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| Linuxカーネル | |
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 Debian Bookworm環境下でLinuxカーネル6.1.0カーネルを起動する | |
| 原作者 | リーナス・トーバルズ |
| 開発者 | コミュニティ貢献者： リーナス・トーバルズ |
| リリース | 0.02 ( 1991年10月5日 ( 1991-10-05 ) ) |
| 安定放出 | |
| プレビュー版 | |
| 執筆 | C言語、[ a ]アセンブリ言語、Rust [ b ]その他[ 9 ] |
| 利用可能 | 英語 |
| ライセンス | GPL-2.0-only with Linux-syscall-note [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ c ] |
| Webサイト | kernel.org |
| リポジトリ |
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Linuxカーネルは、世界中の多くのコンピュータシステムで使用されている、フリーでオープンソースの[ 16 ] : 4 Unixライクなカーネルです。このカーネルは1991年にリーナス・トーバルズによって作成され、すぐにUnixのフリーな代替として作成されたGNUオペレーティングシステム（OS）のカーネルとして採用されました。1990年代後半以降、 Linuxと呼ばれる多くのオペレーティングシステムディストリビューションに含まれています。そのようなLinuxカーネルオペレーティングシステムの1つがAndroidで、多くのモバイルデバイスや組み込みデバイスで使用されています。
カーネルコードの大部分は、標準Cを超える拡張機能を持つGNUコンパイラコレクション（GCC）でサポートされているC言語で記述されています。 [ 16 ] : 18 [ 17 ]このコードには、メモリ使用やタスク実行の最適化など、アーキテクチャ固有のロジックのためのアセンブリコードも含まれています。 [ 16 ] : 379–380カーネルはモジュール設計になっており、モジュールをソフトウェアコンポーネントとして統合できます（動的にロードされるものも含む）。カーネルは、 OSカーネル全体がカーネル空間で実行されるため、アーキテクチャ的にはモノリシックです。
LinuxはGNU一般公衆利用許諾契約書バージョン2に基づいて提供されていますが、他の互換性のあるライセンスに基づくファイルも含まれています。[ 15 ]
1991年、リーナス・トーバルズはヘルシンキ大学に在籍するコンピュータサイエンスの学生でした。在学中、彼はUNIXに触発されたサイドプロジェクトとして、パーソナルコンピュータ用のオペレーティングシステムの開発を始めました。[ 18 ]彼はIntel 80386アセンブリ言語でタスクスイッチャーとターミナルドライバから始めました。[ 18 ] 1991年8月25日、トーバルズはUsenetのニュースグループcomp.os.minixに次の投稿をしました。[ 19 ]
私は 386 (486) ATクローン用の (無料の) オペレーティングシステム (趣味で、GNU のように大規模でプロフェッショナルなものではありません) を作成しています。これは 4 月以来ずっと準備を進めており、ようやく準備が整い始めています。私の OS は minix に多少似ているため (実用的な理由からファイルシステムの物理的なレイアウトが同じなど)、minixの好きな点や嫌いな点についてフィードバックをいただければ幸いです。現在、 bash (1.08) とgcc (1.40)を移植しており、動作しているようです。これは、数ヶ月以内に実用的なものが得られることを意味します [...]はい、minix のコードは一切使用しておらず、マルチスレッドの fs を備えています。移植可能ではありません( 386のタスク切り替えなどを使用しています)。また、私が持っているのが AT ハードディスクだけなので、おそらく AT ハードディスク以外のものをサポートすることはないでしょう:-(。
1991年9月17日、トーバルズはLinuxのバージョン0.01を準備し、フィンランド大学研究ネットワーク（FUNET）のFTPサーバー「ftp.funet.fi」にアップロードした。しかし、そのコードはコンパイルとテストにMinixが必要だったため、実行ファイルにはならなかった。[ 20 ]
1991年10月5日、トーバルズはLinuxの最初の「公式」バージョンであるバージョン0.02を発表した。[ 21 ] [ 20 ]
1か月前にもお伝えしたように、AT-386コンピュータ向けのMinix風フリー版を開発中です。ようやく実用段階に達したので（用途によっては使えないかもしれませんが）、ソースコードを公開して広く配布することにしました。バージョンはまだ0.02ですが、bash、gcc、gnu-make、gnu-sed、compressなどを正常に動作させることができました。
当時、GNUプロジェクトはフリーのUNIX代替OSであるGNUの多くのコンポーネントを完成させていたが、カーネルであるGNU Hurdは未完成だった。プロジェクトはOSにLinuxカーネルを採用した。[ 22 ]
トーバルズはカーネルにメジャーバージョン0を付けて、まだ一般使用を想定していないことを示しました。[ 23 ] 1991年12月にリリースされたバージョン0.11は、 Linuxカーネルを実行しているコンピュータ上でコンパイルされた、セルフホスト型の最初のバージョンでした。
トーバルズが1992年1月にバージョン0.12をリリースした際、彼はそれまでの自作ライセンス（商用再配布を許可していなかった）に代わり、GNU General Public Licenseバージョン2（GPLv2）を採用した。GPLは1992年2月1日に発効した。 [ 24 ] Unixとは対照的に、Linuxのソースファイルはすべてデバイスドライバを含めて自由に利用できる。[ 25 ]
Linux の初期の成功は、世界中のプログラマーとテスターによってもたらされました。Linux は Unix のようなシステムコールセマンティクスを実装し、C 標準ライブラリの実装を通じて標準POSIX API を公開したため、Linux は元々 Unix 用に開発されたソフトウェアやアプリケーションを実行することができました。[ 26 ]
1992年1月19日、新しいニュースグループalt.os.linuxに最初の投稿が行われた。[ 27 ] 1992年3月31日、ニュースグループはcomp.os.linuxに改名された。[ 28 ]
Linuxがマイクロカーネルではなくモノリシックカーネルであるという事実は、MINIXの開発者であるAndrew S. TanenbaumとTorvaldsの間で議論の的となった。 [ 29 ] TanenbaumとTorvaldsの議論は、 1992年にUsenetグループcomp.os.minixでカーネルアーキテクチャに関する一般的な議論として始まった。[ 30 ] [ 31 ]
1992 年 5 月にリリースされたバージョン 0.96 は、 X Window System を実行できる最初のバージョンでした。[ 32 ] [ 33 ] 1994 年 3 月に、176,250 行のコードを含む Linux 1.0.0 がリリースされました。[ 34 ]バージョン番号が示すように、これは本番環境に適しているとみなされた最初のバージョンでした。[ 23 ] 1996 年 6 月、リリース 1.3 の後、トーバルズは Linux が新しいメジャー番号に値するほど進化していると判断し、次のリリースをバージョン 2.0.0 としました。[ 35 ] [ 36 ] 2.0 の重要な機能には、対称型マルチプロセッシング(SMP)、より多くのプロセッサタイプのサポート、特定のハードウェア ターゲットの選択とアーキテクチャ固有の機能および最適化の有効化のサポートが含まれていました。[ 26 ] kbuildのmake *configコマンドファミリーは、アドホック カーネル実行可能ファイル ( vmlinux ) およびロード可能なモジュールを構築するためのオプションを有効にして構成します。[ 37 ] [ 38 ]
1999年1月20日にリリースされたバージョン2.2 [ 39 ]では、ロックの粒度とSMP管理が改善され、m68k、PowerPC、Sparc64、Alpha、およびその他の64ビットプラットフォームのサポートが追加されました。[ 40 ]さらに、MicrosoftのNTFS読み取り専用機能を含む新しいファイルシステムが追加されました。 [ 40 ] 1999年、IBMはS/390アーキテクチャのサポートのためにLinux 2.2.13コードへのパッチを公開しました。[ 41 ]
2001 年 1 月 4 日にリリースされたバージョン 2.4.0 [ 42 ]には、 ISAプラグ アンド プレイ、USB、およびPC カードのサポートが含まれていました。Linux 2.4 では、 Pentium 4およびItanium (後者は、古いPA-RISCに代わるものとして Intel と Hewlett-Packard が共同開発したia64 ISA を導入) と、新しい64 ビット MIPSプロセッサのサポートが追加されました。[ 43 ] 2.4.x の開発では、 Bluetooth、論理ボリュームマネージャ(LVM) バージョン 1、RAIDサポート、InterMezzoおよびext3ファイルシステムのサポートなど、シリーズ全体でより多くの機能が利用可能になった点で少し変更されました。
