微内核(microkernel)相关

最新推荐文章于 2025-08-15 00:04:35 发布

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本文深入探讨了微内核操作系统的发展历程，从早期的小型内核到L4、seL4等第二代微内核的崛起，再到GNU/Hurd的曲折历史。文章详细分析了微内核的优势与挑战，特别是与宏内核相比的性能差异。通过对比不同微内核的特性，阐述了微内核在现代操作系统中的地位与应用前景。

from : http://www.yandong.org/archives/191

介绍

WIKI上的解释是：在计算机科学中，微内核是一个近乎最小的软件集合，但具有能够提供实现操作系统所需的机制。

In computer science, a microkernel is the near-minimum amount of software that can provide the mechanisms needed to implement an operating system (OS). —wiki

微内核把硬件驱动，协议栈，以及文件系统等都放入用户空间，以保持较小的代码规模。微内核的代码一般在10000行一下，像Minix不足6000行代码，而高于20000行一般都归于monokernel。

本质上说，微内核可以被看作是对传统操作系统共性的进一步抽象，从某种意义上说可以被称作是“操作系统的操作系统”。

时代背景

开始的内核都很小，主要是因为电脑很小。随着电脑功能的增强和硬件的发展等因素，内核越来越大。BSD unix开启了大内核的时代。内核规模的增长使内核更容易出现bug，而且不方便管理。而微内核的出现正是为了解决这些问题。微内核发展与上世纪80年代。与之相对的是，宏内核(mono kernel)。虽然微内核在当时是一个非常惹得话题，应用领域之中，mono kernel占据这主导地位。

发展

第一代： Mach是最早的微内核系统，由卡内基梅隆大学发展的。它从1985年运行到1994年，到Mach 3.0版结束。Mach的研究到至今似乎是结束，虽然有许多商业化操作系统，如NEXTSTEP 与 OPENSTEP，特别是 Mac OS X都是使用Mach或其衍生系统。Mach的虚拟内存（VM）系统也被BSD的开发者用于CSRG，并出现在BSD衍生的系统中，如FreeBSD。

最为悲惨的遭遇是，Mac OSX与FreeBSD并未保留Mach首倡的微核心结构，除了Mac OSX继续提供微核心于内部处理通讯以及应用程式直接控制。更有些滑稽的是，在microkernel流行的时候，windows曾经把UI部分拿出kernel，可当microkernel之风过去了的时候，微软又把部分底层的UI放回了kernel。微软总是最后一个吃螃蟹的人，当它都尝试microkernel，足以说明microkernel是多么火热。可microkernel为什么又被冷落了呢？性能。

ps：卡内基梅隆大学位于痞子堡，是美国计算机科学重镇，排名前五。
ps：Mac OS X （使用XNU 核心）基于Mach3.0
ps：NEXTSTEP基于Mach2.0

第二代：L4可以看作是Mach的改进。由德国的 GMD 设计。GMD 是德国国家信息技术研究院,相当于中科院计算所加上软件所。

在九十年代后期,微内核迎来了其生命中的第二春。一些研究人员认真分析了微内核系统性能差的原因,指出其性能差并非根本内在的因素造成,而是设计实现的失误。为什么这么说呢？因为早起的微内核系统大多是由 Mono Kernel 一步步逐渐改进而来。其很多设计并未发生重大改变。他们虽然被称为微内核，但其代码量还是很大。例如，Mach 3 内核支持 140个系统调用，代码量为 300K 字节。为证明其论点,他们设计并实现了几个性能远超第一代的微内核操作系统,我们把它们称为第二代微内核系统]。其中的一个代表作品就是 L4。

第三代：seL4是一组基于微内核构架的操作系统内核，澳大利亚研究组织NICTA创造了一个新的L4版本，称为Secure Embedded L4（简写seL4），宣布在世界上率先开发出第一个形式化机器证明的（formal machine-checked proof）通用操作系统。

