Linux操作系统（二）：操作系统结构与内核设计

 在（一）详解CPU中介绍了操作系统所基于的硬件CPU后，本部分学习操作系统的架构。在计算机系统中，操作系统的架构通常包括以下几个主要组件：

• 内核（Kernel）
  • 进程管理（Process Management）
  • 内存管理（Memory Management）
  • 文件系统管理（File System Management）
  • 设备管理（Device Management）
  • 网络管理（Network Management）

其管理和交互形式如下图：

在某些情况下，可以将操作系统理解为内核。内核是操作系统的核心组件，它直接管理硬件资源并执行系统的底层任务。严格来说，操作系统不仅包括内核，还包括其他组件，如系统库、用户界面、应用程序、命令行工具等。

1. 操作系统分类

根据任务响应时间要求的不同可分为

• 实时操作系统：通常具有非常短的响应时间，可以满足对任务响应时间有严格要求的应用场景，如航空航天、工业控制、医疗设备等。比如VxWorks/RTLinux

1. 必须在预定的时间范围内完成对事件的响应和处理，即使在高负载时也不能出现延迟。实时操作系统分为硬实时（Hard Real-Time）和软实时（Soft Real-Time）两类。硬实时系统绝对保证任务在规定时间内完成，而软实时系统在大部分情况下能够满足响应时间要求，但在极端情况下可能会发生延迟。
2. 实时操作系统使用预定的调度算法，如固定优先级调度（Fixed Priority Scheduling）或最早截止时间优先调度（Earliest Deadline First Scheduling），以确保高优先级任务在规定的时间内得到处理。

• 非实时操作系统：适用于大多数普通应用，如个人计算机、服务器等。比如Linux、Android。

1. 非实时操作系统对任务的响应时间没有严格的限制，它更关注任务的吞吐量和效率。非实时操作系统允许任务在不同的时间片中完成，任务的响应时间可能会有所波动，但在大多数情况下不会影响系统正常运行。
2. 非实时操作系统采用通用的调度算法，如轮转调度（Round Robin Scheduling）、优先级调度（Priority Scheduling）等，以平衡任务之间的公平性和系统资源的利用率。

主要区别在于对任务响应时间的要求和任务调度方式的不同。

2. 操作系统内核

基本功能：

• 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；

  PS：操作系统能够实现硬件管理，就是因为内核中包含了管理CPU的进程管理组件，管理memory的内存管理组件，管理其他外设存储的文件管理组件，管理其他设备的设备管理组件（设备驱动程序，在内核空间运行）

• 提供系统调用，如果应用程序要运行更高权限运行的服务，那么就需要有系统调用，它是用户程序与操作系统之间的接口。

工作方式：按照程序工作时占用的内存空间地址划分。

• 内核空间，这个内存空间只有内核程序可以访问；内核空间的代码（感觉指令更准确）可以访问所有内存空间。当程序使内核空间时，程序则在内核态执行。
• 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。当程序使用用户空间时，常说该程序在用户态执行。

两种工作方式怎么切换：当应用程序使用系统调用时，会产生一个中断（软中断，因为是应用程序使用系统调用产生的）。然后 CPU 会中断（就是前面那个中断）当前在执行的用户程序，转而跳转到中断处理程序，也就是开始执行内核程序。内核处理完后，主动触发中断，把 CPU 执行权限交回给用户程序，回到用户态继续工作。

2.1 Linux内核

核心理念和技术：

• MultiTask，多任务：Linux支持多任务，能够在同一时间内运行多个应用程序，通过时间片轮转等调度算法来分配处理器时间。
• SMP，对称多处理：Linux采用SMP架构，允许多个处理器核心并行地执行任务。每个 CPU 的地位是相等的，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。这一特点决定了每个程序都可以被分配到任意一个 CPU 上被执行。
• ELF，可执行文件链接格式：Linux 操作系统中可执行文件、共享库、目标文件等的存储格式。定义了文件的结构，包括程序代码、数据、符号表等信息。
  
    代码首先通过「编译器」编译成汇编代码，接着通过「汇编器」变成目标代码，也就是目标文件，最后通过「链接器」把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。
    执行 ELF 文件的时候，会通过「装载器」把 ELF 文件装载到内存里，CPU 读取内存中的指令和数据，于是程序就被执行起来了。
• Monolithic Kernel（宏内核）：宏内核是一种操作系统内核架构，其中操作系统的大部分功能（如进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等）都实现在内核空间，即Linux 的内核是一个完整的可执行程序，且拥有最高的权限。Linux内核最初是一个宏内核，但随着时间的推移，它采用了一些微内核的概念（微内核架构的内核只保留最基本的能力，比如进程调度、内存管理、中断等，把一些应用放到了用户空间，比如驱动程序、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，提高了操作系统的稳定性和可靠性），将一部分功能以模块的形式加载，实现了一种混合内核结构。

  一些功能可以在运行时动态加载和卸载，而不需要重新编译内核，比如:
    设备驱动程序：很多设备驱动程序可以作为模块加载，以支持新的硬件。
    文件系统模块：一些不太常用的文件系统可以作为模块加载，以减小内核的大小。
    网络协议栈：某些网络协议栈可以作为模块加载，以根据需要进行调整。

2.2 Windows内核

  Windows 10 使用的内核叫 Windows NT，NT 全称叫 New Technology。Windows 和 Linux 一样，同样支持 MultiTask 和 SMP，但不同的是，Window 的内核设计是混合型内核，内核中有一个 MicroKernel 模块，而其他模块就在这个基础上搭建，整个内核实现是一个完整的程序。

• Windows 的可执行文件格式叫 PE，称为可移植执行文件，扩展名通常是.exe、.dll、.sys等。