositivos. Esta rutina se denomina en Linux mitad inferior y durante su ejecución no
estarán bloqueadas las interrupciones de otros dispositivos. La propia mitad superior se encarga de
fijar un determinado valor en una estructura de datos para indicar que la mitad inferior está activada.
Justo antes de retornar a modo usuario, el sistema operativo comprueba dicha estructura y si
encuentra que hay alguna una mitad inferior activada, la ejecutará.
La figura 1 muestra cuáles son los niveles de prioridad de las diversas partes del núcleo. Nótese que sólo se
ejecutará una rutina de un determinado nivel si no está activa ninguna rutina de un nivel superior.
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Figura 1 Niveles de prioridad dentro del núcleo de Linux
En cuanto a la planificación, Linux soporta tres clases de planificación: un algoritmo de tiempo compartido y
dos algoritmos de planificación de tiempo real que se corresponden con los definidos por POSIX.
El servicio sched_setscheduler permite definir la clase de planificación del proceso que la invoca. Esta
llamada sólo puede hacerla un proceso privilegiado. Cada proceso de tiempo real tiene asociada una prioridad
y un tipo de planificación que puede ser FIFO o Round-Robin. El planificador selecciona en cada momento el
proceso listo para ejecutar que tenga mayor prioridad. Si el proceso es de tipo FIFO seguirá ejecutando hasta
que se bloquee. Si es de tipo Round-Robin, cuando termine su rodaja el proceso pasará al final de la cola de
procesos listos para ejecutar de su misma prioridad.
Los procesos de tiempo compartido sólo pueden ejecutar cuando no hay ningún proceso de tiempo real listo
para ejecutar. El algoritmo de planificación para este tipo de procesos intenta conjugar la prioridad del
proceso con su perfil de ejecución, favoreciendo a los procesos que realizan más operaciones de
entrada/salida. A continuación se describe este algoritmo.
Todo proceso tiene asociada una prioridad base. Inicialmente la prioridad del proceso es igual a su prioridad
base. Cada vez que se produce una interrupción de reloj se resta una unidad a la prioridad del proceso que
estaba ejecutando. El algoritmo de planificación está basado en la prioridad del proceso y tiene carácter
exclusivo: el planificador elige el proceso listo para ejecutar que tenga mayor prioridad.
Cuando se produce una situación en la que todos los procesos listos para ejecutar tienen una prioridad igual a
cero (todos ellos han usado el procesador un tiempo suficiente para que su prioridad haya caído a 0), se
produce un reajuste de las prioridades de todos los procesos sea cuál sea su estado. la nueva prioridad se
calcula dividiendo por 2 la actual y sumando la prioridad base (prioridad = prioridad/2 +
prioridad base). Nótese que los procesos listos para ejecutar simplemente recuperan su prioridad base
ya que su prioridad actual es igual a 0. Sin embargo, los procesos bloqueados obtienen una nueva prioridad
mayor que la base puesto que su actual prioridad es mayor que cero. Se trata de una fórmula de tipo
exponencial. Con ella un proceso que estuviese bloqueado mucho tiempo puede llegar a tener una prioridad
con un valor del doble de la prioridad base.
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4 GESTIÓN DE MEMORIA
Linux tiene un sistema de memoria que incluye todas las características habituales en los sistemas modernos.
Estas características ya fueron discutidas en el capítulo dedicado a este tema, por lo que en esta sección se
presentan aquellos aspectos específicos de Linux:
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Se utiliza un modelo de memoria independiente del procesador. Utiliza un esquema de paginación
con tres niveles. Existe una capa de software de bajo nivel que se encarga de adaptar este modelo
abstracto al hardware de gestión de memoria real.
Permite utilizar tanto dispositivos como archivos para soporte de la memoria secundaria.
Se utiliza una versión modificada del algoritmo del reloj como algoritmo de reemplazo.
Gestiona la memoria dinámica del propio sistema operativo usando un algoritmo inspirado en el
sistema buddy.
5 ENTRADA/SALIDA
La entrada/salida en Linux es muy similar a la de cualquier otro sistema UNIX. Se distinguen, por tanto, dos
tipos de dispositivos: dispositivos de bloques y dispositivos de caracteres.
Como el resto de los sistemas UNIX, se utiliza una caché común para todos los dispositivos de bloques. El
tamaño de la caché es dinámico y crece de acuerdo a las necesidades de memoria del resto del sistema. Para
gestionarla se usa básicamente una política de reemplazo LRU. En las últimas versiones esta caché trabaja
coordinadamente con la utilizada por el gestor de memoria.
