Linux 内核 vs Windows 内核

Windows基本占领了电脑时代的市场，商业上取得了很大成就，但是它并不开源，所以要想接触源码得加入 Windows 的开发团队中。对于服务器使用的操作系统基本上都是Linux，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，Linux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。 操作系统核心的东西就是内核。

内核

计算机是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，应用程序只需关心与内核交互，不用关心硬件的细节。 Kernel_Layout 现代操作系统，内核一般会提供8个基本能力：现代操作系统中的内核（Kernel）是操作系统的核心组件，负责管理系统资源、提供硬件抽象、执行进程调度，以及确保系统的安全和稳定性。内核作为操作系统与硬件之间的中介，直接与硬件打交道，同时为用户态的应用程序提供服务。

内核的主要作用

进程管理
- 进程创建与销毁：内核负责创建和销毁进程，包括为新进程分配资源、设置初始状态等。
- 进程调度：内核通过调度器管理CPU的使用，决定哪个进程在何时占用CPU。调度算法如时间片轮转、优先级调度等，确保进程之间公平竞争资源。
- 上下文切换：当切换进程或线程时，内核负责保存和恢复CPU的上下文信息（如寄存器内容），以便正确执行不同的任务。
- 进程间通信 (IPC)：内核提供了进程间通信的机制，如管道、消息队列、共享内存、信号等，使得进程可以安全地交换数据。
内存管理
- 虚拟内存管理：内核通过虚拟内存技术，让每个进程拥有独立的虚拟地址空间，避免进程之间的相互干扰，并实现更有效的内存使用。
- 内存分配和释放：内核管理物理内存的分配与释放，确保系统高效运行。包括页面调度、内存分页、段式管理等。
- 页面换入换出 (Paging/Swapping)：当物理内存不足时，内核将部分不活跃的内存页交换到磁盘上，腾出空间给活跃的进程使用。
文件系统管理
- 文件系统接口：内核提供文件系统的统一接口，支持不同类型的文件系统（如 ext4、NTFS、FAT 等）。用户可以通过文件系统接口对文件进行读写操作，而无需关心底层的存储设备。
- 文件管理：内核负责文件的创建、删除、读取、写入和权限管理等操作，同时维护目录结构和文件属性（如权限、时间戳等）。
- 文件缓冲区管理：内核通过缓存机制提高文件 I/O 的性能，将频繁访问的数据缓存在内存中，减少磁盘 I/O 操作。
设备管理
- 硬件抽象：内核通过设备驱动程序为硬件设备提供抽象接口，隐藏硬件细节，让应用程序以一致的方式访问设备。
- 设备调度与控制：内核负责对设备的访问进行调度，确保设备的共享使用和并发访问的正确性。例如，磁盘调度算法用于优化磁盘访问的顺序。
- 中断处理：内核处理硬件中断，响应硬件事件（如键盘输入、网络数据到达），并执行相应的操作。中断处理程序（ISR）是内核的一部分。
网络管理
- 网络协议栈：内核实现了网络协议栈，如 TCP/IP 协议族，负责网络数据包的生成、传输、接收和处理。
- 网络设备管理：内核管理网络接口设备（如网卡），并提供接口给用户态程序进行网络通信。
- 网络安全与防火墙：内核可以实现网络安全机制，如防火墙规则、网络包过滤等，保护系统免受网络攻击。
安全管理
- 权限管理：内核管理系统资源的访问权限，确保进程只能访问它们被允许访问的资源。这包括用户和组权限、文件系统的访问控制等。
- 身份验证与审计：内核负责用户身份的验证（如登录时的密码验证），并记录系统事件，进行安全审计。
- 内存保护：内核通过内存保护机制防止进程非法访问其他进程的内存，确保系统的安全性和稳定性。
系统调用接口
- 系统调用：内核提供系统调用接口，允许用户态程序请求操作系统提供的服务。常见的系统调用包括文件操作（如 open、read、write）、进程控制（如 fork、exec）、内存管理（如 mmap）等。
- 权限隔离：系统调用通过特权模式运行，确保应用程序无法直接操作硬件或执行危险操作，维持系统的安全性。
电源管理
- 节能机制：内核管理系统的电源状态，如休眠、待机等，以减少能耗并延长电池寿命。特别是在移动设备上，电源管理尤为重要。
- 设备电源控制：内核可以控制设备的电源状态，关闭未使用的设备，减少系统能耗。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：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，CPU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

一位名叫Linus Torvalds的芬兰小伙子，他在1991年用C语言写出了第一版的Linux操作系统，那年他 22岁。 Linux 内核设计的理念主要有这几个点：

MultiTask，多任务
SMP，对称多处理
ELF，可执行文件链接格式
Monolithic Kernel，宏内核

MultiTask

MultiTask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CPU时，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，代表着每个CPU的地位是相等的，对资源的使用权限也是相同的，多个CPU共享同一个内存，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操作系统不会有某个CPU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CPU上被执行。

ELF

编译器编译源代码后生成的文件叫做目标文件，而目标文件经过编译器链接之后得到的就是可执行文件。目标文件就是源代码经过编译后但未进行链接的那些中间文件,它与可执行文件的格式非常相似，所以一般跟可执行文件格式一起采用同一种格式存储。除了可执行文件外，动态链接库（DDL，Dynamic Linking Library）、静态链接库（Static Linking Library）均采用可执行文件格式存储。 elf-file-format ELF文件的基本结构，其主要由四部分组成：

ELF Header
ELF Program Header Table (或称Program Headers、程序头)
ELF Section Header Table (或称Section Headers、节头表)
ELF Sections

ELF Header

使用readelf工具来查看ELF Header.

readelf -h hello.o
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              REL (Relocatable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          0 (bytes into file)
  Start of section headers:          672 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           0 (bytes)
  Number of program headers:         0
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         13
  Section header string table index: 10

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。不过，Linux 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。 OS-structure2 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，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。

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： windowNT Windows 和 Linux 一样，同样支持 MultiTask 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。