Linux (Kernel)

 

Der Kernel eines Betriebssystems bildet die hardwareabstrahierende Schicht, das heißt, er stellt der auf dieser Basis aufsetzenden Software eine einheitliche Schnittstelle (API) zur Verfügung, die unabhängig von der Rechnerarchitektur ist. Die Software kann so immer auf die Schnittstelle zugreifen und braucht die Hardware selbst, die sie nutzt, nicht genauer zu kennen. Linux ist dabei ein modularer monolithischer Kernel und zuständig für Speicherverwaltung, Prozessverwaltung, Multitasking, Lastverteilung, Sicherheitserzwingung und Eingabe/Ausgabe-Operationen auf verschiedenen Geräten.

Linux ist fast ausschließlich in der Programmiersprache C geschrieben, wobei einige GNU-C-Erweiterungen benutzt werden. Eine Ausnahme bilden die architekturabhängigen Teile des Codes (im Verzeichnis arch innerhalb der Linux-Sourcen), wie zum Beispiel der Beginn des Systemstarts (Bootvorgang), der in Assemblersprache geschrieben ist. Die Aufnahme von Rust als weitere Programmiersprache ist für die Mainline-Kernel ab Version 6.1 vorgesehen, insbesondere für Gerätetreiber.^[6]

Bei einem strikt monolithischen Kernel wird der gesamte Quellcode inklusive aller Treiber in das Kernel-Image (den ausführbaren Kernel) kompiliert. Im Gegensatz dazu kann Linux Module benutzen, die während des Betriebs geladen und wieder entfernt werden können. Damit wird die Flexibilität erreicht, um unterschiedlichste Hardware ansprechen zu können, ohne sämtliche (auch nicht benötigte) Treiber und andere Systemteile im Arbeitsspeicher halten zu müssen.

Sind Teile der Hardwarespezifikationen nicht genügend offengelegt, so stützt sich Linux notfalls über spezielle VM86-Modi auch auf das BIOS des Systems, u. a. auf die Erweiterungen gemäß den Standards APM, ACPI und VESA. Um unter diesen Voraussetzungen x86-kompatible Hardware z. B. auf der DEC-Alpha-Plattform zu betreiben, werden teilweise sogar Emulatoren zur Ausführung entsprechenden ROM-Codes verwendet. Linux selbst übernimmt das System beim Bootprozess typischerweise in dem Moment, in dem der Bootloader der Systemfirmware („BIOS“) erfolgreich war und daher alle Systeminitialisierungen des BIOS abgeschlossen sind.

Der Kernel ist ein Betriebssystemkern und darf nicht als das eigentliche Betriebssystem verstanden werden. Dieses setzt sich aus dem Kernel und weiteren grundlegenden Bibliotheken und Programmen (die den Computer erst bedienbar machen) zusammen.

Siehe auch: Gerätedatei, Network Block Device, Netfilter, Netzwerk-Scheduler, Prozess-Scheduler, Linux (Betriebssystem)

 

Man kann zwischen vier Schnittstellen unterscheiden, die das Zusammenwirken von entweder kernelinternen Komponenten untereinander oder von Kernel und externer Software ermöglichen. Die Stabilität der externen Programmierschnittstelle wird garantiert, das heißt, dass Quellcode grundsätzlich ohne jegliche Veränderungen portierbar ist. Die Stabilität der internen Programmierschnittstellen wird nicht garantiert, diese können zehn Jahre oder wenige Monate stabil bleiben. Da der Linux-Kernel von einigen tausend Entwicklern vorangetrieben wird, ist der eventuell entstehende Aufwand zu verschmerzen.

Die Binärschnittstelle des Kernels ist unerheblich, auf das komplette Betriebssystem kommt es an. Die Linux Standard Base (LSB) soll es ermöglichen, kommerzielle Programme unverändert zwischen Linux Betriebssystemen zu portieren. Die interne Binärschnittstelle ist nicht stabil, und es gibt keinerlei Bestrebungen, dies zu ändern; dies hat zur Folge, dass ein internes Modul, welches z. B. für Linux 3.0 kompiliert worden ist, höchstwahrscheinlich nicht mit Linux-Kernel 3.1 zusammenarbeiten wird. Dies ist eine ganz bewusste Entscheidung.^[7]

Linux ist ein monolithischer Kernel. Die Treiber im Kernel und die Kernel-Module laufen im privilegierten Modus (x86: Ring 0), haben also unbeschränkten Zugriff auf die Hardware. Einige wenige Module des Kernels laufen im eingeschränkten Benutzermodus (x86: Ring 3). Die Level 1 und 2 der x86-Architektur werden von Linux nicht genutzt, da sie auf vielen anderen Architekturen nicht existieren und der Kernel auf allen unterstützten Architekturen im Wesentlichen gleich funktionieren soll.

