Linux内核和Windows内核的区别

码农公社  210.net.cn   210是何含义?10月24日是程序员节,1024 = 210、210既 210 之意。

Windows 和 Linux 是比较常见的两款操作系统的。

在个人电脑领域,Windows 基本占领了市场的大半,取得了很大成就,但是它不开源,要想接触源码得加入Windows 的开发团队中。

对于服务器领域,Linux可谓是大红大紫,而且Linux内核是开源的,任何人都可以下载并自行完善和本地化,Linux 最大的魅力在于全球有非常多的技术大咖为它贡献力量。

操作系统核心的就是其内核,让我来说一说Linux 内核和 Windows 内核有什么区别。

什么是内核呢?

计算机由各种外部硬件设备组成的,比如内存、cpu、硬盘等,如果每个应用软件都要和这些硬件设备对接通信协议那就太痛苦了,于是有个被叫做内核的中间人出现了,它作为应用与硬件设备间桥梁,实现了应用程序只需关心与内核交互,不用关心硬件的细节。

1.jpg

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:

  内核空间,这个内存空间只有内核程序可以访问;

  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:

1.jpg

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,CPU会中断当前在执行的用户程序,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。

Linux的设计

Linux 的开山始祖是一位名叫 Linus Torvalds 的芬兰小伙,他在 1991 年22岁的他用  C 语言写出了第一版的 Linux 操作系统。

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:

  MutiTask,多任务             ; SMP,对称多处理

  ELF,可执行文件链接格式  ;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 ,可以让每个任务执行一小段时间,时间到就切换另外的任务,宏观地看,一段时间内执行了多个任务,这被称为并发。

  对于多核 CPU ,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,每个CPU地位相等,对资源的使用权也相同,多个CPU共享同一内存,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不会有某个CPU单独服务应用程序或内核程序的情况,其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:

1.jpg

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,具体每个段的作用可以去看《程序员的自我修养??链接、装载和库》。

  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」。

ELF 文件怎么生成的呢?

  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。

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。

  Linux也实现了动态加载内核模块,大部分设备驱动是以可加载模块的形式存在的,与其他模块解藕,让驱动开发和加载更为方便、灵活。

1.jpg

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,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,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,其他模块会在这个基础上搭建,实现的时候跟宏内核类似,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:

1.png

Windows NT 的结构

Windows 和 Linux 一样,同样支持 MutiTask 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,含有非常多的模块。

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。

1.jpg


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户态管理;

  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;

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。

评论