操作系統(tǒng)和普通的大型應(yīng)用程序項目類似，都涉及代碼組織方式的問題，但操作系統(tǒng)的獨特之處在于其核心部分必須運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，kernel model，所謂內(nèi)核態(tài)嚴(yán)格講是指在該狀態(tài)下程序擁有對硬件(hardware)的所有控制權(quán)，運(yùn)行在用戶態(tài)的程序做不到這一點。

有的同學(xué)可能會有疑問，操作系統(tǒng)(或者說內(nèi)核)不都是核心部分嗎？嚴(yán)格來講像進(jìn)程管理調(diào)度、內(nèi)存管理等就是核心部分，但像驅(qū)動等就不是那么核心了，那么這一部分也需要放在內(nèi)核態(tài)嗎？

圍繞這一劃分，出現(xiàn)了兩種操作系統(tǒng)的設(shè)計方式，關(guān)于這兩種設(shè)計方法的爭論就和復(fù)雜指令集(CISC)與精簡指令集(RISC)哪個更好一樣至今沒有非常明確的定論。

大一統(tǒng)，全部運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)

最簡單的劃分就是沒有劃分，我們可以把所有內(nèi)核代碼放在內(nèi)核態(tài)，內(nèi)核中的任何代碼都擁有控制硬件的全部特權(quán)，顯然這種設(shè)計方法非常簡單，因為操作系統(tǒng)設(shè)計者不用費(fèi)心去想哪一部分該放在內(nèi)核態(tài)。

由于全部內(nèi)核程序都運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，編譯好的內(nèi)核程序就是一個單獨的二進(jìn)制可執(zhí)行文件，這時的操作系統(tǒng)運(yùn)行起來后就是一個大進(jìn)程，所有內(nèi)核代碼運(yùn)行在一個單獨的地址空間中，這和我們實現(xiàn)的稍微復(fù)雜的單進(jìn)程應(yīng)用程序類似，這種大一統(tǒng)的設(shè)計就是所謂的宏內(nèi)核，monolithic kernel，個人認(rèn)為叫“一體化內(nèi)核”更形象些。

這種組織方式和TCP/IP協(xié)議棧的分層實現(xiàn)有點類似。

現(xiàn)在內(nèi)核代碼已經(jīng)組織好了，畢竟內(nèi)核是為上層應(yīng)用提供服務(wù)的，那么上層應(yīng)用該怎樣調(diào)用內(nèi)核代碼呢？這就是系統(tǒng)調(diào)用的作用，system call。

上層應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核進(jìn)行交互。

由于內(nèi)核代碼唯一同一個地址空間中，因此內(nèi)核中各部分的交互極為簡單，就是普通的函數(shù)調(diào)用，文件系統(tǒng)中的某塊cache可以非常容易的被虛擬內(nèi)存系統(tǒng)共享使用。

但宏內(nèi)核也是有缺點的，由于內(nèi)核代碼位于同一個地址空間，代碼趨于復(fù)雜化，復(fù)雜就容易出錯，但內(nèi)核和普通程序不同，一旦內(nèi)核中某一模塊出現(xiàn)bug將導(dǎo)致整個內(nèi)核崩潰，底層的內(nèi)核崩潰后上層的應(yīng)用程序就無法繼續(xù)正常推進(jìn)，整個系統(tǒng)就下圖一樣。。crash

當(dāng)然也有人不在乎在這一點，Linus認(rèn)為內(nèi)核中有bug正常，有bug就找到它、修復(fù)它而不是用某種機(jī)制試圖忽略它，沒錯，C++中的異常就是試圖忽略bug的機(jī)制，這就是為什么很多公司的規(guī)范中禁止使用異常的原因。

總之，內(nèi)核崩潰后就必須重啟計算機(jī)。

保留核心，非必要不留在內(nèi)核

為減少內(nèi)核崩潰的風(fēng)險，一個簡單的辦法就是讓內(nèi)核盡量精簡，只保留核心部分運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，其它代碼以用戶態(tài)進(jìn)程的形式運(yùn)行，就像這樣：

運(yùn)行在用戶態(tài)的操作系統(tǒng)程序被稱為server，像負(fù)責(zé)文件操作的File Server等，此時用戶進(jìn)程想要使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)的話就必須借助進(jìn)程間通信，inter-process communication，即IPC，借助內(nèi)核，消息從一個進(jìn)程發(fā)送到另一個進(jìn)程然后等待返回。

這樣，內(nèi)核只需要對上層應(yīng)用提供一些簡單的接口即可，像創(chuàng)建進(jìn)程、發(fā)送消息等，這種實現(xiàn)方式可以讓內(nèi)核盡可能簡單，因為大部分內(nèi)核程序都運(yùn)行在用戶態(tài)，且運(yùn)行在不同的地址空間中，此時設(shè)備驅(qū)動中的bug不會影響到內(nèi)核，這種操作系統(tǒng)的實現(xiàn)方式就被稱為微內(nèi)核， micro kernel。

就像宏內(nèi)核那樣，微內(nèi)核也有自己的缺點，那就是性能。由于宏內(nèi)核的代碼都在同一個地址空間中，因此模塊間的交互可以非常簡單，簡單的函數(shù)調(diào)用即可，但模塊間交互對微內(nèi)核來說則可能涉及進(jìn)程間通信，看上圖，如果某個應(yīng)用程序需要請求使用File Server，這條鏈路涉及到：

請求：應(yīng)用程序 -> 內(nèi)核 -> File server返回：Filer server -> 內(nèi)核 -> 應(yīng)用程序

每一個"->"都涉及上下文切換，而這對宏內(nèi)核來說則簡單很多。

現(xiàn)實中是什么樣子？

現(xiàn)實的操作系統(tǒng)中兩種實現(xiàn)方式都很常見，Linux以及許多Unix就是典型的宏內(nèi)核，而Mac OS X 以及 Windows NT則一般認(rèn)為是微內(nèi)核，華為的鴻蒙Harmony OS則宣傳是微內(nèi)核。

有趣的是，對Linus創(chuàng)建Linux影響極大的MINIX操作系統(tǒng)也是微內(nèi)核，而Linux則是宏內(nèi)核，難怪MINIX的作者——也是操作系統(tǒng)這門課的教授說過，如果Linus是他的學(xué)生的話那么操作系統(tǒng)系統(tǒng)這門課的期末考試Linus可能很難通過，哈哈，因為MINX的作者認(rèn)為在Linux被創(chuàng)造出來的上世紀(jì)90年代竟然還有人以宏內(nèi)核的方式來編寫操作系統(tǒng)，這簡直不可思議，而Linus則不以為意，并進(jìn)行了火爆的回?fù)簦P(guān)于這一段的八卦后續(xù)有機(jī)會和大家聊聊，非常有趣。

可以看到操作系統(tǒng)的設(shè)計方式就和CPU關(guān)于復(fù)雜指令集與精簡指令集的設(shè)計一樣分成了兩派，關(guān)于宏內(nèi)核與微內(nèi)核孰優(yōu)孰劣爭論至今依然沒有定論。

審核編輯 ：李倩