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。

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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。

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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。

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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