Linux 内核和 Windows 内核有啥区别

Posted 2023-04-19

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目录

一、什么是内核？

1.1 内核的能力

二、操作系统分层

三、内核是如何工作的？

四、Linux 的设计

4.1 Multitask and SMP（Symmetric multiprocessing）

4.2 ELF（Executable and Linkable Format）

4.3 Monolithic Kernel

4.4 在内核层和在用户层有什么区别？

五、Window 设计

六、总结

说到操作系统，就必须说内核。内核是操作系统中应用连接硬件设备的桥梁。

对于一个现代的操作系统来说，它的内核至少应该提供以下 4 种基本能力：

从上面 4 种能力来看操作系统和内核之间的关系，通常可以把操作系统分成 3 层，最底层的 硬件设备抽象 、中间的 内核 和最上层的 应用 。

内核权限非常高，它可以管理进程、可以 直接访问所有的内存 ，因此确实需要和进程之间有一定的隔离。这个隔离用 类似请求/响应 的模型，非常符合常理。

但不同的是在浏览器、服务端模型中，浏览器和服务端是用 不同的机器在执行 ，因此不需要共享一个 CPU。但是在进程调用内核的过程中，这里是存在资源共享的。

比如，一个机器有 4 个 CPU，不可能让内核用一个 CPU，其他进程用剩下的 CPU。这样太浪费资源了。

再比如，进程向内核请求 100M 的内存，内核把 100M 的数据传回去。 这个模型不可行，因为传输太慢了。

所以，这里多数操作系统的设计都遵循一个原则： 进程向内核发起一个请求，然后将 CPU 执行权限让出给内核。内核接手 CPU 执行权限，然后完成请求，再转让出 CPU 执行权限给调用进程。

Linux 操作系统第一版是1991 年林纳斯托·瓦兹（一个芬兰的小伙子，当时 22 岁）用 C 语音写的。 写完之后他在网络上发布了 Linux 内核的源代码。又经过了 3 年的努力，在 1994 年发布了完整的核心 Version 1.0。

MultiTask 指多任务，Linux 是一个多任务的操作系统。多任务就是多个任务可以同时执行，这里的“同时”并不是要求并发，而是在一段时间内可以执行多个任务。当然 Linux 支持并发。

SMP 指对称多处理。其实是说 Linux 下每个处理器的地位是相等的，内存对多个处理器来说是共享的，每个处理器都可以访问完整的内存和硬件资源。 这个特点决定了在 Linux 上不会存在一个特定的处理器处理用户程序或者内核程序，它们可以被分配到任何一个处理器上执行。

这个名词翻译过来叫作 可执行文件链接格式 。这是一种从 Unix 继承而来的可执行文件的存储格式。我们可以看到 ELF 中把文件分成了一个个分段（Segment），每个段都有自己的作用。

这个名词翻译过来就是宏内核，宏内核反义词就是 Microkernel ，微内核的意思。Linux 是宏内核架构，这说明 Linux 的内核是一个完整的可执行程序，且内核用最高权限来运行。宏内核的特点就是有很多程序会打包在内核中，比如，文件系统、驱动、内存管理等。当然这并不是说，每次安装驱动都需要重新编译内核，现在 Linux 也可以动态加载内核模块。所以哪些模块在内核层，哪些模块在用户层，这是一种系统层的拆分，并不是很强的物理隔离。

与宏内核对应，接下来说说微内核，内核只保留最基本的能力。比如 进程调度、虚拟内存、中断。多数应用，甚至包括驱动程序、文件系统，是在用户空间管理 的。

感觉分层其实差不多。 我这里说一个很大的区别，比如说驱动程序是需要频繁调用底层能力的，如果在内核中，性能肯定会好很多。对于微内核设计，驱动在内核外，驱动和硬件设备交互就需要频繁做内核态的切换。

当然微内核也有它的好处，比如说微内核体积更小、可移植性更强。不过我认为，随着计算能力、存储技术越来越发达， 体积小、安装快 已经不能算是一个很大的优势了。现在更重要的是如何有效利用硬件设备的性能。

之所以这么思考，也可能因为我是带着现代的目光回望当时人们对内核的评判，事实上，当时 Linux 团队也因此争论过很长一段时间。 但是我觉得 历史 往往是螺旋上升的，说不定将来性能发展到了一个新的阶段，像微内核的灵活性、可以提供强大的抽象能力这样的特点，又重新受到人们的重视。

