【软件】微内核与宏内核

2019-08-27 本文已影响0人 zhyuzh3d

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核心模式与用户模式(Kernel Mode & User Mode)

我们都知道一台计算机或者手机都要有个操作系统（Operating System简称OS），最常用的操作系统就是手机上的安卓(Android)和电脑上的Windows，其次还有苹果手机上的iOS和苹果笔记本上的macOS，也许你还听说过另外的操作系统比如Unix、Linux、Ubuntu等等。总之，这些都是操作系统。

买一个硬件设备（电脑、笔记本或者手机），首先上面一般都已经安装了操作系统，然后我们可以在操作系统的基础上再安装各种各样的软件程序或APP。硬件 $\to$ 操作系统 $\to$ 软件程序，这就像砖头一层一层累加起来。

操作系统本身也是代码编写出来的，所以也是软件。从这里我们就可以看出来，同样都是软件，操作系统可以直接控制硬件，而应用程序不能直接控制硬件，必须要通过操作系统来间接使用硬件资源。

内核（kernel）就是操作系统的最主要代码，我们也可以简单的认为Kernel（内核）就是指操作系统。

所有的软件代码，无论操作系统还是应用程序，本质是都是由中央处理器芯片（CPU）来运行的，但如果你安装的APP代码里面有病毒怎么办？CPU运行这些有问题的代码就会遇到困难，甚至会死机。

几乎每个程序员都能开发应用程序APP，全世界的APP数不胜数，也就没办法严格控制以确保APP代码不会导致死机。

但是操作系统就少很多，而且都是比较大型公司编写的，也经过了很多的严格测试，相对而言就比较可控。

所以，计算机的CPU规定，“我只信赖操作系统的代码，不信赖应用程序的代码。如果应用程序代码云小时候遇到问题，操作系统你可以停止它。”

于是，遵照CPU的规则，Kernel核心代码就运行在最高权限的核心模式下（Kernel mode），而应用程序代码就只能运行在权限比较低的用户模式下（User mode）。

Kernel mode是具有最高权限的模式，也叫做管理员模式（Supervisor mode）。

内核的作用

内核有什么作用？或者我们说操作系统提供什么功能，起什么作用？

首先，要直接控制CPU和内存，我们暂且称为关键功能。

我们都知道计算机可以同时运行很多软件做很多事，这叫做多进程（Multi-process）或者多任务（Multi-tasking），那么操作系统就要能够实现多个任务的管理和安排，还要负责多个任务之间的协作通信。一般的，主要包含：

Virtual memory，将内存虚拟化以供应用程序使用。
Task Schedules，任务排程。
IPC，Inter-process communication，进程间通信。

其次，要实现基本的功能服务，我们暂且称为服务功能。

应用程序可以调用这些服务来实现各种功能，比较基础的操作系统服务有：

File System，文件系统，保存和读取文件。
Network，网络服务，让应用程序可以联网。
Graphic，图形服务，提供屏幕上显示图形的能力。
GUI，界面服务，提供界面工具按钮显示。

当然还有很多其他的，这里就不一一列举了。

另外，要能够支援更多硬件设备，我们暂且称为设备驱动。

比如增加了一个摄像头，一个光线传感器，操作系统要确保这些设备能够被应用程序使用起来才行。其实就是要对各种硬件的驱动进行管理，就是Device driver设备启动服务。

微内核与宏内核 Microkernel & Monolithic Kernel

宏内核也叫大内核。宏内核与微内核的区别其实就是大内核与小内核的区别。

怎么划分？

Microkernel微内核只包含关键功能Virtual memory、Task Schedules和IPC，遵循“能多小就要多小”的设计原则。

Monolithic kernel则包含上面介绍的操作系统需要的全部功能。

其实，无论微内核系统或者宏内核系统，它们差不多都要提供那么多的功能，谁也少不了太多。所以两者看似是大小的区别或者是kernel代码的区别，但本质上却是把哪些功能放在了kernel mode，把哪些功能放在user mode的区别。

从维基百科给出的这张图上明显可以看出两者的区别。

优劣对比

如果从历史发展和现状来对比，几十年操作系统的发展结果早已清晰表明：宏内核获得了绝对性的胜利。

因为当前我们使用的主流操作系统，包括Windows、Android、iOS、macOS、Linux等等，都是宏内核操作系统或者说都是基于宏内核架构创建起来的。

但是我们也应该注意到以下几点：

微内核也起源非常之早，可以追溯到1970年前后，一直以来是和宏内核同步发展的。
目前的主流操作系统早已经不是当年纯粹的宏内核架构了，而是广泛吸取微内核架构的优点而后揉合而成的混合内核Hybrid kernel。
当今宏内核架构遇到了越来越多的困难和挑战，而微内核的优势似乎越来越明显，尤其是谷歌下一代操作系统Fuchsia['fjuʃə] 还是华为未来的鸿蒙OS，都瞄准了微内核架构。