En cuanto al acceso a los discos, se utiliza el algoritmo del ascensor con un único sentido de servicio.
Siguiendo el modelo de UNIX, en Linux los usuarios ven los dispositivos como archivos y utilizan los
servicios destinados a trabajar con archivos para acceder a los dispositivos.
La red, sin embargo, es un dispositivo que tiene un tratamiento un poco diferente. El usuario no puede acceder
a este dispositivo de la misma manera que a un archivo. La parte del sistema operativo que trata la red está
dividida en tres niveles:
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En el nivel inferior está el manejador del dispositivo al que el usuario no puede acceder
directamente.
En el nivel intermedio está el software que implementa la pila de protocolos (por ejemplo, TCP e IP).
En el nivel superior está la interfaz del programador que corresponde con la de los sockets definidos
en el UNIX BSD.
6 SISTEMA DE ARCHIVOS
Linux da soporte a una gran variedad de tipos de sistemas de archivos entre los que se incluyen los distintos
sistemas de archivos de Windows y de otros sistemas UNIX. Además, cualquier usuario puede programar un
manejador de un nuevo tipo de sistema de archivos e incluirlo en el sistema como un módulo.
Esta coexistencia de distintos tipos de sistemas de archivos la posibilita el VFS (Virtual File System, Sistema
Virtual de Archivos) presente en la mayoría de los sistemas UNIX actuales y suficientemente analizado en el
capítulo dedicado a los archivos.
Aunque admite muy diferentes tipos de sistemas de archivos, Linux tiene sus propio sistema de archivos que
se denomina ext2fs. Este sistema evolucionó desde el sistema de archivos de MINIX. Se le fueron
añadiendo nuevas características al sistema de archivos de MINIX hasta llegar al sistema extfs.
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Posteriormente, se rediseñó dando lugar al ext2fs actual. Se trata de un sistema basado en el FFS (Fast File
System, Sistema de Archivos Rápido) del UNIX BSD, que ya se estudió adecuadamente en el capítulo
dedicado a los archivos.
Merece mención aparte un tipo de sistema de archivos muy especial: el sistema de archivos proc. Este
sistema de archivos no tiene soporte en ningún dispositivo. Su objetivo es poner a disposición del usuario
datos del estado del sistema en la forma de archivos. Esta idea no es original de Linux ya que casi todos los
sistemas UNIX la incluyen. Sin embargo, Linux se caracteriza por ofrecer más información del sistema que el
resto de variedades de UNIX. En este sistema de archivos se puede acceder a información general sobre
características y estadísticas del sistema, así como a información sobre los distintos procesos existentes.
La figura 2 muestra cómo se relacionan las distintas partes del sistema de archivos.
Figura 2 Niveles del sistema de archivos
7 PUNTOS A RECORDAR
El origen del Linux está en MINIX que es un sistema operativo de carácter pedagógico basado en un
microkernel.
Linux supera muchas de las limitaciones de MINIX y tiene una organización monolítica más
convencional.
Linux comenzó en 1991 como proyecto personal de Linus Torvalds. Gracias al auge de Internet, han
colaborado numerosas personas en su desarrollo.
Proporciona una interfaz POSIX.
Está diseñado para facilitar su transporte a distintos procesadores.
Puede ejecutar en máquinas de muy distintas prestaciones.
Da soporte a una gran variedad de tipos de sistemas de archivos.
Proporciona soporte para un esquema de multiproceso simétrico.
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La gestión de procesos en Linux es muy similar a la realizada en otros sistemas UNIX.
El núcleo de Linux no es reentrante.
El tratamiento de un interrupción puede dividirse en una mitad superior, que ejecuta con alta
prioridad, y una mitad inferior menos prioritaria.
Linux soporta las clases de planificación de tiempo real definidas en POSIX.
La planificación de procesos de tiempo compartido intenta conjugar la prioridad del proceso y su
perfil de ejecución.
La gestión de memoria en Linux incluye todas las características presentes en cualquier sistema
operativo moderno.
La entrada/salida es similar a la existente en cualquier otro sistema UNIX.
Linux da soporte a una gran variedad de tipos de sistemas de archivos gracias al VFS.
El sistema de archivos nativo de Linux es ext2fs basado en el FFS.
El sistema de archivos proc ofrece mucha información sobre el propio sistema y los procesos
existentes en el mismo.
Bibliografía
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Segunda edición, Prentice Hall, 1997.
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