Windows 和 Linux 可以說(shuō)是我們比較常見(jiàn)的兩款操作系統(tǒng)的。

Windows 基本占領(lǐng)了電腦時(shí)代的市場(chǎng),，商業(yè)上取得了很大成功,，但是它并不開源，所以要想接觸源碼得加入 Windows 的開發(fā)團(tuán)隊(duì)中,。

對(duì)于服務(wù)器使用的操作系統(tǒng)基本上都是 Linux,，而且內(nèi)核源碼也是開源的，任何人都可以下載,，并增加自己的改動(dòng)或功能,，Linux 最大的魅力在于，全世界有非常多的技術(shù)大佬為它貢獻(xiàn)代碼,。

這兩個(gè)操作系統(tǒng)各有千秋,，不分伯仲。

操作系統(tǒng)核心的東西就是內(nèi)核,，這次我們就來(lái)看看,，Linux 內(nèi)核和 Windows 內(nèi)核有什么區(qū)別？

內(nèi)核

什么是內(nèi)核呢,？

計(jì)算機(jī)是由各種外部硬件設(shè)備組成的,，比如內(nèi)存、cpu、硬盤等,，如果每個(gè)應(yīng)用都要和這些硬件設(shè)備對(duì)接通信協(xié)議,，那這樣太累了。

所以,，這個(gè)中間人就由內(nèi)核來(lái)負(fù)責(zé),，讓內(nèi)核作為應(yīng)用連接硬件設(shè)備的橋梁，應(yīng)用程序只需關(guān)心與內(nèi)核交互,，不用關(guān)心硬件的細(xì)節(jié),。

內(nèi)核有哪些能力呢？

現(xiàn)代操作系統(tǒng),，內(nèi)核一般會(huì)提供 4 個(gè)基本能力：

• 管理進(jìn)程,、線程，決定哪個(gè)進(jìn)程,、線程使用 CPU,，也就是進(jìn)程調(diào)度的能力；

• 管理內(nèi)存,，決定內(nèi)存的分配和回收,，也就是內(nèi)存管理的能力；

• 管理硬件設(shè)備,，為進(jìn)程與硬件設(shè)備之間提供通信能力,，也就是硬件通信能力；

• 提供系統(tǒng)調(diào)用,，如果應(yīng)用程序要運(yùn)行更高權(quán)限運(yùn)行的服務(wù),，那么就需要有系統(tǒng)調(diào)用，它是用戶程序與操作系統(tǒng)之間的接口,。

內(nèi)核是怎么工作的,？

內(nèi)核具有很高的權(quán)限，可以控制 cpu,、內(nèi)存,、硬盤等硬件，而應(yīng)用程序具有的權(quán)限很小,，因此大多數(shù)操作系統(tǒng),，把內(nèi)存分成了兩個(gè)區(qū)域：

• 內(nèi)核空間，這個(gè)內(nèi)存空間只有內(nèi)核程序可以訪問(wèn),；

• 用戶空間,，這個(gè)內(nèi)存空間專門給應(yīng)用程序使用；

用戶空間的代碼只能訪問(wèn)一個(gè)局部的內(nèi)存空間,，而內(nèi)核空間的代碼可以訪問(wèn)所有內(nèi)存空間,。

因此,，當(dāng)程序使用用戶空間時(shí)，我們常說(shuō)該程序在用戶態(tài)執(zhí)行,，而當(dāng)程序使內(nèi)核空間時(shí),，程序則在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行,。

應(yīng)用程序如果需要進(jìn)入內(nèi)核空間,，就需要通過(guò)「系統(tǒng)調(diào)用」，下面來(lái)看看系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程：

內(nèi)核程序執(zhí)行在內(nèi)核態(tài),，用戶程序執(zhí)行在用戶態(tài),。當(dāng)應(yīng)用程序使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷,。發(fā)生中斷后,， CPU 會(huì)中斷當(dāng)前在執(zhí)行的用戶程序，轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序,，也就是開始執(zhí)行內(nèi)核程序,。內(nèi)核處理完后，主動(dòng)觸發(fā)中斷,，把 CPU 執(zhí)行權(quán)限交回給用戶程序,，回到用戶態(tài)繼續(xù)工作。

Linux 的設(shè)計(jì)

