на каком ядре основана ios

Что общего между ядром Linux и iOS?

Естественно, в двух больших системах всегда найдутся общие концепции. Например, сложно избежать использования базовых алгоритмов и структур данных. Таких, как списки, массивы, деревья. Но я хочу рассказать не об этом.

iOS является объектно-ориентированной штукой. Где-то ниже Objective-C (а скоро мы сможем говорить уже и о Swift) залегают огромные пласты не-объектного кода, и под ними — Unix (а точнее BSD) система. И на том уровне у Linux и у iOS много общего. Но я и не об этом.

Давайте сравним основные структуры ядра Linux с объектно-ориентированной частью iOS.

1. Основные структуры

В обеих системах присутствует некоторое количество фундаментальных структур. Например, в iOS это будут:

Строки (NSSrting);
Массивы (NSArray);
Коллекции (NSSet);
Словари (NSDictionary);
Представление числовых примитивов (NSNumber);
Скаляры (NSRange).

Я оставляю за скобками различные вариации всех этих типов (NSSet / NSMutableSet / NSCountedSet и прочее).

Все эти типы данных реализованы как классы. Легко заметить, что тут нет нескольких фундаментальных структур: связных списков (linked lists) и бинарных деревьев (binary tree). Нет их по той простой причине, что они уже инкапсулированы в другие типы данных. Так, NSArray можно использовать вместо связного списка, а NSDictionary вместо бинарного дерева, не особенно заботясь о внутренней их реализации.

Хорошо. А какие же основные типы мы можем найти в ядре Linux? Тут ситуация выглядит с точностью до наоборот. Сложно выделить какие-либо стандартные для ядра типы данных. Наибольшие претенденты на это звание:

Двойной связный список, определенный в файле include/linux/list.h;
Красно-черные деревья, определенные в файле include/linux/rbtree.h;
Радиксные деревья (radix tree), определенные в файле include/linux/radix-tree.h;
Битовые массивы (bit arrays), определенные в файле include/linux/bitmap.h;
Ну а также семафоры и спинлоки, которые не присутствуют в iOS в явном виде — то есть, их не нужно алоцировать, они скрыты в методах.

Нет никакого требования использовать именно эти реализации. Если вы чем-то недовольны, то можете написать свою реализацию чего угодно. Ее, правда, могут не принять модераторы, если вы попробуете загрузить свой пэтч. Во всяком случае, его не примут модераторы, если не будет очень веской причины реализовывать это самому вместо использования уже написанных структур.

Итак, на первый взгляд мы имеем два ортогональных подхода к построению системы. iOS предлагает достаточно чистый объектно-ориентированный подход, и Apple старается как только может скрыть внутренности объектов от конечного программиста. Ядро Linux, напротив, определяет очень базовые примитивы, оставляя программиста разбираться с ними. Грубо говоря, iOS это блочное строительство, а ядро Linux предоставляет в ваше распоряжение иногда кирпичи, а иногда просто глину и печь для обжига. Однако и цели программирования в двух системах совершенно различные: никто не ожидает от разработчика ядра создания пользовательского интерфейса, равно как никто и не ждет от программиста в iOS написания поддержки чипа и шины данных.

2. Так что же общего между двумя этими системами?

Референсы. Подсчет ссылок на объекты.

До недавнего времени iOS требовала от программиста вручную уменьшать счетчик объектов. Это делалось с помощью вызова стандартного метода retain для его увеличения, release для уменьшения. В последних версиях Objective-C в этом больше нет необходимости, система делает это автоматически.

Счетчик объектов — совершенно объектно-ориентированная вещь: у тебя есть несколько процессов, совместно использующих объект. Для простоты представим, что это объект только для чтения, то есть ни один из процессов не может его изменить. Но вот вопрос: когда этот объект должен быть освобожден? И кем?

В системах с автоматически управлением памятью каждый объект имеет внутренний счетчик, который увеличивается каждый раз, когда кто-то получает ссылку на этот объект. Когда этот кто-то перестает использовать эту ссылку (например, присваивая Nil), внутренний счетчик объекта уменьшается.

Извиняюсь за занудство, но вот как это происходит. Из своего кода я создаю новую строку в iOS:

После исполнения этого кода создался объект типа NSString. Переменная s держит ссылку на объект, и этот объект имеет внутренний счетчик, равный 1.