バージョン2.6.0は2003年12月17日にリリースされました。[ 44 ] 2.6.xの開発は、シリーズ全体にわたって新機能を含める方向にさらに変化しました。 2.6 シリーズで行われた変更には、μClinuxのメインライン カーネル ソースへの統合、PAEサポート、いくつかの新しいCPUラインのサポート、Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) のメインライン カーネル ソースへの統合、最大 2 32ユーザーのサポート (2 16から増加)、最大 2 29プロセス ID のサポート (64 ビットのみ、32 ビット アーキテクチャは依然として 2 15に制限)、[ 45 ]デバイス タイプと各タイプのデバイス数を大幅に増加、64 ビットサポートの改善、最大 16テラバイトのファイル サイズをサポートするファイルシステムのサポート、カーネル内プリエンプション、 Native POSIX Thread Library (NPTL)のサポート、ユーザー モード Linuxのメインライン カーネル ソースへの統合、SELinuxのメインライン カーネル ソースへの統合、InfiniBand のサポートなど、かなり多くの変更が含まれています。
2.6.x リリース以降、カーネルは多数のファイルシステムをサポートするようになりました。ext3 、ext4、FUSE、Btrfsなど、Linux 用に設計されたものもありました。[ 46 ]その他には、JFS 、 XFS 、 Minix、Xenix、Irix、Solaris、System V、Windows、MS-DOSなど、他のオペレーティングシステムにネイティブなものもありました。[ 47 ]
開発ではこれまでバージョン管理システムは使用されていなかったが、2002年にLinux開発者はBitKeeperを採用した。BitKeeperはフリーソフトウェアではなかったものの、開発者には無料で提供されていた。2005年、リバースエンジニアリングの試みがあったため、ソフトウェアを所有していた会社はLinuxコミュニティへのサポートを取り消した。これに対し、トーバルズらはGitを作成した。新しいシステムは数週間で作成され、2か月後にはそれを使用して作成された最初の公式カーネルがリリースされた。[ 48 ]
2005年に、バグ修正作業ができるカーネルツリーが不足していたことへの対応として安定版チームが結成され、安定版の更新を継続することになった。[ 49 ] 2008年2月には、次の開発サイクルでマージされる予定のパッチを集める場所としてlinux-nextツリーが作成された。 [ 50 ] [ 51 ]いくつかのサブシステムメンテナも、次のリリースサイクルに含める予定のコードを含むツリーに接尾辞-nextを採用した。 2014年1月現在 Linux の開発中のバージョンは、linux-nextという名前の不安定なブランチに保持されています。[ 52 ]
Linuxの20周年は、2011年7月にトーバルズによってバージョン3.0.0のリリースで祝われた。[ 35 ] 2.6が8年間バージョン番号だったため、古いプログラムが動作するように、3.xを2.6.40+xと報告する新しいuname26パーソナリティをカーネルに追加する必要があった。[ 53 ]
バージョン 3.0 は 2011 年 7 月 22 日にリリースされました。[ 54 ] 2011 年 5 月 30 日、トーバルズは大きな変更は「何もない。まったく何もない」と発表し、「次のリリースは、単にピカピカの新しい番号であるだけでなく、優れたカーネルにもなるようにしよう」と呼びかけました。[ 55 ]開発プロセスには 6〜7 週間かかると予想されていましたが、Linux の 20 周年の頃にリリースされる予定でした。
2012 年 12 月 11 日、トーバルズはi386プロセッサのサポートを削除することでカーネルの複雑さを軽減することを決定しました。具体的には、信頼性の高いミューテックスを可能にするためにi486で導入されたアトミックCMPXCHG命令をエミュレートする必要がなくなったためです[ 56 ] 。これにより、3.7 カーネル シリーズは、元のプロセッサをサポートする最後のシリーズとなりました[ 57 ] [ 58 ]。同じシリーズでARMプロセッサのサポートが統合されました[ 59 ]。
2.6.39 から 3.0、そして 3.19 から 4.0 への番号変更には、意味のある技術的な差異はありませんでした。メジャー バージョン番号は、単に大きなマイナー番号を避けるためだけに変更されました。[ 54 ] [ 60 ]安定版の 3.xy カーネルは、2015 年 2 月に 3.19 までリリースされました。2013 年 9 月 2 日にリリースされたバージョン 3.11 [ 61 ]では、一時ファイルの脆弱性を減らすための新しいO_TMPFILEフラグ、実験的な AMD Radeon動的電力管理、低遅延ネットワーク ポーリング、zswap (圧縮スワップ キャッシュ) など、多くの新機能が追加されました。[ 62 ]
2015 年 4 月、トーバルズはカーネル バージョン 4.0 をリリースしました。[ 35 ] 2015 年 2 月までに、Linux は世界最大のソフトウェアおよびハードウェア ベンダーを含む 1,200 社以上の企業から約 12,000 人のプログラマーから貢献を受けました。[ 63 ] 2015 年 6 月にリリースされた Linux バージョン 4.1 には、約 14,000 人のプログラマーから提供された 1,950 万行を超えるコードが含まれています。[ 64 ]
Linus Torvalds は 2019 年 3 月にカーネル バージョン 4.22 を 5.0 に変更すると発表し、「5.0 は、4.x の番号が大きくなりすぎて指と足の指が足りなくなったという以上の意味はありません」と述べています。[ 65 ]このバージョンには、AMD Radeon FreeSyncとNVIDIA Xavier ディスプレイのサポート、 F2FS、EXT4、XFSの修正、 Btrfsファイルシステムでのスワップ ファイルのサポートの復元、 Intel Icelake Gen11 グラフィックスとNXP i.MX8 SoC の継続的な作業など、多くの主要な追加機能が含まれています。[ 66 ] [ 67 ]このリリースは他のリリースよりも明らかに大きく、Torvalds は「5.0 リリース全体の変更ははるかに大きい」と述べています。[ 65 ]
合計1,991人の開発者（うち334人は初参加）がバージョン5.8に553,000行以上のコードを追加し、以前のバージョン4.9の記録を破った。[ 68 ]
Stack Overflowの2019年の年次開発者調査によると、回答者全体の53%以上がLinux向けソフトウェアを開発しており、約27%がAndroid向けソフトウェアを開発しているが[ 69 ]、Linuxベースのオペレーティングシステムで開発しているのは約25%に過ぎない[ 70 ] 。
ほとんどのウェブサイトはLinuxベースのオペレーティングシステムで動作しており、[ 71 ] [ 72 ]世界で最も強力なスーパーコンピュータ500台すべてがLinuxで動作しています。[ 73 ]
Linuxディストリビューションは、カーネルにシステムソフトウェア（GNU Cライブラリ、systemd、その他のUnixユーティリティやデーモンなど）と幅広いアプリケーションソフトウェアをバンドルしていますが、デスクトップにおけるLinuxの使用率は他のオペレーティングシステムに比べて低いです。
改良されたLinuxカーネル上で動作するAndroidは、モバイルデバイスのオペレーティングシステムの大部分を占めており、 [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]組み込みデバイスでの使用が増加しており、Linuxの採用の大きな推進力となっている。[ 26 ]
従来の独自開発環境で Linux カーネルのバージョン 2.6.0 を再開発するコストは、COCOMO人月推定モデルを使用して 2004 年価格で 6 億 1200 万米ドル (4 億 6700 万ユーロ、3 億 9400 万ポンド) と推定されています。[ 77 ] 2006 年に欧州連合が資金提供した調査では、カーネル バージョン 2.6.8 の再開発コストは 8 億 8200 万ユーロ (11 億 4000 万米ドル、7 億 4400 万ポンド) と、さらに高く見積もられています。[ 78 ]
このトピックは、2008 年 10 月に Amanda McPherson、Brian Proffitt、および Ron Hale-Evans によって再検討されました。David A. Wheeler の方法論を使用して、彼らは 2.6.25 カーネルの再開発には現在 13 億ドル (Fedora 9 の再開発にかかる総額 108 億ドルの一部) がかかると推定しました。[ 79 ]また、スペインのオビエド大学の Garcia-Garcia と Alonso de Magdaleno は、カーネルに毎年追加される価値は 2005 年から 2007 年の間に約 1 億ユーロ、2008 年に 2 億 2500 万ユーロであり、欧州連合で開発するには 10 億ユーロ (2010 年 2 月時点で約 14 億ドル) 以上かかると推定しています。[ 80 ]
2011年3月7日現在 当時のLinuxカーネル2.6.xのコード行数（LOC）とDavid A. Wheeler氏の計算に基づく賃金データを用いると、Linuxカーネルは拡大し続けるため、再開発には約30億ドル（約22億ユーロ）の費用がかかることになる。2018年9月26日時点の最新の計算結果は以下の通り。 当時 4.14.14 Linux カーネルのコード行数 20,088,609 行と、現在の米国のプログラマーの平均給与 75,506 ドルを使用すると、既存のコードを書き直すには約 14,725,449,000 ドル (11,191,341,000 ポンド) かかることがわかります。[ 81 ]
