Linux 內(nèi)核 vs Windows 內(nèi)核
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Windows 和 Linux 可以說(shuō)是我們比較常見(jiàn)的兩款操作系統(tǒng)的。
Windows 基本占領(lǐng)了電腦時(shí)代的市場(chǎng)，商業(yè)上取得了很大成功，但是它并不開(kāi)源，所以要想接觸源碼得加入 Windows 的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)中。
對(duì)于服務(wù)器使用的操作系統(tǒng)基本上都是 Linux，而且內(nèi)核源碼也是開(kāi)源的，任何人都可以下載，并增加自己的改動(dòng)或功能，Linux 最大的魅力在于，全世界有非常多的技術(shù)大佬為它貢獻(xiàn)代碼。
這兩個(gè)操作系統(tǒng)各有千秋，不分伯仲。
操作系統(tǒng)核心的東西就是內(nèi)核，這次我們就來(lái)看看，Linux 內(nèi)核和 Windows 內(nèi)核有什么區(qū)別?
內(nèi)核
什么是內(nèi)核呢?
計(jì)算機(jī)是由各種外部硬件設(shè)備組成的，比如內(nèi)存、cpu、硬盤(pán)等，如果每個(gè)應(yīng)用都要和這些硬件設(shè)備對(duì)接通信協(xié)議，那這樣太累了。
所以，這個(gè)中間人就由內(nèi)核來(lái)負(fù)責(zé)，讓內(nèi)核作為應(yīng)用連接硬件設(shè)備的橋梁，應(yīng)用程序只需關(guān)心與內(nèi)核交互，不用關(guān)心硬件的細(xì)節(jié)。
內(nèi)核
內(nèi)核有哪些能力呢?
現(xiàn)代操作系統(tǒng)，內(nèi)核一般會(huì)提供 4 個(gè)基本能力：
- 管理進(jìn)程、線(xiàn)程，決定哪個(gè)進(jìn)程、線(xiàn)程使用 CPU，也就是進(jìn)程調(diào)度的能力;
- 管理內(nèi)存，決定內(nèi)存的分配和回收，也就是內(nèi)存管理的能力;
- 管理硬件設(shè)備，為進(jìn)程與硬件設(shè)備之間提供通信能力，也就是硬件通信能力;
- 提供系統(tǒng)調(diào)用，如果應(yīng)用程序要運(yùn)行更高權(quán)限運(yùn)行的服務(wù)，那么就需要有系統(tǒng)調(diào)研，它是用戶(hù)程序與操作系統(tǒng)之間的接口。
內(nèi)核是怎么工作的?
內(nèi)核具有很高的權(quán)限，可以控制 cpu、內(nèi)存、硬盤(pán)等硬件，而應(yīng)用程序具有的權(quán)限很小，因此大多數(shù)操作系統(tǒng)，把內(nèi)存分成了兩個(gè)區(qū)域：
- 內(nèi)核空間，這個(gè)內(nèi)存空間只有內(nèi)核程序可以訪(fǎng)問(wèn);
- 用戶(hù)空間，這個(gè)內(nèi)存空間專(zhuān)門(mén)給應(yīng)用程序使用;
用戶(hù)空間的代碼只能訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)局部的內(nèi)存空間，而內(nèi)核空間的代碼可以訪(fǎng)問(wèn)所有內(nèi)存空間。
因此，當(dāng)程序使用用戶(hù)空間時(shí)，我們常說(shuō)該程序在用戶(hù)態(tài)執(zhí)行，而當(dāng)程序使內(nèi)核空間時(shí)，程序則在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行。
應(yīng)用程序如果需要進(jìn)入內(nèi)核空間，就需要通過(guò)「系統(tǒng)調(diào)用」，下面來(lái)看看系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程：
內(nèi)核程序執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)，用戶(hù)程序執(zhí)行在用戶(hù)態(tài)。當(dāng)應(yīng)用程序使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。發(fā)生中斷后， CPU 會(huì)中斷當(dāng)前在執(zhí)行的用戶(hù)程序，轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序，也就是開(kāi)始執(zhí)行內(nèi)核程序。內(nèi)核處理完后，主動(dòng)觸發(fā)中斷，把 CPU 執(zhí)行權(quán)限交回給用戶(hù)程序，回到用戶(hù)態(tài)繼續(xù)工作。