После исполнения этой строчки кода переменная s2 также ссылается на тот же объект. И внутренний счетчик рефересов этого объекта будет равен 2.

Теперь переменная s больше не ссылается на объект — и внутренний счетчик референсов в объекте равен 1.

Теперь и переменная s2 больше не держит ссылку на объект. Объект не доступен, его адрес утерян. Внутренний счетчик объекта равен 0. Объект будет автоматически уничтожен системой сбора мусора.

А теперь вернемся к ядру Linux. И сразу откроем файл incluce/linux/kref.h
В этом файле мы можем видеть генерную реализацию именно этого механизма — счетчик референсов. Файл не слишком большой, но необходимый.

Ядро Linux с точки зрения параллельных процессов это очень интересная штука. Если ты забыл про синхронизацию — твой код очень быстро рухнет. Вместе со всем остальным ядром, кстати. Чаще всего для этого нужны доли секунды. Иногда секунды. Если ты забыл про то, что ядро реинтерантно, и твой код может быть прерван в любой момент времени — твой код упадет. Нет никакого способа предотвратить это — даже запрет прерываний не поможет решить проблемы синхронизации. Big Lock, когда-то существовавший в ядре, и позволявший остановить все, кроме твоего процесса, был удален из ядра годы назад, так как им пользовались. Нет, серьезно, это довольно странная ситуация: у тебя есть отличный способ решить все свои проблемы с синхронизацией, но тебе говорят: не надо это использовать, это плохая карма. Но у тебя никогда нет времени, а Big Lock чудесно предотвращает падения твоего кода. Так что в какой-то момент Линус волевым усилием удалил этот механизм.

Так вот, если сделать поиск по ядру, например по функции kref_init, то вы увидите, что он используется более чем в двухстах местах. Что для ядра довольно много. Каким же образом работает kref и зачем он нужен?

Отвечая на второй вопрос: он нужен для того же, для чего нужен и счетчик референсов в объектах iOS — это механизм синхронизации управления объектами с точки зрения управления памятью. Естественно, в ядре приходится реализовывать все методы удаления объекта своими руками, здесь нет сборщика мусора, как в iOS (точнее говоря, он есть, но в другом месте, делает совершенно другие вещи, и он никак не связан с kref).

— Если суммировать логику работы kref, то она следующая:
— Создал объект? Сразу увеличь ему kref.
— Взял ссылку на объект? Увеличь у объекта kref на единицу (используя kref_get())
— Перестал использовать ссылку на объект? Уменьши kref объекта на единицу (kref_put())
— kref объекта достиг нуля? Объект уничтожается — ссылка на функцию-деструктор передается при вызове kref_put(), и используется из kref_put() автоматически.

3. Заключение

Никакой морали в данной статье нет.

Ни для кого не новость, что ядро Linux во многих отношениях адаптировало объектно-ориентированную парадигму. Тем не менее, модераторы ядра не позволяют разработчикам усложнять его (ядро), и поддерживают инфраструктуру на уровне простейших примитивов. Философия тут заключается в том, чтобы “keep it simple” — позволь разработчику самому сварить свой суп из сырой грудинки, не предлагай ему супный набор или куриный порошок.

iOS, в свою очередь, идет по пути сокрытия деталей реализации от разработчиков. В какой-то момент в iOS появился ARC, Automatic Reference Counting, система, которая следит за счетчиком ссылок объектов и уничтожает их автоматически. В скором будущем, похоже, объекты будут автоматически не только уничтожаться, но и создаваться, на это указывают последние тенденции — в некоторых случаях уже сегодня можно опустить вызов alloc (наример, [NSSting stringWithFormat] работает так же, как [[NSString alloc] initWithFormat:]).

Источник

Apple опубликовала исходный код ядер macOS и iOS

С самого запуска macOS Apple регулярно публиковала открытый исходный код ядра настольной операционной системы. В теории это позволяло сторонним разработчикам создавать на его основе свои собственные проекты. С iOS всё было немного сложнее, поскольку ядро мобильной ОС не было оптимизировано для ARM-чипов, встроенных в большинство современных смартфонов и планшетов. Теперь всё немного изменилось: купертинский гигант опубликовал на GitHub исходный код XNU-ядер macOS и iOS с поддержкой архитектуры ARM.

