计算机基础
上篇已经简单介绍操作系统的概念和和基本结构，内核作为操作系统的核心，十分值得深入学习，今天就拎出来单独聊。 ٩( 'ω' )و 冲冲冲！
文章详细请参考：百度百科、《Linux内核修炼之道》、《Linux操作系统内核编译详解》、《计算机操作系统》、《深入理解Linux内核（第三版）》。
操作系统篇2-内核深入
内核（kernel）
发源时间1991年10月
内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。内核的分类可分为单内核和双内核以及微内核。严格地说，内核并不是计算机系统中必要的组成部分。
1.基本介绍
内核，是一个操作系统的核心。是基于硬件的第一层软件扩充，提供操作系统的最基本的功能，是操作系统工作的基础，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。
现代操作设计中，为减少系统本身的开销，往往将一些与 紧密相关的（如中断处理程序、设备驱动程序等）、基本的、公共的、运行频率较高的模块（如时钟管理、进程调度等）以及关键性数据结构独立开来，使之常驻内存，并对他们进行保护。通常把这一部分称之为操作系统的内核。
内核体系结构如下图：
2.内核分类
单内核
单内核（Monolithic kernel），是个很大的进程。它的内部又能够被分为若干模块（或是层次或其他）。但是在运行的时候，它是个单独的二进制大映象。（二进制文件是可以直接执行的文件，映像文件是需要仿真的文件。）其模块间的通讯是通过直接调用其他模块中的函数实现的，而不是消息传递。
单内核结构在硬件之上定义了一个高阶的抽象界面，应用一组原语(或者叫系统调用来实现操作系统的功能，例如进程管理，文件系统，和存储管理等等，这些功能由多个运行在核心态的模块来完成。
尽管每一个模块都是单独地服务这些操作，内核代码是高度集成的，而且难以编写正确。因为所有的模块都在同一个内核空间上运行，一个很小的bug都会使整个系统崩溃。然而，如果开发顺利，单内核结构就可以从运行效率上得到好处。
很多现代的单内核结构内核，如Linux和FreeBSD内核，能够在运行时将模块调入执行，这就可以使扩充内核的功能变得更简单，也可以使内核的核心部分变得更简洁。
微内核
微内核（Microkernelkernel）结构由一个非常简单的硬件抽象层和一组比较关键的原语或系统调用组成，这些原语仅仅包括了建立一个系统必需的几个部分，如线程管理，地址空间和进程空间通信等。
微核的目标是将系统服务的实现和系统的基本操作规则分离开来。例如，进程的输入/输出锁定服务可以由运行在微核之外的一个服务组件来提供。这些非常模块化的用户态服务器用于完成操作系统中比较高级的操作，这样的设计使内核中最核心的部分的设计更简单。一个服务组件的失效并不会导致整个系统的崩溃，内核需要做的，仅仅是重新启动这个组件，而不必影响其它的部分。
微内核将许多OS服务（操作系统 Operating System，简称OS)放入分离的进程，如文件系统,设备驱动程序,而进程通过消息传递调用OS服务。微内核结构必然是多线程的,第一代微内核,在核心提供了较多的服务,因此被称为'胖微内核',它的典型代表是MACH。它既是GNU HURD也是APPLE SERVER OS的核心，可以说,蒸蒸日上.第二代为微内核只提供最基本的OS服务,典型的OS是QNX（QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务： 进程调度 、 进程间通信 、底层 网络通信 和 中断处理 ，其进程在独立的 地址空间 运行。 所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧，QNX4.x大约为12Kb，而且运行速度极快）,QNX在理论界很有名,被认为是一种先进的OS。
