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1. Linux 内核 vs Windows 内核⚓

1.1 内核⚓

计算机是由各种外部硬件设备组成的，比如内存、cpu、硬盘等，如果每个应用都要和这些硬件设备对接通信协议，那这样太累了，所以这个中间人就由内核来负责，让内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只需关心与内核交互，不用关心硬件的细节。

现代操作系统，内核一般会提供 4 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，也就是内存管理的能力；
  • 管理硬件设备，为进程与硬件设备之间提供通信能力，也就是硬件通信能力；
  • 提供系统调用，如果应用程序要运行更高权限运行的服务，那么就需要有系统调用，它是用户程序与操作系统之间的接口。

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内存空间。因此，当程序使用用户空间时，我们常说该程序在用户态执行，而当程序使内核空间时，程序则在内核态执行。

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，主动触发中断，把 CPU 执行权限交回给用户程序，回到用户态继续工作。

1.2 Linux 的设计⚓

Linux 内核设计的理念主要有这几个点：

  • MultiTask，多任务。 多任务意味着可以有多个任务同时执行，这里的「同时」可以是并发或并行：

  • 对于单核 CPU 时，可以让每个任务执行一小段时间，时间到就切换另外一个任务，从宏观角度看，一段时间内执行了多个任务，这被称为并发。

  • 对于多核 CPU 时，多个任务可以同时被不同核心的 CPU 同时执行，这被称为并行。
  • SMP，对称多处理。 代表着每个 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。这个特点决定了 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 上被执行。
  • ELF，可执行文件链接格式。 是 Linux 操作系统中可执行文件的存储格式。
  • Monolithic Kernel，宏内核

1.3 内核类型⚓

宏内核 Monolithic Kernel ：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，都运行在内核态。

不过，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。

与宏内核相反的是微内核，微内核架构的内核只保留最基本的能力，比如进程调度、虚拟机内存、中断等，把一些应用放到了用户空间，比如驱动程序、文件系统等。这样服务与服务之间是隔离的，单个服务出现故障或者完全攻击，也不会导致整个操作系统挂掉，提高了操作系统的稳定性和可靠性。

微内核内核功能少，可移植性高，相比宏内核有一点不好的地方在于，由于驱动程序不在内核中，而且驱动程序一般会频繁调用底层能力的，于是驱动和硬件设备交互就需要频繁切换到内核态，这样会带来性能损耗。

还有一种内核叫混合类型内核，它的架构有点像微内核，内核里面会有一个最小版本的内核，然后其他模块会在这个基础上搭建，然后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整的程序，大部分服务都在内核中，这就像是宏内核的方式包裹着一个微内核。

1.4 Windows 设计⚓

当今 Windows 7、Windows 10 使用的内核叫 Windows NT，NT 全称叫 New Technology。

下图是 Windows NT 的结构图片：

Windows 和 Linux 一样，同样支持 MutiTask 和 SMP，但不同的是，Window 的内核设计是混合型内核，在上图你可以看到内核中有一个 MicroKernel 模块，这个就是最小版本的内核，而整个内核实现是一个完整的程序，含有非常多模块。

Windows 的可执行文件格式叫 PE，称为可移植执行文件，扩展名通常是.exe、.dll、.sys等。