Теперь у энтузиастов есть код, который теоретически можно запустить на iPhone или iPad. Но на самом деле не всё так просто. Для начала стоит отметить, что это просто ядро — низкоуровневый код, который отвечает только за самые важные функции. Он не затрагивает интерфейс, фреймворки или приложения — то есть всё то, что отличает iOS от других операционных систем. Эти элементы по-прежнему закрыты, поэтому большую часть платформы пришлось бы создавать с нуля. К тому же, предлагаемая Apple лицензия не настолько гибкая, как, например, лицензия GNU GPL на Linux.

Примерно аналогична ситуация и с macOS — вряд ли в ближайшее время вы увидите MacBook с чипом A11 Bionic. Apple далеко не впервые выпускает код для сторонней архитектуры «на всякий случай»: переход с процессоров PowerPC на Intel произошёл так быстро именно благодаря этому.

Впрочем, такой ход компании всё же заслуживает уважения. Так разработчики приложений и операционных систем смогут лучше понять, как продукты Apple обрабатывают базовые системные задачи. Ну а при желании XNU-ядро можно даже использовать как отправную точку для написания новой ОС.

Источник

Кау устроена iOS

Содержание статьи

Mac OS X

Операционная система, установленная сегодня на все маки и (в измененном виде) на айдевайсы, ведет свою историю аж с 1988 года, который в мире IT известен также тем, что стал годом выпуска первой бета-версии операционной системы NeXTSTEP. Сама NeXTSTEP была детищем команды разработчиков Стива Джобса, который к тому времени уже покинул Apple и основал компанию NeXT, которая занялась разработкой компьютеров для образовательных нужд.

В момент своего появления на свет NeXTSTEP была поистине передовой операционной системой, которая включала в себя множество технологических новаций. В основе ОС лежало модифицированное микроядро Mach, дополненное компонентами ядра FreeBSD, включая эталонную реализацию сетевого стека. Более высокоуровневые компоненты NeXTSTEP были написаны с использованием языка Objective-C и предоставляли разработчикам приложений богатый объектно-ориентированный API. Система была снабжена развитым и весьма удобным графическим интерфейсом (ключевые компоненты которого сохранились в OS X и даже iOS) и мощной средой разработки, включавшей в себя в том числе известный всем современным разработчикам визуальный дизайнер интерфейса.

После провала NeXT и возвращения Стива Джобса в компанию Apple в 1997 году NeXTSTEP легла в основу проекта Rhapsody, в рамках которого началась разработка системы-наследника Mac OS 9. В 2000 году из Rhapsody был выделен открытый проект Darwin, исходники которого опубликованы под лицензией APSL, а уже в 2001 году появилась на свет OS X 10.0, построенная на его основе. Спустя несколько лет Darwin лег в основу операционной системы для готовящегося к выпуску смартфона, о котором до 2007-го, кроме слухов, не было известно почти ничего.

XNU и Darwin

Условно начинку OS X / iOS можно разделить на три логических уровня: ядро XNU, слой совместимости со стандартом POSIX (плюс различные системные демоны/сервисы) и слой NeXTSTEP, реализующий графический стек, фреймворк и API приложений. Darwin включает в себя первые два слоя и распространяется свободно, но только в версии для OS X. iOS-вариант, портированный на архитектуру ARM и включающий в себя некоторые доработки, полностью закрыт и распространяется только в составе прошивок для айдевайсов (судя по всему, это защита от портирования iOS на другие устройства).

По своей сути Darwin — это «голая» UNIX-подобная ОС, которая включает в себя POSIX API, шелл, набор команд и сервисов, минимально необходимых для работы системы в консольном режиме и запуска UNIX-софта. В этом плане он похож на базовую систему FreeBSD или минимальную установку какого-нибудь Arch Linux, которые позволяют запустить консольный UNIX-софт, но не имеют ни графической оболочки, ни всего необходимого для запуска серьезных графических приложений из сред GNOME или KDE.

