Linux 内核 vs Windows 内核

关键词: 软件开发 信息技术 

2021-03-06  人阅读

2021-03-06  人阅读

Windows 和 Linux 可以说是我们比较常见的两款操作系统的。

Windows 基本占领了电脑时代的市场,商业上取得了很大成功,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?


01

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。

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内核

 

 

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:

1、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;

2、管理内存,决定内存的分配和回收,也就是内存管理的能力;

3、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;

4、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。


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:

1、内核空间,这个内存空间只有内核程序可以访问;

2、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。

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:

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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。

 

02

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,Linux 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:

1、MutiTask,多任务

2、SMP,对称多处理

3、ELF,可执行文件链接格式

4、Monolithic Kernel,宏内核


MutiTask

MutiTask 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

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:

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ELF 文件格式

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。

分别为宏内核、微内核、混合内核的操作系统结构

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。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。

 

03

Windows 设计

 

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

 

Windows NT 的结构

Windows 和 Linux 一样,同样支持 MutiTask 和 SMP,但不同的是,Windows 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。

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PE 文件结构

 

04

总结

 

对于内核的架构一般有这三种类型:

1、宏内核,包含多个模块,整个内核像一个完整的程序;

2、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;

3、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,Windows 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。

 

 


转载自GitChat精品课公众号


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