Linux 内核和 Windows 内核
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。
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)。
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。
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。
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。
Linux 的设计
说到 Linux 内核设计,这里有很多有意思的名词。大多数听起来复杂、专业,但是理解起来其实很简单。接下来我们一一讨论。
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。
ELF(Executable and Linkable Format)
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。如果想要深入了解这块知识,会涉及部分编译原理的知识,如果你感兴趣可以去网上多查些资料或者去留言区我们一起讨论。
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。
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。
在内核层和在用户层有什么区别吗?
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。
上面我们大体介绍了内核几个重要的特性,有关进程、内存、虚拟化等特性,我们会在后面几个模块中逐步讨论。
Window 设计
接下来我们说说 Windows 的设计,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。
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。
Windows 还有很多独特的能力,比如 Hyper-V 虚拟化技术,有关虚拟化技术我们将在“模块八:虚拟化和其他”中详细讲解。
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。