微内核只提供了很小一部分的硬件抽象，大部分功能由一种特殊的用户态程序：服务器来完成。微核经常被用于机器人和医疗器械的嵌入式设计中，因为它的系统的关键部分都处在相互分开的，被保护的存储空间中。这对于单核设计来说是不可能的，就算它采用了运行时加载模块的方式。
微内核的例子：AIX，BeOS，L4微内核系列。
混合内核
混合内核它很像微内核结构，只不过它的的组件更多的在核心态中运行，以获得更快的执行速度。
混合内核实质上是微内核，只不过它让一些微核结构运行在用户空间的代码运行在内核空间，这样让内核的运行效率更高些。这是一种妥协做法，设计者参考了微内核结构的系统运行速度不佳的理论。然而后来的实验证明，纯微内核的系统实际上也可以是高效率的。大多数现代操作系统遵循这种设计范畴，微软公司开发的Windows操作系统就是一个很好的例子。另外还有XNU，运行在苹果Mac OS X上的内核，也是一个混合内核。
混合内核的例子： BeOS 内核 ，DragonFly BSD，ReactOS 内核Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows Server 2003以及Windows Vista等基于NT技术的操作系统。
外内核
外内核系统，也被称为纵向结构操作系统，是一种比较极端的设计方法 。
外内核这种内核不提供任何硬件抽象操作，但是允许为内核增加额外的运行库，通过这些运行库应用程序可以直接地或者接近直接地对硬件进行操作。
它的设计理念是让用户程序的设计者来决定硬件接口的设计。外内核本身非常的小，它通常只负责系统保护和系统资源复用相关的服务。
传统的内核设计(包括单核和微核)都对硬件作了抽象，把硬件资源或设备驱动程序都隐藏在硬件抽象层下。比方说，在这些系统中，如果分配一段物理存储，应用程序并不知道它的实际位置。
而外核的目标就是让应用程序直接请求一块特定的物理空间，一块特定的磁盘块等等。系统本身只保证被请求的资源当前是空闲的，应用程序就允许直接存取它。既然外核系统只提供了比较低级的硬件操作，而没有像其他系统一样提供高级的硬件抽象，那么就需要增加额外的运行库支持。这些运行库运行在外核之上，给用户程序提供了完整的功能。
理论上，这种设计可以让各种操作系统运行在一个外核之上，如Windows和Unix。并且设计人员可以根据运行效率调整系统的各部分功能。
外核设计还停留在研究阶段，没有任何一个商业系统采用了这种设计。几种概念上的操作系统正在被开发，如剑桥大学的Nemesis，格拉斯哥大学的Citrix系统和瑞士计算机科学院的一套系统。麻省理工学院也在进行着这类研究。
单内核与微内核的比较
（ps：最重要的没有说明，单内核和微内核最重要的区别就是单内核是所有模块高度聚合的，编写难度高，但效率也高，局部错误整体就会错误，而微内核的模块是分散的，编写难道简单一些，效率稍低，局部不影响整天。百度百科给的比较偏历史发展，相关度不高，可略过 ヽ(ー_ー)ノ ）
知识的力量汹涌澎湃！(✧◡✧)
单内核结构是非常有吸引力的一种设计，由于在同一个地址空间上实现所有复杂的低阶操作系统控制代码的效率会比在不同地址空间上实现更高些。
20世纪90年代初，单内核结构被认为是过时的。把Linux设计成为单内核结构而不是微内核，引起了无数的争议。
单核结构正倾向于设计不容易出错，所以它的发展会比微内核结构更迅速些。两个阵营中都有成功的案例。
尽管Mach是众所周知的多用途的微内核，人们还是开发了除此之外的几个微内核。L3是一个演示性的内核，只是为了证明微内核设计并不总是低运行速度。它的后续版本L4，甚至可以将Linux内核作为它的一个进程，运行在单独的地址空间。
QNX是一个从20世纪80年代，就开始设计的微内核系统。它比Mach更接近微内核的理念。它被用于一些特殊的领域；在这些情况下，由于软件错误，导致系统失效是不允许的。例如航天飞机上的机械手，还有研磨望远镜镜片的机器，一点点失误就会导致上千美元的损失。
很多人相信，由于Mach不能够解决一些提出微内核理论时针对的问题，所以微内核技术毫无用处。Mach的爱好者表明这是非常狭隘的观点，遗憾的是似乎所有人都开始接受这种观点。