Linuxを使用する人のほとんどは、Linuxディストリビューションを介して利用しています。一部のディストリビューションは、標準カーネルまたは安定版カーネルを同梱しています。Red HatやDebianなどのベンダーは、独自のソースツリーを維持しています。これらのソースツリーは通常、標準ブランチよりも更新頻度が低く、関連する安定版ブランチのすべての修正が含まれていますが、同時に、ディストリビューションベンダーがベースとした標準バージョンではリリースされていなかったドライバや機能のサポートを追加することもできます。
Linuxカーネル開発者のコミュニティは約5000～6000人のメンバーで構成されています。Linux Foundationが発行した、リリース4.8から4.13のコミットを対象とした調査「2017年のLinuxカーネル開発の現状」によると、平均して約200～250の企業から約1500人の開発者が貢献しています。上位30人の開発者がコードの16%強に貢献しています。企業別では、上位の貢献者はIntel（13.1%）とRed Hat（7.2%）、Linaro（5.6%）、IBM（4.1%）で、2位と5位は「なし」（8.2%）と「不明」（4.1%）となっています。[ 83 ]
「ロードマップの代わりに、技術的なガイドラインがあります。中央集権的なリソース配分の代わりに、Linuxカーネルのさらなる開発にそれぞれ独立した形で関与する個人や企業が存在します。リーナス・トーバルズや私のような人間は、カーネルの進化を計画しません。私たちはそこに座って今後2年間のロードマップを考え、さまざまな新機能にリソースを割り当てるようなことはしません。なぜなら、私たちにはリソースがないからです。リソースはすべて、Linuxを利用し貢献しているさまざまな企業、そして様々な独立した貢献者が所有しています。リソースを所有している人々が決定権を持っているのです…」
—アンドリュー・モートン、2005年
Linuxカーネル開発者間の注目すべき対立点：
著名な Linux カーネル開発者は、開発者間の衝突を避けることの重要性を認識してきました。[ 99 ]長い間、トーバルズの反対により、カーネル開発者の行動規範は存在しませんでした。[ 100 ] 2015 年 3 月 8 日にLinux カーネル衝突規範が導入されました。[ 101 ]これは 2018 年 9 月 16 日に、コントリビューター規約に基づく新しい行動規範に置き換えられました。これは、トーバルズによる公の謝罪とカーネル開発からの一時的な中断と同時期でした。[ 102 ] [ 103 ] 2018 年 11 月 30 日、インテルの Jarkko Sakkinen は、行動規範に従って、ソースコードのコメントに現れる「fuck」を「hug」という単語に焦点を当てた適切なバージョンに置き換えるパッチを配布しました。[ 104 ]
不当な扱いを受けたと感じる開発者は、Linux Foundation技術諮問委員会に報告することができます。[ 105 ] 2013 年 7 月、USB 3.0 ドライバのメンテナーであるSage Sharp は、カーネル開発コミュニティでの攻撃的なコメントに対処するよう Torvalds に依頼しました。2014 年、Sharp は Linux カーネル開発から撤退し、「技術的な卓越性へのこだわりと、過重な負担を抱えるメンテナー、そして文化や社会規範の異なる人々が相まって、Linux カーネルのメンテナーは仕事を成し遂げるためにしばしば率直で、無礼で、残酷になる」と述べました。[ 106 ] 2018 年の linux.conf.au (LCA) カンファレンスで、開発者たちはコミュニティの文化がここ数年でかなり良くなったという見解を示しました。Intel drm/i915 グラフィックス カーネル ドライバのメンテナーである Daniel Vetter は、カーネル コミュニティでの「かなり暴力的な言葉遣いや議論」が減少または消滅したとコメントしました。[ 107 ]
Laurent Pinchart は、2017 年の Embedded Linux Conference Europe で、カーネル コミュニティでの経験について開発者にフィードバックを求めました。提起された問題は、数日後にメンテナー サミットで議論されました。開発者から提出されたパッチに対するメンテナーの対応方法に一貫性がないという懸念は、カーネル自己テスト フレームワークのメンテナーであるShuah Khanによっても繰り返されました。Torvalds は、異なるカーネル サブシステムが時間の経過とともに異なる開発プロセスを採用してきたため、パッチの処理に一貫性がなくなることは決してないだろうと主張しました。そのため、各カーネル サブシステムのメンテナーがパッチの受け入れルールを文書化することに合意しました。[ 108 ]
Linuxは進化であり、インテリジェントな設計ではない！
カーネルのソースコード、別名ソースツリーは、同じくトーバルズによって作成されたGitバージョン管理システムで管理されています。[ 112 ]
2021年現在Linuxカーネル5.11リリースには、約3034万行のコードが含まれていました。そのうち約14%は、アーキテクチャ固有のコード、カーネルコード、メモリ管理コードなどを含む「コア」部分であり、残りの60%はドライバです。
貢献はパッチとして、 Linux カーネル メーリング リスト(LKML) (および多くの場合、特定のサブシステム専用の他のメーリング リスト)のテキスト メッセージ形式で提出されます。パッチは、一連のルールと形式言語に準拠する必要があり、その中で、指定されたファイルに削除するコード行と追加するコード行が記述されます。これらのパッチは自動的に処理されるため、システム管理者は、コードにいくつかの変更を加えたり、次のバージョンに段階的にアップグレードしたりするために、パッチを適用できます。[ 113 ] Linux は、 GNU zip (gzip) およびbzip2形式でも配布されています。
Linuxカーネルを変更したい開発者は、コード変更を記述してテストします。変更の重要度と変更対象のサブシステムの数に応じて、変更は単一のパッチとして、または複数のソースコードパッチとして提出されます。単一のサブシステムが単一のメンテナーによって保守されている場合、これらのパッチは、適切なメーリングリストをCCに追加した電子メールとして、サブシステムのメンテナーに送信されます。メンテナーとメーリングリストの読者はパッチをレビューし、フィードバックを提供します。レビュープロセスが完了すると、サブシステムのメンテナーは、関連するGitカーネルツリーでパッチを受け入れます。Linuxカーネルへの変更が十分に重要とみなされるバグ修正である場合、パッチのプルリクエストが数日以内にTorvaldsに送信されます。そうでない場合は、次のマージウィンドウ中にプルリクエストがTorvaldsに送信されます。マージウィンドウは通常2週間続き、前のカーネルバージョンのリリース直後に開始されます。[ 114 ] Gitカーネルソースツリーでは、CreditsディレクトリにLinuxカーネルに貢献したすべての開発者の名前が記載され、 Maintainersにはすべてのサブシステムメンテナーがリストされています。[ 115 ]
多くの大規模なオープンソースソフトウェアプロジェクトと同様に、開発者は少数派の貢献者に対する嫌がらせに対処することを目的とした行動規範である貢献者規約を遵守する必要があります。[ 116 ] [ 117 ]さらに、不快感を与えないように、ソースコード内で包括的な用語を使用することが義務付けられています。 [ 118 ]
Linuxは、 GCCによってサポートされている特別なC言語で記述されています。GCCは、C標準をさまざまな方法で拡張したコンパイラであり、たとえば、ターゲットアーキテクチャのアセンブリ言語（GCCの「AT&Tスタイル」構文）で記述されたコードのインラインセクションを使用できます。
2021年9月、Linuxカーネルのコンパイルとビルドに必要なGCCのバージョン要件がGCC 4.9から5.1に引き上げられ、カーネルがC89標準に基づくCコードの使用からC11標準で書かれたコードの使用に移行する可能性が開かれました[ 119 ]。この標準への移行は、Linux 5.18のリリースとともに2022年3月に行われました[ 120 ] 。
Rustプログラミング言語の初期サポートは、2022年12月にリリースされたLinux 6.1 [ 121 ]で追加され、 [ 122 ] Linux 6.2やLinux 6.3などの後のカーネルバージョンではサポートがさらに改善されました。[ 123 ] [ 124 ]
2002年以降、コードはLinuxカーネルコーディングスタイルの21のルールに従わなければならない。[ 125 ] [ 126 ]
ほとんどのソフトウェアと同様に、カーネルのバージョンはドットで区切られた一連の数字で表されます。
初期バージョンでは、バージョンはメジャーリリース、マイナーリリース、リビジョンと呼ばれるドットで区切られた3つまたは4つの数字で構成されていました。[ 16 ] : 9当時、奇数番号のマイナーリリースは開発およびテスト用、偶数番号のマイナーリリースは本番用でした。オプションの4桁目はパッチレベルを示していました。[ 23 ]開発リリースはリリース候補サフィックス（-rc）で示されました。
現在のバージョン管理規則は異なります。開発版/本番版を示す奇数/偶数番号は廃止され、メジャーバージョンは最初の2つの数字で示されます。次のメジャーバージョンの開発期間が空いている間は、-rcNサフィックスを使用して次のバージョンのn番目のリリース候補を識別します。[ 127 ]例えば、バージョン4.16のリリースに先立って、7つの4.16-rcN（-rc1から-rc7まで）がリリースされました。安定版がリリースされると、そのメンテナンスは安定版チームに引き継がれます。安定版リリースへのアップデートは、3つの数字のスキーム（例：4.16.1、4.16.2、...）で識別されます。[ 127 ]