还有一种就是 混合类型内核 。 混合类型的特点就是架构像微内核，内核中会有一个最小版本的内核，其他功能会在这个能力上搭建。但是实现的时候，是用宏内核的方式实现的，就是内核被做成了一个完整的程序，大部分功能都包含在内核中。就是在宏内核之内有抽象出了一个微内核。

Windows 和 Linux 的设计有很大程度的相似性。Windows也有内核，它的内核是 C/C++ 写的。准确地说，Windows 有两个内核版本。一个是早期的Windows 9x 内核，早期的 Win95, Win98 都是这个内核。我们今天用的 Windows 7, Windows 10 是另一个内核，叫作 Windows NT。NT 指的是 New Technology。接下来我们讨论的都是 NT 版本的内核。

下面我找到一张 Windows 内核架构的图片给你一个直观感受。

Windows 同样支持 Multitask 和 SMP（对称多处理）。Windows 的内核设计属于混合类型。你可以看到内核中有一个 Microkernel 模块。而整个内核实现又像宏内核一样，含有的能力非常多，是一个完整的整体。

Windows 下也有自己的可执行文件格式，这个格式叫作 Portable Executable（PE），也就是可移植执行文件，扩展名通常是.exe、.dll、.sys等。

PE 文件的结构和 ELF 结构有很多相通的地方，我找到了一张图片帮助你更直观地理解。

Windows 还有很多独特的能力，比如 Hyper-V 虚拟化技术.

这一讲我们学习了内核的基础知识，包括内核的作用、整体架构以及 3 种内核类型（ 宏内核、微内核和混合类型内核 ）。

内核很小（微内核）方便移植，因为体积小、安装快；内核大（宏内核），方便优化性能，毕竟内核更了解计算机中的资源。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别？

【解析】 Windows 有两个内核，最新的是 NT 内核，目前主流的 Windows 产品都是 NT 内核。NT 内核和 Linux 内核非常相似，没有太大的结构化差异。

从整体设计上来看， Linux 是宏内核 ， NT 内核属于混合型内核 。和微内核不同，宏内核和混合类型内核从实现上来看是一个完整的程序。只不过混合类型内核内部也抽象出了微内核的概念，从内核内部看混合型内核的架构更像微内核。

另外 NT 内核和 Linux 内核还存在着许多其他的差异，比如：

单片内核和微内核有啥区别？

【中文标题】单片内核和微内核有啥区别？

【英文标题】：What is difference between monolithic and micro kernel?单片内核和微内核有什么区别？

【发布时间】：2011-05-31 02:04:03

【问题描述】：

谁能举例说明单片内核和微内核之间的区别？内核还有其他分类吗？

【问题讨论】：

serverfault.com/questions/170517/monolithic-vs-micro-kernel

我也会推荐***页面

另一个有用的问题 - ***.com/questions/1806585/…

【参考方案1】：

微内核：

尽可能多地从内核移动到“用户”空间。

使用消息传递在用户模块之间进行通信。

好处：

1-更容易扩展微内核

2-更容易将操作系统移植到新架构

3-更可靠（内核模式下运行的代码更少）

4-更安全

缺点：

1-用户空间到内核空间通信的性能开销

【参考方案2】：

单片内核设计比 1980 年代末出现的微内核思想要古老得多。

Unix 和 Linux 内核是单片的，而 QNX、L4 和 Hurd 是微内核。 Mach 最初是一个微内核（不是 Mac OS X），但后来转换为混合内核。 Minix（第 3 版之前）不是纯微内核，因为设备驱动程序是作为内核的一部分编译的。

单片内核通常比微内核快。第一个微内核 Mach 比大多数单体内核慢 50%，而后来的 L4 等内核只比单体设计慢 2% 或 4%。

单片内核体积大，而微内核体积小 - 它们通常适合处理器的 L1 高速缓存（第一代微内核）。

在单片内核中，设备驱动程序驻留在内核空间中，而在微内核中，设备驱动程序位于用户空间中。

由于单体内核的设备驱动程序驻留在内核空间中，单体内核不如微内核安全，并且驱动程序中的故障（异常）可能导致崩溃（在 Windows 中显示为 BSOD）。微内核比单片内核更安全，因此更常用于军事设备。

单片内核使用信号和套接字来实现进程间通信 (IPC)，微内核使用消息队列。第一代微内核没有很好地实现 IPC，并且在上下文切换时速度很慢 - 这就是导致它们性能不佳的原因。