Nahezu jeder Treiber kann auch als Modul zur Verfügung stehen und vom System dann dynamisch nachgeladen werden. Ausgenommen davon sind Treiber, die für das Starten des Systems verantwortlich sind, bevor auf das Dateisystem zugegriffen werden kann. Man kann allerdings den Kernel so konfigurieren, dass ein CramFS- oder Initramfs-Dateisystem vor dem tatsächlichen Root-Dateisystem geladen wird, welches die weiteren für den Startprozess notwendigen Module enthält. Dadurch kann die Kernelgröße verringert und die Flexibilität drastisch erhöht werden.

Im System laufende Programme bekommen wiederum vom Kernel Prozessorzeit zugewiesen. Jeder dieser Prozesse erhält einen eigenen, geschützten Speicherbereich und kann nur über Systemaufrufe auf die Gerätetreiber und das Betriebssystem zugreifen. Die Prozesse laufen dabei im Benutzermodus (user mode), während der Kernel im Kernel-Modus (kernel mode) arbeitet. Die Privilegien im Benutzermodus sind sehr eingeschränkt. Abstraktion und Speicherschutz sind nahezu vollkommen, ein direkter Zugriff wird nur sehr selten und unter genau kontrollierten Bedingungen gestattet. Dies hat den Vorteil, dass kein Programm z. B. durch einen Fehler das System zum Absturz bringen kann.

Linux stellt wie sein Vorbild Unix eine vollständige Abstraktion und Virtualisierung für nahezu alle Betriebsmittel bereit (z. B. virtueller Speicher, Illusion eines eigenen Prozessors usw.).

Die Tatsache, dass Linux nicht auf einem Microkernel basiert, war Thema eines berühmten Flame Wars zwischen Linus Torvalds und Andrew S. Tanenbaum. Anfang der 1990er Jahre, als Linux entwickelt wurde, galten monolithische Kernels als obsolet (Linux war zu diesem Zeitpunkt noch rein monolithisch). Die Diskussion und Zusammenfassungen sind im Artikel Geschichte von Linux näher beschrieben.

Durch Erweiterungen wie FUSE und durch die zunehmende Verwendung von Kernel-Prozessen fließen mittlerweile auch zahlreiche Microkernel-Konzepte in Linux ein.

Obwohl Linus Torvalds eigentlich nicht beabsichtigt hatte, einen portierbaren Kernel zu schreiben, hat sich Linux dank des GNU Compilers GCC weitreichend in diese Richtung entwickelt. Es ist inzwischen eines der am häufigsten portierten Systeme (nur noch NetBSD läuft auf etwa gleich vielen Architekturen). Das Repertoire reicht dabei von eher selten anzutreffenden Betriebsumgebungen wie dem iPAQ-Handheld-Computer, Digitalkameras oder Großrechnern wie IBMs System z bis hin zu normalen PCs.

Obwohl die Portierung auf die S/390 ursprünglich ein vom IBM-Management nicht genehmigtes Unterfangen war (siehe auch: Skunk works), plante IBM auch die IBM-Supercomputergeneration Blue Gene mit einem eigenen Linux-Port auszustatten.

Ursprünglich hatte Torvalds eine ganz andere Art von Portierbarkeit für sein System angestrebt, nämlich die Möglichkeit, freie GPL- und andere quelloffene Software leicht unter Linux kompilieren zu können. Dieses Ziel wurde bereits sehr früh erreicht und macht sicherlich einen guten Teil des Erfolges von Linux aus, da es jedem eine einfache Möglichkeit bietet, auf einem freien System freie Software laufen zu lassen.