Ключевой компонент Darwin — гибридное ядро XNU, основанное, как уже было сказано выше, на ядре Mach и компонентах ядра FreeBSD, таких как планировщик процессов, сетевой стек и виртуальная файловая система (слой VFS). В отличие от Mach и FreeBSD, ядро OS X использует собственный API драйверов, названный I/O Kit и позволяющий писать драйверы на C++, используя объектно-ориентированный подход, сильно упрощающий разработку.

iOS использует несколько измененную версию XNU, однако в силу того, что ядро iOS закрыто, сказать, что именно изменила Apple, затруднительно. Известно только, что оно собрано с другими опциями компилятора и модифицированным менеджером памяти, который учитывает небольшие объемы оперативки в мобильных устройствах. Во всем остальном это все то же XNU, которое можно найти в виде зашифрованного кеша (ядро + все драйверы/модули) в каталоге /System/Library/Caches/com.apple.kernelcaches/kernelcache на самом устройстве.

Уровнем выше ядра в Darwin располагается слой UNIX/BSD, включающий в себя набор стандартных библиотек языка си (libc, libmatch, libpthread и так далее), а также инструменты командной строки, набор шеллов (bash, tcsh и ksh) и демонов, таких как launchd и стандартный SSH-сервер. Последний, кстати, можно активировать путем правки файла /System/Library/LaunchDaemons/ssh.plist. Если, конечно, джейлбрейкнуть девайс.

На этом открытая часть ОС под названием Darwin заканчивается, и начинается слой фреймворков, которые как раз и образуют то, что мы привыкли считать OS X / iOS.

Фреймворки

Darwin реализует лишь базовую часть Mac OS / iOS, которая отвечает только за низкоуровневые функции (драйверы, запуск/остановка системы, управление сетью, изоляция приложений и так далее). Та часть системы, которая видна пользователю и приложениям, в его состав не входит и реализована в так называемых фреймворках — наборах библиотек и сервисов, которые отвечают в том числе за формирование графического окружения и высокоуровневый API для сторонних и стоковых приложений

Как и во многих других ОС, API Mac OS и iOS разделен на публичный и приватный. Сторонним приложениям доступен исключительно публичный и сильно урезанный API, однако jailbreak-приложения могут использовать и приватный.

В стандартной поставке Mac OS и iOS можно найти десятки различных фреймворков, которые отвечают за доступ к самым разным функциям ОС — от реализации адресной книги (фреймворк AddressBook) до библиотеки OpenGL (GLKit). Набор базовых фреймворков для разработки графических приложений объединен в так называемый Cocoa API, своего рода метафреймворк, позволяющий получить доступ к основным возможностям ОС. В iOS он носит имя Cocoa Touch и отличается от настольной версии ориентацией на сенсорные дисплеи.

Далеко не все фреймворки доступны в обеих ОС. Многие из них специфичны только для iOS. В качестве примеров можно привести AssetsLibrary, который отвечает за работу с фотографиями и видео, CoreBlueTooth, позволяющий получить доступ к синезубу, или iAd, предназначенный для вывода рекламных объявлений в приложениях. Другие фреймворки существуют только в настольной версии системы, однако время от времени Apple переносит те или иные части iOS в Mac OS или обратно, как, например, случилось с фреймворком CoreMedia, который изначально был доступен только в iOS.

Все стандартные системные фреймворки можно найти в системном каталоге /System/Library/Frameworks/. Каждый из них находится в своем собственном каталоге, называемом бандлом (boundle), который включает в себя ресурсы (изображения и описание элементов интерфейса), хидеры языка си, описывающие API, а также динамически загружаемую библиотеку (в формате dylib) с реализацией фреймворка.

Одна из интересных особенностей фреймворков — их версионность. Один фреймворк может иметь сразу несколько разных версий, поэтому приложение, разработанное для устаревших версий системы, будет продолжать работать, даже несмотря на изменения, внесенные в новые версии ОС. Именно так реализован механизм запуска старых iOS-приложений в iOS 7 и выше. Приложение, разработанное для iOS 6, будет выглядеть и работать именно так, как если бы оно было запущено в iOS 6.

SpringBoard

Уровнем выше находятся приложения, системные и устанавливаемые из магазина приложений. Центральное место среди них занимает, конечно же, SpringBoard (только в iOS), реализующее домашний экран (рабочий стол). Именно оно запускается первым после старта системных демонов, загрузки в память фреймворков и старта дисплейного сервера (он же менеджер композитинга, он же Quartz Compositor), отвечающего за вывод изображения на экран.