微内核为什么半个世纪没有获得成功？
这里有很多原因，这里只是其中可能的几条：

性能问题。Kernel mode和User mode之间的切换更加耗时，比起把各种功能都打包在一起的宏内核，微内核需要太多的切换，这直接导致性能底下。当然现在无论是算法改进还是CPU支持都有了很大的进步，基本上可以说现在已经不是大问题了。
极致原则。微内核一直努力遵循“内核应该极小化”的原则(minimality)，这让很多微内核研究者和开发者收到了束缚，在时代允许的硬件环境下难以对性能进行有效优化。
缺乏大企业支持。当然这也和微内核当初性能不佳有关。

那么微内核的优势在哪里？

易于维护和升级。把众多的服务功能和设备驱动从内核代码中分离出来，如果只需要对某些功能进行改进，这样无论是改代码还是增加新功能，都不用去变动原来的核心代码，当然效率高。
系统更加稳定。只要微内核的关键功能代码不出问题，系统就不会崩溃。比如说如果文件服务代码运行时候出了问题，宏内核因为文件服务代码是放在kernel mode的，直接就系统崩溃蓝屏了。而微内核的文件服务代码是放在user mode的，只要运行在kernel mode的代码直接把文件服务功能强行停止然后重启就可以继续使用了，系统不会蓝屏。
系统更加安全。微内核除了把额外的功能划出kernel mode之外，还改变了任务之间的权限管理模式，它并不能像宏内核那样直接给用户安装的APP授权访问关键功能和各种服务、驱动，而是依赖于不断的传递带有授权信息的handle对象来实现授权，这虽然很繁琐，但安全性无疑要比宏内核高很多。
系统更加可定制。宏内核把所有驱动和服务都打包在内核里难以拆分，如果需要开发一个不需要网络功能服务的操作系统就比较麻烦了。而微内核中各种服务都是单独的，直接去掉很容易。这对当前越来越多样化的小型智能硬件操作系统的开发非常有用。
分布式计算。因为微内核把各种服务和驱动都单独开来，这就允许让各种系统服务运行在不同的芯片、不同电脑上面，让很多台计算机一起来运行同一个操作系统，这对分布式计算和云计算提供了更多可能。

在windows2000之前，比如windows98或者windowsMe，文件服务、网络服务等等这些功能都是打包放在kernel mode中运行的，只要其中一个服务出问题就直接蓝屏。后来Window把很多服务功能都从核心中移出来，所以Windows7之后蓝屏就明显少了很多。

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苹果的操作系统是不是微内核？

不是。Mac OS X是基于NeXT公司1985年至1999年开发的NeXTSTEP系统开发的，NeXTSTEP是基于Mach的，虽然Mach一般认为是微内核架构，但NeXTSTEP的核心是基于自研XNU的Darwin系统，这是一种Hybrid kernel混合内核架构，它揉合了Mach和自研的设备驱动、输入输出等模块，即使只说这个Mach，也是卡内基梅隆大学基于BSD研发的包含了文件系统的宏内核版本。
所以说，当今苹果的iOS、macOS等操作系统都是起源于混合内核架构，不是微内核，也不是纯粹的宏内核。

Exokernel外核

外核更小，比微内核还要小。外核的目标是让应用程序获得最多的控制硬件的自由，就是让开发者对硬件控制更深，以便于开发出性能更好的应用程序。

在外内核的基础之上，应用程序Program和库文件Lib一起直接实现应用程序+操作系统的功能，称之为库LibOS，它直接以最高权限运行，不存在kernel mode和user mode的区别，也去除了所有的冗余，体积小，性能强。

如果我们把应用程序program和库lib再深一步联合打包成操作系统，那么它甚至可以脱离外核而直接运行在物理硬件设备上，或者通过hypervisor超级管理员程序来激活运行，那么这样的系统我们叫做Unikernel。

可载入核心模块Loadable kernel module

为了减轻kernel内容，很多宏内核操作系统（windows、安卓等）直接把某些功能服务移到核心外面，只在需要使用的时候再加载进来，这些模块就称作可载入核心模块。
当前大部分类Unix操作系统（Unix-like）和微软操作系统都支持可载入核心模块。

保护环Protection ring

这里是指计算机CPU芯片在运行代码时候的权限控制机制。kernel核心代码运行在最高权限，Applications应用程序代码运行在最低权限。

BSD操作系统 Berkeley Software Distribution

由伯克利大学研发和管理的一个基于Unix的系统，开始于大约1970年代。苹果操作系统都起源于BSD系统，微软也借用了BSD部分代码。

Unix操作系统

1970年代，AT&T公司的贝尔实验室Bell lib研发的一款多任务、多用户操作系统。可以说是鼻祖级别的操作系统，数十年派生出了数十种操作系统，包含Linux、Android等。
虽然苹果操作系统也是派生自Unix，但是也源于乔布斯1985年离开苹果创办的NeXT公司的操作系统，而NeXT操作系统Darwin的最核心部分是基于BSD改进的XNU，有趣的是XNU的意思是X is Not Unix。

Hypervisor超级管理员

这是运行在CPU上权限最高程序，相对于操作系统上最高权限的管理员Supervisor来说，Hypervisor更加厉害，它比操作系统级别还高，甚至用来启动操作系统。

比较杂乱，有待整理