Linux 的開山始祖是來(lái)自一位名叫 Linus Torvalds 的芬蘭小伙子,，他在 1991 年用 C 語(yǔ)言寫出了第一版的 Linux 操作系統(tǒng),，那年他 22 歲。

完成第一版 Linux 后,，Linux Torvalds 就在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布了 Linux 內(nèi)核的源代碼,，每個(gè)人都可以免費(fèi)下載和使用。

Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)的理念主要有這幾個(gè)點(diǎn)：

• MutiTask,，多任務(wù)

• SMP,，對(duì)稱多處理

• ELF，可執(zhí)行文件鏈接格式

• Monolithic Kernel,，宏內(nèi)核

MutiTask

MutiTask 的意思是多任務(wù),，代表著 Linux 是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)。

多任務(wù)意味著可以有多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行,，這里的「同時(shí)」可以是并發(fā)或并行：

• 對(duì)于單核 CPU 時(shí),，可以讓每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一小段時(shí)間，時(shí)間到就切換另外一個(gè)任務(wù),，從宏觀角度看,，一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行了多個(gè)任務(wù)，這被稱為并發(fā),。

• 對(duì)于多核 CPU 時(shí),，多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)被不同核心的 CPU 同時(shí)執(zhí)行,，這被稱為并行。

SMP

SMP 的意思是對(duì)稱多處理,，代表著每個(gè) CPU 的地位是相等的,，對(duì)資源的使用權(quán)限也是相同的，多個(gè) CPU 共享同一個(gè)內(nèi)存,，每個(gè) CPU 都可以訪問(wèn)完整的內(nèi)存和硬件資源,。

這個(gè)特點(diǎn)決定了 Linux 操作系統(tǒng)不會(huì)有某個(gè) CPU 單獨(dú)服務(wù)應(yīng)用程序或內(nèi)核程序，而是每個(gè)程序都可以被分配到任意一個(gè) CPU 上被執(zhí)行,。

ELF

ELF 的意思是可執(zhí)行文件鏈接格式,，它是 Linux 操作系統(tǒng)中可執(zhí)行文件的存儲(chǔ)格式，你可以從下圖看到它的結(jié)構(gòu)：

ELF 把文件分成了一個(gè)個(gè)分段,，每一個(gè)段都有自己的作用,，具體每個(gè)段的作用這里我就不詳細(xì)說(shuō)明了，感興趣的同學(xué)可以去看《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接,、裝載和庫(kù)》這本書,。

另外，ELF 文件有兩種索引,，Program header table 中記錄了「運(yùn)行時(shí)」所需的段,，而 Section header table 記錄了二進(jìn)制文件中各個(gè)「段的首地址」。

那 ELF 文件怎么生成的呢,？

我們編寫的代碼,，首先通過(guò)「編譯器」編譯成匯編代碼，接著通過(guò)「匯編器」變成目標(biāo)代碼,，也就是目標(biāo)文件,，最后通過(guò)「鏈接器」把多個(gè)目標(biāo)文件以及調(diào)用的各種函數(shù)庫(kù)鏈接起來(lái)，形成一個(gè)可執(zhí)行文件,，也就是 ELF 文件,。

那 ELF 文件是怎么被執(zhí)行的呢？

執(zhí)行 ELF 文件的時(shí)候,，會(huì)通過(guò)「裝載器」把 ELF 文件裝載到內(nèi)存里,，CPU 讀取內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)，于是程序就被執(zhí)行起來(lái)了,。

Monolithic Kernel

Monolithic Kernel 的意思是宏內(nèi)核,，Linux 內(nèi)核架構(gòu)就是宏內(nèi)核，意味著 Linux 的內(nèi)核是一個(gè)完整的可執(zhí)行程序,，且擁有最高的權(quán)限,。

宏內(nèi)核的特征是系統(tǒng)內(nèi)核的所有模塊，比如進(jìn)程調(diào)度,、內(nèi)存管理,、文件系統(tǒng),、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，都運(yùn)行在內(nèi)核態(tài),。

不過(guò),，Linux 也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊的功能，例如大部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)是以可加載模塊的形式存在的,，與內(nèi)核其他模塊解藕,，讓驅(qū)動(dòng)開發(fā)和驅(qū)動(dòng)加載更為方便、靈活,。

