摘要
从抽象角度来看，内核就是计算机资源的管理者，当然管理资源是为了让应用使用资源。既然内核是资源的管理者，我们先来看看计算机中有哪些资源，然后通过资源的归纳，就能推导出内核这个大黑盒中应该有什么。在目前的来看，内核设计的演进貌似和软件系统架构演进惊人的相似。宏内核和单体架构一致，微内核和SOA架构一致，而课程里面讲的第三种架构更像是微服务架构。从整体的架构演进来看，核心就是拆分，从all in one到垂直拆分，再到水平拆分，更面向用户操作和技术专注。
一、计算机资源分类
计算机中资源大致可以分为两类资源，一种是硬件资源，一种是软件资源。先来看看硬件资源有哪些，如下：
- 1. 总线，负责连接各种其它设备，是其它设备工作的基础。
- 2.CPU，即中央处理器，负责执行程序和处理数据运算。
- 3. 内存，负责储存运行时的代码和数据。
- 4. 硬盘，负责长久储存用户文件数据。
- 5. 网卡，负责计算机与计算机之间的通信。
- 6. 显卡，负责显示工作。
- 7. 各种 I/O 设备，如显示器，打印机，键盘，鼠标等。
而计算机中的软件资源，则可表示为计算机中的各种形式的数据。如各种文件、软件程序等。内核作为硬件资源和软件资源的管理者，其内部组成在逻辑上大致如下：
- 1.管理 CPU，由于 CPU 是执行程序的，而内核把运行时的程序抽象成进程，所以又称为进程管理。
- 2.管理内存，由于程序和数据都要占用内存，内存是非常宝贵的资源，所以内核要非常小心地分配、释放内存。
- 3.管理硬盘，而硬盘主要存放用户数据，而内核把用户数据抽象成文件，即管理文件，文件需要合理地组织，方便用户查找和读写，所以形成了文件系统。
- 4.管理显卡，负责显示信息，而现在操作系统都是支持 GUI（图形用户接口）的，管理显卡自然而然地就成了内核中的图形系统。
- 5.管理网卡，网卡主要完成网络通信，网络通信需要各种通信协议，最后在内核中就形成了网络协议栈，又称网络组件。
- 6.管理各种 I/O 设备，我们经常把键盘、鼠标、打印机、显示器等统称为 I/O（输入输出）设备，在内核中抽象成 I/O 管理器。
内核除了这些必要组件之外，根据功能不同还有安全组件等，最值得一提的是，各种计算机硬件的性能不同，硬件型号不同，硬件种类不同，硬件厂商不同，内核要想管理和控制这些硬件就要编写对应的代码，通常这样的代码我们称之为驱动程序。硬件厂商就可以根据自己不同的硬件编写不同的驱动，加入到内核之中。以上我们已经大致知道了内核之中有哪些组件，但是另一个问题又出现了，即如何组织这些组件，让系统更加稳定和高效？
二、宏内核结构模型
其实看这名字，就已经能猜到了，宏即大也，这种最简单适用，也是最早的一种内核结构。宏内核就是把以上诸如管理进程的代码、管理内存的代码、管理各种 I/O 设备的代码、文件系统的代码、图形系统代码以及其它功能模块的代码，把这些所有的代码经过编译，最后链接在一起，形成一个大的可执行程序。这个大程序里有实现支持这些功能的所有代码，向用户应用软件提供一些接口，这些接口就是常说的系统 API 函数。而这个大程序会在处理器的特权模式下运行，这个模式通常被称为宏内核模式。结构如下图所示：
尽管图中一层一层的，这并不是它们有层次关系，仅仅表示它们链接在一起。为了理解宏内核的工作原理，我们来看一个例子，宏内核提供内存分配功能的服务过程，具体如下：
- 1. 应用程序调用内存分配的 API（应用程序接口）函数。
- 2. 处理器切换到特权模式，开始运行内核代码。
- 3. 内核里的内存管理代码按照特定的算法，分配一块内存。
- 4. 把分配的内存块的首地址，返回给内存分配的 API 函数。
- 5. 内存分配的 API 函数返回，处理器开始运行用户模式下的应用程序，应用程序就得到了一块内存的首地址，并且可以使用这块内存了。
上面这个过程和一个实际的操作系统中的运行过程，可能有差异，但大同小异。当然，系统 API 和应用程序之间可能还有库函数，也可能只是分配了一个虚拟地址空间，但是我们关注的只是这个过程。
