操作系统 之——微内核

华为最近发布了 HarmonyOS，该 OS 是基于微内核的全场景分布式 OS。今天我们来谈谈什么是微内核。微内核操作系统结构，是20世纪80年代后期发展起来的。由于它能有效地支持多处理机运行，故非常适合分布式系统环境。

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微内核的特点

（1）足够小的内核

微内核不是一个完整的OS，他拥有操作系统中最基本的部分，保证操作系统的内核做到足够小。

• 实现与硬件紧密相关的处理

• 实现一些较基本的功能

• 负责客服端和服务器之间的通信

（2）基于 C/S 模式

将操作系统中最基本的部分放入内核中，把操作系统的绝大部分功能放在微内核外面的一组服务器（进程）中实现。这些服务器运行在用户态，客户与服务器之间借助微内核提供的消息传递机制来实现通信。如：

• 用于对进程（线程）进行管理的进程（线程）服务器

• 提供虚拟存储器管理功能的存储器服务器

• 提供I/O设备管理的I/O设备管理服务器

（3）"机制与策略分离"原理

• 机制：指实现某一功能的具体执行机构

• 策略：在机制的基础上，借助某些参数和算法来实现该功能的优化，或者达到不同的功能目标。

在传统的OS中，机制通常放在OS的内核较低层，策略放在内核的较高层。而在微内核的OS中，通常将机制放在OS的微内核中。这样微内核才能够做的更小。

（4）采用面向对象技术

• 抽象、隐蔽：控制系统的复杂性

• 对象、封装、继承：确保系统的正确性、可靠性、易修改性、易扩展性，提交操作系统的设计速度。

微内核基本功能

即把那些功能应该放入在微内核中，那些放在内核外？上面提到“机制与策略分离” ，依据该原理，微内核将进程管理，存储器管理，I/O管理这些功能分为两部分。将机制部分 和 与硬件紧密相关的放在微内核中。将另外一绝大部分放在微内核外的各种服务器中来实现。

（1）进程、线程管理

• 进程（线程）的调度

• 进程（线程）的通信

• 多处理机之间的同步问题 等

（2）低级存储器管理

• 微内核中放入基本的低级存储管理机制。如:用于实现将用户控件的逻辑地址 变换 为内存空间的物理地址 的页表机制和地址变换机制。这一部分是依赖机器的，因此放入微内核中。

• 而采取何种页面置换算法，何种内存分配与回收策略等，这种功能应该放入存储器管理服务器中去实现。

（3）中断和陷入处理

• 捕获所发生的中断和陷入事件，并进行相应的前期处理。如进行中断现场保护，识别中断和陷入的类型，然后将有关事件的信息转换成消息后，把他发送给相关的服务器。

微内核操作系统优点

微内核OS建立在模块化、层次化的OS结构之上，且采用C/S模式 和 面向对象的设计。可见其优点还是很多。

（1）提高了系统的可扩展性

当开发了新的硬件和软件时，只需在相应的服务器中增加一个新的功能，或者增加一个专门的服务器。还可修改、删除已有的功能。

（2）增强了系统的可靠性

服务器运行在用户态，服务器之间相互孤立，服务器之间采用的是消息传递机制通信。当某个服务器出现错误时，不会影响内核，也不会影响其他服务器。

（3）可移植性

当出现各种各样的新硬件平台时。由于微内核将所有与特定CPU 和 I/O 设备硬件相关的代码，均放在内核 和 内核下面的硬件屏蔽层中。而OS其他服务器部分是和硬件平台没有关系的。因此要移植的话，只需在微内核中的硬件屏蔽层做修改即可。

（4）提供了对分布式系统的支持

在分布式系统中赋予所有进程和服务器唯一的标识符，在微内核内再配置一张系统映射表（即进程和服务器的标识符 与 他们所驻留的机器之间的对应表），在进行客户与服务器通信时，只需要在所发送的消息中标上发送进程和接收进程的标识符，微内核便可利用系统映射表，将消息发往目标，而无论目标是驻留在哪台机器上。

（5）融入了面向对象技术

封装、继承、多态等。

微内核OS的问题

微内核OS的运行效率有所降低。

在微内核中，由于客户和服务器，以及服务器之间的通信，都需要经过微内核。导致同样的服务请求至少需要进行4次以上的上下文切换。

• 第一次：客户发送请求消息给内核，用来请求取得服务器特定的服务时；

• 第二次：内核把客户的请求消息发往服务器时；

• 第三次：服务器完成客户请求的任务后，把响应消息发送给内核时；

• 第四次：内核将响应消息发送给客户时。

以上只是一种正常情况下的上下文切换。在一些复杂情况下，还会引起更多的上下文切换。如：当某个服务器自身尚无能力完成客户请求，需要其他服务器的帮助时等等。

总结

微内核 和 服务器的智能划分主要在于设计者如何去设计，重在权衡两者的关系。如果为了降低OS的运行效率，可将服务器的一些功能移入微内核中。但这又使微内核容量变大，失去了它应有的一些优点，也提高了微内核的设计代价。