1.3 内核

在操作系统中最核心的部分就是内核模块。内核是多段计算机程序的有机结合，其直接管理系统中的多种资源，包括 CPU、内存空间、I/O 资源等，然后将资源抽象后提供给上层应用来使用。反之，计算机的操作也要通过内核传递给硬件。其主要功能有：

中断响应。

进程管理。

进程间通信。

内存管理。

1.3.1 组成模块化

内核中的各个模块都作为单独的进程运行，模块之间通过消息传递进行通信。不同模块的功能，通过如下两种方式整合到内核中。

静态编译：在编译阶段将所有功能都编译进内核。这样虽然不会有兼容性问题，但会导致生成的内核很大。此外，新加入功能时需要重新编译内核。

动态加载：将功能编译成模块，在需要时再动态加载。这样可以减小内核的大小，并增加内核模块的弹性，且在修改内核后，无须编译整个内核。

有了模块动态化之后，就可以根据需要将对应的模块编译进内核，并且可以动态地加载和卸载，这样对模块的维护及使用就得到了很大程度的简化。

1.3.2 单内核

单内核也叫“大内核”，是一个单独的二进制映像。操作系统的所有功能都可以被做到内核中，包括进程调度、文件系统、网络服务、设备驱动、存储管理等。应用程序可以通过系统调用来使用内核功能，内核则通过硬件完成相应的工作。单内核设计模式如图1-5所示。

当单内核运行时，内核本身作为一个很大的进程存在，进程内所有服务都运行在同一块地址空间中，内核模块之间的通信是通过函数调用来实现的。这样虽然保证了结构简单，提高了操作系统的工作效率，但也导致模块之间调用繁杂，系统修改、升级时相互影响，后期维护成本较高。大部分UNIX（包括Linux）系统都采用单内核模式。

1.3.3 微内核

微内核设计模式是一种精简形式，能将模块功能尽可能从内核中剥离出来，只保留一些十分必要的服务，剥离出的模块功能以服务扩展件的形式存在，用户可以根据不同的诉求加载相应的服务扩展件。使用微内核设计模式对系统进行升级，只需要用新模块替换旧模块，不需要改变整个操作系统。

微内核设计模式如图1-6 所示。微内核自身提供一组“最基本”的服务，包括调度计算资源、管理内存资源、I/O资源存储及I/O设备管理。其他服务，如进程间通信、设备驱动、文件管理、网络支持等都通过服务扩展件的形式在微内核之外实现。

微内核具有很好的扩展性，并可简化应用程序开发。用户只运行其需要的服务，这有利于减少应用对磁盘空间和存储器的需求。

1.3.4 外内核

麻省理工学院（MIT）提出一种内核概念，其设计理念是尽可能减少抽象化的层次，让应用程序的开发人员决定硬件接口的设计。用这个概念实现的内核，被称为“外内核”。外内核设计模式如图1-7所示。

通常外内核只负责系统保护和系统资源复用相关服务，运行在核心空间的唯一进程就是外内核，它唯一的工作就是负责分配系统资源，并防止使用者进程存取其他进程的资源。这就使得外内核变得很小。

在传统的内核设计中，硬件和设备驱动以一种隐藏的形态存在于硬件抽象层中，上层服务通过硬件抽象层与硬件进行交互。应用程序不会直接与硬件的物理空间进行交互。外内核的目标是让应用程序直接请求一块特定的物理空间、一个特定的磁盘块等，它本身只保证被请求的资源当前是空闲的。

当前，外内核设计还停留在研究阶段。但理论上，可以让各种操作系统（如 Windows 和UNIX）运行在一个外内核之上，并且设计人员可以根据运行效率调整系统的各部分功能。在应用外内核的情况下，每个应用都可以自带一个定制内核的操作系统。比如在图1-7中，名为Emacs的应用可以自带定制内核的操作系统 ExOS，应用 Water 可以自带一个定制内核的操作系统PhOS，而任意的应用（Application）都能为自己定制一个匹配内核的操作系统XX OS。

综上所述，我们简单介绍了操作系统的主要功能和结构，还介绍了CPU指令集原理，以及内核相关知识。可以说，操作系统的最终目的是为应用提供一个标准的运行时环境，封装底层硬件，为应用提供一个统一的底层物理资源调用接口。

如图 1-8 所示，应用主要包括后端服务（客户端和调用代码）、开发框架及类库等，应用主要满足两类需求：业务需求和非业务需求。操作系统和硬件作为底层支撑，向上提供基本能力，如计算能力、存储能力、网络连接能力等。

通过本章的学习，读者应该可以理解操作系统核心知识，并为接下来的内容打下基础。