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Linux內(nèi)核和Windows內(nèi)核有什么區(qū)別?

Linux愛好者 ? 來(lái)源:Linux愛好者 ? 作者:Linux愛好者 ? 2021-03-03 14:52 ? 次閱讀
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Windows 和 Linux 可以說(shuō)是我們比較常見的兩款操作系統(tǒng)的。

Windows 基本占領(lǐng)了電腦時(shí)代的市場(chǎng),商業(yè)上取得了很大成功,但是它并不開源,所以要想接觸源碼得加入 Windows 的開發(fā)團(tuán)隊(duì)中。

對(duì)于服務(wù)器使用的操作系統(tǒng)基本上都是 Linux,而且內(nèi)核源碼也是開源的,任何人都可以下載,并增加自己的改動(dòng)或功能,Linux 最大的魅力在于,全世界有非常多的技術(shù)大佬為它貢獻(xiàn)代碼。

這兩個(gè)操作系統(tǒng)各有千秋,不分伯仲。

操作系統(tǒng)核心的東西就是內(nèi)核,這次我們就來(lái)看看,Linux 內(nèi)核和 Windows 內(nèi)核有什么區(qū)別?

內(nèi)核

什么是內(nèi)核呢?

計(jì)算機(jī)是由各種外部硬件設(shè)備組成的,比如內(nèi)存、cpu、硬盤等,如果每個(gè)應(yīng)用都要和這些硬件設(shè)備對(duì)接通信協(xié)議,那這樣太累了。

所以,這個(gè)中間人就由內(nèi)核來(lái)負(fù)責(zé),讓內(nèi)核作為應(yīng)用連接硬件設(shè)備的橋梁,應(yīng)用程序只需關(guān)心與內(nèi)核交互,不用關(guān)心硬件的細(xì)節(jié)。

內(nèi)核

內(nèi)核有哪些能力呢?

現(xiàn)代操作系統(tǒng),內(nèi)核一般會(huì)提供 4 個(gè)基本能力:

管理進(jìn)程、線程,決定哪個(gè)進(jìn)程、線程使用 CPU,也就是進(jìn)程調(diào)度的能力;

管理內(nèi)存,決定內(nèi)存的分配和回收,也就是內(nèi)存管理的能力;

管理硬件設(shè)備,為進(jìn)程與硬件設(shè)備之間提供通信能力,也就是硬件通信能力;

提供系統(tǒng)調(diào)用,如果應(yīng)用程序要運(yùn)行更高權(quán)限運(yùn)行的服務(wù),那么就需要有系統(tǒng)調(diào)用,它是用戶程序與操作系統(tǒng)之間的接口

內(nèi)核是怎么工作的?

內(nèi)核具有很高的權(quán)限,可以控制 cpu、內(nèi)存、硬盤等硬件,而應(yīng)用程序具有的權(quán)限很小,因此大多數(shù)操作系統(tǒng),把內(nèi)存分成了兩個(gè)區(qū)域:

內(nèi)核空間,這個(gè)內(nèi)存空間只有內(nèi)核程序可以訪問;

用戶空間,這個(gè)內(nèi)存空間專門給應(yīng)用程序使用;

用戶空間的代碼只能訪問一個(gè)局部的內(nèi)存空間,而內(nèi)核空間的代碼可以訪問所有內(nèi)存空間。

因此,當(dāng)程序使用用戶空間時(shí),我們常說(shuō)該程序在用戶態(tài)執(zhí)行,而當(dāng)程序使內(nèi)核空間時(shí),程序則在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行。

應(yīng)用程序如果需要進(jìn)入內(nèi)核空間,就需要通過「系統(tǒng)調(diào)用」,下面來(lái)看看系統(tǒng)調(diào)用的過程:

內(nèi)核程序執(zhí)行在內(nèi)核態(tài),用戶程序執(zhí)行在用戶態(tài)。當(dāng)應(yīng)用程序使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。發(fā)生中斷后, CPU 會(huì)中斷當(dāng)前在執(zhí)行的用戶程序,轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序,也就是開始執(zhí)行內(nèi)核程序。內(nèi)核處理完后,主動(dòng)觸發(fā)中斷,把 CPU 執(zhí)行權(quán)限交回給用戶程序,回到用戶態(tài)繼續(xù)工作。

