内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件,这种访问是有限的,并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。内核的分类可分为单内核和双内核以及微内核。严格地说,内核并不是计算机系统中必要的组成部分。

内核,是一个操作系统的核心。是基于硬件的第一层软件扩充,提供操作系统的最基本的功能,是操作系统工作的基础,它负责管理系统的进程、内存

内核体系结构内核体系结构

设备驱动程序、文件和网络系统,决定着系统的性能和稳定性。[2] 

现代操作系统设计中,为减少系统本身的开销,往往将一些与硬件紧密相关的(如中断处理程序、设备驱动程序等)、基本的、公共的、运行频率较高的模块(如时钟管理、进程调度等)以及关键性数据结构独立开来,使之常驻内存,并对他们进行保护。通常把这一部分称之为操作系统的内核[3] 

程序可以直接地被调入计算机中执行,这样的设计说明了设计者不希望提供任何硬件抽象和操作系统的支持,它常见于早期计算机系统的设计中。最终,一些辅助性程序,例如程序加载器和调试器,被设计到机器核心当中,或者固化在只读存储器里。这些变化发生时,操作系统内核的概念就渐渐明晰起来了。[4] 

内核分类

单内核

单内核(Monolithic kernel),是个很大的进程。它的内部又能够被分为若干模块(或是层次或其他)。但是在运行的时候,它是个单独的二进制大映象。其模块间的通讯是通过直接调用其他模块中的函数实现的,而不是消息传递。 [8] 

单内核结构在硬件之上定义了一个高阶的抽象界面,应用一组原语(或者叫系统调用)来实现操作系统的功能,例如进程管理,文件系统,和存储管理等等,这些功能由多个运行在核心态的模块来完成。

尽管每一个模块都是单独地服务这些操作,内核代码是高度集成的,而且难以编写正确。因为所有的模块都在同一个内核空间上运行,一个很小的bug都会使整个系统崩溃。然而,如果开发顺利,单内核结构就可以从运行效率上得到好处。

很多现代的单内核结构内核,如LinuxFreeBSD内核,能够在运行时将

Linux内核编程指南第3版Linux内核编程指南第3版

模块调入执行,这就可以使扩充内核的功能变得更简单,也可以使内核的核心部分变得更简洁。

单内核结构是非常有吸引力的一种设计,由于在同一个地址空间上实现所有低级操作的系统控制代码的复杂性的效率会比在不同地址空间上实现更高些。 单核结构正趋向于容易被正确设计,所以它的发展会比微内核结构更迅速些。

单内核结构的例子:传统的UNIX内核----例如伯克利大学发行的版本,Linux内核。[

微内核

微内核(Microkernelkernel)结构由一个非常简单的硬件抽象层和一组比较关键的原语或系统调用组成,这些原语仅仅包括了建立一个系统必需的几个部分,如线程管理,地址空间和进程间通信等。

微核的目标是将系统服务的实现和系统的基本操作规则分离开来。例如,进程的输入/输出锁定服务可以由运行在微核之外的一个服务组件来提供。这些非常模块化的用户态服务器用于完成操作系统中比较高级的操作,这样的设计使内核中最核心的部分的设计更简单。一个服务组件的失效并不会导致整个系统的崩溃,内核需要做的,仅仅是重新启动这个组件,而不必影响其它的部分

微内核将许多OS服务放入分离进程,如文件系统,设备驱动程序,而进程通过消息传递调用OS服务。微内核结构必然是多线程的,第一代微内核,在核心提供了较多的服务,因此被称为'胖微内核',它的典型代表是MACH。它既是GNU HURD也是APPLE SERVER OS的核心,可以说,蒸蒸日上.第二代为微内核只提供最基本的OS服务,典型的OS是QNX,QNX在理论界很有名,被认为是一种先进的OS。[8] 

微内核只提供了很小一部分的硬件抽象,大部分功能由一种特殊的用户态程序服务器来完成。微核经常被用于机器人和医疗器械的嵌入式设计中,因为它的系统的关键部分都处在相互分开的,被保护的存储空间中。这对于单核设计来说是不可能的,就算它采用了运行时加载模块的方式。

