linux的内核是什么(linux内核参数详解)


目录

一、什么是内核?

1.1 内核的能力

二、操作系统分层

三、内核是如何工作的?

四、Linux 的设计

4.1 Multitask and SMP(Symmetric multiprocessing)

4.2 ELF(Executable and Linkable Format)

4.3 Monolithic Kernel

4.4 在内核层和在用户层有什么区别?

五、Window 设计

六、总结


一、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。

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)。

二、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,最底层的硬件设备抽象、中间的内核和最上层的应用

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别
Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

三、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。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别
Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

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。

四、Linux 的设计

Linux 操作系统第一版是1991 年林纳斯托·瓦兹(一个芬兰的小伙子,当时 22 岁)用 C 语音写的。 写完之后他在网络上发布了 Linux 内核的源代码。又经过了 3 年的努力,在 1994 年发布了完整的核心 Version 1.0。

4.1 Multitask and SMP(Symmetric multiprocessing)

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。当然 Linux 支持并发。

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。

4.2 ELF(Executable and Linkable Format)

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别
Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

这个名词翻译过来叫作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。我们可以看到 ELF 中把文件分成了一个个分段(Segment),每个段都有自己的作用。

4.3 Monolithic Kernel

这个名词翻译过来就是宏内核,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。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别
Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

4.4 在内核层和在用户层有什么区别?

感觉分层其实差不多。 我这里说一个很大的区别,比如说驱动程序是需要频繁调用底层能力的,如果在内核中,性能肯定会好很多。对于微内核设计,驱动在内核外,驱动和硬件设备交互就需要频繁做内核态的切换。

当然微内核也有它的好处,比如说微内核体积更小、可移植性更强。不过我认为,随着计算能力、存储技术越来越发达,体积小、安装快已经不能算是一个很大的优势了。现在更重要的是如何有效利用硬件设备的性能。

之所以这么思考,也可能因为我是带着现代的目光回望当时人们对内核的评判,事实上,当时 Linux 团队也因此争论过很长一段时间。 但是我觉得历史往往是螺旋上升的,说不定将来性能发展到了一个新的阶段,像微内核的灵活性、可以提供强大的抽象能力这样的特点,又重新受到人们的重视。

还有一种就是混合类型内核。 混合类型的特点就是架构像微内核,内核中会有一个最小版本的内核,其他功能会在这个能力上搭建。但是实现的时候,是用宏内核的方式实现的,就是内核被做成了一个完整的程序,大部分功能都包含在内核中。就是在宏内核之内有抽象出了一个微内核。

五、Window 设计

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。

下面我找到一张 Windows 内核架构的图片给你一个直观感受。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别
Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

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。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别
Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

Windows 还有很多独特的能力,比如 Hyper-V 虚拟化技术.

六、总结

这一讲我们学习了内核的基础知识,包括内核的作用、整体架构以及 3 种内核类型(宏内核、微内核和混合类型内核)。

内核很小(微内核)方便移植,因为体积小、安装快;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。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别?

【解析】 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。
二维码

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