Linux 的設(shè)計(jì)

Linux 的開山始祖是來(lái)自一位名叫 Linus Torvalds 的芬蘭小伙子,他在 1991 年用 C 語(yǔ)言寫出了第一版的 Linux 操作系統(tǒng),那年他 22 歲。

完成第一版 Linux 后,Linux Torvalds 就在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布了 Linux 內(nèi)核的源代碼,每個(gè)人都可以免費(fèi)下載和使用。

Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)的理念主要有這幾個(gè)點(diǎn):

MutiTask,多任務(wù)

SMP,對(duì)稱多處理

ELF,可執(zhí)行文件鏈接格式

Monolithic Kernel,宏內(nèi)核

MutiTask

MutiTask 的意思是多任務(wù),代表著 Linux 是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)。

多任務(wù)意味著可以有多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行,這里的「同時(shí)」可以是并發(fā)或并行:

對(duì)于單核 CPU 時(shí),可以讓每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一小段時(shí)間,時(shí)間到就切換另外一個(gè)任務(wù),從宏觀角度看,一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行了多個(gè)任務(wù),這被稱為并發(fā)。

對(duì)于多核 CPU 時(shí),多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)被不同核心的 CPU 同時(shí)執(zhí)行,這被稱為并行。

SMP

SMP 的意思是對(duì)稱多處理,代表著每個(gè) CPU 的地位是相等的,對(duì)資源的使用權(quán)限也是相同的,多個(gè) CPU 共享同一個(gè)內(nèi)存,每個(gè) CPU 都可以訪問完整的內(nèi)存和硬件資源。

這個(gè)特點(diǎn)決定了 Linux 操作系統(tǒng)不會(huì)有某個(gè) CPU 單獨(dú)服務(wù)應(yīng)用程序或內(nèi)核程序,而是每個(gè)程序都可以被分配到任意一個(gè) CPU 上被執(zhí)行。

ELF

ELF 的意思是可執(zhí)行文件鏈接格式,它是 Linux 操作系統(tǒng)中可執(zhí)行文件的存儲(chǔ)格式,你可以從下圖看到它的結(jié)構(gòu):

ELF 文件格式

ELF 把文件分成了一個(gè)個(gè)分段,每一個(gè)段都有自己的作用,具體每個(gè)段的作用這里我就不詳細(xì)說(shuō)明了,感興趣的同學(xué)可以去看《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載和庫(kù)》這本書。

另外,ELF 文件有兩種索引,Program header table 中記錄了「運(yùn)行時(shí)」所需的段,而 Section header table 記錄了二進(jìn)制文件中各個(gè)「段的首地址」。

那 ELF 文件怎么生成的呢?

我們編寫的代碼,首先通過「編譯器」編譯成匯編代碼,接著通過「匯編器」變成目標(biāo)代碼,也就是目標(biāo)文件,最后通過「鏈接器」把多個(gè)目標(biāo)文件以及調(diào)用的各種函數(shù)庫(kù)鏈接起來(lái),形成一個(gè)可執(zhí)行文件,也就是 ELF 文件。

那 ELF 文件是怎么被執(zhí)行的呢?

執(zhí)行 ELF 文件的時(shí)候,會(huì)通過「裝載器」把 ELF 文件裝載到內(nèi)存里,CPU 讀取內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù),于是程序就被執(zhí)行起來(lái)了。

Monolithic Kernel

Monolithic Kernel 的意思是宏內(nèi)核,Linux 內(nèi)核架構(gòu)就是宏內(nèi)核,意味著 Linux 的內(nèi)核是一個(gè)完整的可執(zhí)行程序,且擁有最高的權(quán)限。

宏內(nèi)核的特征是系統(tǒng)內(nèi)核的所有模塊,比如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等,都運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

不過,Linux 也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊的功能,例如大部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)是以可加載模塊的形式存在的,與內(nèi)核其他模塊解藕,讓驅(qū)動(dòng)開發(fā)和驅(qū)動(dòng)加載更為方便、靈活。