與宏內(nèi)核相反的是微內(nèi)核,，微內(nèi)核架構(gòu)的內(nèi)核只保留最基本的能力,，比如進(jìn)程調(diào)度、虛擬機(jī)內(nèi)存,、中斷等,，把一些應(yīng)用放到了用戶空間，比如驅(qū)動(dòng)程序,、文件系統(tǒng)等,。這樣服務(wù)與服務(wù)之間是隔離的，單個(gè)服務(wù)出現(xiàn)故障或者完全攻擊,，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)操作系統(tǒng)掛掉,，提高了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 

微內(nèi)核內(nèi)核功能少,，可移植性高,，相比宏內(nèi)核有一點(diǎn)不好的地方在于，由于驅(qū)動(dòng)程序不在內(nèi)核中,，而且驅(qū)動(dòng)程序一般會(huì)頻繁調(diào)用底層能力的,，于是驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備交互就需要頻繁切換到內(nèi)核態(tài)，這樣會(huì)帶來(lái)性能損耗,。華為的鴻蒙操作系統(tǒng)的內(nèi)核架構(gòu)就是微內(nèi)核,。

還有一種內(nèi)核叫混合類型內(nèi)核，它的架構(gòu)有點(diǎn)像微內(nèi)核,，內(nèi)核里面會(huì)有一個(gè)最小版本的內(nèi)核,，然后其他模塊會(huì)在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建，然后實(shí)現(xiàn)的時(shí)候會(huì)跟宏內(nèi)核類似,，也就是把整個(gè)內(nèi)核做成一個(gè)完整的程序,，大部分服務(wù)都在內(nèi)核中,，這就像是宏內(nèi)核的方式包裹著一個(gè)微內(nèi)核。

Windows 設(shè)計(jì)

當(dāng)今 Windows 7,、Windows 10 使用的內(nèi)核叫 Windows NT,，NT 全稱叫 New Technology。

下圖是 Windows NT 的結(jié)構(gòu)圖片：

Windows 和 Linux 一樣,，同樣支持 MutiTask 和 SMP,，但不同的是，Windows 的內(nèi)核設(shè)計(jì)是混合型內(nèi)核,，在上圖你可以看到內(nèi)核中有一個(gè) MicroKernel 模塊,，這個(gè)就是最小版本的內(nèi)核，而整個(gè)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)是一個(gè)完整的程序,，含有非常多模塊,。

Windows 的可執(zhí)行文件的格式與 Linux 也不同，所以這兩個(gè)系統(tǒng)的可執(zhí)行文件是不可以在對(duì)方上運(yùn)行的,。

Windows 的可執(zhí)行文件格式叫 PE,，稱為可移植執(zhí)行文件，擴(kuò)展名通常是.exe,、.dll,、.sys等。

PE 的結(jié)構(gòu)你可以從下圖中看到,，它與 ELF 結(jié)構(gòu)有一點(diǎn)相似,。

總結(jié)

對(duì)于內(nèi)核的架構(gòu)一般有這三種類型：

• 宏內(nèi)核，包含多個(gè)模塊,，整個(gè)內(nèi)核像一個(gè)完整的程序,；

• 微內(nèi)核，有一個(gè)最小版本的內(nèi)核,，一些模塊和服務(wù)則由用戶態(tài)管理,；

• 混合內(nèi)核，是宏內(nèi)核和微內(nèi)核的結(jié)合體,，內(nèi)核中抽象出了微內(nèi)核的概念,，也就是內(nèi)核中會(huì)有一個(gè)小型的內(nèi)核，其他模塊就在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建,，整個(gè)內(nèi)核是個(gè)完整的程序,；

Linux 的內(nèi)核設(shè)計(jì)是采用了宏內(nèi)核，Windows 的內(nèi)核設(shè)計(jì)則是采用了混合內(nèi)核,。

這兩個(gè)操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件格式也不一樣,， Linux 可執(zhí)行文件格式叫作 ELF，Windows 可執(zhí)行文件格式叫作 PE,。

巨人的肩膀

1. https://en./wiki/Monolithic_kernel

2. https://en./wiki/Executable_and_Linkable_Format

3. https://en./wiki/Windows_NT