Núcleo Linux

En el archivo Léeme de Linux se indica que es un clon del sistema operativo Unix.[10] Sin embargo, Linux es un núcleo semejante al núcleo de un sistema operativo Unix. De hecho, inicialmente se publicó como núcleo semejante a Minix,[4] que a su vez era semejante a Unix, pero con una concepción de micronúcleo en vez de monolítica.

Un micronúcleo contiene una funcionalidad mínima en comparación con un núcleo monolítico tradicional.

It's important to realize that these programs are not part of the operating system (...). The operating system is the portion of the software that runs in kernel mode (...). A trend in modern operating systems is to take this idea of moving code up into higher layers even further and remove as much as possible from the operating system, leaving a minimal kernel.

Es importante darse cuenta de que estos programas no son parte del sistema operativo (...). El sistema operativo es la porción de software que se ejecuta en modo kernel (...). Una tendencia en sistemas operativos modernos es tomar esta idea de mover código hacia capas más lejanas y eliminar cuanto sea posible del sistema operativo, dejando un kernel mínimo.

Operating Systems Design & Implementation, Tanenbaum y Woodhull. (Refiriéndose a un sistema micronúcleo basado en el modelo cliente-servidor. El autor indica repetidamente que es razonable argumentar que las funciones que pasan a ejecutarse en espacio de usuario siguen siendo parte del sistema operativo).

Darwin y GNU Hurd tienen núcleos que son una versión de Mach. Minix, sistema operativo en el que se basó inicialmente Linux, también es micronúcleo. Todos ellos tienen en común el traslado de parte de la funcionalidad en espacio privilegiado a espacio de usuario.

La instalación mínima de Ubuntu consiste en una serie de software que forma una distribución mínima de GNU/Linux. Todo el software termina dependiendo del entorno de ejecución del proyecto GNU, la biblioteca de C GNU libc.

La parte de un sistema operativo que se ejecuta sin privilegios o en espacio de usuario es la biblioteca del lenguaje C, que provee el entorno de tiempo de ejecución, y una serie de programas o herramientas que permiten la administración y uso del núcleo y proveer servicios al resto de programas en espacio de usuario, formando junto con el núcleo el sistema operativo.

En un sistema con núcleo monolítico como Linux la biblioteca de lenguaje C consiste en una abstracción de acceso al núcleo. Algunas bibliotecas como la biblioteca de GNU proveen funcionalidad adicional para facilitar la vida del programador y usuario o mejorar el rendimiento de los programas.

En un sistema con micronúcleo la biblioteca de lenguaje C puede gestionar sistemas de archivos o controladores además del acceso al núcleo del sistema.

A los sistemas operativos que llevan Linux se les llama de forma genérica distribuciones Linux. Estas consisten en una recopilación de software que incluyen el núcleo Linux y el resto de programas necesarios para completar un sistema operativo.[11] Las distribuciones más comunes son de hecho distribuciones GNU/Linux o distribuciones Android. El hecho de que compartan núcleo no significa que sean compatibles entre sí. Una aplicación hecha para GNU/Linux no es compatible con Android sin la labor adicional necesaria para que sea multiplataforma.

Las distribuciones GNU/Linux usan Linux como núcleo junto con el entorno de tiempo de ejecución del Proyecto GNU y una serie de programas y herramientas del mismo que garantizan un sistema funcional mínimo. La mayoría de distribuciones GNU/Linux incluye software adicional como entornos gráficos o navegadores web así como los programas necesarios para permitirse instalar a sí mismas.[11] Los programas de instalación son aportados por el desarrollador de la distribución. Se les conoce como gestores de paquetes. Los creadores de una distribución también se pueden encargar de añadir configuraciones iniciales de los distintos programas incluidos en la distribución.

Las distribuciones Android incluyen el núcleo Linux junto con el entorno de ejecución y herramientas del proyecto AOSP de Google. Cada fabricante de teléfonos dispone de su propia distribución de Android a la cual modifica, elimina o añade programas extra: interfaces gráficas, tiendas de aplicaciones y clientes de correo electrónico son algunos ejemplos de programas susceptibles de ser añadidos, modificados o eliminados. Además de las distribuciones de los fabricantes de teléfonos existen grupos de programadores independientes que también desarrollan distribuciones de Android. LineageOS (antes CyanogenMod), Replicant y Pixel Experience son tres ejemplos de distribuciones Android independientes también llamadas custom "ROMs" o firmwares no oficiales.

Diagrama del núcleo 2.4.0.

