Linux内核设计与实现 之一 Linux内核简介

Linux内核设计与实现 之一 Linux内核简介

1991年 Linus Torvalds 开发全新的操作系统Linux

Linux克隆了Unix，但Linux不是Uninx

Linux不是一个商业化的产品

Linux用途广泛

用户界面是操作系统的外在表象，内核才是操作系统内在的核心

通常一个内核由负责响应中断的中断服务程序，进程调度程序，内存管理程序，进程间通信等组成

内核一般处于系统态，拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限

内核还要管理系统的硬件设备       

处理器在任何指定的时间点上的活动范围概括为下列三者之一：

1、运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行；

2、运行与内核空间，处于中断上下文，与任何进程无关，处理某个特定的中断；

3、运行与用户空间，执行用户进程。

 

操作系统内核可以分为两大设计阵营：单内核和微内核

在1980年以前，所有的内核都设计成单内核，所谓单内核，就是把它从整体上作为一个单独的大过程来实现，并同时运行在一个单独的地址空间，通常以单个静态的二进制文件的形式存放于磁盘，所有的内核服务都在这样一个大内核空间运行，内核之间通信是微不足道的，内核可以直接调用函数，这与用户空间没有区别，这种模式的支持者认为，单模块具有简单和高性能的特点，大多数的Unix都设计为单模块。

微内核并不作为一个单独的大过程来实现，微内核的功能被划分为独立的过程，每个过程叫做一个服务器，理想情况下，只有强烈请求特权服务的服务器才运行在特权模式下，其他服务器都运行在用户空间，不过，所有服务器都保持独立并运行在各自的地址空间内，因此就不能像单内核那样直接调用函数，而是通过消息传递处理微内核通信：系统采用了进程间通信(IPC)机制，因此各种服务器之间通过IPC机制互通消息，互换“服务”。服务器的各自独立有效地避免了一个服务器的失效祸及另一个。

因为IPC机制比函数调用开销大，又因为会涉及到用户空间到内核空间的上下文切换，因此消息传递需要一定的周期，因此，实际的微内核系统让大部分或全部服务器位于内核，这样就可以直接调用函数，消除频繁的上下文切换，windowsNT和Mach是微内核的典型实例，在最近的版本中，这两个系统都不让任何微内核服务器位于用户空间中，这违背了微内核设计的初衷。

Linux是一个单内核，也就是说Linux内核运行在单独的内核地址空间中，不过，Linux吸取了微内核的精华：其引以为豪的是模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态加载内核模块的能力，不仅如此，Linux还避其微内核设计上性能损失的缺陷， 让所有事情都运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递。至今，Linux是模块化的、多线程的以及内核本身可调度的操作系统。

当然Linux也借鉴了Unix的优点，以下是Linux内核与Unix各种变体的内核特点所做的分析比较：

1、Linux支持动态加载内核模块。尽管Linux内核也是单内核，可是允许在需要的时候动态的卸载和加载部分内核代码；

2、Linux支持对称多处理(SMP)机制。尽管许多Unix变种也支持SMP，但传统的Unix并不支持这种机制；

3、Linux内核支持抢占。与传统Unix不同，Linux内核具有允许在内核运行的任务优先执行的能力，在其他各种Unix产品中，只有Solaris和IRIX支持抢占，但是大多数传统的Unix不支持。

4、Linux对线程的支持比较有意思，内核并不区分线程和其他一般进程，对于内核来说，所有的进程都一样——只不过其中的一些共享资源而已；

5、Linux提供了具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔事件，以及用户空间的设备文件系统（sysfs）

6、Linux忽略了一些被认为是设计的很拙劣的Unix特性，如STREAMS

7、Linux体现了自由这个词的精髓

不管Linux和Unix有多大不同，它身上都深深的打上了Unix烙印。