（学习笔记-系统结构）Linux内核与windows内核

内核

计算机是由各种外部硬件设备组成的，比如内存、CPU、硬盘等，如果每个应用都要和这些硬件设备对接通信协议，那这样太累了，所以这个中间人由内核来负责，让内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只关心与内核交互，不用关心硬件的细节。

 

 现代操作系统内核一般会提供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，如果应用程序要运行更高权限运行的服务，那么就需要由系统调用，它是用户程序和操作系统之间的接口。

内核如何工作？

内核具有很高的权限，可以控制cpu、内存、硬盘等硬件，而应用程序具有的权限很小，因此大多数操作系统，把内存分成了两个区域：

• 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，而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，我们常说该程序在用户态执行，而当程序使用内核空间时，程序则在内核态执行。

应用程序如果需要进入内核空间，就需要通过系统调用，系统调用过程：

内核程序执行在内核态，用户程序执行在用户态。当应用程序使用系统调用时，会产生一个中断。发生中断后，cpu会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。内核处理完成后，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。

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Linux的设计

Linux的内核设计理念主要有这几个点：

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

MultiTask

MultiTask 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：

• 对于单核CPU时，可以让每个任务执行一小段时间，时间到就切换另一个任务，从宏观角度看，一段时间内执行了多个任务，这被称为并发
• 对于多核CPU时，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。

SMP

SMP的意思是对称多处理，代表每个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上执行。

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，结构如下：

ELF把文件分成了一个个分段，每个段都有自己的作用。另外ELF文件有两种索引，Program header table 记录了二进制文件中各个[段的首地址]。

ELF文件如何生成？

我们编写的代码，首先通过[编译器]编译成汇编代码，接着通过[汇编器]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。

ELF文件怎么被执行？

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

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。

宏内核的特征是系统内核的所有模块，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。

不过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都是以可加载模块的形式存在的，与内核其他模块解耦，让驱动开发和驱动加载更加方便、灵活。

与宏内核相反的是微内核，微内核架构的内核只保留最基本的能力，比如进程调度、虚拟内存、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。 

微内核的功能少，可移植性高，相比宏内核有一点不好的地方在于，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能力，于是驱动盒硬件设备之间的交互需要频繁地切换到内核态，这样会带来性能损耗。鸿蒙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，它的架构有点像微内核，内核里面会有一个嘴角版本的内核，然后其他模块会在这个基础上搭建，实现的时候会与宏内核类似，把整个内核做成一个完整的程序，大部分服务都在内核中，这就像是宏内核的方式包裹着一个微内核。

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Windows设计

Windows的内核，又称NT内核，是Windows系统的内部核心。 每一个Windows发行版都有一个内核版本号，也称为NT版本号，这是从Windows NT 3.1时代就开始命名方式。NT全称叫做New Technology。

 Windows和Linux一样，同样支持MultiTask和SMP，但不同的是，Windows的内核设计是混合型内核，上图内核中有一个MicroKernel模块，这个就是最小版本的内核，整个内核实现是一个完整的版本，含有非常多的模块。

Windows的可执行文件的格式也与Linux不同，所以这两个系统的可执行文件是不可以在对方上运行的。Windows的可执行文件的格式叫PE，称为可移植执行文件，扩展名通常是.exe、.dll、.sys等。PE的结构如下：

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总结

 内核架构一般有三种：

• 宏内核，包含多个模块，整个内核像一个完整的程序
• 微内核，有一个最小版本的内核，一些模块和服务则由用户态管理
• 混合内核，是宏内核和微内核的结合体，内核中抽象出了微内核的概念，也就是内核中会有一个小型的内核，其他模块就在这个基础上搭建，整个内核是一个完整的程序。

Linux的内核设计采用了宏内核，Window的内核设计则是采用了混合内核。

这两个操作系统的可执行文件格式也不一样，Linux可执行文件格式叫做ELF，Windows可执行文件格式叫做PE。