Actualmente Linux es un núcleo monolítico híbrido. Los controladores de dispositivos y las extensiones del núcleo normalmente se ejecutan en un espacio privilegiado conocido como anillo 0 (ring 0), con acceso irrestricto al hardware, aunque algunos se ejecutan en espacio de usuario. A diferencia de los núcleos monolíticos tradicionales, los controladores de dispositivos y las extensiones al núcleo se pueden cargar y descargar fácilmente como módulos, mientras el sistema continúa funcionando sin interrupciones. A diferencia de los núcleos monolíticos tradicionales, los controladores también pueden ser pre-volcados (detenidos momentáneamente por actividades más importantes) bajo ciertas condiciones. Esta habilidad fue agregada para gestionar correctamente interrupciones de hardware y para mejorar el soporte de multiprocesamiento simétrico.

El hecho de que Linux no fuera desarrollado siguiendo el diseño de un micronúcleo (diseño que, en aquella época, era considerado el más apropiado para un núcleo por muchos teóricos informáticos), fue motivo de una famosa y acalorada discusión entre Linus Torvalds y Andrew S. Tanenbaum.[18][19]

El núcleo Linux puede correr sobre muchas arquitecturas de máquina virtual, tanto como host del sistema operativo o como cliente. La máquina virtual usualmente emula la familia de procesadores Intel x86, aunque en algunos casos también son emulados procesadores de PowerPC o ARM.

Para verificar el correcto funcionamiento del núcleo este provee la posibilidad de compilarse contra la arquitectura ficticia bajo «User Mode Linux» (UML). Compilando Linux para UML el núcleo pasa a ejecutarse como un proceso más de usuario ejecutándose en el núcleo Linux del sistema anfitrión. También puede servir como virtualización o para aislar procesos, entre otros usos.

Linux 1.0 admitía solo el formato binario a.out. La siguiente serie estable (Linux 1.2) agregó la utilización del formato ELF, el cual simplifica la creación de bibliotecas compartidas (usadas de forma extensa por los actuales ambientes de escritorio como GNOME y KDE). ELF es el formato usado de forma predeterminada por el GCC desde alrededor de la versión 2.6.0. El formato a.out actualmente no es usado, convirtiendo a ELF en el formato binario utilizado por Linux en la actualidad.

Linux tiene la capacidad de permitir al usuario añadir el manejo de otros formatos binarios. También binfmt_misc permite correr el programa asociado a un archivo de datos.

En Linux existe un sistema de archivos que carga y contiene todos los directorios, redes, programas, particiones, dispositivos, etc. que el sistema sabe reconocer, o por lo menos, identificar. Este sistema de ficheros y directorios, tiene como base al carácter (/); ese mismo carácter sirve también para demarcar los directorios, como por ejemplo: "/home/usuario/imagen.jpg". El directorio especificado por una ruta consistente solo por este carácter contiene toda la jerarquía de los directorios que constituyen todo el sistema. A este directorio suele llamárselo directorio raíz. En Linux, a los discos no se les asigna una letra como en Windows (p.e. "C:"), sino que se les asigna un directorio de la jerarquía del directorio raíz (/), como por ejemplo: "/media/floppy". Es práctica común en el sistema de ficheros de Linux, utilizar varias sub-jerarquías de directorios, según las diferentes funciones y estilos de utilización de los archivos.[20] Estos directorios pueden clasificarse en:

• Estáticos: Contiene archivos que no cambian sin la intervención del administrador (root), sin embargo, pueden ser leídos por cualquier otro usuario. (/bin, /sbin, /opt, /boot, /usr/bin...)
• Dinámicos: Contiene archivos que son cambiantes, y pueden leerse y escribirse (algunos solo por su respectivo usuario y el root). Contienen configuraciones, documentos, etc. Para estos directorios, es recomendable una copia de seguridad con frecuencia, o mejor aún, deberían ser montados en una partición aparte en el mismo disco, como por ejemplo, montar el directorio /home en otra partición del mismo disco, independiente de la partición principal del sistema; de esta forma, puede repararse el sistema sin afectar o borrar los documentos de los usuarios. (/var/mail, /var/spool, /var/run, /var/lock, /home...)
• Compartidos: Contiene archivos que se pueden encontrar en un ordenador y utilizarse en otro, o incluso compartirse entre usuarios.
• Restringidos: Contiene ficheros que no se pueden compartir, solo son modificables por el administrador. (/etc, /boot, /var/run, /var/lock...)

Kernel panic.

En Linux, un panic es un error casi siempre insalvable del sistema detectado por el núcleo en oposición a los errores similares detectados en el código del espacio de usuario. Es posible para el código del núcleo indicar estas condiciones mediante una llamada a la función de pánico situada en el archivo header sys/systm.h. Sin embargo, la mayoría de las alertas son el resultado de excepciones en el código del núcleo que el procesador no puede manejar, como referencias a direcciones de memorias inválidas. Generalmente esto es indicador de la existencia de un bug en algún lugar de la cadena de alerta. También pueden indicar un fallo en el hardware como un fallo de la RAM o errores en las funciones aritméticas en el procesador, o por un error en el software. En muchas ocasiones es posible reiniciar o apagar adecuadamente el núcleo mediante una combinación de teclas como ALT+SysRq+REISUB.

