操作系统：Linux vs Windows内核与应用对比
Posted 杨 戬
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了操作系统：Linux vs Windows内核与应用对比相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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操作系统架构：Linux vs Windows
Windows 和 Linux 可以说是我们比较常见的两款操作系统的。
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。
这两个操作系统各有千秋，不分伯仲。
下面来从不同方面来对比一下：
桌面系统
首先从界面上个人感觉windows的界面比linux漂亮，从视觉效果上来看windows给人感觉更好
Windows：
Linux：
软件的使用，linux软件都是开源的由全国各地技术执行者提供，windows上也有免费的但很多是需要授权才可以使用的。
在使用方面的区别是windows可以直接打开软件进行图形界面的操作，而linux系统经常通过命令行来执行。
内核设计
什么是内核？
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。
因为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。
应用、内核、CPU内存设备的交互关系图如下：
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 CPU，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 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 内核的设计
Linux 的开山始祖是来自一位名叫 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。
完成第一版 Linux 后，Linus Torvalds 就在网络上发布了 Linux 内核的源代码，每个人都可以免费下载和使用。
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。
在计算领域，SMP(Symmetric Multi-Processing)对称多处理是指服务器中多个CPU对称工作，无主次或从属关系的硬件架构。
各CPU共享相同的物理内存，每个 CPU访问内存中的任何地址所需时间是相同的，因此SMP也被称为一致存储器访问结构(UMA：Uniform Memory Access)。
对SMP服务器进行扩展的方式包括增加内存、使用更快的CPU、增加CPU、扩充I/O(槽口数与总线数)以及添加更多的外部设备(通常是磁盘存储)。
SMP服务器的主要特征是共享，系统中所有资源(CPU、内存、I/O等)都是共享的。也正是由于这种特征，导致了SMP服务器的主要问题，那就是它的扩展能力非常有限。
传统SMP模型图如下：
ELF
ELF 的意思是可执行文件链接格式，它是 Linux 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：
ELF 把文件分成了一个个分段，每一个段都有自己的作用
另外，ELF 文件有两种索引，Program header table 中记录了「运行时」所需的段，而 Section header table 记录了二进制文件中各个「段的首地址」。
那 ELF 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 ELF 文件。
那 ELF 文件是怎么被执行的呢？
执行 ELF 文件的时候，会通过「装载器」把 ELF 文件装载到内存里，CPU 读取内存中的指令和数据，于是程序就被执行起来了。
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。
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 内核设计
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：
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 的结构如下图所示，它与 ELF 结构有一点相似。
系统内核总结
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；
Linux 的内核设计是采用了宏内核，Window 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， Linux 可执行文件格式叫作 ELF，Windows 可执行文件格式叫作 PE。
应用对比
Windows下可以运行绝大部分的游戏，硬件厂商近乎100%的支持，linux下可直接运行的软件数量，和win比起来就是1和99的区别，选择linux的人基本不会考虑玩游戏，同时linux正期待更多硬件厂商的支持
linux安全性高，windows的漏洞、病毒、木马、后门出现频录比较高，windows放弃了dos的字符模式，主攻图形界面，让桌面系统更易用，linux字符模式运行的更好，图形界面还只是附带品。
性价比方面
Linux服务器与Windows服务器就性价比而言，Linux服务器优势是很明显的。Linux作为资源管理和操作系统来说，是开源、免费的，而正版的Windows的操作系统是收费的，因而就性价比来说Linux服务器优于Windows服务器。
性能方面
如果企业选择建站的内容和流量都不是很大的情况下，相同的配置的Linux服务器的性能比Windows服务器好一些，Linux服务器占用的资源会少一些。
稳定性方面
Windows系统是运用最广的操作系统，因而深受一些攻击者的“照顾”，其系统安全漏洞相应的会多一些。Linux是多用户多进程系统，意味着Linux能够一次性处理大量正在运行的进程，比Windows能够处理的数量要多得多。
安全性方面
Linux系统和Windows系统各自的有属于自己的安全技术，Linux的开源软件开发方式有助于暴露错误，集众人智慧解决问题，各种补丁更新得很快，这是Windows服务器不具备的优势。Windows的另一个不利因素是其许多应用程序依靠远程过程调用，这就迫使Windows的防火墙没有Linux那样严格。而Linux远程过程调用是限制使用的。
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