واجهات نواة لينكس

توفر نواة لينكس واجهات متعددة لبرامج مساحة المستخدم وبرامج وضع النواة . يمكن تصنيف هذه الواجهات إما كواجهة برمجة تطبيقات (API) أو واجهة ثنائية للتطبيقات (ABI)، ويمكن تصنيفها أيضاً إما كواجهات خاصة بالنواة ومساحة المستخدم أو واجهات داخلية خاصة بالنواة.

تتضمن واجهة برمجة تطبيقات لينكس واجهة برمجة تطبيقات نواة النظام - مساحة المستخدم، والتي تتيح للتعليمات البرمجية في مساحة المستخدم الوصول إلى موارد وخدمات نواة لينكس. ^{[ 3 ]} وهي تتألف من واجهة استدعاء النظام لنواة لينكس والروتينات الفرعية في مكتبة C القياسية . وقد انصبّ تركيز تطوير واجهة برمجة تطبيقات لينكس على توفير الميزات القابلة للاستخدام للمواصفات المحددة في معيار POSIX بطريقة تتسم بالتوافق والمتانة والأداء العالي، بالإضافة إلى توفير ميزات إضافية مفيدة غير محددة في معيار POSIX، تمامًا كما توفر واجهات برمجة تطبيقات نواة النظام - مساحة المستخدم في الأنظمة الأخرى التي تُطبّق واجهة برمجة تطبيقات POSIX ميزات إضافية غير محددة في معيار POSIX.

تم الحفاظ على استقرار واجهة برمجة تطبيقات لينكس على مدى عقود من خلال سياسة عدم إدخال تغييرات جذرية؛ ويضمن هذا الاستقرار قابلية نقل شفرة المصدر . ^{[ 4 ]} في الوقت نفسه، كان مطورو نواة لينكس تاريخيًا حذرين ودقيقين للغاية بشأن إدخال استدعاءات النظام الجديدة.

يُكتب الكثير من البرامج المجانية والمفتوحة المصدر المتاحة لواجهة برمجة تطبيقات POSIX. ونظرًا لأن تطوير نواة لينكس يتدفق إليها بشكل أكبر بكثير مقارنةً بمجموعات النواة ومكتبة C القياسية الأخرى المتوافقة مع POSIX، فقد تم تعزيز نواة لينكس وواجهة برمجة تطبيقاتها بميزات إضافية. وقد يوفر البرمجة لواجهة برمجة تطبيقات لينكس الكاملة، بدلاً من واجهة برمجة تطبيقات POSIX فقط، مزايا في الحالات التي تكون فيها هذه الميزات الإضافية مفيدة. ومن الأمثلة الحالية المعروفة udev و systemd و Weston . ^{[ 5 ]} ويدعو أشخاص مثل لينارت بوتيرينغ علنًا إلى تفضيل واجهة برمجة تطبيقات لينكس على واجهة برمجة تطبيقات POSIX، حيثما توفر هذه الأخيرة مزايا. ^{[ 6 ]}

في مؤتمر FOSDEM 2016، أوضح مايكل كيريسك بعض المشكلات الملحوظة في واجهة برمجة تطبيقات مساحة المستخدم لنواة لينكس، مشيرًا إلى أنها تحتوي على العديد من أخطاء التصميم لكونها غير قابلة للتوسيع، وغير قابلة للصيانة، ومعقدة للغاية، وذات غرض محدود، ومخالفة للمعايير، وغير متسقة. ولا يمكن إصلاح معظم هذه الأخطاء لأن ذلك سيؤدي إلى تعطيل واجهة التطبيق الثنائية (ABI) التي تقدمها النواة لمساحة المستخدم. ^{[ 7 ]}

مكتبة C القياسية

تتضمن مكتبة C القياسية لنظام Linux أغلفةً حول استدعاءات النظام الخاصة بنواة Linux؛ ويُشكّل الجمع بين واجهة استدعاءات النظام الخاصة بنواة Linux ومكتبة C القياسية ما يُعرف بواجهة برمجة تطبيقات Linux (API). ومن بين التطبيقات الشائعة لمكتبة C القياسية ما يلي:

• glibc
• uClibc
• كليبك
• نيوليب
• مسلم
• مكتبة غذائية
• ليبيونيك وليبهيبريس​

على الرغم من أن المشهد يتغير، إلا أن glibc لا تزال من بين هذه الخيارات هي التنفيذ الأكثر شيوعًا، لدرجة أن الكثيرين يعتبرونها الإعداد الافتراضي والمصطلح مرادفًا لـ libc.