Linux está escrito en el lenguaje de programación C, en la variante utilizada por el compilador GCC (que ha introducido un número de extensiones y cambios al C estándar), junto a unas pequeñas secciones de código escritas con el lenguaje ensamblador. Por el uso de sus extensiones al lenguaje, GCC fue durante mucho tiempo el único compilador capaz de construir correctamente Linux. Sin embargo, Intel afirmó haber modificado su compilador C de forma que permitiera compilarlo correctamente.

Asimismo se usan muchos otros lenguajes en alguna forma, básicamente en la conexión con el proceso de construcción del núcleo (el método a través del cual las imágenes arrancables son creadas desde el código fuente). Estos incluyen a Perl, Python y varios lenguajes shell scripting. Algunos controladores también pueden ser escritos en C++, Fortran, u otros lenguajes, pero esto no es aconsejable. El sistema de construcción de Linux oficialmente solo soporta GCC como núcleo y compilador de controlador.

iPod ejecutando un núcleo Linux.

Aun cuando Linus Torvalds no ideó originalmente Linux como un núcleo portable, ha evolucionado en esa dirección. Linux es ahora de hecho, uno de los núcleos más ampliamente portados, y funciona en sistemas muy diversos que van desde iPAQ (una handheld) hasta un zSeries (un mainframe masivo). Linux se ha convertido en el sistema operativo principal de las supercomputadoras de IBM, Blue Gene, lo cual ha reducido los costos e incrementado considerablemente el rendimiento.[21]

De todos modos, es importante notar que los esfuerzos de Torvalds también estaban dirigidos a un tipo diferente de portabilidad. Según su punto de vista, la portabilidad es la habilidad de compilar fácilmente en un sistema aplicaciones de los orígenes más diversos; así, la popularidad original de Linux se debió en parte al poco esfuerzo necesario para tener funcionando las aplicaciones favoritas de todos, ya sean software libre o de código abierto.

Las arquitecturas principales soportadas por Linux son DEC Alpha, ARM, AVR32, Blackfin, ETRAX CRIS, FR-V, H8, IA64, M32R, m68k, MicroBlaze, MIPS, MN10300, PA-RISC, PowerPC, System/390, SuperH, SPARC, x86, x86 64 y Xtensa[22]

Linux dispone de una arquitectura ficticia llamada «User Mode Linux» (UML). Esta arquitectura permite ejecutar Linux como un proceso más en espacio de usuario. Los procesos ejecutados bajo UML tienen la visión de una máquina propia disponible para ellos.

Dispone de una interfaz para crear módulos de seguridad llamada Linux Security Module. Con esta interfaz se pueden crear módulos para aplicar control de acceso obligatorio (MAC, Mandatory Access Control).[23]

La versión del núcleo Linux original constaba de cuatro números. Por ejemplo, asumamos que el número de la versión está compuesta de esta forma: A.B.C[.D] (ej.: 2.2.1, 2.4.13 o 2.6.12.3).

• El número A denota la versión del núcleo. Es el que cambia con menor frecuencia y solo lo hace cuando se produce un gran cambio en el código o en el concepto del núcleo. Históricamente solo ha sido modificado cinco veces: en 2004 (versión 1.0), en 2006 (versión 2.0), en 2011 (versión 3.0), en 2015 (versión 4.0) y en 2019 (versión 5.0).
• El número B denota la subversión del núcleo.

Antes de la serie de Linux 2.6.x, los números pares indicaban la versión “estable” lanzada. Por ejemplo una para uso en producción, como el 1.2, 2.4 o 2.6. Los números impares, en cambio, como la serie 2.5.x, son versiones de desarrollo, es decir que no son consideradas de producción.

Comenzando con la serie Linux 2.6.x, no hay gran diferencia entre los números pares o impares con respecto a las nuevas herramientas desarrolladas en la misma serie del núcleo. Linus Torvalds dictaminó que este será el modelo en el futuro.

• El número C indica una revisión mayor en el núcleo. En la forma anterior de versiones con tres números, esto fue cambiado cuando se implementaron en el núcleo los parches de seguridad, bugfixes, nuevas características o drivers. Con la nueva política, solo es cambiado cuando se introducen nuevos controladores o características; cambios menores se reflejan en el número D.
• El número D se produjo cuando un grave error, que requiere de un arreglo inmediato, se encontró en el código NFS de la versión 2.6.8. Sin embargo, no había otros cambios como para lanzar una nueva revisión (la cual hubiera sido 2.6.9). Entonces se lanzó la versión 2.6.8.1, con el error arreglado como único cambio. Con 2.6.11, esto fue adoptado como la nueva política de versiones. Bug-fixes y parches de seguridad son actualmente manejados por el cuarto número dejando los cambios mayores para el número C.