Linux 的設(shè)計(jì)
Linux 的開(kāi)山始祖是來(lái)自一位名叫 Linux Torvalds 的芬蘭小伙子，他在 1991 年用 C 語(yǔ)言寫(xiě)出了第一版的 Linux 操作系統(tǒng)，那年他 22 歲。
完成第一版 Linux 后，Linux Torvalds 就在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布了 Linux 內(nèi)核的源代碼，每個(gè)人都可以免費(fèi)下載和使用。
Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)的理念主要有這幾個(gè)點(diǎn)：
- MutiTask，多任務(wù)
- SMP，對(duì)稱(chēng)多處理
- ELF，可執(zhí)行文件鏈接格式
- Monolithic Kernel，宏內(nèi)核
MutiTask
MutiTask 的意思是多任務(wù)，代表著 Linux 是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)。
多任務(wù)意味著可以有多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，這里的「同時(shí)」可以是并發(fā)或并行：
- 對(duì)于單核 CPU 時(shí)，可以讓每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一小段時(shí)間，時(shí)間到就切換另外一個(gè)任務(wù)，從宏觀(guān)角度看，一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行了多個(gè)任務(wù)，這被稱(chēng)為并發(fā)。
- 對(duì)于多核 CPU 時(shí)，多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)被不同核心的 CPU 同時(shí)執(zhí)行，這被稱(chēng)為并行。
SMP
SMP 的意思是對(duì)稱(chēng)多處理，代表著每個(gè) CPU 的地位是相等的，對(duì)資源的使用權(quán)限也是相同的，多個(gè) CPU 共享同一個(gè)內(nèi)存，每個(gè) CPU 都可以訪(fǎng)問(wèn)完整的內(nèi)存和硬件資源。
這個(gè)特點(diǎn)決定了 Linux 操作系統(tǒng)不會(huì)有某個(gè) CPU 單獨(dú)服務(wù)應(yīng)用程序或內(nèi)核程序，而是每個(gè)程序都可以被分配到任意一個(gè) CPU 上被執(zhí)行。
ELF
ELF 的意思是可執(zhí)行文件鏈接格式，它是 Linux 操作系統(tǒng)中可執(zhí)行文件的存儲(chǔ)格式，你可以從下圖看到它的結(jié)構(gòu)：
ELF 文件格式
ELF 把文件分成了一個(gè)個(gè)分段，每一個(gè)段都有自己的作用，具體每個(gè)段的作用這里我就不詳細(xì)說(shuō)明了，感興趣的同學(xué)可以去看《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載和庫(kù)》這本書(shū)。
另外，ELF 文件有兩種索引，Program header table 中記錄了「運(yùn)行時(shí)」所需的段，而 Section header table 記錄了二進(jìn)制文件中各個(gè)「段的首地址」。
那 ELF 文件怎么生成的呢?
我們編寫(xiě)的代碼，首先通過(guò)「編譯器」編譯成匯編代碼，接著通過(guò)「匯編器」變成目標(biāo)代碼，也就是目標(biāo)文件，最后通過(guò)「鏈接器」把多個(gè)目標(biāo)文件以及調(diào)用的各種函數(shù)庫(kù)鏈接起來(lái)，形成一個(gè)可執(zhí)行文件，也就是 ELF 文件。
那 ELF 文件是怎么被執(zhí)行的呢?
