计算机基础

计算机系统：操作系统内核

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1、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。

​内核仅仅是操作系统的一部分，是真正与硬件交互的那部分软件，与硬件交互包括读写硬盘、读写网盘、读写内存，以及任何连接到系统中的硬件。

除了与硬件交互外，内核还负责分配资源，分配什么资源呢？所谓资源就是硬件，比如CPU时间、内存、IO等等，这些都是资源。

1.1、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并执行）。

1.2、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：

  • 最上层的应用（Applications）
  • 中间的内核（Kernel）
  • 最底层的硬件设备抽象（CPU、Memory，Devices）

1.3、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。

为了帮助理解什么是内核，请你先思考一个问题：进程和内核的关系，是不是像浏览器请求服务端服务？

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，如下图所示。

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。

用户态和内核态

​内核（Kernel） 运行在超级权限模式（Supervisor Mode）下，所以拥有很高的权限。按照权限管理

的原则，多数应用程序应该运行在最小权限下。因此，很多操作系统，将内存分成了两个区域：

  • 内核空间（Kernal Space），这个空间只有内核程序可以访问；
  • 用户空间（User Space），这部分内存专门给应用程序使用。

​用户空间中的代码被限制了只能使用一个局部的内存空间，我们说这些程序在用户态（User Mode） 执行。内核空间中的代码可以访问所有内存，我们称这些程序在内核态（Kernal Mode） 执行。

系统调用过程

如果用户态程序需要执行系统调用，就需要切换到内核态执行。下面我们来讲讲这个过程的原理。

如上图所示：内核程序执行在内核态（Kernal Mode），用户程序执行在用户态（User Mode）。当发生系统调用时，用户态的程序发起系统调用。因为系统调用中牵扯特权指令，用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。

发生中断后，当前 CPU 执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，也就是开始处理系统调用。内核处理完成后，主动触发 Trap，这样会再次发生中断，切换回用户态工作。

2、Linux 系统

Linux 内核设计的理念主要有这几个点：

  • MultiTask，多任务
  • SMP（Symmetric multiprocessing），多任务
  • ELF（Executable and Linkable Format），可执行文件链接格式
  • Monolithic Kernel，宏内核

2.1、MultiTask

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。这里的 “同时“ 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。

2.2、SMP（Symmetric multiprocessing）

​ 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。

2.3、ELF（Executable and Linkable Format）

​ELF的意思是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。可以从下图看到它的结构：

  • 程序头表（Program header table）：描述 0 个或多个内存段信息
  • 分段头表（Section header table）：描述 0 段或多段链接与重定位需要的数据
  • 程序头表与分段头表引用的数据 (Sections)：在ELF文件中，数据和代码分开存放，这样可以按照其功能属性分成一些区域，比如程序，数据，符号表等。这些分离存放的区域在ELF文件中反映成section。ELF文件中典型的节如下
  • .text .text节是保存了程序代码指令的代码节（已编译程序的二进制代码）。一段可执行程序，如果存在Phdr，则.text节就会存在于.text段中。由于.text节保存了程序代码，所以节类型SHT_PROGBITS。
  • .rodata rodata节保存了只读的数据，如一行C语言代码中的字符串，常量。由于.rodata节是只读的，所以只能存在于一个可执行文件的只读段中。因此，只能在text段（不是data段）中找到.rodata节。由于.rodata节是只读的，所以节类型为SHT_PROGBITS。
  • .data .data节存在于data段中，其保存了初始化的全局变量，静态变量等数据。由于.data节保存了程序的变量数据，所以节类型为SHT_PROGBITS。
  • .bss .bss节存在于data段中，占用空间不超过4字节，仅表示这个节本省的空间。.bss节保存了未进行初始化的全局数据（未初始化的全局变量和静态变量）。程序加载时数据被初始化为0，在程序执行期间可以进行赋值。由于.bss节未保存实际的数据，所以节类型为SHT_NOBITS。
  • .sysmtab .symtab节是一个ElfN_Sym的数组，即符号表，存放了程序中定义和引用的函数和全局变量的信息，节类型为SHT_SYMTAB。
  • .debug 调试符号表，它需要以’-g’选项编译才能得到，里面保存了程序中定义的局部变量和类型定义，程序中定义和引用的全局变量，以及原始的C文件
  • .line 原始的C文件行号和.text节中机器指令之间的映射
  • .strtab .strtab节保存的是符号字符串表，内容包括.symtab和.debug节中的符号表。节类型为SHT_STRTAB。

2.4、Monolithic Kernel

Monolithic Kernel意思是宏内核，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。

与宏内核对应，接下来说说微内核，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。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。华为的鸿蒙操作系统的内核架构就是微内核。

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。

3、Window 系统

​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。

下图是Windows 内核架构的图：

​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。 因为这部分知识涉及编译原理，我这里就不详细介绍了，感兴趣同学可以在留言区和大家一起讨论，或者查阅更多资料。

Windows 还有很多独特的能力，比如 Hyper-V 虚拟化技术，有关虚拟化技术在之后讲解。

总结：

对于内核的架构一般有这三种类型：

  • 宏内核，包含多个模块，整个内核像一个完整的程序，内核大（宏内核），方便优化性能，毕竟内核更了解计算机中的资源。
  • 微内核，有一个最小版本的内核，一些模块和服务则由用户态管理；内核很小（微内核）方便移植，因为体积小、安装快；
  • 混合内核，是宏内核和微内核的结合体，内核中抽象出了微内核的概念，也就是内核中会有一个小型的内核，其他模块就在这个基础上搭建，整个内核是个完整的程序；

Linux 的内核设计是采用了宏内核，Window 的内核设计则是采用了混合内核。

这两个操作系统的可执行文件格式也不一样， Linux 可执行文件格式叫作 ELF，Windows 可执行文件格式叫作 PE。

问题：Linux 内核和 Windows 内核有什么区别？

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。