上图的宏内核结构有明显的缺点，因为它没有模块化，没有扩展性、没有移植性，高度耦合在一起，一旦其中一个组件有漏洞，内核中所有的组件可能都会出问题。开发一个新的功能也得重新编译、链接、安装内核。其实现在这种原始的宏内核结构已经没有人用了。这种宏内核唯一的优点是性能很好，因为在内核中，这些组件可以互相调用，性能极高。为了方便我们了解不同内核架构间的优缺点，下面我们看一个和宏内核结构对应的反例。
三、微内核结构模型
微内核架构正好与宏内核架构相反，它提倡内核功能尽可能少：仅仅只有进程调度、处理中断、内存空间映射、进程间通信等功能。这样的内核是不能完成什么实际功能的，开发者们把实际的进程管理、内存管理、设备管理、文件管理等服务功能，做成一个个服务进程。和用户应用进程一样，只是它们很特殊，宏内核提供的功能，在微内核架构里由这些服务进程专门负责完成。微内核定义了一种良好的进程间通信的机制——消息。应用程序要请求相关服务，就向微内核发送一条与此服务对应的消息，微内核再把这条消息转发给相关的服务进程，接着服务进程会完成相关的服务。服务进程的编程模型就是循环处理来自其它进程的消息，完成相关的服务功能。其结构如下所示：
为了理解微内核的工程原理，我们来看看微内核提供内存分配功能的服务过程，具体如下：
- 1. 应用程序发送内存分配的消息，这个发送消息的函数是微内核提供的，相当于系统 API，微内核的 API（应用程序接口）相当少，极端情况下仅需要两个，一个接收消息的 API 和一个发送消息的 API。
- 2. 处理器切换到特权模式，开始运行内核代码。
- 3. 微内核代码让当前进程停止运行，并根据消息包中的数据，确定消息发送给谁，分配内存的消息当然是发送给内存管理服务进程。
- 4. 内存管理服务进程收到消息，分配一块内存。
- 5. 内存管理服务进程，也会通过消息的形式返回分配内存块的地址给内核，然后继续等待下一条消息。
- 6. 微内核把包含内存块地址的消息返回给发送内存分配消息的应用程序。7. 处理器开始运行用户模式下的应用程序，应用程序就得到了一块内存的首地址，并且可以使用这块内存了。
微内核的架构实现虽然不同，但是大致过程和上面一样。同样是分配内存，在微内核下拐了几个弯，一来一去的消息带来了非常大的开销，当然各个服务进程的切换开销也不小。这样系统性能就大打折扣。
但是微内核有很多优点，首先，系统结构相当清晰利于协作开发。其次，系统有良好的移植性，微内核代码量非常少，就算重写整个内核也不是难事。最后，微内核有相当好的伸缩性、扩展性，因为那些系统功能只是一个进程，可以随时拿掉一个服务进程以减少系统功能，或者增加几个服务进程以增强系统功能。
微内核的代表作有 MACH、MINIX、L4 系统，这些系统都是微内核，但是它们不是商业级的系统，商业级的系统不采用微内核主要还是因为性能差。
四、分离硬件的相关性
我们会经常听说，Windows 内核有什么 HAL 层、Linux 内核有什么 arch 层。这些 层就是 Windows 和 Linux 内核设计者，给他们的系统内核分的第一个层。今天如此庞杂的计算机，其实也是一层一层地构建起来的，从硬件层到操作系统层再到应用软件层这样构建。分层的主要目的和好处在于屏蔽底层细节，使上层开发更加简单。计算机领域的一个基本方法是增加一个抽象层，从而使得抽象层的上下两层独立地发展，所以在内核内部再分若干层也不足为怪。分离硬件的相关性，就是要把操作硬件和处理硬件功能差异的代码抽离出来，形成一个独立的软件抽象层，对外提供相应的接口，方便上层开发。
为了让你更好理解，我们举进程管理中的一个模块实现细节的例子：进程调度模块。通过这个例子，来看看分层对系统内核的设计与开发有什么影响。
其实说到底，进程是操作系统开发者为了实现多任务而提出的，并让每个进程在 CPU 上运行一小段时间，这样就能实现多任务同时运行的假象。
当然，这种假象十分奏效。要实现这种假象，就要实现下面这两种机制：
1.进程调度，它的目的是要从众多进程中选择一个将要运行的进程，当然有各种选择的算法，例如，轮转算法、优先级算法等。