カーネルは通常、GNUツールチェーンを使用してビルドされます。GNUコンパイラコレクション（GCC）の一部であるGNU Cコンパイラ（GNU cc）は、メインラインLinuxのデフォルトコンパイラです。シーケンス処理はGNU makeによって行われます。GNUアセンブラ（GASまたはGNU asと呼ばれることが多い）は、GCCで生成されたアセンブリコードからオブジェクトファイルを出力します。最後に、GNUリンカ（GNU ld）は、 vmlinuxと呼ばれる静的リンクされた実行可能カーネルファイルを生成します。asとldはどちらもGNUバイナリユーティリティ（ binutils）の一部です。
GNU cc は長い間、Linux を正しくビルドできる唯一のコンパイラでした。2004 年に、Intel はカーネルを修正し、自社の C コンパイラでもコンパイルできるようにしたと主張しました。[ 128 ] 2009 年にも、修正された 2.6.22 バージョンで同様の成功が報告されました。[ 129 ] [ 130 ] Intel コンパイラのサポートは 2023 年に終了しました。[ 131 ]
2010 年以来、 C 言語の代替コンパイラであるClangを使用して Linux を構築する取り組みが進められてきました。 [ 132 ] 2014 年 4 月 12 日現在、公式カーネルはほぼ Clang でコンパイル可能になっています。[ 133 ] [ 134 ]この取り組みに特化したプロジェクトは、 Clang が構築されているLLVMコンパイラ インフラストラクチャにちなんでLLVMLinuxと名付けられています。[ 135 ] LLVMLinux は Linux または LLVM のフォークを目的としていないため、最終的にアップストリーム プロジェクトに提出されるパッチで構成されるメタ プロジェクトです。Linux を Clang でコンパイルできるようにすることで、開発者はコンパイル時間の短縮というメリットを享受できます。[ 136 ]
2017年、開発者たちは、安定版カーネルツリーの4.4、4.9、4.14ブランチにX86-64とAArch64のサポートをバックポートし、4.15リリースでClangを使用してLinuxカーネルをビルドするためのパッチをアップストリームに完了しました。GoogleのPixel 2は、最初のClangビルドLinuxカーネルを搭載して出荷されましたが、[ 137 ] Pixel（第1世代）用のパッチは存在していました。[ 138 ] 2018年にChromeOSはデフォルトでClangを使用してカーネルをビルドするようになり、 [ 139 ]一方Androidは2019年にカーネルビルドにClang [ 140 ]とLLVMのリンカーLLD [ 141 ]を必須とした。Googleは2020年にデータセンター全体で使用されている本番カーネルをClangでビルドするように変更した。 [ 142 ] ClangBuiltLinuxグループは、互換性を確保するためにLinuxとLLVMの両方の修正を調整しており、どちらもLLVMLinuxのメンバーで構成され、 LLVMLinuxからアップストリームされたパッチを持っている。
他のソフトウェアと同様に、Linuxカーネルの問題もトラブルシューティングが難しい場合があります。よくある課題としては、ユーザー空間とカーネル空間のアクセス、同期プリミティブの誤用、ハードウェア管理の誤りなどが挙げられます。[ 16 ]： 364
oopsはカーネル内の致命的ではないエラーです。このようなエラーの後、信頼性が疑わしい状態で操作が続行されます。[ 143 ]
パニック（panic()によって生成される）は致命的なエラーです。このようなエラーが発生すると、カーネルはメッセージを表示してコンピュータを停止します。[ 16 ] : 371
カーネルは、 printk ()を介して出力することでデバッグ機能を提供しており、メッセージを循環バッファに格納します（古いエントリは新しいエントリで上書きされます）。syslog (2)システムコールは、メッセージバッファの読み取りとクリア、およびコンソールに送信されるメッセージの最大ログレベルの設定を提供します。 [ 144 ]カーネルメッセージは、 /dev/kmsgインターフェースを介してユーザーランドにもエクスポートされます。[ 145 ]
ftraceメカニズムはトレースによるデバッグを可能にします。これは、 Linux の実行時の監視とデバッグに使用され、カーネルの誤動作によるユーザー空間の遅延を分析できます。[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ] [ 149 ]さらに、ftrace を使用すると、ユーザーは起動時に Linux をトレースできます。[ 150 ]
kprobesとkretprobesは、カーネルの実行に侵入して（ユーザー空間のデバッガのように）情報を非破壊的に収集できます。[ 151 ] kprobesは（ほぼ）任意のアドレスにコードに挿入できますが、 kretprobesは関数の戻り値で動作します。uprobesも同様の目的を持ちますが、使用方法と実装にいくつかの違いがあります。[ 152 ]
KGDBを使用すると、Linuxはユーザー空間プログラムとほぼ同じ方法でデバッグできます。KGDBには、 GDBを実行し、シリアルケーブルまたはイーサネットを使用してデバッグ対象に接続された追加のマシンが必要です。[ 153 ]
Linuxカーネルプロジェクトは、新しいコードを順次統合していく。標準的な運用手順としては、プロジェクトにコミットされるソフトウェアは、エラーなく動作し、コンパイルできなければならない。
各カーネルサブシステムにはメンテナーが割り当てられており、メンテナーはカーネルコード標準に照らしてパッチをレビューし、通常数週間というマージ期間内にトーバルズに提出できるパッチのキューを維持する責任を負っている。
パッチはトーバルズによって以前の安定版Linuxカーネルリリースのソースコードにマージされ、次の安定版リリースのリリース候補（-rc）が作成されます。マージウィンドウが閉じられると、開発版リリースの新しいコードに対する修正のみが受け入れられます。カーネルの-rc開発版リリースは回帰テストを受け、トーバルズとサブシステムメンテナーによって安定していると判断されると、新しいバージョンがリリースされ、開発プロセスが再び開始されます。[ 154 ]
Linux カーネルのソース コードを含む Git ツリーは、メインライン Linuxと呼ばれます。すべての安定版カーネル リリースはメインライン ツリーから生成され、[ 155 ] kernel.orgで頻繁に公開されます。メインライン Linux は、Linux を実行する多くのデバイスのごく一部のみをしっかりとサポートしています。メインライン以外のサポートは、YoctoやLinaroなどの独立したプロジェクトによって提供されますが、多くの場合、デバイス ベンダーのカーネルが必要になります。[ 156 ]ベンダー カーネルを使用するには、ボード サポート パッケージが必要になる可能性があります。
メインラインLinuxの外でカーネルツリーを維持することは困難であることが証明されている。[ 157 ]
メインライン化とは、以前はフォークでのみサポートされていたか、まったくサポートされていなかったデバイスのサポートをメインラインカーネルに追加する作業を指します。 [ 158 ]通常、これにはドライバやデバイスツリーファイルの追加が含まれます。これが完了すると、その機能またはセキュリティ修正はメインライン化されたとみなされます。[ 159 ]
安定版ブランチのメンテナーであるGreg Kroah-Hartmanは、メインラインカーネルに数百万行のコードを追加するベンダーによるダウンストリームカーネルフォークにLinux ライクという用語を適用しています。 [ 160 ] 2019 年にGoogle は、カーネルフォークの数を減らすためにAndroidでメインライン Linux カーネルを使用したいと表明しました。 [ 161 ] Linux ライクという用語は、完全なメインライン Linux カーネルではなく、コードの小さな修正されたサブセットを含むEmbeddable Linux Kernel Subsetにも適用されています。 [ 162 ]
公式の Linux をベースにカーネルを開発しているコミュニティがいくつかあります。Linux -libre、Compute Node Linux、INK、L4Linux、RTLinux、User-Mode Linux (UML)などのフォークからの興味深いコードの一部がメインラインにマージされています。[ 163 ]モバイルフォン向けに開発されたオペレーティングシステムの中には、当初は Google Android、Firefox OS、HP webOS、Nokia Maemo、Jolla Sailfish OSなど、Linux を大幅に変更したバージョンを使用していたものもありました。2010 年に、Linux コミュニティは、Google が事実上独自のカーネル ツリーを開始したことを批判しました。[ 164 ] [ 165 ]
これは、Android ハードウェア プラットフォーム向けに作成されたドライバは、Google のカーネル ツリーにのみ存在するコードに依存しているため、メイン カーネル ツリーにマージできず、kernel.org ツリーでのビルドが失敗することを意味します。このため、Google は、ハードウェア ドライバとプラットフォーム コードの大部分がメイン カーネル ツリーにマージされるのを阻止しました。事実上、多くの異なるベンダーが依存しているカーネル ブランチが作成されました。[ 166 ]
