【计算机原理】操作系统结构

---

前言

本文为 《图解系统》系列文章的个人学习笔记，对具体知识点与示例进行了归纳整理，详细内容参考小林coding 。

---

---

一、内核

内核基本功能

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，所以需要一个「中间人」来屏蔽硬件设备的处理细节，并为应用层程序提供服务。这个「中间人」就是内核。

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。

现代操作系统中，内核具有 4 个基本能力：

（1）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。
（2）管理内存：决定内存的分配和回收，也就是内存管理的能力。
（3）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。
（4）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。

内核工作方式

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：只有内核程序可以访问；
用户空间：专门给应用程序使用；

因此，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。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。

内核程序执行在内核态，用户程序执行在用户态。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：

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。

内核架构

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，包含了进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等模块，都运行在内核态。
微内核，有一个最小版本的内核，内核只保留最基本的能力，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。