2.进程切换，它的目是停止当前进程，运行新的进程，主要动作是保存当前进程的机器上下文，装载新进程的机器上下文。
我们不难发现，不管是在 ARM 硬件平台上还是在 x86 硬件平台上，选择一个进程的算法和代码是不容易发生改变的，需要改变的代码是进程切换的相关代码，因为不同的硬件平台的机器上下文是不同的
所以，这时最好是将进程切换的代码放在一个独立的层中实现，比如硬件平台相关层，当操作系统要运行在不同的硬件平台上时，就只是需要修改硬件平台相关层中的相关代码，这样操作系统的移植性就大大增强了。
五、自定义设计微小型操作系统架构模型
首先大致将我们的操作系统内核分为三个大层，分别是：
- 1. 内核接口层。
内核接口层，定义了一系列接口，主要有两点内容，如下：
1. 定义了一套 UNIX 接口的子集，我们出于学习和研究的目的，使用 UNIX 接口的子集，优点之一是接口少，只有几个，并且这几个接口又能大致定义出操作系统的功能。
2. 这套接口的代码，就是检查其参数是否合法，如果参数有问题就返回相关的错误，接着调用下层完成功能的核心代码。内核功能层，主要完成各种实际功能，这些功能按照其类别可以分成各种模块，当然这些功能模块最终会用具体的算法、数据结构、代码去实现它，
- 2. 内核功能层。
内核功能层的模块如下：
1. 进程管理，主要是实现进程的创建、销毁、调度进程，当然这要设计几套数据结构用于表示进程和组织进程，还要实现一个简单的进程调度算法。
2. 内存管理，在内核功能层中只有内存池管理，分两种内存池：页面内存池和任意大小的内存池，你现在可能不明白什么是内存池，这里先有个印象就行，后面课程研究它的时候再详细介绍。
3. 中断管理，这个在内核功能层中非常简单：就是把一个中断回调函数安插到相关的数据结构中，一旦发生相关的中断就会调用这个函数。
4. 设备管理，这个是最难的，需要用一系列的数据结构表示驱动程序模块、驱动程序本身、驱动程序创建的设备，最后把它们组织在一起，还要实现创建设备、销毁设备、访问设备的代码，这些代码最终会调用设备驱动程序，达到操作设备的目的。
- 3. 内核硬件层。
1. 初始化，初始化代码是内核被加载到内存中最先需要运行的代码，例如初始化少量的设备、CPU、内存、中断的控制、内核用于管理的数据结构等。
2. CPU 控制，提供 CPU 模式设定、开、关中断、读写 CPU 特定寄存器等功能的代码。
3. 中断处理，保存中断时机器的上下文，调用中断回调函数，操作中断控制器等。
4. 物理内存管理，提供分配、释放大块内存，内存空间映射，操作 MMU、Cache 等。
5. 平台其它相关的功能，有些硬件平台上有些特殊的功能，需要额外处理一下。
我们的操作系统内核没有任何设备驱动程序，甚至没有文件系统和网络组件，内核所实现的功能很少。这吸取了微内核的优势，内核小出问题的可能性就少，扩展性就越强。同时，我们把文件系统、网络组件、其它功能组件作为虚拟设备交由设备管理，比如需要文件系统时就写一个文件系统虚拟设备的驱动，完成文件系统的功能，需要网络时就开发一个网络虚拟设备的驱动，完成网络功能。这些驱动一旦被装载，就是内核的一部分了，并不是像微内核一样作为服务进程运行。这又吸取了宏内核的优势，代码高度耦合，性能强劲。
这样的内核架构既不是宏内核架构也不是微内核架构，而是这两种架构综合的结果，可以说是混合内核架构，也可以说这是我们自己的内核架构……
六、Darwin-XNU 内核设计
我们先来看看 Darwin，Darwin 是由苹果公司在 2000 年开发的一个开放源代码的操作系统。苹果公司有台式计算机、笔记本、平板、手机，台式计算机、笔记本使用了 macOS 操作系统，平板和手机则使用了 iOS 操作系统。Darwin 作为 macOS 与 iOS 操作系统的核心，从技术实现角度说，它必然要支持 PowerPC、x86、ARM 架构的处理器。Darwin 使用了一种微内核（Mach）和相应的固件来支持不同的处理器平台，并提供操作系统原始的基础服务，上层的功能性系统服务和工具则是整合了 BSD 系统所提供的。苹果公司还为其开发了大量的库、框架和服务，不过它们都工作在用户态且闭源。