—グレッグ・クローア＝ハートマン、2010年
現在、Android はカスタマイズされた Linux [ 167 ]を使用しており、デバイスドライバに大きな変更が加えられていますが、コアカーネルコードにもいくつかの変更が必要です。Android 開発者は公式 Linux にパッチを提出し、最終的に Android オペレーティングシステムを起動できるようにしています。たとえば、Nexus 7はメインライン Linux を起動して実行できます。[ 167 ]
2001年にコンピュータ歴史博物館で行われたプレゼンテーションで、トーバルズはLinuxのディストリビューションが全く同じカーネルソースを使用しているかどうかという質問に対し、次のように答えた。
それらは...まあ、そうでもあり、そうでもない。単一のカーネルは存在しない。すべてのディストリビューションは独自の変更を加えている。それはほぼ初日から続いている。Yggdrasil がカーネルにかなり極端な変更を加えることで知られていたことを覚えているかどうかわからないが、今日でもすべての主要ベンダーは、関心のある市場の一部を持っているため、独自の調整を加えている。そして率直に言って、それが本来あるべき姿だ。なぜなら、もし皆が私という一人の人間がすべてを監視できると期待するなら、それは GPL の趣旨ではない。オープン システムの趣旨ではない。だから実際、ディストリビューションが、標準カーネルに含まれていない場合でもパッチを追加するほど重要な何かを決定したという事実は、私にとって非常に良い兆候だ。たとえば、ReiserFS のようなものが追加されたのもそのためだ。そして、ReiserFS が標準カーネルに統合された最初のジャーナリング ファイルシステムである理由は、私がHans Reiser を愛しているからではない。SUSEがReiserFSを標準カーネルとして出荷し始めたことがきっかけで、「よし」と思いました。これは実際に本番環境で使用されています。普通の人がこれを使っているのです。彼らは私が知らない何かを知っているに違いありません。つまり、多くのディストリビューションハウスが行っていることと非常に現実的な意味では、彼らは「独自のブランチを作成しよう」そして「これに独自の変更を加えよう」というプロセスに参加しているのです。そしてGPLのおかげで、私はそれらの最良の部分を取り入れることができます。[ 168 ]
—リーナス・トーバルズ、2001年
最新バージョンと旧バージョンは別々に管理されています。最新のカーネルリリースのほとんどはトーバルズが監督しました。[ 169 ]
Linuxカーネル開発者コミュニティは、次の安定版カーネルの開発中に発見されたソフトウェアバグを修正することで、安定版カーネルを維持しています。そのため、www.kernel.orgには常に2つの安定版カーネルが掲載されています。次の安定版Linuxカーネルは、約8～12週間後にリリースされます。
いくつかのプロジェクトは、Linuxカーネルのサイズを縮小しようと試みてきました。その1つがTinyLinuxです。2014年に、Josh Triplettは、サイズを縮小したバージョンの-tinyソースツリーを開始しました。[ 171 ] [ 172 ] [ 173 ] [ 174 ]
一見矛盾しているように見えるが、Linuxカーネルはモノリシックかつモジュラーである。カーネルは、OS全体がカーネル空間で動作するため、アーキテクチャ的にはモノリシックカーネルに分類される。モジュールから組み立てることができ、場合によっては実行時にロードおよびアンロードされるため、設計はモジュラーである。[ 16 ] : 338 [ 175 ] Linuxカーネルは、かつては非フリーオペレーティングシステムのクローズドソースカーネルでのみ利用可能だった機能をサポートする。
この記事の残りの部分では、UNIX および Unix ライクなオペレーティングシステムのマニュアルページの表記規則に従います。コマンド、インターフェース、またはその他の機能名の後に続く数字は、それが属するセクション（つまり、OS のコンポーネントまたは機能の種類）を指定します。たとえば、execve(2)はシステムコールを指し、exec(3)はユーザー空間ライブラリのラッパーを指します。
以下は、建築設計の概要と注目すべき特徴についてです。
ほとんどのデバイスドライバとカーネル拡張機能はカーネル空間（多くのCPUアーキテクチャではリング0）で実行され、ハードウェアに完全にアクセスできます。例外として、ユーザー空間で実行されるものもあります。注目すべき例としては、 FUSE /CUSEベースのファイルシステムやUIOの一部などがあります。[ 199 ] [ 200 ]さらに、 Linuxで多くの人が使用するウィンドウシステムとディスプレイサーバープロトコルであるX Window SystemとWaylandは、カーネル内では実行されません。これとは異なり、グラフィックカードのGPUとの実際のインターフェースは、 Direct Rendering Manager（DRM）と呼ばれるカーネル内のサブシステムです。
標準的なモノリシックカーネルとは異なり、デバイスドライバはモジュールとして簡単に構成でき、システム実行中にロードまたはアンロードでき、ハードウェア割り込みを正しく処理し、対称マルチプロセッシングをより良くサポートするために、特定の条件下でプリエンプトすることもできます。[ 182 ]意図的に、Linuxには安定したデバイスドライバアプリケーションバイナリインターフェイスがありません。[ 201 ]
Linux は通常、メモリ保護と仮想メモリを使用し、非均一なメモリ アクセスも処理できます。[ 202 ]このプロジェクトはμClinuxを吸収しており、これにより仮想メモリなしでマイクロコントローラ上で Linux を実行することも可能になります。[ 203 ]
ハードウェアはファイル階層で表現されます。ユーザーアプリケーションは、/devまたは/sysディレクトリのエントリを介してデバイスドライバとやり取りします。[ 204 ]プロセス情報は/procディレクトリにマッピングされます。[ 204 ]
LinuxはUNIXのクローンとして始まり、POSIXおよびSingle UNIX Specificationへの準拠を目指しています。[ 206 ]カーネルはLinux固有のシステムコールやその他のインターフェースを提供します。公式カーネルに含めるためには、コードは一連のライセンス規則に準拠する必要があります。[ 10 ] [ 15 ]
Linux のカーネルとユーザー空間間のアプリケーションバイナリインターフェイス(ABI) には、4 つの安定性レベル (安定、テスト、廃止、削除) があります。 [ 207 ]システムコールは、それらに依存するユーザー空間プログラムとの互換性を維持するために、変更されないことが期待されています。[ 208 ]
ロード可能なカーネルモジュール(LKM) は、設計上、安定した ABI に依存することはできません。[ 201 ]そのため、新しいカーネル実行ファイルがシステムにインストールされるたびに必ず再コンパイルする必要があり、そうしないとロードされません。カーネル実行ファイル ( vmlinux )の不可欠な部分となるように構成されたインツリードライバは、ビルドプロセスによって静的にリンクされます。
ソースレベルのカーネル内APIの安定性は保証されておらず[ 201 ]、そのため、デバイスドライバコードやその他のカーネルサブシステムのコードは、カーネルの進化に合わせて常に最新の状態に保たなければなりません。APIを変更する開発者は、変更の結果として壊れたコードを修正する必要があります。[ 209 ]
ユーザーアプリケーションに公開されるインターフェースに関するLinuxカーネルAPIのセットは、基本的にUNIXおよびLinux固有のシステムコールで構成されています。[ 210 ]システムコールはLinuxカーネルへのエントリポイントです。[ 211 ]例えば、Linux固有のシステムコールの中には、clone(2)システムコールのファミリーがあります。[ 212 ]ほとんどの拡張機能は、ヘッダーファイルでマクロを定義するか、ユーザーランドコードのコンパイル時に有効にする必要があります。 [ 213 ]_GNU_SOURCE
システムコールは、リング 0で非特権ユーザー空間から特権カーネル空間への移行を可能にするアセンブリ命令を介してのみ呼び出すことができます。このため、C 標準ライブラリ(libC) は、必要に応じて[ 214 ]カーネルに透過的に入り、呼び出し元のプロセスに代わって実行される C 関数を公開することにより、ほとんどの Linux システムコールのラッパーとして機能します。[ 210 ] libC によって公開されていないシステムコール (高速ユーザー空間ミューテックスなど) [ 215 ] については、ライブラリはsyscall ( 2)という関数を提供しており、これを使用して明示的に呼び出すことができます。[ 216 ]
擬似ファイルシステム（sysfsやprocfsファイルシステムなど）や特殊ファイル（、、、/dev/randomなど多数）は、ハードウェアまたは論理（ソフトウェア）デバイスを表すカーネルデータ構造への別のインターフェース層を構成します/dev/sda。[ 217 ] [ 218 ]/dev/tty
Linux OSには数百種類もの実装が存在するため、実行可能オブジェクトは、特定のハードウェアアーキテクチャ（つまり、対象ハードウェアのISA）上で実行するためにコンパイル、アセンブル、リンクされているにもかかわらず、異なるLinuxディストリビューションでは動作しないことがよくあります。この問題は主に、ディストリビューション固有の設定、Linuxカーネルのコードに適用されたパッチ、システムライブラリ、サービス（デーモン）、ファイルシステム階層、環境変数の違いに起因します。
