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[26402] 2021-03-27_Linux内核vsWindows内核

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-03-27_Linux内核vsWindows内核 L i n u x   内 核   v s   W i n d o w s   内 核 L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 3 - 2 7 以 下 文 章 来 源 于 小 林 c o d i n g   ， 作 者 小 林 c o d i n g 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 小 林 小 林 c o d i n g W i n d o w s   和   L i n u x   可 以 说 是 我 们 比 较 常 见 的 两 款 操 作 系 统 的 。 W i n d o w s   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 W i n d o w s   的 开 发 团 队 中 。 对 于 服 务 器 使 用 的 操 作 系 统 基 本 上 都 是   L i n u x ， 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 ， L i n u x   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 ， L i n u x   内 核 和 内 核 和   W i n d o w s   内 核 有 什 么 区 别 ？ 内 核 有 什 么 区 别 ？ 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 、 c p u 、 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 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 。 小 林 小 林 c o d i n g   . 图 解 得 了 技 术 ， 谈 吐 得 了 烟 火 。
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 ： 管 理 进 程 、 线 程 ， 决 定 哪 个 进 程 、 线 程 使 用   C P U ， 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   c p u 、 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 用 户 态 执 行 ， 而 当 程 序 使 内 核 空 间 时 ， 程 序 则 在 内 核 态 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 ：
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 ，   C P U   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   C P U   执 行 权 限 交 回 给 用 户 程 序 ， 回 到 用 户 态 继 续 工 作 。 L i n u x   的 设 计 L i n u x   的 开 山 始 祖 是 来 自 一 位 名 叫   L i n u s   T o r v a l d s   的 芬 兰 小 伙 子 ， 他 在   1 9 9 1   年 用   C   语 言 写 出 了 第 一 版 的 L i n u x   操 作 系 统 ， 那 年 他   2 2   岁 。 完 成 第 一 版   L i n u x   后 ， L i n u x   T o r v a l d s   就 在 网 络 上 发 布 了   L i n u x   内 核 的 源 代 码 ， 每 个 人 都 可 以 免 费 下 载 和 使 用 。 L i n u x   内 核 设 计 的 理 念 主 要 有 这 几 个 点 ： M u t i T a s k ， 多 任 务 S M P ， 对 称 多 处 理 E L F ， 可 执 行 文 件 链 接 格 式 M o n o l i t h i c   K e r n e l ， 宏 内 核 M u t i T a s k M u t i T a s k   的 意 思 是 多 任 务 多 任 务 ， 代 表 着   L i n u x   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   C P U   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   C P U   时 ， 多 个 任 务 可 以 同 时 被 不 同 核 心 的   C P U   同 时 执 行 ， 这 被 称 为 并 行 。 S M P
S M P   的 意 思 是 对 称 多 处 理 对 称 多 处 理 ， 代 表 着 每 个   C P U   的 地 位 是 相 等 的 ， 对 资 源 的 使 用 权 限 也 是 相 同 的 ， 多 个 C P U   共 享 同 一 个 内 存 ， 每 个   C P U   都 可 以 访 问 完 整 的 内 存 和 硬 件 资 源 。 这 个 特 点 决 定 了   L i n u x   操 作 系 统 不 会 有 某 个   C P U   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   C P U   上 被 执 行 。 E L F E L F   的 意 思 是 可 执 行 文 件 链 接 格 式 可 执 行 文 件 链 接 格 式 ， 它 是   L i n u x   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 ： E L F   文 件 格 式 E L F   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 ， E L F   文 件 有 两 种 索 引 ， P r o g r a m   h e a d e r   t a b l e   中 记 录 了 「 运 行 时 」 所 需 的 段 ， 而   S e c t i o n   h e a d e r t a b l e   记 录 了 二 进 制 文 件 中 各 个 「 段 的 首 地 址 」 。 那   E L F   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 E L F   文 件 。 那   E L F   文 件 是 怎 么 被 执 行 的 呢 ？ 执 行   E L F   文 件 的 时 候 ， 会 通 过 「 装 载 器 」 把   E L F   文 件 装 载 到 内 存 里 ， C P U   读 取 内 存 中 的 指 令 和 数 据 ， 于 是 程 序 就 被 执 行 起 来 了 。 M o n o l i t h i c   K e r n e l
M o n o l i t h i c   K e r n e l   的 意 思 是 宏 内 核 宏 内 核 ， L i n u x   内 核 架 构 就 是 宏 内 核 ， 意 味 着   L i n u x   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 ， L i n u x   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 ， 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 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 。 W i n d o w s   设 计 当 今   W i n d o w s   7 、 W i n d o w s   1 0   使 用 的 内 核 叫   W i n d o w s   N T ， N T   全 称 叫   N e w   T e c h n o l o g y 。 下 图 是   W i n d o w s   N T   的 结 构 图 片 ：
W i n d o w s   N T   的 结 构 W i n d o w s   和   L i n u x   一 样 ， 同 样 支 持   M u t i T a s k   和   S M P ， 但 不 同 的 是 ， W i n d o w s   的 内 核 设 计 是 混 合 型 内 的 内 核 设 计 是 混 合 型 内 核 核 ， 在 上 图 你 可 以 看 到 内 核 中 有 一 个   M i c r o K e r n e l   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 。 W i n d o w s   的 可 执 行 文 件 的 格 式 与   L i n u x   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 。
W i n d o w s   的 可 执 行 文 件 格 式 叫   P E ， 称 为 可 移 植 执 行 文 件 可 移 植 执 行 文 件 ， 扩 展 名 通 常 是 、 、 等 。 P E   的 结 构 你 可 以 从 下 图 中 看 到 ， 它 与   E L F   结 构 有 一 点 相 似 。 P E   文 件 结 构 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 ； L i n u x   的 内 核 设 计 是 采 用 了 宏 内 核 ， W i n d o w s   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 ，   L i n u x   可 执 行 文 件 格 式 叫 作   E L F ， W i n d o w s   可 执 行 文 件 格 式 . e x e . d l l . s y s
叫 作   P E 。 巨 人 的 肩 膀 巨 人 的 肩 膀 1 .   h t t p s : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i / M o n o l i t h i c _ k e r n e l 2 .   h t t p s : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i / E x e c u t a b l e _ a n d _ L i n k a b l e _ F o r m a t 3 .   h t t p s : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i / W i n d o w s _ N T 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓ 运 维 运 维
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