SpringBoard — это связующее звено между операционной системой и ее пользователем, графический интерфейс, позволяющий запускать приложения, переключаться между ними, просматривать уведомления и управлять некоторыми настройками системы (начиная с iOS 7). Но также это и обработчик событий, таких как касание экрана или переворот устройства. В отличие от Mac OS X, которая использует различные приложения и демоны-агенты для реализации компонентов интерфейса (Finder, Dashboard, LaunchPad и другие), в iOS почти все базовые возможности интерфейса пользователя, в том числе экран блокировки и «шторка», заключены в одном SpringBoard.

В отличие от других стоковых приложений iOS, которые располагаются в каталоге /Applications, SpringBoard наравне с дисплейным сервером считается частью фреймворков и располагается в каталоге /System/Library/CoreServices/. Для выполнения многих задач он использует плагины, которые лежат в /System/Library/SpringBoardPlugins/. Кроме всего прочего, там можно найти, например, NowPlayingArtLockScreen.lockboundle, отвечающий за отображение информации о проигрываемой композиции на экране блокировки, или IncomingCall.serviceboundle, ответственный за обработку входящего звонка.

Начиная с iOS 6 SpringBoard разделен на две части: сам рабочий стол и сервис BackBoard, ответственный за коммуникации с низкоуровневой частью ОС, работающей с оборудованием (уровень HAL). BackBoard отвечает за обработку таких событий, как касания экрана, нажатия клавиш, получение показания акселерометра, датчика положения и датчика освещенности, а также управляет запуском, приостановкой и завершением приложений.

SpringBoard и BackBoard имеют настолько большое значение для iOS, что, если каким-либо образом их остановить, вся система застынет на месте и даже запущенное в данный момент приложение не будет реагировать на касания экрана. Это отличает их от домашнего экрана Android, который является всего лишь стандартным приложением, которое можно остановить, заменить или вообще удалить из системы (в этом случае на экране останутся вполне рабочие кнопки навигации и строка состояния со «шторкой»).

Приложения

На самой вершине этой пирамиды находятся приложения. iOS различает встроенные (стоковые) высоко привилегированные приложения и сторонние, устанавливаемые из iTunes. И те и другие хранятся в системе в виде бандлов, во многом похожих на те, что используются для фреймворков. Разница заключается лишь в том, что бандл приложения включает в себя несколько иную метаинформацию, а место динамической библиотеки занимает исполняемый файл в формате Mach-O.

Стандартный каталог хранения стоковых приложений — /Applications/. В iOS он абсолютно статичный и изменяется только во время обновлений системы; пользователь получить к нему доступ не может. Сторонние приложения, устанавливаемые из iTunes, напротив, хранятся в домашнем каталоге пользователя /var/mobile/Applications/ внутри подкаталогов, имеющих вид 4-2-2-2-4, где два и четыре — это шестнадцатеричные числа. Это так называемый GUID — уникальный идентификатор, который однозначно идентифицирует приложение в системе и нужен в том числе для создания изолированной песочницы (sandbox).

Sandbox

В iOS песочницы используются для изолирования сервисов и приложений от системы и друг от друга. Каждое стороннее приложение и большинство системных работают в песочнице. С технической точки зрения песочница представляет собой классический для мира UNIX chroot, усиленный системой принудительного контроля доступа TrustedBSD MAC (модуль ядра sandbox.kext), которая отрезает приложениям не только доступ к файлам за пределами домашнего каталога, но и прямой доступ к железу и многим системным функциям ОС.

В целом заключенное в sandbox приложение ограничено в следующих возможностях:

Все эти ограничения соответствуют sandbox-профилю (набору ограничивающих правил) container и применяются к любому стороннему приложению. Для стоковых приложений, в свою очередь, могут применяться другие ограничения, более мягкие или жесткие. В качестве примера можно привести почтовый клиент (профиль MobileMail), который в целом имеет такие же серьезные ограничения, как и сторонние приложения, но может получить доступ ко всему содержимому каталога Library/. Обратная ситуация — SpringBoard, вообще не имеющий ограничений.