Linux ディストリビューションのアプリケーションとバイナリの互換性に関する主な標準は、Linux Standard Base (LSB) です。[ 219 ] [ 220 ] LSB は Linux カーネルに関する範囲を超えており、デスクトップ仕様、X ライブラリ、Qt など、Linux カーネルとはほとんど関係のないものも定義しています。[ 221 ] LSB バージョン 5 は、いくつかの標準とドラフト (POSIX、SUS、X/Open、ファイルシステム階層(FHS) など)に基づいて構築されています。 [ 222 ]
LSB のうちカーネルにより関連性の高い部分は、汎用 ABI (gABI) [ 223 ] 、特にSystem V ABI [ 224 ] [ 225 ]、実行可能ファイルおよびリンク形式(ELF) [ 226 ] [ 227 ]、プロセッサ固有 ABI (psABI)、例えばX86-64 のコア仕様[ 228 ] [ 229 ]である。
x86_64 ユーザー プログラムがシステム コールを呼び出すための標準 ABI は、システム コール番号をraxレジスタにロードし、その他のパラメータをrdi、rsi、rdx、r10、r8、r9にロードし、最後にシステム コールアセンブリ命令をコードに配置することです。[ 230 ] [ 231 ] [ 232 ]
カーネルサブシステム間には、いくつかの内部カーネルAPIがあります。一部はカーネルサブシステム内でのみ使用可能ですが、カーネル内のシンボル（変数、データ構造、関数など）の限定されたセットは、EXPORT_SYMBOL()およびEXPORT_SYMBOL_GPL()マクロ[ 234 ] [ 235 ]（後者はGPL互換ライセンスでリリースされたモジュール用に予約されています）を使用してエクスポートされているかどうかにかかわらず、動的にロード可能なモジュール（例えば、オンデマンドでロードされるデバイスドライバ）に公開されます。[ 236 ]
Linux は、少なくとも Linux バージョン 2.6 以降安定しているデータ構造 (リンク リスト、基数木、[ 237 ]赤黒木、[ 238 ]キューなど) を操作したり、一般的なルーチン (ユーザー空間との間でデータをコピーしたり、メモリを割り当てたり、システム ログに行を出力したりなど) を実行したりするカーネル内 API を提供しています。[ 239 ] [ 240 ] [ 241 ]
カーネル内APIには、デバイスドライバが使用する低レベルの共通サービスライブラリが含まれています。
Linuxの開発者は、カーネル内の安定したABIを維持しないことを選択しました。特定のバージョンのカーネル用にコンパイルされたモジュールは、再コンパイルしない限り、別のバージョンにロードすることはできません。[ 201 ]
Linux は、他のカーネルと同様に、プロセスの作成、中断、再開、終了などのプロセス管理機能を備えています。他のオペレーティングシステムとは異なり、Linux カーネルは、タスクと呼ばれるスレッドのグループとしてプロセスを実装します。2 つのタスクが同じTGIDを共有する場合、カーネル用語ではタスク グループと呼ばれます。各タスクは、task_structデータ構造で表されます。プロセスが作成されると、 PIDと呼ばれるグローバルに一意な識別子が割り当てられ、共有することはできません[ 251 ] [ 252 ]
クローン[ 253 ]ファミリーのシステムコールまたはフォークシステムコールを呼び出すことで、新しいプロセスを作成できます。カーネルは、SIGSTOPやSIGCONTなどのシグナルを送信することで、プロセスを一時停止および再開できます。プロセスは、 exitシステムコールを呼び出すことで自身を終了することも、 SIGKILL、SIGABRT、SIGINTなどのシグナルを送信することで他のプロセスによって終了させることもできます。
実行可能ファイルが共有ライブラリに動的にリンクされている場合、動的リンカーを使用して必要なオブジェクトを検索してロードし、プログラムを実行できるように準備してから実行します。[ 254 ]
Native POSIX Thread Library (NPTL) [ 255 ]は、POSIX 標準スレッドインターフェイス ( pthreads ) をユーザー空間に提供します。カーネルはプロセスやスレッドを認識しませんが、タスクは認識します。そのため、スレッドはユーザー空間で実装されます。Linux のスレッドは、リソースを共有するタスクとして実装されますが、共有しない場合は独立したプロセスと呼ばれます。
カーネルは、ユーザー空間のロックと同期のためのfutex(7)（高速ユーザー空間ミューテックス）メカニズムを提供します。[ 256 ]操作の大部分はユーザー空間で実行されますが、 futex(2)システムコールを使用してカーネルと通信する必要がある場合があります。[ 215 ]
前述のユーザー空間スレッドとは対照的に、カーネルスレッドはカーネル空間で実行されます。[ 257 ]これらはカーネル自体が特殊なタスクのために作成するスレッドであり、カーネルと同様の特権を持ち、どのプロセスやアプリケーションにも束縛されません。
Linuxプロセス スケジューラは、さまざまなスケジューリング クラスとポリシーを可能にするという意味でモジュール化されています。[ 258 ] [ 259 ]スケジューラ クラスは、基本スケジューラ コードに登録できるプラグイン可能なスケジューラ アルゴリズムです。各クラスは、異なるタイプのプロセスをスケジュールします。スケジューラのコア コードは、各クラスを優先順位の順に反復処理し、実行準備が整った struct sched_entity 型のスケジューリング可能なエンティティを持つ最も優先順位の高いスケジューラを選択します。[ 16 ] : 46–47エンティティは、スレッド、スレッドのグループ、さらには特定のユーザーのすべてのプロセスである場合があります。
Linux は、ユーザー プリエンプションと (選択可能、最大) [ 260 ] [ 261 ]フルカーネル プリエンプションの両方を提供します。[ 16 ] : 62–63プリエンプションはレイテンシを削減し、応答性を向上させ、[ 262 ] Linux をデスクトップ アプリケーションやリアルタイムアプリケーションにより適したものにします。これは、処理が中断されるとキャッシュの動作が悪化するため、スループットの低下という代償を伴います。[ 261 ]
通常のタスクの場合、デフォルトではカーネルは完全公平スケジューラ（CFS）クラスを使用します。バージョン 2.6.23 で導入されました。[ 184 ]スケジューラは、C ヘッダーのマクロとして定義されていますSCHED_NORMAL。他の POSIX カーネルでは、同様のポリシーとして知られる がSCHED_OTHERCPU タイムスライスを割り当てます (つまり、各プロセスの事前決定された優先度または動的に計算された優先度に応じて、プロセッサ時間の絶対スライスを割り当てます)。Linux CFS は絶対タイムスライスを廃止し、実行可能なプロセスの総数や既に実行された時間などのパラメータの関数として、CPU 時間の公平な割合を割り当てます。この関数は、それらの相対的な優先度 (nice 値) に依存する一種の重みも考慮に入れます。[ 16 ] : 46–50
ユーザーによるプリエンプションでは、カーネル スケジューラは、コンテキスト スイッチを実行して現在のプロセスを別のプロセスに置き換えることができます。これにより、実行に必要なコンピューティング リソース (CPU、メモリなど) が取得されます。これは、CFS アルゴリズム (特に、vruntimeと呼ばれる変数を使用してエンティティをソートし、vruntime が小さいもの (つまり、CPU 時間のシェアが最も少ないスケジューラ可能なエンティティ)、アクティブなスケジューラ ポリシー、および相対的な優先度に従って行われます。[ 263 ]カーネルによるプリエンプションでは、割り込みハンドラが戻ったとき、カーネル タスクがブロックされたとき、およびサブシステムが明示的に schedule() 関数を呼び出したときに、カーネル自身がプリエンプションされます。
カーネルには、POSIX 準拠の[ 264 ]リアルタイムスケジューリングクラスが2 つ含まれており、それぞれSCHED_FIFO(リアルタイム先入れ先出し) とSCHED_RR(リアルタイムラウンドロビン) と呼ばれ、どちらもデフォルトクラスよりも優先されます。[ 258 ] 2014 年 3 月 30 日にリリースされたカーネル バージョン 3.14 では、最早期限優先アルゴリズムSCHED_DEADLINE(EDF)を実装する と呼ばれる追加のスケジューリング ポリシーが追加されました。 [ 265 ] [ 266 ]は、他のすべてのスケジューリング クラスよりも優先されます。SCHED_DEADLINE
PREEMPT_RTバージョン 2.6 以降、メインライン Linux に組み込まれているリアルタイムパッチでは、決定論的なスケジューラ、プリエンプションと割り込み無効化の削除 (可能な場合)、PI ミューテックス (つまり、優先度逆転を回避するロック プリミティブ)、[ 267 ] [ 268 ]高精度イベント タイマー(HPET)のサポート、プリエンプティブ読み取りコピー更新(RCU)、(強制) IRQ スレッド、およびその他のマイナーな機能が提供されています。[ 269 ] [ 270 ] [ 271 ]
2023年、Peter Zijlstraは、CFSの「レイテンシーナイス」パッチの必要性をなくすため、CFSを最も早い適格仮想期限優先スケジューリング（EEVDF）スケジューラに置き換えることを提案した。 [ 272][273] EEVDFスケジューラは、Linuxカーネルのバージョン6.6でCFSに取って代わった。[ 183 ]
