小林图解系统-三、操作系统结构

Linux 内核 vs Windows 内核

内核

作为应用连接硬件设备的桥梁,保证应用程序只需要关心与内核交互,不需要关心硬件的细节

内核具备四个基本能力:

  • 管理进程、线程,决定哪个进程、线程使用CPU,也就是进程调度的能力;
  • 管理内存,决定内存的分配和回收,内存管理能力
  • 管理硬件设备,为进程与硬件设备之间提供通信能力,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,就需要有系统调用,是用户程序和系统操作之间的接口

内核怎么工作的?

内核可以控制cpu、内存、硬盘等硬件,而应用程序具有的权限小,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。因为此,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:

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。内核处理完后,主动出发中断,把CPU执行权限交回给用户程序,回到用户态继续工作。


Linux的设计

  • 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

多任务,Linux是一个多任务的操作系统。

[同时]:并发或并行

对于单核CPU,可以让每个任务执行一小段时间,时间到了就切换另一个任务,从宏观角度看,一段时间内执行了多个任务,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用时执行,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。

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

可执行文件链接格式,是Linux操作系统重可执行文件的存储格式

ELF把文件分成了一个个分段。

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]

ELF文件怎么生成的呢?

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连接起来,形成一个可执行文件,也就是ELF文件。

ELF怎么执行

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,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。

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,与内核其他模块解耦,让驱动开发和驱动加载更为方便灵活。

宏内核相反的是微内核,微内核只保留基本的能力。如进程调度、虚拟机内存、中断等,把一些应用放到了用户空间,驱动程序、文件系统。这样服务之间是隔离的,出现故障也不会挂掉整个系统,提高稳定性和操作性。

微内核内核功能少,可移植性高,由于驱动程序不在内核,驱动程序会频繁调用底层能力,驱动和硬件设备交互就需要频繁切换到内核态,会带来损耗,华为的鸿蒙操作系统的内核架构就是微内核。

混合类型内核,像微内核,内核里面会有一个最小版本的内核,其他模块在这个基础上搭建,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成的程序,大部分服务都在内核中,像是宏内核包裹着一个微内核。


Windows设计

Windows NT,全称:New Technology

支持MultiTask和SMP,但是,Windows的内核设计是混合型内核,MicroKernel模块就是最小版本的内核

可执行文件的格式不同,所以和Linux不能相互运行。

Windows的可执行文件叫PE,称为可移植执行文件,扩展名通常是.exe/.dll/.sys等


总结

内核架构三种类型

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,一个模块和服务则由用户动态管理

混合内核,宏内核和微内核的结合体,内核中抽象除了微内核的概念,也就是内核中会有一个小型的内核,其他模块在这个基础上搭建,整个内核是个完整的程序。

Linux的内核设计是采用了宏内核,Windows的内核设计则是采用了混合内核

Linux可执行文件格式叫做ELF,Window可执行文件格式叫做PE

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