Die ersten Architekturen, auf denen Linux lief, waren die von Linus Torvalds verwendeten Computer:^[8]

• IA-32 (x86 ab dem i386) – Linus hatte ab 1991 einen PC mit Intel-386DX-33-MHz-Prozessor, 4 MB RAM und einer 40-MB-Festplatte.
• Alpha – Torvalds arbeitete von 1994 bis 1995 an der Portierung auf die 64-Bit-Alpha-Architektur (auf einem DEC-Alpha-Rechner, den er als Leihgabe erhalten hatte).

Damit war Linux sehr früh 64-Bit-fähig (Linux 1.2 erschien 1995) und durch die Portierung auf Alpha war der Weg für weitere Portierungen frei. Zeitgleich arbeitete der Student Dave Miller ab 1993 an der Portierung auf SPARC von Sun Microsystems, einer damals weit verbreiteten Architektur. Doch lief Linux 2.0 von Mitte 1996 offiziell auf IA-32 und Alpha, konnte aber bereits SMP.

Mit Linux 2.2 vom Januar 1999 kamen folgende Ports hinzu:^[8]

• SPARC/​UltraSPARC von Oracle (ursprünglich von Sun)
• 68000 (m68k) von Motorola
• PowerPC (ppc) von Apple, IBM und Motorola (AIM-Allianz)

Mit Linux 2.4 vom Januar 2001 kamen schließlich folgende Architekturen hinzu:^[8]

• Itanium (IA-64) von Intel und HP
• S/390 von IBM
• SuperH von Hitachi
• MIPS

Trotz der unterstützten Befehlssatzarchitekturen (englisch Instruction Set Architecture, kurz ISA) ist für die Lauffähigkeit mehr nötig, sodass Linux gegenwärtig auf u. a. folgenden Plattformen und Architekturen läuft:

• Acorn Archimedes, A5000 und Risc-PC-Serie (Arm, StrongARM, Intel XScale usw.)
• Alpha von Compaq
• Axis Communications’ CRIS
• Blackfin
• Hitachi H8/​300
• Hewlett-Packard PA-RISC
• IBM S/390 und z Systems
• MIPS: Maschinen von Silicon Graphics …
• Motorola 68020 und neuer: spätere Amigas, einige Atari und viele Apple Computer ab 1987 (Macintosh II) bis 1995 (siehe Linux68k)
• NEC v850e
• PowerPC: die meisten Apple Computer zwischen 1994 und 2006 (alle PCI-basierten Power Macintosh, der Nintendo GameCube; begrenzte Unterstützung für NuBus Power Macs bis Kernel 2.4.x, die weitere Entwicklung wurde in das Projekt PPC/Linux for NuBus Power Macs ausgelagert^[9]), Clones der Power Macs von Power Computing, UMAX und Motorola, mit einer „Power-UP“-Karte verbesserte Amigas (z. B. Blizzard oder CyberStorm) bzw. dessen Nachfolger AmigaOne, sowohl IBM Power als auch PowerPC-basierte IBM RS/6000-Systeme, verschiedene eingebettete PowerPC-Plattformen
• Sun/​Oracle SPARC und UltraSparc: Workstations von Sun- bzw. Oracle
• SuperH von Hitachi: Sega Dreamcast
• OpenRISC
• RISC-V
• x86-Architektur:
  • x86-16-Bit: im Rahmen des ELKS-Projektes werden IBM-PC-kompatible Computer mit den 16-Bit-Prozessoren 8086, 8088, 80186, 80188, 80286 und dazu kompatiblen unterstützt. Die Abkürzung „ELKS“ steht für Embeddable Linux Kernel Subset und stellt eine Untermenge des Linux-2.0/2.1-Kernels dar. Das angestrebte Ziel ist Kompatibilität zu Unix-V7 auf 16-Bit-x86-Systemen.
  • IA-32, 32-Bit: IBM PCs und kompatible mit Intel 80386 (bis Kernel 3.7, Anfang 2013)^[10] bzw. Intel 80486 und dazu kompatiblen x86-Prozessor-Architekturen nachfolgender Generationen
  • x86 64, 64-Bit: Unter der Bezeichnung „amd64“ oder x64 werden Prozessoren der x86-Architektur verstanden, die einen 64-Bit-Modus bieten (implementiert als AMD64 oder Intel 64). Dabei handelt es sich um die Nachfolger der ursprünglichen IBM-PC-kompatiblen Computer, die einen zum AMD Opteron kompatiblen x86-Prozessor nutzen, beispielsweise: von AMD ab Athlon 64, Turion, Phenom und von Intel ab Core 2, Xeon.