カーネルには、並行処理を引き起こすさまざまな要因がある（例えば、割り込み、ボトムハーフ、カーネルタスクとユーザタスクのプリエンプション、対称型マルチプロセッシングなど）。[ 16 ]： 167
クリティカル領域（アトミックに実行されなければならないコードの部分）、共有メモリ領域（グローバル変数やグローバルスコープを持つその他のデータ構造など）、ハードウェアによって非同期的に変更可能なメモリ領域（C言語のvolatile型修飾子を持つなど）を保護するために、Linuxは多数のツールを提供しています。これらは、アトミック型（特定の演算子のセットによってのみ操作可能）、スピンロック、セマフォ、ミューテックス、[ 275 ] [ 16 ]： 176–198 [ 276 ]、およびロックレスアルゴリズム（RCUなど）で構成されています。[ 277 ] [ 278 ] [ 279 ]ほとんどのロックレスアルゴリズムは、メモリ順序を強制し、コンパイラの最適化による望ましくない副作用を防ぐために、メモリバリアの上に構築されています。[ 280 ] [ 281 ] [ 282 ] [ 283 ]
メインライン Linux に含まれるPREEMPT_RTコードは、 RT ミューテックスを提供します。これは、プリエンプションを無効にせず、優先度継承をサポートする特殊な種類のミューテックスです。 [ 284 ] [ 285 ]リアルタイム操作の設定を使用すると、ほぼすべてのロックがスリープ ロックに変更されます。 [ 286 ] [ 271 ] [ 285 ]優先度継承は、競合するロックを保持している低優先度タスクに、そのロックが解放されるまで高優先度の待機タスクの優先度を与えることで、優先度逆転を回避します。 [ 287 ] [ 288 ]
割り込みの管理は単一のジョブと見なすこともできますが、実際には2つに分割されています。この分割は、管理対象となるタスクの時間制約と同期の必要性の違いによるものです。最初の部分は、 Linuxでは「トップハーフ」と呼ばれる非同期割り込みサービスルーチン（ISR）で構成され、2番目の部分は、いわゆる「ボトムハーフ」（softirq、タスクレット、ワークキュー）と呼ばれる3つのタイプのいずれかによって実行されます。[ 16 ]： 133-137
Linuxの割り込みサービスルーチンはネストできます。新しいIRQは、優先度の高いISRにトラップされ、優先度の低い他のISRをプリエンプトすることができます。
Linuxカーネルは物理メモリと仮想メモリの両方を管理します。物理メモリをゾーンに分割し、[ 291 ]それぞれのゾーンには特定の目的があります。
これらのゾーンが最も一般的ですが、他にも存在します。[ 291 ]
Linux は、4 レベルまたは 5 レベルのページ テーブルを使用して仮想メモリを実装しています。[ 292 ]カーネルはページングできません(つまり、常に物理メモリに常駐し、ディスクにスワップすることはできません)。また、メモリ保護もありません (ユーザー スペースとは異なり、 SIGSEGVシグナルはありません)。そのため、メモリ違反は不安定性やシステム クラッシュにつながります。[ 16 ] : 20ユーザー メモリはデフォルトでページング可能ですが、システム コールファミリーを使用して特定のメモリ領域のページングを無効にすることができます。mlock()
ページフレーム情報は、起動直後に設定され、シャットダウンまで保持される適切なデータ構造（型struct page）に保持されます。これは、仮想ページに関連付けられているかどうかに関係なく適用されます。物理アドレス空間は、アーキテクチャ上の制約と使用目的に応じて、異なるゾーンに分割されます。複数のメモリバンクを備えたNUMAシステムもサポートされています。[ 293 ]
カーネル空間では、API ファミリーを介して小さなメモリチャンクを動的に割り当てkmalloc()、適切なバリアントを使用して解放できますkfree()。vmalloc()と は、kvfree()大きな仮想的に連続したチャンクに使用されます。alloc_pages()は、必要な数のページ全体を割り当てます。
カーネルには、SLAB、SLUB、SLOB アロケータが設定可能な代替手段として含まれていました。[ 295 ] [ 296 ] SLOB アロケータは Linux 6.4 で削除され[ 297 ]、SLAB アロケータは Linux 6.8 で削除されました。[ 298 ]残っている唯一のアロケータは SLUB で、シンプルさと効率性を目指しており[ 296 ] 、 PREEMPT_RT と互換性があり[ 299 ]、Linux 2.6 で導入されました。
Linux はさまざまな機能を持つ多数のファイルシステムをサポートしているため、基盤となるファイルシステムに依存しない汎用ファイルシステムを実装する必要があります。仮想ファイルシステムは、他の Linux サブシステム、ユーザー空間、またはAPIcreateとインターフェースし、基盤となるファイルシステムのさまざまな実装を抽象化します。VFS は、、、、などのシステムコールを実装します。VFS はopen、基盤となるファイルシステムが持つものとは独立した汎用スーパーブロック[ 300 ]とinode ブロックを実装します。readwriteclose
このサブシステムでは、ディレクトリとファイルはstruct fileデータ構造によって表現されます。ユーザー空間がファイルへのアクセスを要求すると、ファイルディスクリプタ（負でない整数値）が返されますが、カーネル空間では構造体として扱われますstruct file。この構造体には、カーネルがファイルまたはディレクトリについて知っているすべての情報が格納されます。
sysfsとprocfsは、ハードウェア情報とユーザー空間プログラムの実行時情報を公開する仮想ファイルシステムです。これらのファイルシステムはディスク上には存在せず、代わりにカーネルがコールバックまたはルーチンとして実装し、ユーザー空間からアクセスされた際に呼び出されます。
元々は移植性を考慮して設計されたものではありませんでしたが、[ 19 ] [ 301 ] Linux は現在、 ARM アーキテクチャからIBM z/Architectureメインフレーム コンピュータまで、さまざまなシステムで動作する最も広く移植されたオペレーティングシステム カーネルの 1 つとなっています。最初の移植はMotorola 68000プラットフォームで行われました。カーネルへの変更は非常に根本的なものであったため、トーバルズは Motorola 版をフォークであり「Linux のようなオペレーティングシステム」と見なしました。[ 301 ]これにより、トーバルズはより多くのコンピューティング アーキテクチャへの移植を容易にするために、コードの主要な再構築を主導することになりました。単一のソース ツリーで i386 だけでなく、より多くのアーキテクチャのコードを持つ最初の Linux は、DEC Alpha AXP 64 ビット プラットフォームをサポートしました。[ 302 ] [ 303 ] [ 301 ]
IBMのスーパーコンピュータ「Summit」では、Linuxが主要なオペレーティングシステムとして使用されています。2019年10月時点で、世界最速のスーパーコンピュータのTOP500リストに掲載されているすべてのシステムはLinuxカーネルをベースとしたオペレーティングシステムを実行していました[ 73 ]。一方、Linuxベースのスーパーコンピュータが初めてリストに登場したのは1998年のことです[ 304 ]。
LinuxはiPhone 3GやiPodなどの様々な携帯端末にも移植されている。[ 305 ]
2007年に、Linuxカーネルで認識されているハードウェアとプロトコルの包括的なデータベースを構築するためにLKDDbプロジェクトが開始されました。[ 306 ]このデータベースは、カーネルソースの静的解析によって自動的に構築されます。その後、2014年に、さまざまなLinuxディストリビューションのユーザーの協力を得て、テスト済みのすべてのハードウェア構成のデータベースを自動的に収集するLinux Hardwareプロジェクトが開始されました。[ 307 ]
Ksplice、kpatch、kGraftなどのライブパッチ技術を使用することで、再起動せずにカーネルのアップデートを適用できます。ライブカーネルパッチの初期サポートは、2015年4月12日にリリースされたバージョン4.0でLinuxカーネルのメインラインに統合されました。livepatchと呼ばれるこの機能は、カーネルのftrace機能を使用し、カーネルモジュールを介して提供されるホットパッチの共通インフラストラクチャと、ユーザースペース管理ツールのインターフェースを提供します。Linux 4.0の初期実装では、livepatchのサポートはx86アーキテクチャに限定され、完全なライブパッチの一貫性モデルではなく、基本的なインフラストラクチャを提供していました。
カーネルのバグは潜在的なセキュリティ上の問題を引き起こす可能性があります。たとえば、権限昇格を可能にしたり、サービス拒否攻撃の経路を作り出したりする可能性があります。長年にわたり、システムセキュリティに影響を与える多数のバグが発見され、修正されてきました。[ 308 ]カーネルのセキュリティを向上させるために、新しい機能が頻繁に実装されています。[ 309 ] [ 310 ]
機能(7)については、プロセスとスレッドに関するセクションですでに紹介しました。Androidはこれらを利用しており、systemdは管理者にプロセスの機能を詳細に制御する機能を提供します。[ 311 ]
