一、什麼是內核？

說到操作系統，就必須說內核。內核是操作系統中應用連接硬體設備的橋樑。

1.1 內核的能力

對於一個現代的操作系統來說，它的內核至少應該提供以下 4 種基本能力：

管理進程、線程（決定哪個進程、線程使用 CPU）；
管理內存（決定內存用來做什麼）；
連接硬體設備（為進程、和設備間提供通信能力）；
提供系統調用（接收進程發送來的系統調用）。

二、操作系統分層

從上面 4 種能力來看操作系統和內核之間的關係，通常可以把操作系統分成 3 層，最底層的硬體設備抽象、中間的內核和最上層的應用。

三、內核是如何工作的？

內核許可權非常高，它可以管理進程、可以直接訪問所有的內存，因此確實需要和進程之間有一定的隔離。這個隔離用類似請求/響應的模型，非常符合常理。

但不同的是在瀏覽器、服務端模型中，瀏覽器和服務端是用不同的機器在執行，因此不需要共享一個 CPU。但是在進程調用內核的過程中，這裡是存在資源共享的。

比如，一個機器有 4 個 CPU，不可能讓內核用一個 CPU，其他進程用剩下的 CPU。這樣太浪費資源了。

再比如，進程向內核請求 100M 的內存，內核把 100M 的數據傳回去。這個模型不可行，因為傳輸太慢了。

所以，這裡多數操作系統的設計都遵循一個原則：進程向內核發起一個請求，然後將 CPU 執行許可權讓出給內核。內核接手 CPU 執行許可權，然後完成請求，再轉讓出 CPU 執行許可權給調用進程。

四、Linux 的設計

Linux 操作系統第一版是1991 年林納斯托·瓦茲（一個芬蘭的小夥子，當時 22 歲）用 C 語音寫的。寫完之後他在網路上發布了 Linux 內核的源代碼。又經過了 3 年的努力，在 1994 年發布了完整的核心 Version 1.0。

4.1 Multitask and SMP（Symmetric multiprocessing）

MultiTask 指多任務，Linux 是一個多任務的操作系統。多任務就是多個任務可以同時執行，這裡的「同時」並不是要求並發，而是在一段時間內可以執行多個任務。當然 Linux 支持並發。

SMP 指對稱多處理。其實是說 Linux 下每個處理器的地位是相等的，內存對多個處理器來說是共享的，每個處理器都可以訪問完整的內存和硬體資源。這個特點決定了在 Linux 上不會存在一個特定的處理器處理用戶程序或者內核程序，它們可以被分配到任何一個處理器上執行。

4.2 ELF（Executable and Linkable Format）

這個名詞翻譯過來叫作可執行文件鏈接格式。這是一種從 Unix 繼承而來的可執行文件的存儲格式。我們可以看到 ELF 中把文件分成了一個個分段（Segment），每個段都有自己的作用。

4.3 Monolithic Kernel

這個名詞翻譯過來就是宏內核，宏內核反義詞就是 Microkernel ，微內核的意思。Linux 是宏內核架構，這說明 Linux 的內核是一個完整的可執行程序，且內核用最高許可權來運行。宏內核的特點就是有很多程序會打包在內核中，比如，文件系統、驅動、內存管理等。當然這並不是說，每次安裝驅動都需要重新編譯內核，現在 Linux 也可以動態載入內核模塊。所以哪些模塊在內核層，哪些模塊在用戶層，這是一種系統層的拆分，並不是很強的物理隔離。

與宏內核對應，接下來說說微內核，內核只保留最基本的能力。比如進程調度、虛擬內存、中斷。多數應用，甚至包括驅動程序、文件系統，是在用戶空間管理的。

4.4 在內核層和在用戶層有什麼區別？

感覺分層其實差不多。我這裡說一個很大的區別，比如說驅動程序是需要頻繁調用底層能力的，如果在內核中，性能肯定會好很多。對於微內核設計，驅動在內核外，驅動和硬體設備交互就需要頻繁做內核態的切換。

當然微內核也有它的好處，比如說微內核體積更小、可移植性更強。不過我認為，隨著計算能力、存儲技術越來越發達，體積小、安裝快已經不能算是一個很大的優勢了。現在更重要的是如何有效利用硬體設備的性能。

之所以這麼思考，也可能因為我是帶著現代的目光回望當時人們對內核的評判，事實上，當時 Linux 團隊也因此爭論過很長一段時間。但是我覺得歷史往往是螺旋上升的，說不定將來性能發展到了一個新的階段，像微內核的靈活性、可以提供強大的抽象能力這樣的特點，又重新受到人們的重視。

還有一種就是混合類型內核。混合類型的特點就是架構像微內核，內核中會有一個最小版本的內核，其他功能會在這個能力上搭建。但是實現的時候，是用宏內核的方式實現的，就是內核被做成了一個完整的程序，大部分功能都包含在內核中。就是在宏內核之內有抽象出了一個微內核。

五、Window 設計

Windows 和 Linux 的設計有很大程度的相似性。Windows也有內核，它的內核是 C/C++ 寫的。準確地說，Windows 有兩個內核版本。一個是早期的Windows 9x 內核，早期的 Win95, Win98 都是這個內核。我們今天用的 Windows 7, Windows 10 是另一個內核，叫作 Windows NT。NT 指的是 New Technology。接下來我們討論的都是 NT 版本的內核。

下面我找到一張 Windows 內核架構的圖片給你一個直觀感受。