操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：宏內(nèi)核vs微內(nèi)核

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操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)開放的問題。操作系統(tǒng)在核心態(tài)為應(yīng)用程序提供公共的服務(wù)，那么操作系統(tǒng)在核心態(tài)應(yīng)該提供什么服務(wù)、怎樣提供服務(wù)？有關(guān)這個(gè)問題的回答形成了兩種主要的體系結(jié)構(gòu)：宏內(nèi)核和微內(nèi)核。

宏內(nèi)核：大而全宏內(nèi)核系統(tǒng)將操作系統(tǒng)的主要功能模塊都作為一個(gè)緊密聯(lián)系的整體運(yùn)行在核心態(tài)，從而為應(yīng)用提供高性能的系統(tǒng)服務(wù)。因?yàn)楦鞴芾砟K之間共享信息，能有效利用相互之間的有效特性，所以具有無可比擬的性能優(yōu)勢(shì)。

特點(diǎn)性能優(yōu)越：由于宏內(nèi)核的各個(gè)功能模塊直接運(yùn)行在核心態(tài)，因此它們之間的通信和調(diào)度開銷較小，可以獲得較高的性能。簡(jiǎn)單高效：宏內(nèi)核的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，模塊之間的交互直接，易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。擴(kuò)展性差：由于所有模塊都運(yùn)行在核心態(tài)，因此新功能的引入或修改需要對(duì)整個(gè)內(nèi)核進(jìn)行修改和重新編譯，擴(kuò)展性較差。但隨著體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，需要操作系統(tǒng)提供的服務(wù)越來越多，而且接口形式越來越復(fù)雜，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模也急劇增長(zhǎng)，操作系統(tǒng)也面臨著“軟件危機(jī)”困境。為此，操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員試圖按照復(fù)雜性、時(shí)間常數(shù)、抽象級(jí)別等因素，將操作系統(tǒng)內(nèi)核分成基本進(jìn)程管理、虛存、I/O與設(shè)備管理、IPC、文件系統(tǒng)等幾個(gè)層次，繼而定義層次之間的服務(wù)結(jié)構(gòu)，提高操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)上的模塊化。但是由于層次之間的交互關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，定義清晰的層次間接口非常困難，復(fù)雜的交互關(guān)系也使得層次之間的界限極其模糊。微內(nèi)核：小而美為解決操作系統(tǒng)的內(nèi)核代碼難以維護(hù)的問題，于是提出了微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)。它將內(nèi)核中*基本的功能（如進(jìn)程管理等）保留在內(nèi)核，而將那些不需要在核心態(tài)執(zhí)行的功能移到用戶態(tài)執(zhí)行，從而降低了內(nèi)核的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。而那些移出內(nèi)核的操作系統(tǒng)代碼根據(jù)分層的原則被劃分成若干服務(wù)程序，它們的執(zhí)行相互獨(dú)立，交互則都借助于微內(nèi)核進(jìn)行通信。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)有效地分離了內(nèi)核與服務(wù)、服務(wù)與服務(wù)，使得它們之間的接口更加清晰，維護(hù)的代價(jià)大大降低，各部分可以獨(dú)立地優(yōu)化和演進(jìn)，從而保證了操作系統(tǒng)的可靠性。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的*大問題是性能問題，因?yàn)樾枰l繁地在核心態(tài)和用戶態(tài)之間進(jìn)行切換，操作系統(tǒng)的執(zhí)行開銷偏大。因此有的操作系統(tǒng)將那些頻繁使用的系統(tǒng)服務(wù)又移回內(nèi)核，從而保證系統(tǒng)性能。但是有相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，體系結(jié)構(gòu)不是引起性能下降的主要因素，體系結(jié)構(gòu)帶來的性能提升足以彌補(bǔ)切換開銷帶來的缺陷。