內(nèi)核

什么是內(nèi)核呢？
計(jì)算機(jī)是由各種外部硬件設(shè)備組成的，比如內(nèi)存、cpu、硬盤等，如果每個(gè)應(yīng)用都要和這些硬件設(shè)備對(duì)接通信協(xié)議，那這樣太累了。
所以，這個(gè)中間人就由內(nèi)核來負(fù)責(zé)，讓內(nèi)核作為應(yīng)用連接硬件設(shè)備的橋梁，應(yīng)用程序只需關(guān)心與內(nèi)核交互，不用關(guān)心硬件的細(xì)節(jié)。

內(nèi)核內(nèi)核有哪些能力呢？

• 管理進(jìn)程、線程，決定哪個(gè)進(jìn)程、線程使用 CPU，也就是進(jìn)程調(diào)度的能力；
  
• 管理內(nèi)存，決定內(nèi)存的分配和回收，也就是內(nèi)存管理的能力；
  
• 管理硬件設(shè)備，為進(jìn)程與硬件設(shè)備之間提供通信能力，也就是硬件通信能力；
  
• 提供系統(tǒng)調(diào)用，如果應(yīng)用程序要運(yùn)行更高權(quán)限運(yùn)行的服務(wù)，那么就需要有系統(tǒng)調(diào)用，它是用戶程序與操作系統(tǒng)之間的接口。
  

• 內(nèi)核空間，這個(gè)內(nèi)存空間只有內(nèi)核程序可以訪問；
  
• 用戶空間，這個(gè)內(nèi)存空間專門給應(yīng)用程序使用；
  

內(nèi)核程序執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)，用戶程序執(zhí)行在用戶態(tài)。當(dāng)應(yīng)用程序使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。發(fā)生中斷后， CPU 會(huì)中斷當(dāng)前在執(zhí)行的用戶程序，轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序，也就是開始執(zhí)行內(nèi)核程序。內(nèi)核處理完后，主動(dòng)觸發(fā)中斷，把 CPU 執(zhí)行權(quán)限交回給用戶程序，回到用戶態(tài)繼續(xù)工作。

Linux 的設(shè)計(jì)

• MutiTask，多任務(wù)
  
• SMP，對(duì)稱多處理
  
• ELF，可執(zhí)行文件鏈接格式
  
• Monolithic Kernel，宏內(nèi)核
  

MutiTask

• 對(duì)于單核 CPU 時(shí)，可以讓每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一小段時(shí)間，時(shí)間到就切換另外一個(gè)任務(wù)，從宏觀角度看，一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行了多個(gè)任務(wù)，這被稱為并發(fā)。
  
• 對(duì)于多核 CPU 時(shí)，多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)被不同核心的 CPU 同時(shí)執(zhí)行，這被稱為并行。
  

SMP

ELF

ELF 的意思是可執(zhí)行文件鏈接格式，它是 Linux 操作系統(tǒng)中可執(zhí)行文件的存儲(chǔ)格式，你可以從下圖看到它的結(jié)構(gòu)：

ELF 文件格式ELF 把文件分成了一個(gè)個(gè)分段，每一個(gè)段都有自己的作用，具體每個(gè)段的作用這里我就不詳細(xì)說明了，感興趣的同學(xué)可以去看《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載和庫》這本書。

Monolithic Kernel

Monolithic Kernel 的意思是宏內(nèi)核，Linux 內(nèi)核架構(gòu)就是宏內(nèi)核，意味著 Linux 的內(nèi)核是一個(gè)完整的可執(zhí)行程序，且擁有最高的權(quán)限。
宏內(nèi)核的特征是系統(tǒng)內(nèi)核的所有模塊，比如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，都運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。
不過，Linux 也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊的功能，例如大部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)是以可加載模塊的形式存在的，與內(nèi)核其他模塊解藕，讓驅(qū)動(dòng)開發(fā)和驅(qū)動(dòng)加載更為方便、靈活。

分別為宏內(nèi)核、微內(nèi)核、混合內(nèi)核的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與宏內(nèi)核相反的是微內(nèi)核，微內(nèi)核架構(gòu)的內(nèi)核只保留最基本的能力，比如進(jìn)程調(diào)度、虛擬機(jī)內(nèi)存、中斷等，把一些應(yīng)用放到了用戶空間，比如驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)等。這樣服務(wù)與服務(wù)之間是隔離的，單個(gè)服務(wù)出現(xiàn)故障或者完全攻擊，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)操作系統(tǒng)掛掉，提高了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

Windows?設(shè)計(jì)

當(dāng)今 Windows 7、Windows 10 使用的內(nèi)核叫 Windows NT，NT 全稱叫 New Technology。
下圖是 Windows NT 的結(jié)構(gòu)圖片：

Windows?NT 的結(jié)構(gòu)Windows?和 Linux 一樣，同樣支持 MutiTask 和 SMP，但不同的是，Windows?的內(nèi)核設(shè)計(jì)是混合型內(nèi)核，在上圖你可以看到內(nèi)核中有一個(gè) MicroKernel 模塊，這個(gè)就是最小版本的內(nèi)核，而整個(gè)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)是一個(gè)完整的程序，含有非常多模塊。

Windows 的可執(zhí)行文件的格式與 Linux 也不同，所以這兩個(gè)系統(tǒng)的可執(zhí)行文件是不可以在對(duì)方上運(yùn)行的。
Windows 的可執(zhí)行文件格式叫 PE，稱為可移植執(zhí)行文件，擴(kuò)展名通常是.exe、.dll、.sys等。
PE 的結(jié)構(gòu)你可以從下圖中看到，它與 ELF 結(jié)構(gòu)有一點(diǎn)相似。

PE 文件結(jié)構(gòu)

總結(jié)

• 宏內(nèi)核，包含多個(gè)模塊，整個(gè)內(nèi)核像一個(gè)完整的程序；
  
• 微內(nèi)核，有一個(gè)最小版本的內(nèi)核，一些模塊和服務(wù)則由用戶態(tài)管理；
  
• 混合內(nèi)核，是宏內(nèi)核和微內(nèi)核的結(jié)合體，內(nèi)核中抽象出了微內(nèi)核的概念，也就是內(nèi)核中會(huì)有一個(gè)小型的內(nèi)核，其他模塊就在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建，整個(gè)內(nèi)核是個(gè)完整的程序；