執(zhí)行 ELF 文件的時(shí)候，會(huì)通過(guò)「裝載器」把 ELF 文件裝載到內(nèi)存里，CPU 讀取內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)，于是程序就被執(zhí)行起來(lái)了。
Monolithic Kernel
Monolithic Kernel 的意思是宏內(nèi)核，Linux 內(nèi)核架構(gòu)就是宏內(nèi)核，意味著 Linux 的內(nèi)核是一個(gè)完整的可執(zhí)行程序，且擁有最高的權(quán)限。
宏內(nèi)核的特征是系統(tǒng)內(nèi)核的所有模塊，比如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，都運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。
不過(guò)，Linux 也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊的功能，例如大部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)是以可加載模塊的形式存在的，與內(nèi)核其他模塊解藕，讓驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)和驅(qū)動(dòng)加載更為方便、靈活。
分別為宏內(nèi)核、微內(nèi)核、混合內(nèi)核的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
與宏內(nèi)核相反的是微內(nèi)核，微內(nèi)核架構(gòu)的內(nèi)核只保留最基本的能力，比如進(jìn)程調(diào)度、虛擬機(jī)內(nèi)存、中斷等，把一些應(yīng)用放到了用戶(hù)空間，比如驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)等。這樣服務(wù)與服務(wù)之間是隔離的，單個(gè)服務(wù)出現(xiàn)故障或者完全攻擊，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)操作系統(tǒng)掛掉，提高了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
微內(nèi)核內(nèi)核功能少，可移植性高，相比宏內(nèi)核有一點(diǎn)不好的地方在于，由于驅(qū)動(dòng)程序不在內(nèi)核中，而且驅(qū)動(dòng)程序一般會(huì)頻繁調(diào)用底層能力的，于是驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備交互就需要頻繁切換到內(nèi)核態(tài)，這樣會(huì)帶來(lái)性能損耗。華為的鴻蒙操作系統(tǒng)的內(nèi)核架構(gòu)就是微內(nèi)核。
還有一種內(nèi)核叫混合類(lèi)型內(nèi)核，它的架構(gòu)有點(diǎn)像微內(nèi)核，內(nèi)核里面會(huì)有一個(gè)最小版本的內(nèi)核，然后其他模塊會(huì)在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建，然后實(shí)現(xiàn)的時(shí)候會(huì)跟宏內(nèi)核類(lèi)似，也就是把整個(gè)內(nèi)核做成一個(gè)完整的程序，大部分服務(wù)都在內(nèi)核中，這就像是宏內(nèi)核的方式包裹著一個(gè)微內(nèi)核。
Windows 設(shè)計(jì)
當(dāng)今 Windows 7、Windows 10 使用的內(nèi)核叫 Windows NT，NT 全稱(chēng)叫 New Technology。
下圖是 Windows NT 的結(jié)構(gòu)圖片：
Windows NT 的結(jié)構(gòu)
Windows 和 Linux 一樣，同樣支持 MutiTask 和 SMP，但不同的是，Windows 的內(nèi)核設(shè)計(jì)是混合型內(nèi)核，在上圖你可以看到內(nèi)核中有一個(gè) MicroKernel 模塊，這個(gè)就是最小版本的內(nèi)核，而整個(gè)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)是一個(gè)完整的程序，含有非常多模塊。
Windows 的可執(zhí)行文件的格式與 Linux 也不同，所以這兩個(gè)系統(tǒng)的可執(zhí)行文件是不可以在對(duì)方上運(yùn)行的。
Windows 的可執(zhí)行文件格式叫 PE，稱(chēng)為可移植執(zhí)行文件，擴(kuò)展名通常是.exe、.dll、.sys等。
PE 的結(jié)構(gòu)你可以從下圖中看到，它與 ELF 結(jié)構(gòu)有一點(diǎn)相似。
PE 文件結(jié)構(gòu)
總結(jié)
對(duì)于內(nèi)核的架構(gòu)一般有這三種類(lèi)型：
- 宏內(nèi)核，包含多個(gè)模塊，整個(gè)內(nèi)核像一個(gè)完整的程序;
- 微內(nèi)核，有一個(gè)最小版本的內(nèi)核，一些模塊和服務(wù)則由用戶(hù)態(tài)管理;
- 混合內(nèi)核，是宏內(nèi)核和微內(nèi)核的結(jié)合體，內(nèi)核中抽象出了微內(nèi)核的概念，也就是內(nèi)核中會(huì)有一個(gè)小型的內(nèi)核，其他模塊就在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建，整個(gè)內(nèi)核是個(gè)完整的程序;
Linux 的內(nèi)核設(shè)計(jì)是采用了宏內(nèi)核，Windows 的內(nèi)核設(shè)計(jì)則是采用了混合內(nèi)核。
這兩個(gè)操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件格式也不一樣， Linux 可執(zhí)行文件格式叫作 ELF，Windows 可執(zhí)行文件格式叫作 PE。
巨人的肩膀
https://en.wikipedia.org/wiki/Monolithic_kernel
https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format
https://en.wikipedia.org/wiki/Windows_NT