También, algunas veces luego de las versiones puede haber algunas letras como “rc1” o “mm2”. El “rc” se refiere a release candidate e indica un lanzamiento no oficial. Otras letras usualmente (pero no siempre) hacen referencia a las iniciales de la persona. Esto indica una bifurcación en el desarrollo del núcleo realizado por esa persona, por ejemplo ck se refiere a Con Kolivas, ac a Alan Cox, mientras que mm se refiere a Andrew Morton.

El modelo de desarrollo para Linux 2.6 fue un cambio significativo desde el modelo de desarrollo de Linux 2.5. Previamente existía una rama estable (2.4) donde se habían producido cambios menores y seguros, y una rama inestable (2.5) donde estaban permitidos cambios mayores. Esto significó que los usuarios siempre tenían una versión 2.4 a prueba de fallos y con lo último en seguridad y casi libre de errores, aunque tuvieran que esperar por las características de la rama 2.5. La rama 2.5 fue finalmente declarada estable y renombrada como 2.6. Pero en vez de abrir una rama 2.7 inestable, los desarrolladores de núcleos eligieron continuar agregando los cambios en la rama “estable” 2.6. De esta forma no había que seguir manteniendo una rama vieja pero estable y se podía hacer que las nuevas características estuvieran rápidamente disponibles y se pudieran realizar más pruebas con el último código.

Sin embargo, el modelo de desarrollo del nuevo 2.6 también significó que no había una rama estable para aquellos que esperaban seguridad y bug fixes sin necesitar las últimas características. Los arreglos solo estaban en la última versión, así que si un usuario quería una versión con todos los bug fixed conocidos también tendría las últimas características, las cuales no habían sido bien probadas. Una solución parcial para esto fue la versión ya mencionada de cuatro números (y en 2.6.x.y), la cual significaba lanzamientos puntuales creados por el equipo estable (Greg Kroah-Hartman, Chris Wright, y quizás otros). El equipo estable solo lanzaba actualizaciones para el núcleo más reciente, sin embargo esto no solucionó el problema del faltante de una serie estable de núcleo. Distribuidores de Linux, como Red Hat y Debian, mantienen los núcleos que salen con sus lanzamientos, de forma que una solución para algunas personas es seguir el núcleo de una distribución.

Como respuesta a la falta de un núcleo estable y de gente que coordinara la colección de corrección de errores, en diciembre de 2005 Adrian Bunk anunció que continuaría lanzando núcleos 2.6.16 aun cuando el equipo estable lanzara 2.6.17. Además pensó en incluir actualizaciones de controladores, haciendo que el mantenimiento de la serie 2.6.16 sea muy parecido a las viejas reglas de mantenimiento para las serie estables como 2.4. El núcleo 2.6.16 será reemplazado próximamente por el 2.6.27 como núcleo estable en mantenimiento durante varios años.

Dado el nuevo modelo de desarrollo, que mantuvo fija la subversión de 2.6, tras la realización del Linux Kernel Summit de ese año, Linus Torvalds decidió modificar el sistema de numeración. Se han sustituido los dos primeros números por una única cifra, de forma que Linux 2.6.39 fue seguida por Linux 3.0 [24]

La primera versión del kernel Linux (0.01) fue lanzada el 17 de septiembre de 1991. Tras más de 30 años de desarrollo, actualmente la última versióne estable corresponde a la 5.16, lanzada el 9 de febrero del 2022[25].

El núcleo Linux ha sido criticado con frecuencia por falta de controladores para cierto hardware de computadoras de escritorio. Sin embargo, el progresivo incremento en la adopción de Linux en el escritorio ha mejorado el soporte de hardware por parte de terceros o de los propios fabricantes, provocando que, en los últimos años, los problemas de compatibilidad se reduzcan.

Empresas como IBM, Intel Corporation, Hewlett-Packard, Dell o MIPS Technologies[35] tienen programadores en el equipo de desarrolladores del núcleo Linux que se encargan de mantener los controladores para el hardware que fabrican. A este grupo de programadores también se le suman los que proveen grandes distribuidores de soluciones Linux como Novell o Red Hat.

Andy Tanenbaum, creador de Minix, escribió el 29 de enero de 1992:

...Linux es un sistema monolítico. Esto es retroceder un paso gigante hacia la década de 1970. Es como tomar un programa existente escrito en C y reescribirlo en BASIC. Para mí, escribir un sistema monolítico en 1991 es verdaderamente una idea pobre.[36]