分別為宏內(nèi)核、微內(nèi)核、混合內(nèi)核的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與宏內(nèi)核相反的是微內(nèi)核,微內(nèi)核架構(gòu)的內(nèi)核只保留最基本的能力,比如進(jìn)程調(diào)度、虛擬機(jī)內(nèi)存、中斷等,把一些應(yīng)用放到了用戶空間,比如驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)等。這樣服務(wù)與服務(wù)之間是隔離的,單個(gè)服務(wù)出現(xiàn)故障或者完全攻擊,也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)操作系統(tǒng)掛掉,提高了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

微內(nèi)核內(nèi)核功能少,可移植性高,相比宏內(nèi)核有一點(diǎn)不好的地方在于,由于驅(qū)動(dòng)程序不在內(nèi)核中,而且驅(qū)動(dòng)程序一般會(huì)頻繁調(diào)用底層能力的,于是驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備交互就需要頻繁切換到內(nèi)核態(tài),這樣會(huì)帶來(lái)性能損耗。華為的鴻蒙操作系統(tǒng)的內(nèi)核架構(gòu)就是微內(nèi)核。

還有一種內(nèi)核叫混合類型內(nèi)核,它的架構(gòu)有點(diǎn)像微內(nèi)核,內(nèi)核里面會(huì)有一個(gè)最小版本的內(nèi)核,然后其他模塊會(huì)在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建,然后實(shí)現(xiàn)的時(shí)候會(huì)跟宏內(nèi)核類似,也就是把整個(gè)內(nèi)核做成一個(gè)完整的程序,大部分服務(wù)都在內(nèi)核中,這就像是宏內(nèi)核的方式包裹著一個(gè)微內(nèi)核。

Windows設(shè)計(jì)

當(dāng)今 Windows 7、Windows 10 使用的內(nèi)核叫 Windows NT,NT 全稱叫 New Technology。

下圖是 Windows NT 的結(jié)構(gòu)圖片:

WindowsNT 的結(jié)構(gòu)

Windows和 Linux 一樣,同樣支持 MutiTask 和 SMP,但不同的是,Windows的內(nèi)核設(shè)計(jì)是混合型內(nèi)核,在上圖你可以看到內(nèi)核中有一個(gè)MicroKernel模塊,這個(gè)就是最小版本的內(nèi)核,而整個(gè)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)是一個(gè)完整的程序,含有非常多模塊。

Windows 的可執(zhí)行文件的格式與 Linux 也不同,所以這兩個(gè)系統(tǒng)的可執(zhí)行文件是不可以在對(duì)方上運(yùn)行的。

Windows 的可執(zhí)行文件格式叫 PE,稱為可移植執(zhí)行文件,擴(kuò)展名通常是.exe、.dll、.sys等。

PE 的結(jié)構(gòu)你可以從下圖中看到,它與 ELF 結(jié)構(gòu)有一點(diǎn)相似。

PE 文件結(jié)構(gòu)

總結(jié)

對(duì)于內(nèi)核的架構(gòu)一般有這三種類型:

宏內(nèi)核,包含多個(gè)模塊,整個(gè)內(nèi)核像一個(gè)完整的程序;

微內(nèi)核,有一個(gè)最小版本的內(nèi)核,一些模塊和服務(wù)則由用戶態(tài)管理;

混合內(nèi)核,是宏內(nèi)核和微內(nèi)核的結(jié)合體,內(nèi)核中抽象出了微內(nèi)核的概念,也就是內(nèi)核中會(huì)有一個(gè)小型的內(nèi)核,其他模塊就在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建,整個(gè)內(nèi)核是個(gè)完整的程序;

Linux 的內(nèi)核設(shè)計(jì)是采用了宏內(nèi)核,Windows 的內(nèi)核設(shè)計(jì)則是采用了混合內(nèi)核。

這兩個(gè)操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件格式也不一樣, Linux 可執(zhí)行文件格式叫作 ELF,Windows 可執(zhí)行文件格式叫作 PE。

責(zé)任編輯:lq

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原文標(biāo)題:Linux 內(nèi)核 vs Windows 內(nèi)核

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