Interfaces del kernel de Linux

El núcleo de Linux proporciona múltiples interfaces para el código del espacio de usuario y del modo núcleo . Estas interfaces se pueden clasificar como interfaz de programación de aplicaciones (API) o interfaz binaria de aplicaciones (ABI), y también como núcleo - espacio de usuario o núcleo interno.

La API de Linux incluye la API de espacio de usuario del kernel , que permite que el código en el espacio de usuario acceda a los recursos y servicios del kernel de Linux. ^{[ 3 ]} Está compuesta por la interfaz de llamadas al sistema del kernel de Linux y las subrutinas de la biblioteca estándar de C. El objetivo del desarrollo de la API de Linux ha sido proporcionar las características utilizables de las especificaciones definidas en POSIX de una manera razonablemente compatible, robusta y eficiente, y proporcionar características útiles adicionales no definidas en POSIX, al igual que las API de espacio de usuario del kernel de otros sistemas que implementan la API POSIX también proporcionan características adicionales no definidas en POSIX.

La API de Linux, por elección, se ha mantenido estable a lo largo de las décadas mediante una política de no introducir cambios incompatibles; esta estabilidad garantiza la portabilidad del código fuente . ^{[ 4 ]} Al mismo tiempo, los desarrolladores del kernel de Linux han sido históricamente conservadores y meticulosos a la hora de introducir nuevas llamadas al sistema.

Gran parte del software libre y de código abierto disponible está escrito para la API POSIX. Dado que el desarrollo se centra mucho más en el kernel de Linux en comparación con otras combinaciones de kernel y biblioteca estándar C compatibles con POSIX, el kernel de Linux y su API se han ampliado con características adicionales. Programar para la API completa de Linux, en lugar de solo para la API POSIX, puede ofrecer ventajas en los casos en que dichas características adicionales resulten útiles. Ejemplos actuales bien conocidos son udev , systemd y Weston . ^{[ 5 ]} Personas como Lennart Poettering defienden abiertamente la preferencia por la API de Linux sobre la API POSIX, cuando esta ofrece ventajas. ^{[ 6 ]}

En FOSDEM 2016, Michael Kerrisk explicó algunos de los problemas percibidos con la API de espacio de usuario del kernel de Linux, describiendo que contiene múltiples errores de diseño al ser no extensible, difícil de mantener, excesivamente compleja, de propósito limitado, violar estándares e inconsistente. La mayoría de esos errores no se pueden corregir porque hacerlo rompería la ABI que el kernel presenta al espacio de usuario. ^{[ 7 ]}

La biblioteca estándar de C

Una biblioteca estándar de C para Linux incluye envoltorios para las llamadas al sistema del kernel de Linux; la combinación de la interfaz de llamadas al sistema del kernel de Linux y una biblioteca estándar de C es lo que construye la API de Linux. Algunas implementaciones populares de la biblioteca estándar de C son:

• glibc
• uClibc
• klibc
• Nueva biblioteca
• musulmán
• dietlibc
• libbiónico y libhybris

Aunque el panorama está cambiando, entre estas opciones, glibc sigue siendo la implementación más popular, hasta el punto de que muchos la consideran la opción predeterminada y el término equivalente a libc.

Adiciones a POSIX

Al igual que en otros sistemas tipo Unix , el núcleo de Linux cuenta con capacidades adicionales que no forman parte de POSIX:

• subsistema cgroups , el sistema lo llama introduce y libcgroup ^{[ 1 ]}
• Las llamadas al sistema del Administrador de renderizado directo , especialmente las llamadas ioctl privadas del controlador para el envío de comandos, no forman parte de las especificaciones POSIX.
• La arquitectura de sonido avanzada de Linux podría establecer llamadas al sistema que no forman parte de las especificaciones POSIX.
• Las llamadas al sistema futex(mutex rápido en el espacio de usuario), epoll, splice, dnotify, fanotify, y inotifyhan sido exclusivas del kernel de Linux hasta ahora.
• La llamada al sistema getrandomse introdujo en la versión 3.17 del núcleo principal de Linux ^{[ 12 ].}
• memfdfue propuesto por los desarrolladores de kdbus ^{[ 13 ]}
  • memfd_createse integró en la rama principal del kernel de Linux en la versión 3.17 del kernel.
• readaheadInicia una lectura anticipada de archivos en la caché de páginas.

