目录

一、什么是内核？

1.1 内核的能力

二、操作系统分层

三、内核是如何工作的？

四、Linux 的设计

4.1 Multitask and SMP（Symmetric multiprocessing）

4.2 ELF（Executable and Linkable Format）

4.3 Monolithic Kernel

4.4 在内核层和在用户层有什么区别？

五、Window 设计

六、总结

一、什么是内核？

说到操作系统，就必须说内核。内核是操作系统中应用连接硬件设备的桥梁。

1.1 内核的能力

对于一个现代的操作系统来说，它的内核至少应该提供以下 4 种基本能力：

• 管理进程、线程（决定哪个进程、线程使用 CPU）；
• 管理内存（决定内存用来做什么）；
• 连接硬件设备（为进程、和设备间提供通信能力）；
• 提供系统调用（接收进程发送来的系统调用）。

二、操作系统分层

从上面 4 种能力来看操作系统和内核之间的关系，通常可以把操作系统分成 3 层，最底层的硬件设备抽象、中间的内核和最上层的应用。

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三、内核是如何工作的？

内核权限非常高，它可以管理进程、可以直接访问所有的内存，因此确实需要和进程之间有一定的隔离。这个隔离用类似请求/响应的模型，非常符合常理。

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但不同的是在浏览器、服务端模型中，浏览器和服务端是用不同的机器在执行，因此不需要共享一个 CPU。但是在进程调用内核的过程中，这里是存在资源共享的。

比如，一个机器有 4 个 CPU，不可能让内核用一个 CPU，其他进程用剩下的 CPU。这样太浪费资源了。

再比如，进程向内核请求 100M 的内存，内核把 100M 的数据传回去。 这个模型不可行，因为传输太慢了。

所以，这里多数操作系统的设计都遵循一个原则：进程向内核发起一个请求，然后将 CPU 执行权限让出给内核。内核接手 CPU 执行权限，然后完成请求，再转让出 CPU 执行权限给调用进程。

四、Linux 的设计

Linux 操作系统第一版是1991 年林纳斯托·瓦兹（一个芬兰的小伙子，当时 22 岁）用 C 语音写的。 写完之后他在网络上发布了 Linux 内核的源代码。又经过了 3 年的努力，在 1994 年发布了完整的核心 Version 1.0。

4.1 Multitask and SMP（Symmetric multiprocessing）

MultiTask 指多任务，Linux 是一个多任务的操作系统。多任务就是多个任务可以同时执行，这里的“同时”并不是要求并发，而是在一段时间内可以执行多个任务。当然 Linux 支持并发。

SMP 指对称多处理。其实是说 Linux 下每个处理器的地位是相等的，内存对多个处理器来说是共享的，每个处理器都可以访问完整的内存和硬件资源。 这个特点决定了在 Linux 上不会存在一个特定的处理器处理用户程序或者内核程序，它们可以被分配到任何一个处理器上执行。

4.2 ELF（Executable and Linkable Format）

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这个名词翻译过来叫作可执行文件链接格式。这是一种从 Unix 继承而来的可执行文件的存储格式。我们可以看到 ELF 中把文件分成了一个个分段（Segment），每个段都有自己的作用。

4.3 Monolithic Kernel

这个名词翻译过来就是宏内核，宏内核反义词就是 Microkernel ，微内核的意思。Linux 是宏内核架构，这说明 Linux 的内核是一个完整的可执行程序，且内核用最高权限来运行。宏内核的特点就是有很多程序会打包在内核中，比如，文件系统、驱动、内存管理等。当然这并不是说，每次安装驱动都需要重新编译内核，现在 Linux 也可以动态加载内核模块。所以哪些模块在内核层，哪些模块在用户层，这是一种系统层的拆分，并不是很强的物理隔离。

与宏内核对应，接下来说说微内核，内核只保留最基本的能力。比如进程调度、虚拟内存、中断。多数应用，甚至包括驱动程序、文件系统，是在用户空间管理的。

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4.4 在内核层和在用户层有什么区别？

感觉分层其实差不多。 我这里说一个很大的区别，比如说驱动程序是需要频繁调用底层能力的，如果在内核中，性能肯定会好很多。对于微内核设计，驱动在内核外，驱动和硬件设备交互就需要频繁做内核态的切换。

当然微内核也有它的好处，比如说微内核体积更小、可移植性更强。不过我认为，随着计算能力、存储技术越来越发达，体积小、安装快已经不能算是一个很大的优势了。现在更重要的是如何有效利用硬件设备的性能。

之所以这么思考，也可能因为我是带着现代的目光回望当时人们对内核的评判，事实上，当时 Linux 团队也因此争论过很长一段时间。 但是我觉得历史往往是螺旋上升的，说不定将来性能发展到了一个新的阶段，像微内核的灵活性、可以提供强大的抽象能力这样的特点，又重新受到人们的重视。

还有一种就是混合类型内核。 混合类型的特点就是架构像微内核，内核中会有一个最小版本的内核，其他功能会在这个能力上搭建。但是实现的时候，是用宏内核的方式实现的，就是内核被做成了一个完整的程序，大部分功能都包含在内核中。就是在宏内核之内有抽象出了一个微内核。

五、Window 设计

Windows 和 Linux 的设计有很大程度的相似性。Windows也有内核，它的内核是 C/C++ 写的。准确地说，Windows 有两个内核版本。一个是早期的Windows 9x 内核，早期的 Win95, Win98 都是这个内核。我们今天用的 Windows 7, Windows 10 是另一个内核，叫作 Windows NT。NT 指的是 New Technology。接下来我们讨论的都是 NT 版本的内核。

下面我找到一张 Windows 内核架构的图片给你一个直观感受。

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Windows 同样支持 Multitask 和 SMP（对称多处理）。Windows 的内核设计属于混合类型。你可以看到内核中有一个 Microkernel 模块。而整个内核实现又像宏内核一样，含有的能力非常多，是一个完整的整体。

Windows 下也有自己的可执行文件格式，这个格式叫作 Portable Executable（PE），也就是可移植执行文件，扩展名通常是.exe、.dll、.sys等。

PE 文件的结构和 ELF 结构有很多相通的地方，我找到了一张图片帮助你更直观地理解。

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Windows 还有很多独特的能力，比如 Hyper-V 虚拟化技术.

六、总结

这一讲我们学习了内核的基础知识，包括内核的作用、整体架构以及 3 种内核类型（宏内核、微内核和混合类型内核）。

内核很小（微内核）方便移植，因为体积小、安装快；内核大（宏内核），方便优化性能，毕竟内核更了解计算机中的资源。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别？

【解析】 Windows 有两个内核，最新的是 NT 内核，目前主流的 Windows 产品都是 NT 内核。NT 内核和 Linux 内核非常相似，没有太大的结构化差异。

从整体设计上来看，Linux 是宏内核，NT 内核属于混合型内核。和微内核不同，宏内核和混合类型内核从实现上来看是一个完整的程序。只不过混合类型内核内部也抽象出了微内核的概念，从内核内部看混合型内核的架构更像微内核。

另外 NT 内核和 Linux 内核还存在着许多其他的差异，比如：

• Linux 内核是一个开源的内核；
• 它们支持的可执行文件格式不同；
• 它们用到的虚拟化技术不同。