二、操作系统内核

Linux 内核 vs Windows 内核

内核

定义

• 内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应⽤程序只需关心与内核交互，不⽤关心硬件的细节

功能

• 进程调度：管理进程线程，决定哪个进程线程使用cpu
• 内存管理：管理内存，决定内存的分配和回收
• 硬件通信：为硬件和进程之间提供通信能力
• 系统调用：如果应用程序需要运行更高权限的服务那么就要有系统调用，它是用户程序与操作系统之间的接口

如何工作

内核有很高权限可以控制cpu、内存等硬件，应用程序权限很小，大多数操作系统把内存分外两个区域：

• 内核空间：只有内核程序可以访问
• 用户空间：给应用程序使用

使用用户空间常说程序在用户态执行，使用内核空间则说程序在内核态执行。应用程序要用内核空间则要通过系统调用，产生一个中断，cpu中断当前的用户程序，跳转到中断处理程序执行内核程序。内核处理完后把cpu执行权限交还用户程序回到用户态。

Linux 的设计

Linux 内核设计的理念主要有这几个点

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

MutiTask

多任务，多个任务同时执行，此处“同时”指并发或并行

• 对于单核 CPU 时，可以让每个任务执行一小段时间，时间到就切换另外⼀个任务，从宏 观⻆度看，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（Symmetrical Multi-Processing）

对称多处理，代表着每个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。因此每个程序都可以被分配到任意一个CPU上执行

ELF（Executable and Linkable Format）

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，ELF 把⽂件分成了⼀个个分段，每⼀个段都有自己的作⽤。（P123图）

ELF ⽂件有两种索引，Program header table 中记录了「运⾏时」所需的段，⽽ Section header table 记录了⼆进制⽂件中各个「段的⾸地址」

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，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。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是以可加载模块的形式存在的，与内核其他模块解藕，让驱动开发和驱动加载更为⽅便、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，把一些应用放到用户空间，提高了操作系统的稳定性和可靠性。

还有⼀种内核叫混合类型内核，它的架构有点像微内核，内核⾥⾯会有⼀个最小版本的内核，然后其他模块会在这个基础上搭建，然后实现的时候会跟宏内核类似，也就是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。（内核嵌套的感觉）

Windows 设计

Window 的内核设计是混合型内核，内核中有⼀个 MicroKernel 模块，这个就是最⼩版本的内 核，⽽整个内核实现是⼀个完整的程序，含有⾮常多模块。

Windows可之心文件叫PE，称为可移植执行文件（.exe，.dll，.sys……）