微内核的例子:AIXBeOS,L4微内核系列,.Mach中用于GNU Hurd和Mac OS XMinix,MorphOS,QNX,RadiOS,VSTa。[9] 

混合内核

混合内核它很像微内核结构,只不过它的的组件更多的在核心态中运行,以获得更快的执行速度。

混合内核实质上是微内核,只不过它让一些微核结构运行在用户空间的代码运行在内核空间,这样让内核的运行效率更高些。这是一种妥协做法,设计者参考了微内核结构的系统运行速度不佳的理论。然而后来的实验证明,纯微内核的系统实际上也可以是高效率的。大多数现代操作系统遵循这种设计范畴,微软公司开发的Windows操作系统就是一个很好的例子。另外还有XNU,运行在苹果Mac OS X上的内核,也是一个混合内核。

混合内核的例子: BeOS 内核 ,DragonFly BSD,ReactOS 内核

Windows NTWindows 2000Windows XPWindows Server 2003以及Windows Vista等基于NT技术的操作系统。


外内核

外内核系统,也被称为纵向结构操作系统,是一种比较极端的设计方法。[12] 

外内核这种内核不提供任何硬件抽象操作,但是允许为内核增加额外的运行库,通过这些运行库应用程序可以直接地或者接近直接地对硬件进行操作。

它的设计理念是让用户程序的设计者来决定硬件接口的设计。外内核本身非常的小,它通常只负责系统保护和系统资源复用相关的服务。

传统的内核设计(包括单核和微核)都对硬件作了抽象,把硬件资源或设备驱动程序都隐藏在硬件抽象层下。比方说,在这些系统中,如果分配一段物理存储,应用程序并不知道它的实际位置。

而外核的目标就是让应用程序直接请求一块特定的物理空间,一块特定的磁盘块等等。系统本身只保证被请求的资源当前是空闲的,应用程序就允许直接存取它。既然外核系统只提供了比较低级的硬件操作,而没有像其他系统一样提供高级的硬件抽象,那么就需要增加额外的运行库支持。这些运行库运行在外核之上,给用户程序提供了完整的功能。

理论上,这种设计可以让各种操作系统运行在一个外核之上,如Windows和Unix。并且设计人员可以根据运行效率调整系统的各部分功能。

外核设计还停留在研究阶段,没有任何一个商业系统采用了这种设计。几种概念上的操作系统正在被开发,如剑桥大学的Nemesis,格拉斯哥大学的Citrix系统和瑞士计算机科学院的一套系统。麻省理工学院也在进行着这类研究。[11]

单内核与微内核的比较

单内核结构是非常有吸引力的一种设计,由于在同一个地址空间上实现所有复杂的低阶操作系统控制代码的效率会比在不同地址空间上实现更高些。

20世纪90年代初,单内核结构被认为是过时的。把Linux设计成为单内核结构而不是微内核,引起了无数的争议。

单核结构正倾向于设计不容易出错,所以它的发展会比微内核结构更迅速些。两个阵营中都有成功的案例。

尽管Mach是众所周知的多用途的微内核,人们还是开发了除此之外的几个微内核。L3是一个演示性的内核,只是为了证明微内核设计并不总是低运行速度。它的后续版本L4,甚至可以将Linux内核作为它的一个进程,运行在单独的地址空间。

QNX是一个从20世纪80年代,就开始设计的微内核系统。它比Mach更接近微内核的理念。它被用于一些特殊的领域;在这些情况下,由于软件错误,导致系统失效是不允许的。例如航天飞机上的机械手,还有研磨望远镜镜片的机器,一点点失误就会导致上千美元的损失。

很多人相信,由于Mach不能够解决一些提出微内核理论时针对的问题,所以微内核技术毫无用处。Mach的爱好者表明这是非常狭隘的观点,遗憾的是似乎所有人都开始接受这种观点。



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