Linux unterstützt zwei verschiedene Binärschnittstellen für Arm-Prozessoren. Die ältere Binärschnittstelle wird mit dem Akronym OABI (old application binary interface) bezeichnet und unterstützt die Prozessorarchitekturen bis einschließlich ARMv4, während die neuere Binärschnittstelle, die mit EABI (embedded application binary interface) bezeichnet wird, die Prozessorarchitekturen ab einschließlich ARMv4 unterstützt. Der bedeutendste Unterschied der Binärschnittstellen in Bezug auf Systemleistung ist die sehr viel bessere Unterstützung von Software-emulierten Gleitkommarechnungen durch EABI.^[11]

Ein besonderer Port ist das User Mode Linux. Prinzipiell handelt es sich dabei um einen Port von Linux auf sein eigenes Systemcall-Interface. Dies ermöglicht es, einen Linux-Kernel als normalen Prozess auf einem laufenden Linux-System zu starten. Der User-Mode-Kernel greift dann nicht selbst auf die Hardware zu, sondern reicht entsprechende Anforderungen an den echten Kernel durch. Durch diese Konstellation werden „Sandkästen“ ähnlich den virtuellen Maschinen von Java oder den jails von FreeBSD möglich, in denen ein normaler Benutzer Root-Rechte haben kann, ohne dem tatsächlichen System schaden zu können.

µClinux ist eine Linux-Variante für Computer ohne Memory Management Unit (MMU) und kommt vorwiegend auf Mikrocontrollern und eingebetteten Systemen zum Einsatz. Seit Linux-Version 2.6 ist µClinux Teil des Linux-Projektes.

 

Die Entwicklung von Linux liegt durch die GNU General Public License und durch ein sehr offenes Entwicklungsmodell nicht in der Hand von Einzelpersonen, Konzernen oder Ländern, sondern in der Hand einer weltweiten Gemeinschaft vieler Programmierer, die sich hauptsächlich über das Internet austauschen. Bei der Entwicklung kommunizieren die Entwickler fast ausschließlich über E-Mail, da Linus Torvalds behauptet, dass so die Meinungen nicht direkt aufeinander prallen. In vielen Mailinglisten, aber auch in Foren und im Usenet besteht für jedermann die Möglichkeit, die Diskussionen über den Kernel zu verfolgen, sich daran zu beteiligen und auch aktive Beiträge zur Entwicklung zu leisten. Durch diese unkomplizierte Vorgehensweise ist eine schnelle und stetige Entwicklung gewährleistet, die auch die Möglichkeit mit sich bringt, dass jeder dem Kernel Fähigkeiten zukommen lassen kann, die er benötigt.

Eingegrenzt wird dies nur durch die Kontrolle von Linus Torvalds und einigen besonders verdienten Programmierern, die das letzte Wort über die Aufnahme von Verbesserungen und Patches in die offizielle Version haben. Manche Linux-Distributoren bauen auch eigene Funktionen in den Kernel ein, die im offiziellen Kernel (noch) nicht vorhanden sind.

Der Entwicklungsprozess des Kernels ist wie der Kernel selbst ebenfalls immer weiterentwickelt worden. So führte der Rechtsprozess der SCO Group um angeblich illegal übertragenen Code in Linux zur Einführung eines „Linux Developer’s Certificate of Origin“, das von Linus Torvalds und Andrew Morton bekanntgegeben wurde.^[12] Diese Änderung griff das Problem auf, dass nach dem bis dahin gültigen Modell des Linux-Entwicklungsprozesses die Herkunft einer Erweiterung oder Verbesserung des Kernels nicht nachvollzogen werden konnte.

Die Versionskontrolle des Kernels unterliegt dem Programm Git. Dies wurde speziell für den Kernel entwickelt und auf dessen Bedürfnisse hin optimiert. Es wurde im April 2005 eingeführt, nachdem sich abgezeichnet hatte, dass das alte Versionskontrollsystem BitKeeper nicht mehr lange für die Kernelentwicklung genutzt werden konnte.