Linux は、カーネルの攻撃対象領域を減らし、セキュリティを向上させるための豊富なメカニズムを提供しており、これらはまとめてLinux セキュリティ モジュール(LSM) と呼ばれています。[ 312 ]これらは、元々 NSAによって開発され、その後一般に公開されたSecurity-Enhanced Linux (SELinux) モジュール、 [ 313 ]およびAppArmor [ 198 ]などで構成されています。SELinux は現在GitHubで活発に開発および保守されています。[ 197 ] SELinux と AppArmor は、強制アクセス制御(MAC)を含むアクセス制御セキュリティ ポリシーをサポートしていますが、複雑さと範囲は大きく異なります。
もう1つのセキュリティ機能はSeccomp BPF（SECure COMPuting with Berkeley Packet Filters）で、パラメータをフィルタリングし、ユーザーランドアプリケーションで使用可能なシステムコールのセットを減らすことで機能します。[ 314 ]
批評家たちはカーネル開発者がセキュリティ上の欠陥を隠蔽している、あるいは少なくとも公表していないと非難してきた。2008年、トーバルズはこれに対し次のように答えた。[ 315 ] [ 316 ]
個人的には、セキュリティバグは単なる「普通のバグ」だと考えています。隠蔽するつもりはありませんが、それらを追跡して特別なものとして発表することが良い考えだと考える理由も全くありません。私がセキュリティ騒動に関わろうとしない理由の一つは、それが間違った行動を美化し、ひいては助長すると考えているからです。セキュリティ担当者を「英雄」扱いし、普通のバグを修正しない人たちの重要性を軽視しているように見えます。実際には、退屈な普通のバグの方がはるかに重要です。なぜなら、その数が多いからです。セキュリティ上の重大な欠陥が、ロックの不具合による偶発的なクラッシュよりも「特別」であるかのように美化されたり、気にかけられたりするべきではないと思います。
Linuxディストリビューションは通常、Linuxカーネルの脆弱性を修正するためのセキュリティアップデートをリリースします。多くのディストリビューションは、特定のLinuxカーネルバージョンに対して長期間セキュリティアップデートを受け取れる長期サポート版を提供しています。
2024年、研究者らはLinuxカーネルにAF_VSOCKサブシステムに存在する深刻な脆弱性CVE-2024-50264があることを明らかにした。このバグは解放後使用の欠陥であり、プログラムが解放されたメモリを使い続けると発生するメモリ破損問題の一種である。[ 317 ] [ 318 ] このような欠陥は、攻撃者が権限を昇格させる可能性があるため、カーネルでは特に危険である。このバグは2025年5月に解決された。[ 319 ]
当初、トーバルズは商用利用を禁止するライセンスでLinuxをリリースした。[ 320 ]これはバージョン0.12でGNU General Public Licenseバージョン2（GPLv2）に切り替えられたことで変更された。[ 24 ]このライセンスでは、Linuxの改変版と未改変版の配布と販売が許可されているが、それらのコピーはすべて同じライセンスでリリースされ、対応する完全なソースコードが付属するか、要求に応じて無料でアクセスできる必要がある。[ 321 ]トーバルズは、LinuxをGPLv2でライセンスしたことは「私がこれまでにした中で最高のこと」だと述べている。[ 320 ]
Linuxカーネルは、明示的なシステムコール例外（Linux-syscall-note）付きのGNU General Public Licenseバージョン2（GPL-2.0-only）のみで明示的にライセンスされています[ 10 ] [ 13 ] [ 14 ]。ライセンス取得者にそれ以降のバージョンを選択するオプションは提供されていませんが、これは一般的なGPLの拡張です。貢献されたコードは、 GPL互換ライセンスで利用可能でなければなりません。[ 15 ] [ 209 ]
ライセンスを後続の GPL バージョン (バージョン 3 を含む) に変更することがどれほど容易か、またこの変更がそもそも望ましいかどうかについて、かなりの議論があった。[ 322 ]トーバルズ自身は、バージョン 2.4.0 のリリース時に、自身のコードはバージョン 2 の下でのみリリースされると明言した。[ 323 ] GPL の条項では、バージョンが指定されていない場合はどのバージョンでも使用できると規定されており、[ 324 ]アラン・コックスは、他の Linux 貢献者で GPL の特定のバージョンを指定した人はほとんどいないと指摘した。[ 325 ]
2006 年 9 月、29 人の主要なカーネル プログラマーを対象とした調査で、28 人が当時の GPLv3 ドラフトよりも GPLv2 を好むことが示されました。トーバルズは、「多くの部外者は、私が公然と GPLv3 の大ファンではないため、私個人が異端者だと考えていると思います」とコメントしました。[ 326 ]トーバルズ、グレッグ・クロー・ハートマン、アンドリュー・モートンを含むこの著名なカーネル開発者グループは、マス メディアで GPLv3 に対する反対意見を表明しました。[ 327 ]彼らは、DRM / tivoization、特許、「追加の制限」に関する条項に言及し、 GPLv3 による「オープンソースの世界」のバルカン化を警告しました。 [ 327 ] [ 328 ] Linux カーネルに GPLv3 を採用しないことを決定したトーバルズは、数年後にも批判を繰り返しました。[ 329 ]
一部のロード可能なカーネルモジュール（LKM）が著作権法上の派生著作物とみなされるべきかどうか、ひいてはGPLの条項の対象となるかどうかについては議論がある。
ライセンス規則に従って、カーネルインターフェースの公開サブセットのみを使用するLKM [ 234 ] [ 235 ]は派生作品ではないため、Linuxはシステム管理者にツリー外のバイナリオブジェクトをカーネルアドレス空間にロードするメカニズムを提供します。[ 15 ]
dma_bufカーネル機能を正当に利用する、ツリー外のロード可能なモジュールがいくつかあります。[ 330 ] GPL 準拠のコードは確かにこれを使用できます。別の使用例としては、高速 GPU と Intel 統合 GPU を組み合わせたNvidia Optimusがあり、Nvidia GPU がアクティブなときにIntelフレームバッファに書き込みます。しかし、Nvidia はこのインフラストラクチャを使用することはできません。なぜなら、GPL 準拠の LKM のみが使用できるルールを回避する必要があるからです。[ 236 ] Alan Cox はLKMLで、Nvidia のエンジニアの 1 人からの、この技術的な強制を API から削除するようにという要求を拒否しました。[ 331 ] Torvalds は LKML で明確に「バイナリのみのカーネルモジュールはデフォルトで派生物であると主張する」と述べています。[ 332 ]
一方、トーバルズ氏は、特にグレーゾーンの一つとして、元々別のオペレーティングシステム用に書かれたドライバ（つまり、明らかにLinux由来の派生作品ではないもの）を挙げている。それはグレーゾーンであり、Linux用に設計されておらず、Linuxの特別な動作に依存していないという理由だけで、一部のモジュールは派生作品とはみなされない可能性があると個人的に考えている領域である。[ 333 ] 特に、プロプライエタリなグラフィックドライバについては、盛んに議論されている。
独自モジュールがLinuxにロードされるたびに、カーネルは自身を「汚染されている」とマークします[ 334 ]。そのため、汚染されたカーネルからのバグ報告は開発者によって無視されることがよくあります。
公式カーネル、つまり kernel.org リポジトリの Torvalds の git ブランチには、GNU GPLv2 ライセンスの条件に基づいてリリースされたバイナリ ブロブが含まれています。 [ 10 ] [ 15 ] Linux は、ファイルシステムからバイナリ ブロブ、独自のファームウェア、ドライバ、またはその他の実行可能モジュールをロードして、カーネル空間にリンクすることもできます。[ 335 ]
必要に応じて（例えば、ブート デバイスへのアクセスや速度向上のため）、ファームウェアをカーネルに組み込むことができます。つまり、ファームウェアをvmlinuxに組み込むということです。ただし、技術的または法的問題により、これは常に実行可能なオプションとは限りません（例えば、GPL と互換性のないファームウェアでこれを行うことは許可されていませんが、これは非常に一般的です）。[ 336 ]
Linux は、米国、欧州連合、およびその他のいくつかの国で Linus Torvalds の登録商標です。 [ 337 ] [ 338 ]商標をめぐる法廷闘争は 1996 年に始まりました。Linux の開発には一切関わっていなかった弁護士の William Della Croce が、 Linuxという単語の使用料を請求し始めたのです。Della Croce が主張する最初の使用よりもずっと前からこの単語が一般的に使用されていたことが証明された後、商標は Torvalds に付与されました。[ 339 ] [ 340 ] [ 341 ]
2024年10月、ロシアによるウクライナ侵攻の際、カーネル開発者のグレッグ・クロー・ハートマンは、メールアドレスがロシアとの関連を示唆するカーネル開発者の一部をメンテナーの役割から外した。[ 342 ] [ 343 ]リーナス・トーバルズは、ロシアの侵略を支持しておらず、パッチを元に戻すつもりはないと述べ、パッチに反対する者はロシアのトロールであると示唆した。[ 344 ]カーネル開発者のジェームズ・ボトムリーは、この状況への対応について謝罪し、この措置は米国によるロシアへの制裁の結果であると明らかにした。[ 345 ]
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