简单谈谈操作系统内核的组成和架构

本文是本人对学习操作系统的一些思考。

计算机由两部分组成： 硬件和 软件。软件又分为 系统软件和 应用软件。

应用软件

系统软件

硬件

操作系统（操作系统内核）是计算机的系统软件，可以被看作是一个裸机程序，主要有两个功能：

1. 管理计算机的资源（主要是硬件资源）
2. 为应用程序提供访问计算机资源的入口

可以把内核划分为两层。

系统调用接口

资源管理

计算机硬件

首先了解一下计算机有哪些硬件资源。

在如今的计算机体系中，可以把计算机硬件大致分为两部分：主机和外设。
主机包括CPU和内存，也就是课本上说的运算器、控制器和存储器。它们是计算机执行程序和处理数据的核心。
剩余的计算机硬件都归为外设，这些就是课本上说到的输入设备和输出设备。它们功能多样，有的用于长久保存程序和数据，有的用于和计算机外部通信，有的用于显示图形界面等等。但对于正在运行的程序来说，它们都是输入或输出的对象，可以通过句柄或其他标识进行读写。

计算机硬件模块之间使用总线进行通信。

资源管理

知道了计算机硬件的构成，我们来看看该怎么管理这些硬件。

内核的资源管理模块包括：

1. 进程管理就是管理CPU，包括进程调度、进程切换、软硬中断等。
2. 内存管理就是管理内存，包括内存分配、虚拟内存等。
3. 为保证主机能识别到外设，内核中需要相应外设的驱动程序。设备驱动管理负责这个。
4. 因为程序是以文件的方式访问硬盘的，因此文件系统就是管理硬盘。
5. 图形系统对应着显卡。
6. 网络组件对应着网卡。
7. 其他I/O设备管理。

资源管理模块之间的通信方式有：函数调用、消息。

整个资源管理模块中存在硬件相关的代码（如进程切换时要对寄存器进行操作），为了提高内核的可移植性，可以把硬件相关的部分分离出来。
内核逻辑分层：

系统调用接口

资源管理

硬件相关

CPU在执行用户进程时，通常运行在用户态（也称用户空间），当调用到内核的系统调用接口时，会引发中断，CPU会切换到内核态（也称内核空间）执行内核代码，执行完内核代码CPU又回到用户态，执行用户代码。

内核架构

上面提到，计算机硬件包括主机和外设，资源管理也分为主机管理和外设管理两部分，资源管理模块之间的通信方式有函数调用和消息。这些正是区分宏内核与微内核的关键所在。

没人规定宏内核该怎么实现、微内核该怎么实现、混合内核该怎么实现，能区分这些概念即可。下面的内核架构图是本人的一种理解。

宏内核

内核是一个巨大的进程，主机管理和外设管理都在内核里，管理模块之间通过函数调用进行通信。

优点：
性能高。相比于消息，函数调用的开销更小。当用户代码通过系统调用接口请求内核的服务时，只需要陷入一次中断，内核就可以把请求结果返回给用户。
缺点：
安全性差。内核的资源管理模块之间高度耦合，一旦某个模块出问题，整个内核都会存在安全隐患。此外，代码的高度耦合会导致扩展性和维护性变差。

微内核

内核是一个微小的进程，只包括最核心的资源管理功能（部分主机管理功能）。其他资源管理模块作为服务进程单独存在，管理模块之间通过进程间消息（IPC）进行通信。

进程管理和内存管理的一部分也可能被放到内核外面，我们只需关注宏内核和微内核的异同即可。

优点：
安全性好。资源管理模块被隔离为数个独立的进程，当有一个进程出问题时，不会影响其他进程。符合代码设计的高内聚、低耦合原则，代码的扩展性和维护性都比较好。
缺点：
性能低。进程间通过消息通信，开销远远大于进程内的函数调用。当有一个用户进程请求内核的服务时，CPU先切换到内核态请求内核服务，内核又通过消息请求服务进程，服务进程把结果返回给内核，内核再把结果返回给用户进程，CPU再切回用户态。

混合内核

为了折中宏内核与微内核的优缺点，混合内核便诞生了。
混合内核是微内核的宏内核化，即在微内核的基础上，把部分服务进程安置在内核中。当用户进程请求内核服务时，如果内核自身能响应请求就直接向用户返回结果；如果不能，就通过消息向服务进程请求用户的请求，再把服务进程的响应返回给用户。综合了性能和安全性。

后记

内核的实现方式多种多样，要想知道内核的组成和架构到底是怎么回事，还是得结合具体的内核去分析，甚至自己设计和实现一种内核。