Auf der Website kernel.org werden alle alten und neuen Kernel-Versionen archiviert. Die dort befindlichen Referenzkernel werden auch als Vanilla-Kernel bezeichnet (von umgangssprachlich engl. vanilla für Standard bzw. ohne Extras im Vergleich zu Distributionskernels). Auf diesem bauen die Distributionskernel auf, die von den einzelnen Linux-Distributionen um weitere Funktionen ergänzt werden. Die Kernel-Version des geladenen Betriebssystems kann mit dem Syscall uname abgefragt werden.

Die frühen Kernelversionen (0.01 bis 0.99) hatten noch kein klares Nummerierungsschema. Version 1.0 sollte die erste „stabile“ Linux-Version werden. Beginnend mit Version 1.0 folgen die Versionsnummern von Linux einem bestimmten Schema:

Die erste Ziffer wird nur bei grundlegenden Änderungen in der Systemarchitektur angehoben. Während der Entwicklung des 2.5er-Kernels kam wegen der relativ grundlegenden Änderungen, verglichen mit dem 2.4er-Kernel, die Diskussion unter den Kernel-Programmierern auf, den nächsten Produktionskernel als 3.0 zu deklarieren. Torvalds war aber aus verschiedenen Gründen dagegen, sodass der resultierende Kernel als 2.6 bezeichnet wurde.

Die zweite Ziffer gibt das jeweilige „Majorrelease“ an. Bisher wurden stabile Versionen (Produktivkernel) von den Entwicklern stets durch gerade Ziffern wie 2.2, 2.4 und 2.6 gekennzeichnet, während die Testversionen (Entwicklerkernel) immer ungerade Ziffern trugen, wie zum Beispiel 2.3 und 2.5; diese Trennung ist aber seit Juli 2004 ausgesetzt, es gab keinen Entwicklerkernel mit der Nummer 2.7, stattdessen wurden die Änderungen laufend in die 2.6er-Serie eingearbeitet.

Zusätzlich bezeichnet eine dritte Zahl das „Minorrelease“, das die eigentliche Version kennzeichnet. Werden neue Funktionen hinzugefügt, steigt die dritte Zahl an. Der Kernel wird damit zum Beispiel mit einer Versionsnummer wie 2.6.7 bestimmt.

Um die Korrektur eines schwerwiegenden NFS-Fehlers schneller verbreiten zu können, wurde mit der Version 2.6.8.1 erstmals eine vierte Ziffer eingeführt. Seit März 2005 (Kernel 2.6.11) wird diese Nummerierung offiziell verwendet.^[14] So ist es möglich, die Stabilität des Kernels trotz teilweise sehr kurzer Veröffentlichungszyklen zu gewährleisten und Korrekturen von kritischen Fehlern innerhalb weniger Stunden in den offiziellen Kernel zu übernehmen – wobei sich die vierte Ziffer erhöht (z. B. von 2.6.11.1 auf 2.6.11.2). Die Minorreleasenummer, also die dritte Ziffer, wird hingegen nur bei Einführung neuer Funktionen hochgezählt.

Im Mai 2011 erklärte Linus Torvalds, die nach der Version 2.6.39 kommende Version nicht 2.6.40, sondern 3.0 zu benennen.^[15] Als Grund dafür führte er an, dass die Versionsnummern seiner Meinung nach zu hoch wurden. Die Versionsnummer 3 stehe gleichzeitig für das dritte Jahrzehnt, welches für den Linux-Kernel mit seinem 20. Geburtstag anfange. Bei neuen Versionen wird seitdem die zweite Ziffer erhöht und die dritte steht – anstelle der vierten – für Bugfixreleases.

Im Februar 2015 erhöhte Torvalds auf Version 4.0 statt Version 3.20,^[16] nachdem er auf Google+ Meinungen hierzu eingeholt hatte.^[17] Seit März 2019 ist Linux 5.0 freigegeben. Dabei hat der Sprung von der letzten Versionsnummer 4.20 auf 5.0 keine tiefergehende Bedeutung. Auch den Sprung von 5.19 auf 6.0 begründete Linus lediglich lakonisch damit, dass er sich wieder vor großen Nummern zu fürchten beginne.^[18]