إضافات إلى POSIX

كما هو الحال في الأنظمة الأخرى الشبيهة بنظام يونكس ، توجد إمكانيات إضافية لنواة لينكس لا تُعد جزءًا من معيار POSIX:

• النظام الفرعي cgroups ، النظام الذي يقدمه و libcgroup ^{[ 1 ]}
• إن استدعاءات النظام الخاصة بمدير العرض المباشر ، وخاصة عمليات الإدخال/الإخراج الخاصة بالسائق لإرسال الأوامر، ليست جزءًا من مواصفات POSIX.
• يمكن لبنية الصوت المتقدمة لنظام لينكس ضبط استدعاءات النظام، والتي لا تُعد جزءًا من مواصفات POSIX.
• كانت استدعاءات النظام futex(mutex سريع في مساحة المستخدم)، epoll، splice، dnotify، fanotify، و inotifyحصرية لنواة لينكس حتى الآن.
• getrandomتم إدخال استدعاء النظام في الإصدار 3.17 من نواة لينكس الرئيسية ^{[ 12 ]}
• memfdتم اقتراحه من قبل مطوري kdbus ^{[ 13 ]}
  • memfd_createتم دمجها في النواة الرئيسية لنظام لينكس في إصدار النواة 3.17
• readaheadيبدأ عملية "قراءة مسبقة" للملف في ذاكرة التخزين المؤقت للصفحة

كان نظام إدارة الحقوق الرقمية (DRM) أساسيًا لتطوير وتنفيذ برامج تشغيل أجهزة الرسومات المجانية والمفتوحة المصدر، والتي تتميز بكفاءتها العالية ووضوحها ، والتي بدونها لن يكون هناك أي تسريع للعرض على الإطلاق، ولن تتوفر سوى برامج تشغيل ثنائية الأبعاد في خادم X.Org . وقد طُوّر نظام إدارة الحقوق الرقمية (DRM) لنظام لينكس، ثم نُقل لاحقًا إلى أنظمة تشغيل أخرى أيضًا. ^{[ 14 ]}

واجهة التطبيق الثنائية (ABI) في لينكس هي واجهة بين نواة النظام ومساحة المستخدم. وبما أن واجهة التطبيق الثنائية هي واجهة لغة الآلة ، فإن واجهة لينكس مرتبطة بمجموعة التعليمات . إن تعريف واجهة تطبيق ثنائية مفيدة والحفاظ على استقرارها ليس من مسؤولية مطوري نواة لينكس أو مطوري مكتبة GNU C، بل هو بالأحرى مهمة توزيعات لينكس وموردي البرامج المستقلين الذين يرغبون في بيع برامجهم الاحتكارية وتقديم الدعم لها كملفات ثنائية فقط لواجهة تطبيق ثنائية واحدة في لينكس، بدلاً من دعم واجهات تطبيق ثنائية متعددة في لينكس.

يجب تعريف واجهة التطبيق الثنائية (ABI) لكل مجموعة تعليمات، مثل x86 و x86-64 و MIPS و ARMv7-A (32 بت) و ARMv8-A (64 بت) وما إلى ذلك مع ترتيب البايتات ، إذا كان كلاهما مدعومًا.

ينبغي أن يكون النظام قادراً على تجميع البرنامج باستخدام مُجمِّعات مختلفة وفقاً للتعريفات المحددة في واجهة التطبيق الثنائية (ABI) وتحقيق توافق ثنائي كامل. ومن أمثلة المُجمِّعات المجانية والمفتوحة المصدر : مجموعة مُجمِّعات جنو (GNU Compiler Collection ) و LLVM / Clang .

توجد العديد من واجهات برمجة التطبيقات الداخلية لنواة النظام، مما يسمح لأنظمة النواة الفرعية بالتفاعل فيما بينها. ويتم الحفاظ على استقرار هذه الواجهات بشكل عام، ولكن لا يوجد ضمان مطلق للاستقرار. ويمكن تغيير واجهة برمجة التطبيقات الداخلية لنواة النظام عند الحاجة، بناءً على أبحاث أو رؤى جديدة؛ ويجب على المؤلف إجراء جميع التعديلات والاختبارات اللازمة.

