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

2024/12/25 0:16:29

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操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是一個開放的問題。操作系統(tǒng)在核心態(tài)為應用程序提供公共的服務(wù)，那么操作系統(tǒng)在核心態(tài)應該提供什么服務(wù)、怎樣提供服務(wù)？有關(guān)這個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緊密聯(lián)系的整體運行在核心態(tài)，從而為應用提供高性能的系統(tǒng)服務(wù)。因為各管理模塊之間共享信息，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。

特點性能優(yōu)越：由于宏內(nèi)核的各個功能模塊直接運行在核心態(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。簡單高效：宏內(nèi)核的設(shè)計相對簡單，模塊之間的交互直接，易于實現(xiàn)和調(diào)試。擴展性差：由于所有模塊都運行在核心態(tài)，因此新功能的引入或修改需要對整個內(nèi)核進行修改和重新編譯，擴展性較差。但隨著體系結(jié)構(gòu)和應用需求的不斷發(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雜，操作系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模也急劇增長，操作系統(tǒng)也面臨著“軟件危機”困境。為此，操作系統(tǒng)設(shè)計人員試圖按照復雜性、時間常數(shù)、抽象級別等因素，將操作系統(tǒng)內(nèi)核分成基本進程管理、虛存、I/O與設(shè)備管理、IPC、文件系統(tǒng)等幾個層次，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)計上的模塊化。但是由于層次之間的交互關(guān)系錯綜復雜，定義清晰的層次間接口非常困難，復雜的交互關(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)計復雜性。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)行相互獨立，交互則都借助于微內(nèi)核進行通信。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，維護的代價大大降低，各部分可以獨立地優(yōu)化和演進，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，因為需要頻繁地在核心態(tài)和用戶態(tài)之間進行切換，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。但是有相當多的實驗數(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)，每個服務(wù)運行在用戶態(tài)，通過消息傳遞等方式實現(xiàn)模塊間的通信，使得內(nèi)核本身非常精簡。擴展性高：由于微內(nèi)核的設(shè)計更加模塊化，因此內(nèi)核的擴展和修改相對容易，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)最大的特點就是函數(shù)調(diào)用方便，不需要借助額外的通信機制。而微服務(wù)的架構(gòu)之間的調(diào)用鏈路會比較長，可拓展性比較強。這兩種不同的內(nèi)核結(jié)構(gòu)有不同的支持者，就和有些人認為單體架構(gòu)好，有些人認為微服務(wù)架構(gòu)模式好。這就像對編程語言的爭論一樣，你說 Python 、Go、Java 以及其他語言哪個好？管他哪個好，最終都會戲謔的稱 PHP 是這個世界上*好的語言。所以，這些爭論本沒有意義，但是很有趣的是，這種爭論常常讓人想起前幾年在 CPU 領(lǐng)域中 RISC 和 CISC 之間的斗爭?，F(xiàn)代成功的 CPU 設(shè)計包括這兩種技術(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為 Linux 它不就是個宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)么，但實際上 Linux 不單單只是一個純碎的集成內(nèi)核。Linux 是一個借鑒了微內(nèi)核精髓的宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)，Linux 支持模塊化的設(shè)計、搶占式內(nèi)核、對內(nèi)核線程的支持以及動態(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)計的性能損失，允許一切運行在內(nèi)核模式下，直接調(diào)用函數(shù)，無需消息傳遞。所以綜合一點來講，Linux 是一個模塊化、多線程和內(nèi)核可調(diào)度的操作系統(tǒng)。模塊化的設(shè)計：Linux 支持內(nèi)核模塊的動態(tài)加載，盡管 Linux 內(nèi)核也是單核，但它允許在需要時動態(tài)刪除和加載一些內(nèi)核代碼。可搶占性：Linux 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，適用于不同的應用場景和需求。宏內(nèi)核適用于對性能要求較高、需求穩(wěn)定的系統(tǒng)，而微內(nèi)核適用于對靈活性和可維護性要求較高的系統(tǒng)。在實際應用中，選擇合適的內(nèi)核架構(gòu)需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求、性能要求和可維護性等方面進行綜合考量。endLinux 世界 關(guān)注，回復【1024】海量Linux資料贈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  點擊標題可跳轉(zhuǎn)1、Unix從興盛到衰落鮮為人知的故事2、*受初學者歡迎的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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