3.内核优点
抽象隐藏
内核提供一种硬件抽象的方法来完成对硬件操作，因为这些操作是非常复杂的，硬件抽象隐藏了复杂性，为应用软件和硬件提供了一套简洁，统一的接口，使程序设计更为简单。
源代码管理
历史上，从来没有出现过用于Linux内核的正式的源代码管理或修正控制系统。实际上，很多开发者实现了他们自己的修正控制器，但是并没有官方的LinuxCVS档案库，让LinusTorvalds检查加入代码，并让其他人可以由此获得代码。修正控制器的缺乏，常常会使发行版本之间存在“代沟”，没有人真正知道加入了哪些改变，这些改变是否能很好地融合，或者在即将发行的版本中哪些新内容是值得期待的。通常，如果更多的开发者可以像了解他们自己所做的改变一样了解到那些变化，某些问题就可以得到避免。
非常有必要使用一个实时的、集中的档案库来保存对Linux内核的最新更新。（防止 源代码更新混乱，所以有一个档案库来保存新的代码，跟游戏补丁一样，需要新版本就下载新版本或者其他功能的补丁）每一个被内核接受的改变或者补丁都被作为一个改变集被追踪。终端用户和开发者可以保存他们自己的源文件档案库，并根据需要可以通过一个简单的命令用最新的改变集进行更新。对开发者来说，这意味着可以始终使用最新的代码拷贝。测试人员可以使用这些逻辑的改变集合来确定哪些变化导致了问题的产生，缩短调试所需要的时间。甚至那些希望使用最新内核的用户也可以直接利用实时的、集中的档案库库，因为一旦他们所需要的部件或缺陷修复加入到内核中，他们就可以马上进行更新。当代码融合到内核时，任何用户都可以提供关于这些代码的即时反馈和缺陷报告。
并行开发
随着Linux内核的成长，变得更加复杂，而且吸引更多开发者将注意力集中到内核的特定方面的专门开发上来，出现了另一个开发Linux方法的有趣改变。在2.3内核版本的开发期间，除了由LinusTorvalds发行的主要的一个内核树之外，还有一些其他的内核树。
在2.5的开发期间，内核树出现了爆炸式的增长。由于使用源代码管理工具可以保持开发的同步并行进行，这样就可能实现开发的部分并行化。为了让其他人在他们所做的改变被接受之前可以进行测试，有一些开发需要并行化。那些保持自己的树的内核维护者致力于特定的组件和目标，比如内存管理、NUMA部件、改进扩展性和用于特定体系结构的代码，还有一些树收集并追踪对许多小缺陷的纠正。
这种并行开发模型的优点是，它使得需要进行重大改变的开发者，或者针对一个特定的目标进行大量类似改变的那些开发者可以自由地在一个受控环境中开发，而并不影响其他人所用内核的稳定性。当开发者完成工作后，他们可以发布针对Linux内核当前版本的补丁，以实现到此为止他们所完成的改变。这样，社区中的测试人员就可以方便地测试这些改变并提供反馈。当每一部分都被证明是稳定的之后，那些部分可以单独地，或者甚至同时全部地，融合到主要Linux内核中。
代码覆盖分析
新工具为内核提供了代码覆盖分析的功能。覆盖分析表明，在一个给定的测试运行时，内核中哪些行代码被执行。更重要的是，覆盖分析提示了内核的哪些部分还根本没有被测试到。这个数据是重要的，因为它指出了需要再编写哪些新测试来测试内核的那些部分，以使内核可以得到更完备的测试。
大量信息
在为将来的2.6Linux内核进行开的过程中，除了这些自动化的信息管理方法之外，开放源代码社区的不同成员还收集和追踪了数量惊人的信息。
例如，在KernelNewbies站点上创建了一个状态列表，来保持对已经提出的内核新部件的追踪。这个列表包含了以状态排序的条目，如果它们已经完成了，则说明它们已经包含在哪个内核中，如果还没有完成，则指出还需要多长时间。列表上很多条目的链接指向大型项目的Web站点，或者当条目较小时，链接指向一个解释相应部件的电子邮件信息的拷贝。
感谢您的阅读，希望您能摄取到知识！加油！冲冲冲！（发现光，追随光，成为光，散发光！）我是程序员耶耶！有缘再见。<－biubiu－⊂(`ω´∩)