什么？两套内核？惊不惊喜？由于我们是研究 Darwin 内核，所以上图中我们只需要关注内核 - 用户转换层以下的部分即可。显然它有两个内核层——Mach 层与 BSD 层。
Mach 内核是卡耐基梅隆大学开发的经典微内核，意在提供最基本的操作系统服务，从而达到高性能、安全、可扩展的目的，而 BSD 则是伯克利大学开发的类 UNIX 操作系统，提供一整套操作系统服务。
那为什么两套内核会同时存在呢？
MAC OS X（2011 年之前的称呼）的发展经过了不同时期，随着时代的进步，产品功能需求增加，单纯的 Mach 之上实现出现了性能瓶颈，但是为了兼容之前为 Mach 开发的应用和设备驱动，就保留了 Mach 内核，同时加入了 BSD 内核。
Mach 内核仍然提供十分简单的进程、线程、IPC 通信、虚拟内存设备驱动相关的功能服务，BSD 则提供强大的安全特性，完善的网络服务，各种文件系统的支持，同时对 Mach 的进程、线程、IPC、虚拟内核组件进行细化、扩展延伸。
那么应用如何使用 Darwin 系统的服务呢？
应用会通过用户层的框架和库来请求 Darwin 系统的服务，即调用 Darwin 系统 API。
在调用 Darwin 系统 API 时，会传入一个 API 号码，用这个号码去索引 Mach 陷入中断服务表中的函数。此时，API 号码如果小于 0，则表明请求的是 Mach 内核的服务，API 号码如果大于 0，则表明请求的是 BSD 内核的服务，它提供一整套标准的 POSIX 接口。
Mach 中还有一个重要的组件 Libkern，它是一个库，提供了很多底层的操作函数，同时支持 C++ 运行环境。依赖这个库的还有 IOKit，IOKit 管理所有的设备驱动和内核功能扩展模块。驱动程序开发人员则可以使用 C++ 面向对象的方式开发驱动，这个方式很优雅，你完全可以找一个成熟的驱动程序作为父类继承它，要特别实现某个功能就重载其中的函数，也可以同时继承其它驱动程序，这大大节省了内存，也大大降低了出现 BUG 的可能。如果你要详细了解 Darwin 内核的话，可以自行阅读：GitHub - apple/darwin-xnu: The Darwin Kernel (mirror). This repository is a pure mirror and contributions are currently not accepted via pull-requests, please submit your contributions via https://developer.apple.com/bug-reporting/
七、Windows NT 内核设计
NT 内核在设计上层次非常清晰明了，各组件之间界限耦合程度很低。下面我们就来看看 NT 内核架构图，了解一下 NT 内核是如何“庄严宏伟”。如下图：
当然微软自己在 HAL 层上是定义了一个小内核，小内核之下是硬件抽象层 HAL，这个 HAL 存在的好处是：不同的硬件平台只要提供对应的 HAL 就可以移植系统了。小内核之上是各种内核组件，微软称之为内核执行体，它们完成进程、内存、配置、I/O 文件缓存、电源与即插即用、安全等相关的服务。
每个执行体互相独立，只对外提供相应的接口，其它执行体要通过内核模式可调用接口和其它执行体通信或者请求其完成相应的功能服务。所有的设备驱动和文件系统都由 I/O 管理器统一管理，驱动程序可以堆叠形成 I/O 驱动栈，功能请求被封装成 I/O 包，在栈中一层层流动处理。Windows 引以为傲的图形子系统也在内核中。
显而易见，NT 内核中各层次分明，各个执行体互相独立，这种“高内聚、低偶合”的特性，正是检验一个软件工程是否优秀的重要标准。而这些你都可以通过微软公开的 WRK 代码得到佐证，
NT是混合内核，内核相较于linux来说小，但是仍有一些模块在内核，也有相当多的模块在用户态。架构额外清晰，也难怪几十年迭代都未曾大改大变。
博文参考
极客时间的操作系统实战
