五分钟了解操作系统内核

ZYLAB 2019-09-16 23:10:15
原文地址:https://segmentfault.com/a/1190000020339431

操作系统和内核

关于操作系统是这样定义的:
操作系统(英语:Operating System,缩写:OS)是管理计算机硬件与软件资源的系统软件,同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。
对我们来说,操作系统最直观的感受就是桌面系统,以及上层的应用程序,而后面的资源处理等等就是操作系统背后的黑盒。

读者朋友们现在阅读我的这篇文章,是在浏览器,或者某个应用程序上进行的。而一个应用程序是要运行在特定的操作系统上的。操作系统,则是要运行在硬件上的。所以这三者关系如图。
os

再来看看内核的定义:
“内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件,这种访问是有限的,并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的,所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这些操作。硬件抽象隐藏了复杂性,为应用软件和硬件提供了一套简洁,统一的接口,使程序设计更为简单。

简单来说,内核是一个操作系统的核心。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统等等,决定着系统的性能和稳定性。是连接应用程序和硬件的桥梁。
内核就是操作系统背后黑盒的核心。
kernel

这时候我们回过头来看看操作系统和内核的定义,是不是有些明白了呢。

内核的分类

既然我们知道了内核是什么,接着来看看内核的分类,现在内核的主要分类有四类:
宏内核(单内核),微内核,混合内核,外内核。

什么是宏内核

我们上面说到,内核管理着操作系统的内存,文件,IO,网络等等,每个功能可以看做一个模块,在宏内核中,这些模块都是集成在一起的,运行在内核进程中,模块之间的交互直接通过方法调用。
monolithic

什么是微内核

而在微内核中,内核只提供最核心的功能,比如任务调度,内存管理等等,其他模块被移出内核,运行在不同的进程中,这样即使某一个模块出现问题,只要重启这个模块的进程即可,不会影响到其他模块,稳定性大大增加。甚至可以在系统运行过程中替换现有模块的实现。而且由于模块独立的性质,可以做到模块的按需加载。但是模块间的相互调用需要通过进程间通信,通信效率相对较低。
microkernel

什么是混合内核

我们上面看了宏内核和微内核的实现,就会发现,两者各有千秋,也各有缺点,所以混合内核就是集中了两者的特点,让微内核中的一些核心模块运行在内核中,从而使内核效率更高一些。

什么是外内核

外内核是把硬件暴露给应用程序,应用程序可以直接访问硬件,外内核对系统提供保护。目前还在研究阶段。

宏内核 微内核对比

看了上述宏内核和微内核的实现,我们可以总结一下:宏内核最大的特点就是模块集成在一起,而微内核是模块间分离。基于此点出发,对比如下:

宏内核 微内核
通信效率 高(函数调用) 低(进程间通信)
稳定性 低(模块集成在一起) 高(模块间互不影响)
扩展性 低(模块集成在一起) 高(模块间互不影响)
代码量 多(需要实现所有模块) 少(只需要实现核心功能)

当前主流操作系统内核

宏内核
Linux
Windows 9X 系列
MacOS 8.6 版本之前

微内核
Fuchsia
鸿蒙
Minix

混合内核
Windows XP
Windows 7
Mac OS X
XNU

外内核
Nemesis

参考资料

https://zh.wikipedia.org/wiki...
https://www.cnblogs.com/smwik...
https://zh.wikipedia.org/wiki...
https://www.oschina.net/news/...

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