内核
3.1 Linux 内核 vs Windows 内核
Windows 和 Linux 可以说是我们比较常⻅的两款操作系统的。
Windows 基本占领了电脑时代的市场，商业上 取得了很大成就，但是它并不开源，所以要想接触
源码得加入 Windows 的开发团队中。
对于服务器使用的操作系统基本上都是 Linux ，而且内核源码也是开源的，任何 人都可以下载，并
增加自己的改动或功能，Linux 最大的魅力在于，全世界有非常多的技术大佬为它贡献代码。
这两个 操作系统各有千秋，不分伯仲 。
操作系统核心的东西就是内核，这次我们就来看看 ，Linux 内核和 Windows 内核有什么 区别？
内核
什么 是内核呢？
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。
内核有哪些能力呢？
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，它是用⼾
程序与操作系统之间的接口。
内核是怎么工作的？
内核具有很高的权限，可以控制 cpu 、内存、硬盘等硬件，而应用程序具有的权限很小，因此大多
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；
用⼾空间，这个内存空间专⻔给应用程序使用；
用⼾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，当程序使用用⼾空间时，我们常说该程序在用⼾态执行，而当程序使内核空间时，程序则在
内核态执行。
应用程序如果需要进入内核空间，就需要通过系统调用，下面来看看 系统调用的过程：
内核程序执行在内核态，用⼾程序执行在用⼾态。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⼾程序，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 执行权限交回给用⼾程序，回到用⼾态继续
工作。
Linux 的设计
Linux 的开山始祖是来自一位名叫 Linus Torvalds 的芬兰小伙子，他在 1991 年用 C 语言写出了第
一版的 Linux 操作系统，那年他 22 岁。
完成第一版 Linux 后，Linus Torvalds 就在网络上发布了 Linux 内核的源代码，每个人都可以免费
下载和使用。
Linux 内核设计 的理念主要有这几个点：
MultiTask ，多任务
SMP ，对称多处 理
ELF ，可执行文件链接格式
Monolithic Kernel ，宏内核
MultiTask
MultiTask 的意思是多任务，代表着 Linux 是一个多任务的操作系统。
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，从宏观⻆度
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
SMP 的意思是对称多处 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
ELF 的意思是可执行文件链接格式，它是 Linux 操作系统中可执行文件的存储格式，你可以从下 图
看到它的结构：
ELF 把文件分成了一个个 分段，每一个段都有自己的作用，具体每个段的作用这里我就不详细说明
了，感兴趣的同学可以去看《程序员的自我修养—— 链接、装载和库》这本书。
另外，ELF 文件有两种索引，Program header table 中记录了「运行时」所需的段，而 Section header table 记录了二进制文件中各个「段的首地址 」。
那 ELF 文件怎么生成的呢？
我们编写的代码，首先通过「编译器」编译成汇编代码，接着通过「汇编器」变成目标代码，也
就是目标文件，最后通过「链接器」把多个目标文件以 及调用的各种函数库链接起来，形成一个
可执行文件，也就是 ELF 文件。
那 ELF 文件是怎么被执行的呢？
执行 ELF 文件的时候，会通过「装载器」把 ELF 文件装载到内存里，CPU 读取内存中的指令和数
据，于是程序就被执行起来了。
Monolithic Kernel
Monolithic Kernel 的意思是宏内核，Linux 内核架构 就是宏内核，意味着 Linux 的内核是一个完整
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，与内核其他模块解藕，让驱动开发和驱动加 载更为方便、灵活。
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⼾空间，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。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。
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 MultiTask 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 的可执行文件的格式与 Linux 也不 同，所以这两个 系统的可执行文件是不可以在对方上
运行的。
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。
PE 的结构你可以从下 图中看到，它与 ELF 结构有 一点相似。
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；
微内核，有一个最小版本的内核，一些模块和服务则 由用⼾态管理；
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；
4.1 为什么 要有虚拟内存？ →
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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 。