為減少切換開銷，也有人提出將系統(tǒng)服務(wù)作為運(yùn)行庫鏈接到用戶程序的一種解決方案，這樣的體系結(jié)構(gòu)稱為庫操作系統(tǒng)。特點(diǎn)模塊化：微內(nèi)核將操作系統(tǒng)的功能劃分為不同的服務(wù)，每個(gè)服務(wù)運(yùn)行在用戶態(tài)，通過消息傳遞等方式實(shí)現(xiàn)模塊間的通信，使得內(nèi)核本身非常精簡(jiǎn)。擴(kuò)展性高：由于微內(nèi)核的設(shè)計(jì)更加模塊化，因此內(nèi)核的擴(kuò)展和修改相對(duì)容易，可以根據(jù)需要添加新的服務(wù)或者替換現(xiàn)有的服務(wù)。性能開銷大：由于模塊間的通信和調(diào)度需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換，因此微內(nèi)核的性能通常比宏內(nèi)核略低。Linux 借鑒了微內(nèi)核精髓的宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)經(jīng)過上面這些描述之后，我們很容易把宏內(nèi)核和微內(nèi)核的特征想象成軟件開發(fā)中的單體架構(gòu)和微服務(wù)架構(gòu)。單體架構(gòu)最大的特點(diǎn)就是函數(shù)調(diào)用方便，不需要借助額外的通信機(jī)制。而微服務(wù)的架構(gòu)之間的調(diào)用鏈路會(huì)比較長(zhǎng)，可拓展性比較強(qiáng)。這兩種不同的內(nèi)核結(jié)構(gòu)有不同的支持者，就和有些人認(rèn)為單體架構(gòu)好，有些人認(rèn)為微服務(wù)架構(gòu)模式好。這就像對(duì)編程語言的爭(zhēng)論一樣，你說 Python 、Go、Java 以及其他語言哪個(gè)好？管他哪個(gè)好，最終都會(huì)戲謔的稱 PHP 是這個(gè)世界上*好的語言。所以，這些爭(zhēng)論本沒有意義，但是很有趣的是，這種爭(zhēng)論常常讓人想起前幾年在 CPU 領(lǐng)域中 RISC 和 CISC 之間的斗爭(zhēng)?，F(xiàn)代成功的 CPU 設(shè)計(jì)包括這兩種技術(shù)中的任何一種，就像 Linux 內(nèi)核是微內(nèi)核和宏內(nèi)核的混合產(chǎn)品一樣?？赡苡行┤苏J(rèn)為 Linux 它不就是個(gè)宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)么，但實(shí)際上 Linux 不單單只是一個(gè)純碎的集成內(nèi)核。Linux 是一個(gè)借鑒了微內(nèi)核精髓的宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)，Linux 支持模塊化的設(shè)計(jì)、搶占式內(nèi)核、對(duì)內(nèi)核線程的支持以及動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊的能力。不僅如此，Linux 還避免了其微內(nèi)核設(shè)計(jì)的性能損失，允許一切運(yùn)行在內(nèi)核模式下，直接調(diào)用函數(shù)，無需消息傳遞。所以綜合一點(diǎn)來講，Linux 是一個(gè)模塊化、多線程和內(nèi)核可調(diào)度的操作系統(tǒng)。模塊化的設(shè)計(jì)：Linux 支持內(nèi)核模塊的動(dòng)態(tài)加載，盡管 Linux 內(nèi)核也是單核，但它允許在需要時(shí)動(dòng)態(tài)刪除和加載一些內(nèi)核代碼?？蓳屨夹裕篖inux 內(nèi)核支持可搶占總結(jié)宏內(nèi)核和微內(nèi)核各有其優(yōu)劣勢(shì)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。宏內(nèi)核適用于對(duì)性能要求較高、需求穩(wěn)定的系統(tǒng)，而微內(nèi)核適用于對(duì)靈活性和可維護(hù)性要求較高的系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的內(nèi)核架構(gòu)需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求、性能要求和可維護(hù)性等方面進(jìn)行綜合考量。endLinux 世界 關(guān)注，回復(fù)【1024】海量Linux資料贈(zèng)送精彩文章合集專輯推薦?【專輯】Linux命令與系統(tǒng)?【專輯】shell編程推薦閱讀  點(diǎn)擊標(biāo)題可跳轉(zhuǎn)1、Unix從興盛到衰落鮮為人知的故事2、*受初學(xué)者歡迎的Linux系統(tǒng)ubuntu科普3、ubuntu 20.04 界面美化，提高工作舒適度！

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