Вторая проблема — это защита системы от самой себя и пользователя. Баги могут существовать как в стоковом софте от Apple, так и в головах юзеров. Sandbox защищает от обоих. Даже если злоумышленник найдет дыру в Safari и попытается ее эксплуатировать, он все равно останется в песочнице и не сможет навредить системе. А юзер не сможет «сломать свой любимый телефончик» и не напишет гневных отзывов в адрес Apple. К счастью, знающие люди всегда могут сделать jailbreak и обойти защиту sandbox (собственно, в этом и есть смысл джейлбрейка).

Многозадачность

Одна из самых спорных особенностей iOS — это реализация многозадачности. Она вроде бы и есть, а с другой стороны, ее нет. В сравнении с традиционными настольными ОС и пресловутым Android iOS не является многозадачной операционной системой в привычном смысле этого слова и не позволяет приложениям свободно работать в фоне. Вместо этого ОС реализует API, который приложение может использовать для выполнения отдельных задач, пока оно находится в фоновом режиме.

Впервые такой API появился в iOS 4 (до этого фоновые задачи могли выполнять только стоковые приложения) и наращивался по мере развития операционной системы. Сегодня (речь идет об iOS 7) так называемый Background API позволяет делать следующее:

Такие ограничения на работу в фоне необходимы в первую очередь для того, чтобы сохранить заряд батареи и избежать лагов интерфейса, так знакомых пользователям Android, где приложения могут делать в фоне все что захотят. На самом деле Apple настолько сильно заботится о сохранении батареи, что даже реализовала специальный механизм для группировки фоновых действий приложений и их запуска в нужные моменты, например тогда, когда смартфон активно используется, подключен к Wi-Fi-сети или к зарядному устройству.

Выводы

Стоит сказать, что за время своего развития и последующего переезда в мобильные девайсы NeXTSTEP не только не растеряла все свои достоинства, но и приумножила их. Можно долго слушать россказни сотрудников Google, уверяющих, что Android разрабатывался без оглядки на iOS, но факт остается фактом: многие архитектурные решения Android позаимствовал именно у iOS. И не потому, что так было проще, а благодаря их красоте и эффективности.

Шесть стадий загрузки iOS

4 Ядро. Здесь все как обычно. Ядро производит инициализацию оборудования, после чего передает управление демону launchd.

5 Launchd. Это первичный процесс iOS и Mac OS X, он подключает файловые системы, запускает демоны/службы (например, backupd, configd, locationd), дисплейный сервер, фреймворки, а на последнем этапе загрузки отдает управление SpringBoard. В iOS и Mac OS X launchd используется как замена стандартного /bin/init в UNIX, однако его функциональность гораздо шире.

6 SpringBoard. Вот и экран блокировки!

Первые четыре этапа в этой цепи образуют chain of trust, реализованный с помощью сверки цифровой подписи загружаемого компонента. Цифровую подпись имеют LLB, iBoot и ядро, что позволяет исключить внедрение в цепочку хакнутого загрузчика или ядра, которые могут быть использованы для загрузки сторонней операционной системы или джейлбрейка. Единственный способ обойти этот механизм — найти дыру в одном из загрузчиков и воспользоваться ею для обхода проверки. В свое время было найдено несколько таких дыр в Boot ROM (наиболее известен эксплойт limera1n от geohot, актуальный для iPhone 1–4), а в начале 2014 года и в iBoot (хакер iH8sn0w, эксплойт так и не был опубликован).

Удерживая кнопку «Домой» при включении iPhone, можно заставить iBoot загрузиться в так называемый режим восстановления (Recovery), который позволяет восстановить прошивку iOS или обновить ее, используя iTunes. Однако механизм автоматического OTA-обновления использует другой режим, именуемый DFU (Device Firmware Upgrade), который активируется на раннем этапе загрузки сразу после Boot ROM и реализован в двух компонентах: iBSS и iBEC. По сути, это аналоги LLB и iBoot, конечная цель которых — не загрузить ОС, а перевести смартфон в режим обновления.

Евгений Зобнин

Редактор рубрики X-Mobile. По совместительству сисадмин. Большой фанат Linux, Plan 9, гаджетов и древних видеоигр.

Источник