操作系统——(1) Linux内核 vs Windows内核

1. 内核

计算机是由各种外部硬件设备组成的，如果每个应用都要和 这些硬件设备 对接通信协议，那编写应用程序的工作 将会非常繁杂。因此，内核以中间人的身份 作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只需关心与内核交互，而无需关心硬件的细节。

现代操作系统中，内核⼀般会提供 4个基本能力：

• 管理进程、线程，决定哪个进程、线程使用CPU，也就是进程调度的能⼒。
• 管理内存，决定内存的分配和回收，也就是内存管理的能⼒。
• 管理硬件设备，为进程与硬件设备之间提供通信能⼒，也就是硬件通信能⼒。
• 提供系统调用，如果应用程序 需要运行更高权限任务的服务，那么就需要系统调用，系统调用是 用户程序与操作系统之间的接口。

问题：内核是怎么工作的？

内核有很高的权限，可以控制 cpu、内存、硬盘等硬件；而应用程序的权限很小。因此，大多数操作系统 将内存分为两个区域：

• 内核空间：这个内存空间 只有内核程序可以访问；
• 用户空间：这个内存空间 专门给应用程序使用；

用户空间的代码只能访问一个 局部的内存空间；内核空间的代码可以访问 所有的内存空间。因此，当程序使用 用户空间时，程序在用户态执行；当程序使用 内核空间时，程序在内核态执行。

应用程序进入内核空间 需要通过系统调用。过程如下图：

内核程序执行在 内核态，用户程序执行在 用户态。过程：

1. 当应用程序执行 系统调用时，会产生⼀个中断；
2. 发生中断后， CPU会中断 当前正在执行的用户程序，转而跳转到 中断处理程序，也就是开始执行 内核程序；
3. 内核程序执行完后，主动触发中断，将CPU执行权限 交还给用户程序，从而回到用户态 继续工作。

2. Linux 的设计

Linux内核设计的理念 主要有以下几点：

• MutiTask，多任务
• SMP，对称多处理
• ELF，可执行文件链接格式
• Monolithic Kernel，宏内核

(1) MutiTask：

MutiTask 的意思是多任务，代表着 Linux是⼀个多任务的操作系统。

多任务意味着 可以有多个任务同时执行，这里的"同时"可以是 并发或并行：

• 单核CPU：可以让每个任务 执行一小段时间 (时间片)，时间到 就切换到另⼀个任务执行。从宏观角度看，⼀段时间内执行了多个任务，这被称为并发。
• 多核CPU：多个任务可以同时被 不同核心的CPU 同时执行，这被称为并行。

(2) SMP：

SMP 的意思是对称多处理，代表着 每个CPU的地位是相等的，对资源的使用权限 也是相同的，多个CPU共享同⼀个内存，每个CPU都可以 访问完整的内存和硬件资源。

这个特点决定了 Linux操作系统不会有 某个CPU单独服务应用程序或内核程序，而是每个程序都可以被分配到 任意一个CPU上被执行。
 

(3) ELF：

ELF 的意思是可执行文件链接格式，它是Linux操作系统中 可执行文件的存储格式。ELF的结构如下图：

ELF 将文件分成⼀个个分段，每⼀个段都有自己的作用。具体每个段的作用 可以去看《程序员的自我修养——链接、装载和库》这本书。
ELF文件有两种索引：

• Program header table 中记录了 运行时所需的段；
• Section headertable 中记录了 二进制文件中 各个段的首地址；

问题：ELF文件 是如何生成的？

编写的代码首先通过 编译器 编译成汇编代码；接着通过 汇编器 汇编成目标代码，也就是目标⽂件；最后通过 链接器 将多个目标文件以及调用的各种函数库 链接起来，形成⼀个可执行文件，也就是ELF文件。

问题：ELF文件 是如何被执行的？
执行ELF文件时，通过 装载器 将ELF文件装载到 内存中，CPU读取 内存中的指令和数据，于是程序就被执行起来了。
 

(4) Monolithic Kernel：

Monolithic Kernel 的意思是宏内核，Linux内核架构 就是宏内核，意味着 Linux的内核是⼀个完整的可执行程序，且拥有最高的权限。

宏内核的特征：系统内核中的所有模块 (比如 进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等)，都运行在内核态。

但是，Linux也实现了 动态加载内核模块的功能。例如：大部分设备驱动是以 可加载模块的形式 存在的，与内核中的其它模块 解藕，使得驱动开发和驱动加载 更为方便、灵活。

与宏内核相对的是 微内核。微内核架构的内核 只保留了最基本的功能 (如 进程调度、虚拟机内存、中断等)，而将一些应用放入到 用户空间 (如 驱动程序、文件系统等)。这样 服务与服务之间是隔离的，单个服务出现故障或者完全攻击 也不会导致整个操作系统挂掉，从而提高了 操作系统的稳定性和可靠性。

• 微内核的优点：灵活性高 易扩展、可靠性强、可移植性高。
• 微内核的缺点：由于驱动程序 不在内核中，而且驱动程序⼀般会 频繁调用底层，于是驱动程序和硬件设备交互 就需要频繁切换到内核态，因此会带来性能损耗。（华为的鸿蒙操作系统的内核架构 就是微内核）

还有⼀种内核叫混合类型内核。它的架构 与微内核类似，内核中有⼀个 最小版本的内核，其他模块在这个内核的基础上搭建；最后的实现 与宏内核类似，即 将整个内核做成一个 完整的程序，大部分服务都在内核中，就像是 以宏内核的方式 包裹着⼀个微内核。

3. Windows 的设计

Windows 7、Windows 10 使用的内核是 Windows NT（NT全称为 New Technology）
Windows NT 的结构如下图：

Windows和Linux都同样支持 MutiTask 和 SMP，但Window的内核设计 是混合型内核。从上图中可以看到，内核中有⼀个 MicroKernel模块，这就是最小版本的内核，而整个内核实现 是⼀个完整的程序，其中包含了大量的模块。

Windows的可执行文件的格式 与Linux不同，所以这两个系统的可执行文件 无法在对方上运行。Windows的可执行文件格式 叫PE，也称为可移植执行文件，扩展名通常是 .exe 、 .dll 、 .sys 等。

PE的结构 与ELF的结构 有⼀点相似。PE的结构如下图：