DRM ha sido fundamental para el desarrollo e implementación de controladores de dispositivos gráficos libres y de código abierto bien definidos y de alto rendimiento, sin los cuales no estaría disponible la aceleración de renderizado; solo estarían disponibles los controladores 2D en el servidor X.Org . DRM se desarrolló para Linux y, posteriormente, se adaptó a otros sistemas operativos. ^{[ 14 ]}

La ABI de Linux es una interfaz binaria de aplicaciones (ABI) entre el kernel y el espacio de usuario. Al ser una interfaz de código máquina , la ABI de Linux está ligada al conjunto de instrucciones . Definir una ABI útil y mantenerla estable es responsabilidad de las distribuciones de Linux y los proveedores de software independientes (ISV) que desean vender y brindar soporte para su software propietario como binarios solo para una única ABI de Linux, en lugar de admitir múltiples ABI de Linux.

Se debe definir una ABI para cada conjunto de instrucciones, como x86 , x86-64 , MIPS , ARMv7-A (32 bits), ARMv8-A (64 bits), etc., con el orden de bytes , si ambos son compatibles.

Debe poder compilar el software con diferentes compiladores según las definiciones especificadas en la ABI y lograr una compatibilidad binaria completa. Algunos ejemplos de compiladores de software libre y de código abierto son GNU Compiler Collection y LLVM / Clang .

Existen numerosas API internas del kernel que permiten la comunicación entre sus subsistemas. Si bien se mantienen relativamente estables, no se garantiza su estabilidad total. Una API interna del kernel puede modificarse cuando nuevas investigaciones o descubrimientos lo indiquen; el autor deberá realizar todas las modificaciones y pruebas necesarias.

El núcleo de Linux es un núcleo monolítico, por lo que los controladores de dispositivos son componentes del núcleo. Para facilitar el mantenimiento de los controladores de dispositivos (propietarios) por parte de las empresas fuera del árbol principal del núcleo, se han solicitado repetidamente API estables para dichos controladores. Los desarrolladores del núcleo de Linux han negado repetidamente garantizar API estables dentro del núcleo para los controladores de dispositivos. Garantizar esto habría frenado el desarrollo del núcleo de Linux en el pasado y lo seguiría haciendo en el futuro; además, debido a la naturaleza del software libre y de código abierto, no es necesario. Por lo tanto, por decisión propia, el núcleo de Linux no cuenta con una API estable dentro del núcleo. ^{[ 15 ]}

Dado que no existen API estables en el núcleo, no puede haber ABI estables en el núcleo. ^{[ 16 ]}

Para muchos casos de uso, la API de Linux se considera de nivel demasiado bajo, por lo que deben utilizarse API de mayor abstracción. Las API de nivel superior deben implementarse sobre las API de nivel inferior. Ejemplos:

• Implementación de las especificaciones OpenGL y Vulkan en controladores gráficos propietarios de Linux y la implementación libre y de código abierto en Mesa .
• Implementación de la especificación OpenAL .
• Capa DirectMedia simple : API de abstracción para entrada/sonido/etc. disponible para muchos sistemas operativos.
• Biblioteca multimedia sencilla y rápida : como la anterior.

• Descriptor de archivo : identificador de recursos del sistema en los sistemas operativos. 
• Hybris (software) : capa de compatibilidad para ejecutar controladores de Android en sistemas Linux basados ​​en glibc o musl. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redirección. 
• La interfaz de programación de Linux – Libro de Michael Kerrisk 
• netlink : interfaz del kernel de Linux para la comunicación entre procesos. 
• Semáforo (programación) – Variable utilizada en un sistema concurrente 
• Llamada al sistema : forma en que los programas acceden a los servicios del núcleo. 
• API de Windows : el conjunto principal de interfaces de programación de aplicaciones de Microsoft en Windows. 
• windows.h – Encabezado C para acceder a la API de Windows 
• Wine (software) – Software de compatibilidad con Windows 

• API del kernel de Linux 5.0 , API de gestión de memoria 5.0 (nuevo formato Sphinx )
• La API del kernel de Linux 2.6.20 y 4.12 (en formato htmldocs obsoleto)
• Revisión de los cambios de API/ABI para Linux
• El libro "Linux Programming Interface" , "Linux and glibc API changes" (Linux y cambios en la API desde que se publicó "Linux Programming Interface" en 2010)
• Mapa interactivo del kernel de Linux con las principales funciones y estructuras de la API, versión PDF.
• Controladores de dispositivos Linux por Jonathan Corbet, Greg Kroah-Hartman y Alessandro Rubini, 3.ª edición
• Explicación de la lista enlazada del kernel de Linux ( Archivado el 25/09/2009 en Wayback Machine)