微内核的发展方向

微内核性能分析

理想情况下，内核中仅留下 Address Space Support（地址空间支持），IPC (InterProcess Communication，进程间通讯)，和Scheduling（调度），其他功能模块做为用户进程运行。其中IPC是极其重要的组成部分，因为模块间要是想通信的话，就的靠IPC了。IPC的性能直接决定微内核的性能。可不如人意的是，虽然IPC已经广泛应用，但其性能并不理想，从而成为微内核的性能瓶颈。

IPC的性能有多么差呢？我们来看看比较数据。微内核系统中 IPC 性能不断提高，但到 90 年代初似乎达到了顶峰。Mach 3 的 IPC 最好性能大约是 115 µs (在 486-DX 50 机器上），通常需要200 µs。对其它微内核系统也大致如此。当时许多研究人员认为，有 100 µs 左右的时间是 IPC 的固有消耗，这一时间已无法缩短。但是与之相比，在同样硬件平台上，一个 UNIX 系统调用只需要20 µs, 好过微内核系统 10 倍。

到了L4的时代，微内核的性能得到了很好的改善。L4 内核支持三种抽象概念：地址空间，线程，和 IPC。他只提供 7 个系统调用，只有 12K 字节代码。在 486-DX50 机器上，一个地址空间切换 IPC, 8 字节参数传递，只需要 5 µs。如果参数量为 512字节，只需要 18 µs。也就是说，L4的IPC比第一代微内核的IPC快20倍以上，甚至比传统操作系统的IPC还要快。

既然IPC的性能已经得到改善？那么微内核还面临什么问题呢？L4所做的改变只能使微内核在单服务器上的性能稍稍优于传统的系统。但是在多服务器上，和mono systems仍然木有可比性。为什么如此？说来话长，参见IPC机制吧。

GNU/Hurd

说起这，就要说说蛋疼而旷日持久的GNU工程。GNU 工程创始于一九八四年，旨在开发一个完整 GNU 系统。GNU 自己的内核 Hurd 仍在开发中，离实用还有一定的距离。因此，现在的 GNU 通常使用 Linux 内核。这样的组合即为 GNU/Linux 操作系统。已经有上百万人在使用 GNU/Linux，但他们中的很多人把它误称为“Linux”。GNU Hurd的开发走过一段极其苦逼的历史，开始它基于由卡內基美隆大学的 Mach 3.0的，后来卡内基中止了Mach计划，于是自由软件基金会便转向犹他大学的Mach4，后来犹他也终止Mach计划，不甘心的自由软件基金会的人于是决定自己发展Mach，叫GNU/Mach。2002年推出GNU/Mach1.0，过了几年推出2.0，可不知什么原因2.0被放弃，重新回到1.X版本。再后来，Mach在业界的研究都被终止了，L4兴起，自由软件那帮可怜的娃不得不放弃之前近二十年的努力，将Hurd移植向L4。

所以说GNU Hurd 是一系列基于 GNU Mach 或者 L4 微内核的守护进程，这一套守护进程最终形成了 GNU 操作系统。之前GNU 计划从1990年开始开发 GNU Hurd，并且将它作为一个遵循 GPL 的自由软件发布。Hurd 的目标是从功能、安全性和稳定性上全面超越 Unix 内核，而同时又能保持对其的兼容性，为此 Hurd 遵守 POSIX 标准。

“HURD”是一个间接递归缩写，来自“HIRD of Unix Replacing Daemons”，其中“HIRD”表示“HURD of Interfaces Representing Depth”。

Hurd基于GNU Mach作微内核进行开发。这是由Richard Stallman做出的技术决定。更为滑稽的一段故事是，Stallman并不看好像linux等的monokernel，才作出使用microkernel的决定。而linux的创始人Linus Torvalds更是鄙视microkernel，认为microkernel注定是一个技术失败。而对于芸芸众生的我们，习惯了GNU/linux组合，用着linux的内核，使用着GNU的软件。