Neue Funktionen finden sich im „-mm“-Kernel des Kernelentwicklers Andrew Morton und werden anschließend in den Hauptzweig von Torvalds übernommen. Somit werden große Unterschiede zwischen Entwicklungs- und Produktionskernel und damit verbundene Portierungsprobleme zwischen den beiden Serien vermieden. Durch dieses Verfahren gibt es auch weniger Differenzen zwischen dem offiziellen Kernel und den Distributionskernel (früher wurden Features des Entwicklungszweiges von den Distributoren häufig in ihre eigenen Kernels rückintegriert). Allerdings litt 2004/2005 die Stabilität des 2.6er-Kernels unter den häufig zu schnell übernommenen Änderungen. Ende Juli 2005 wurde deshalb ein neues Entwicklungsmodell beschlossen, das nach dem Erscheinen der Version 2.6.13 erstmals zur Anwendung kam: Neuerungen werden nur noch in den ersten zwei Wochen der Kernelentwicklung angenommen, wobei anschließend eine Qualitätssicherung bis zum endgültigen Erscheinen der neuen Version erfolgt.

Während Torvalds die neuesten Entwicklungsversionen veröffentlicht, wurde die Pflege der älteren stabilen Versionen an andere Programmierer abgegeben. Gegenwärtig ist dafür Greg Kroah-Hartman verantwortlich – mit Ausnahme des von Ben Hutchings betreuten 3.16-Zweigs. Zusätzlich zu diesen offiziellen und über Kernel.org oder einen seiner Mirrors zu beziehenden Kernel-Quellcodes kann man auch alternative „Kernel-Trees“ aus anderen Quellen benutzen. Distributoren von Linux-basierten Betriebssystemen pflegen meistens ihre eigenen Versionen des Kernels und beschäftigen zu diesem Zwecke fest angestellte Kernel-Hacker, die ihre Änderungen meist auch in die offiziellen Kernels einfließen lassen.

Distributions-Kernel sind häufig intensiv gepatcht, um auch Treiber zu enthalten, die noch nicht im offiziellen Kernel enthalten sind, von denen der Distributor aber glaubt, dass seine Kundschaft sie benötigen könnte und die notwendige Stabilität respektive Fehlerfreiheit dennoch gewährleistet ist.

Folgende Versionen werden besonders lange mit Support (Long Term Support) versorgt:^[19]

 

Das folgende Schaubild stellt einzelne Versionen des Linux-Kernels anhand der Erscheinungsdaten auf einer Zeittafel angeordnet dar und soll dem Überblick dienen.

Bei Betrachtung der zuletzt erschienenen Versionen (siehe Tabelle) erfolgt die Entwicklung einer neuen Kernel-Version in durchschnittlich 82 Tagen. Der Kernel wird hierbei im Durchschnitt um 768 Dateien und 325.892 Quelltextzeilen (englisch Lines of Code) erweitert. Das mit dem Datenkompressionsprogramm gzip komprimierte tar-Archiv (.tar.gz) wächst im Mittel um rund 2 Megabyte mit jeder veröffentlichten Hauptversion.

Die Kernel-Reihe 2.6 wurde ab Dezember 2001 auf Basis der damaligen 2.4er-Reihe entwickelt und wies umfangreiche Neuerungen auf. Für die Entwicklung war der neue Quelltext übersichtlicher und leichter zu pflegen, während Anwender durch die Überarbeitung des Prozess-Schedulers sowie des I/O-Bereiches und von geringeren Latenzzeiten profitierten.^[136]

In einem Multitasking-fähigen Betriebssystem muss es eine Instanz geben, die den Prozessen, die laufen wollen, Rechenzeit zuteilt. Diese Instanz bildet der Prozess-Scheduler. Seit dem Erscheinen von Linux 2.6 wurde mehrfach grundlegend am Scheduler gearbeitet.

Für die ersten Kernel 2.6 war von Ingo Molnár ein gegenüber Linux 2.4 ganz neuer Scheduler konzipiert und implementiert worden, der O(1)-Scheduler. Dieser erhielt seinen Namen, weil die relevanten Algorithmen, auf denen der Scheduler basierte, die Zeitkomplexität ${\displaystyle O(1)}$  haben. Dies bedeutet, dass die vom Scheduler für eigene Aufgaben benötigte Prozessorzeit unabhängig von der Anzahl der verwalteten Prozesse bzw. Threads ist. Insbesondere wurde etwa auf das Durchsuchen aller Prozesse nach dem momentan wichtigsten Prozess verzichtet.