向单体系统添加新功能意味着重新编译整个内核或相应的内核模块（对于模块化单体内核），而使用微内核，您无需重新编译即可添加新功能或补丁。

李>

【讨论】：

提到MINIX你指的是哪个版本？ 第 3 版将设备驱动程序和文件系统与内核分开。

@Nik-Lz：不是程序，而是功能。程序通常在用户空间上运行。如果您想在内核空间中执行代码，您有两个选择：将其构建到内核中，或者使用内核模块加载它。 ref

【参考方案3】：

单片内核具有所有内核服务以及内核核心部分，因此很重并且对速度和性能有负面影响。另一方面，微内核是轻量级的，从而提高了性能和速度。 我在 wordpress 网站上回答了同样的问题。 表格形式的monolithic、microkernel和exokernel的区别，可以访问here

【参考方案4】：

在内核设计的范围内，两个极端 点是整体内核和微内核。

（经典）Linux 例如，内核是一个单片内核（每个商业操作系统也是如此 迄今为止也是如此——尽管他们可能另有主张）；

因为它的代码是 单个 C 文件产生实现上述所有内容的单个进程 服务。 为了举例说明 Linux 内核的封装，我们注意到 Linux 内核甚至无法访问任何标准 C 库。 事实上，Linux 内核不能使用基本的 C 库函数，例如 打印。相反，它实现了自己的打印功能（称为打印）。 Linux内核的这种隔离和自包含提供Linux内核 其主要优点是：内核驻留在单个地址空间中1 启用 所有功能都可以以最快的方式进行通信，而无需求助于 任何类型的消息传递。 特别是，单片内核实现了所有设备驱动程序 然而，这是单片内核的主要缺点： 引入任何新的不受支持的硬件都需要重写 内核（在相关部分），重新编译它，并重新安装整个 操作系统。更重要的是，如果任何设备驱动程序崩溃，整个内核都会受到影响 因此。 这种硬件添加和硬件崩溃的非模块化方法 是支持另一种极端设计方法的主要论据 对于内核。微内核在某种意义上是一个极简内核，它包含 只有最基本的操作系统服务（如进程管理和文件系统） 管理）。在微内核中，设备驱动程序位于内核之外 允许在操作系统运行时添加和删除设备驱动程序 并且不需要更改内核。

【参考方案5】：

单片内核是一个完全在单个地址空间中运行的大型进程。它是一个单一的静态二进制文件。所有内核服务都存在并在内核地址空间中执行。内核可以直接调用函数。基于单内核的操作系统示例：Unix、Linux。

在微内核中，内核被分解为单独的进程，称为服务器。一些服务器在内核空间中运行，一些在用户空间中运行。所有服务器都保持独立并在不同的地址空间中运行。服务器通过 IPC（进程间通信）发送消息来相互调用“服务”。这种分离的好处是，如果一台服务器出现故障，其他服务器仍然可以高效工作。基于微内核的操作系统示例：Mac OS X 和 Windows NT。

【讨论】：

Mac OS X 和 Windows 都是混合内核，更接近于单片内核。微内核的例子是：Mach QNX AmigaOS Minix

GNU Hurd 是运行在微内核上的操作系统的一个很好的例子。它仍在积极开发中，一些流行的 Linux 发行版具有 Hurd 端口（Debian/Hurd、Arch Hurd 等）。

你能解释一下“静态二进制文件”是什么意思吗？

【参考方案6】：

1.Monolithic Kernel（纯Monolithic）：all

来自单个组件的所有内核服务

(-) 不能添加/删除，较少/零灵活

(+) 组件间通信更好

例如:- 传统的 Unix

2.微内核：few

来自核心内核的少数服务（内存管理、CPU 管理、IPC 等），来自不同层/组件的其他服务（文件管理、I/O 管理等）

拆分方法[有些服务处于特权（内核）模式，有些处于普通（用户）模式]

(+)灵活的变化/升级

(-)通信开销

例如：- QNX 等等。

3.Modular kernel(Modular Monolithic) :most

微内核和单体内核的结合

模块集合 -- 模块可以是 --> 静态 + 动态

驱动以模块的形式出现

例如:- Linux 现代操作系统

【参考方案7】：

单片内核

内核的所有部分，如调度程序、文件系统、内存管理、网络堆栈、设备驱动程序等，都在Monolithic Kernel中的内核内的一个单元中维护

优势

•更快的处理

缺点

•崩溃不安全 •移植不灵活 •内核大小爆炸

示例 •MS-DOS、Unix、Linux

微内核

只有非常重要的部分，如 IPC（进程间通信）、基本调度程序、基本内存处理、基本 I/O 原语等，被放入内核。通信通过消息传递发生。其他的在用户空间中作为服务器进程维护

优势

•防撞、便携、体积更小

缺点

•由于额外的消息传递导致处理速度变慢

示例 •Windows NT