نواة لينكس هي نواة متجانسة، ولذلك تُعتبر برامج تشغيل الأجهزة مكونات أساسية فيها. ولتخفيف العبء على الشركات في صيانة برامج تشغيل أجهزتها (الخاصة) خارج شجرة النواة الرئيسية، طُلب مرارًا وتكرارًا توفير واجهات برمجة تطبيقات مستقرة لبرامج تشغيل الأجهزة. وقد رفض مطورو نواة لينكس مرارًا وتكرارًا ضمان توفير واجهات برمجة تطبيقات مستقرة داخل النواة لبرامج تشغيل الأجهزة. وكان من شأن ضمان ذلك أن يُعيق تطوير نواة لينكس في الماضي، وسيظل كذلك في المستقبل، ونظرًا لطبيعة البرمجيات الحرة والمفتوحة المصدر، فإن ذلك غير ضروري. وبالتالي، وبحكم طبيعتها، لا تحتوي نواة لينكس على واجهة برمجة تطبيقات مستقرة داخل النواة. ^{[ 15 ]}

بما أنه لا توجد واجهات برمجة تطبيقات مستقرة داخل النواة، فلا يمكن أن تكون هناك واجهات برمجة تطبيقات مستقرة داخل النواة. ^{[ 16 ]}

في العديد من حالات الاستخدام، تُعتبر واجهة برمجة تطبيقات لينكس منخفضة المستوى للغاية، لذا يجب استخدام واجهات برمجة تطبيقات ذات مستوى تجريد أعلى. يجب تنفيذ واجهات برمجة التطبيقات عالية المستوى فوق واجهات برمجة التطبيقات منخفضة المستوى. أمثلة:

• تنفيذ مواصفات OpenGL و Vulkan في برامج تشغيل الرسومات الخاصة بنظام Linux والتنفيذ المجاني والمفتوح المصدر في Mesa .
• تنفيذ مواصفات OpenAL .
• طبقة الوسائط المباشرة البسيطة : واجهة برمجة تطبيقات تجريدية للإدخال/الصوت/إلخ. متوفرة للعديد من أنظمة التشغيل.
• مكتبة وسائط متعددة بسيطة وسريعة : كما هو موضح أعلاه.

• مُعرِّف الملف – مُعرِّف موارد النظام في أنظمة التشغيل 
• Hybris (برنامج) – طبقة توافق لتشغيل برامج تشغيل Android على أنظمة Linux المستندة إلى glibc أو musl. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه 
• واجهة برمجة لينكس - كتاب من تأليف مايكل كيريسك 
• نتلينك – واجهة نواة لينكس للتواصل بين العمليات 
• الإشارة (برمجة) - متغير يُستخدم في نظام متزامن 
• استدعاء النظام – طريقة للبرامج للوصول إلى خدمات النواة 
• واجهة برمجة تطبيقات ويندوز – مجموعة واجهات برمجة التطبيقات الأساسية من مايكروسوفت على نظام ويندوز 
• windows.h – ملف رأس C للوصول إلى واجهة برمجة تطبيقات Windows 
• برنامج Wine – برنامج متوافق مع نظام التشغيل Windows 

• واجهة برمجة تطبيقات نواة لينكس 5.0 ، وواجهات برمجة تطبيقات إدارة الذاكرة 5.0 ( تنسيق سفينكس الجديد )
• واجهة برمجة التطبيقات لنواة لينكس 2.6.20 و 4.12 (بتنسيق htmldocs المهمل)
• مراجعة تغييرات واجهة برمجة التطبيقات/واجهة التطبيق الثنائية لنظام لينكس
• كتاب واجهة برمجة لينكس ، وتغييرات واجهة برمجة تطبيقات لينكس و glibc منذ إصدار كتاب واجهة برمجة لينكس في عام 2010
• خريطة تفاعلية لنواة لينكس تتضمن وظائف وهياكل واجهة برمجة التطبيقات الرئيسية، بصيغة PDF
• برامج تشغيل أجهزة لينكس، تأليف جوناثان كوربيت، وجريج كروه-هارتمان، وأليساندرو روبيني، الطبعة الثالثة
• شرح القوائم المرتبطة في نواة لينكس ( مؤرشف بتاريخ ٢٥ سبتمبر ٢٠٠٩ على موقع Wayback Machine)