Der O(1)-Scheduler arbeitete auch bei vielen Prozessen effizient und benötigte selbst nur wenig Rechenzeit. Er verwendete zwei verkettete Listen. Eine für Prozesse, die noch laufen müssen und eine zweite für Prozesse die bereits gelaufen sind. Wenn alle Prozesse in der zweiten Liste standen, wurden die Datenfelder getauscht, und das Spiel begann von neuem.

Interaktive Prozesse benötigen in der Regel nur wenig Rechenzeit. Allerdings sollte zum Beispiel die grafische Benutzeroberfläche verlässlich innerhalb weniger Millisekunden reagieren. Der O(1)-Scheduler besaß Heuristiken, um festzustellen, ob ein Prozess interaktiv ist oder die CPU eher lange belegt. Der Scheduler stellte dann Aufgaben, die viel Rechenzeit in Anspruch nehmen, zu Gunsten von interaktiven Prozessen zurück.

Der interne Takt des Kernels wurde ab dem Kernel 2.6 von 100 Hz auf 1000 Hz erhöht, das heißt, die kürzest Länge einer Zeitscheibe betrug nun eine Millisekunde. Hiervon profitierten besonders die interaktiven Prozesse, da sie früher wieder an der Reihe sind. Da dies zu einer erhöhten CPU-Last und somit zu einem größeren Stromverbrauch führt, wurde der Takt ab dem Kernel 2.6.13 auf 250 Hz eingestellt. Bei der Konfiguration des Kernels sind jedoch auch noch die Werte 100 Hz, 300 Hz und 1000 Hz wählbar.

Mit der Kernelversion 2.6.23 wurde im Oktober 2007 der O(1)-Scheduler durch einen Completely Fair Scheduler (CFS) ersetzt, der ebenfalls von Ingo Molnár entwickelt wurde. Am CFS wurde von manchen Kernel-Entwicklern kritisiert, dass er seinen Schwerpunkt auf Skalierbarkeit auch bei Servern mit vielen Prozessorkernen legt. Entwickler wie Con Kolivas waren der Meinung, dass unter dieser Schwerpunktsetzung sowie einigen Designentscheidungen im CFS die Leistung auf typischen Desktop-Systemen leide.^[137]

Der Kernel ist ab Version 2.6 in den meisten Funktionen präemptibel („zuvorkommend, vorbeugend“). Selbst wenn das System gerade im Kernel-Modus Aufgaben ausführt, kann dieser Vorgang durch einen Prozess aus dem User-Modus unterbrochen werden. Der Kernel macht dann weiter, wenn der Usermodus-Prozess seine Zeitscheibe aufgebraucht hat oder selbst eine neue Zeitplanung (englisch Re-Schedule) anfordert, also dem Zeitplaner (englisch Scheduler) mitteilt, dass er einen anderen Task ausführen kann. Bis auf einige Kernel-Funktionen, die atomar („nicht unterbrechbar“) ablaufen müssen, kommt dies der Interaktivität zugute und erweitert das davor übliche präemptive Multitasking („entziehbar“), das aber weiterhin zur Auswahl steht.

Mit dem Kernel 2.6 werden für Linux erstmals Zugriffskontrolllisten (englisch access control lists) nativ eingeführt. Diese sehr feinkörnige Rechteverwaltung ermöglicht es vor allem Systemadministratoren, die Rechte auf einem Dateisystem unabhängig vom Gruppen- und Nutzermodell zu gestalten und dabei faktisch beliebig viele spezielle Rechte pro Datei zu setzen. Die mangelnde Unterstützung von Zugriffskontrolllisten von Linux wurde vorher als massive Schwäche des Systems im Rahmen der Rechteverwaltung und der Möglichkeiten zur sicheren Konfiguration gesehen.

Die Unterstützung von Zugriffskontrolllisten funktioniert dabei mit den Dateisystemen ext2, ext3, jfs und XFS nativ.

