小林图解操作系统结构

二、操作系统结构

2.1 Linux内核 vs Windows内核

计算机是各种外部硬件设备组成的，比如内存、CPU、硬盘等，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，不关心硬件的细节。

内核一般提供四个基本能力：

• 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；
• 管理内存，决定内存的分配和回收，也就是内存管理的能力；
• 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；
• 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。

内核的工作原理：

内核具有很高的权限，而应用程序的权限很小，因此大多数操作系统，把内存分成了内核空间(只有内核程序可以访问，内核态)和用户空间(专门给应用程序使用，用户态)两种。

系统调用的过程：

• 对于单核CPU，可以每个任务执行一小段时间就切换到另外一个任务，宏观角度看一段时间执行了多个任务，这被称为并发。
• 对于多核CPU，多个任务可以同时被不同核心的PU同时执行，这就称为并行

Linux内核设计的几个特点：

• MultiTask：多任务可以同时执行；(并发或并行)
• SMP：对称多处理，每个CPU的地位是相等的，对资源的使用权限也是相同的；
• ELF：可执行文件链接格式；
• Monolithic Kernel：宏内核，Linux的内核架构是一个完整的可执行程序，且拥有最高权限；系统内核的所有模块，比如进程调度，内存管理，文件系统，设备驱动等都运行在内核态；

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；
• 微内核，有一个最小版本的内核，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。