Mit dem Kernel 2.6.13 hielt erstmals eine Inotify genannte Funktion Einzug in den Kernel. Diese ermöglicht eine andauernde Überwachung von Dateien und Verzeichnissen – wird eines der überwachten Objekte geändert oder ein neues Objekt im Überwachungsraum erschaffen, gibt Inotify eine Meldung aus, die wiederum andere Programme zu definierten Tätigkeiten veranlassen kann. Dies ist insbesondere für Such- und Indexierungsfunktionen der Datenbestände von entscheidender Bedeutung und ermöglicht erst den sinnvollen Einsatz von Desktop-Suchmaschinen wie Strigi oder Meta Tracker. Ohne eine solche Benachrichtigungsfunktion des Kernels müsste ein Prozess die zu überwachende Datei oder das zu überwachende Verzeichnis in bestimmten Zeitintervallen auf Änderungen überprüfen, was im Gegensatz zu Inotify zusätzliche Performance-Einbußen mit sich bringen würde.

Soweit es möglich ist, wurde in Linux 2.6 die Maximalzahl für bestimmte Ressourcen angehoben. Die Anzahl von möglichen Benutzern und Gruppen erhöhte sich von 65.000 auf über 4 Milliarden, ebenso wie die Anzahl der Prozess-IDs (von 32.000 auf 1 Milliarde) und die Anzahl der Geräte (Major/Minor-Nummern). Weitere leistungssteigernde Maßnahmen betrafen die I/O-Scheduler, das Threading mit der neuen Native POSIX Thread Library und den Netzwerk-Stack, der nun ebenfalls in den meisten Tests O(1) skaliert ist. Außerdem wurde für die Verwaltung der I/O-Gerätedateien das früher genutzte devfs durch das neuere udev ersetzt, was viele Unzulänglichkeiten, wie zum Beispiel ein zu großes /dev/-Verzeichnis, beseitigt. Außerdem kann so eine einheitliche und konsistente Gerätebenennung erfolgen, die beständig bleibt, was vorher nicht der Fall war.

Die heute von Linus Torvalds herausgegebene Fassung des Kernels enthält proprietäre Objekte in Maschinensprache (BLOBs) und ist daher nicht mehr ausschließlich Freie Software. Richard Stallman bezweifelt sogar, dass sie legal kopiert werden darf, da diese BLOBs im Widerspruch zur GPL stünden und die Rechte aus der GPL daher erlöschen würden.^[138] Resultierend daraus rät die Free Software Foundation deshalb dazu, nur BLOB-freie Versionen von Linux einzusetzen, bei denen diese Bestandteile entfernt wurden. Linux-Distributionen mit dem Kernel Linux-libre erfüllen diesen Anspruch.

Die bei GPL-Software übliche Klausel, dass statt der Version 2 der GPL auch eine neuere Version verwendet werden kann, fehlt beim Linux-Kernel.^[139] Die Entscheidung, ob die im Juni 2007 erschienene Version 3 der Lizenz für Linux verwendet wird, ist damit nur mit Zustimmung aller Entwickler möglich. In einer Umfrage haben sich Torvalds und die meisten anderen Entwickler für die Beibehaltung der Version 2 der Lizenz ausgesprochen.

• Wolfgang Mauerer: Linux-Kernelarchitektur. Konzepte, Strukturen und Algorithmen von Kernel 2.6. Hanser Fachbuchverlag, München u. a. 2003, ISBN 3-446-22566-8.
• Robert Love: Linux-Kernel-Handbuch. Leitfaden zu Design und Implementierung von Kernel 2.6. Addison-Wesley, München u. a. 2005, ISBN 3-8273-2204-9.
• Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, und Greg Kroah-Hartman: Linux Device Drivers. 3. Auflage, O’Reilly. 2005, ISBN 0-596-00590-3.

 

Commons: Linux (Kernel) – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Englisch:

• The Linux Kernel Archives – offizielle Website
• Elixir Cross Referencer
• Interactive Linux Kernel Map
• Linux Kernel Newbies – Infos für angehende Kernel-Programmierer
• Oldlinux.org – eine Sammlung historischer Kernel
• Linux 0.01 News – Seite zu Weiterentwicklungen des 0.01-Kernels für neuere GCC-Versionen
• Anatomy of the Linux kernel – IBM, am 6. Juni 2007

Deutsch:

• Linux-Kernel – Golem
• Linux Kernel – Heise
• Linux Kernel Download – ComputerBase