浅谈对内核的理解

内核

从操作系统的层面看，也可以分层。 硬件层、内核层、应用层。 内核就是用来连接硬件、应用层的桥梁。

所以，内核需要具备管理硬件的能力（决定内存用来做什么、决定哪个进程\线程使用CPU、决定设备之间的通信等等），向上还要有接口提供给应用。 也就是说，内核可以直接操作 内存和CPU，权限非常之高，非常危险

分层思想，在很多地方都存在，主要专注于各层负责各层的事，解耦合，在计算机网络里有分层，在微服务里也有分层。

内核的结构可以分为 宏内核monolithic kernel、微内核micro kernel、混合型内核。

宏内核： 内核负责了关于硬件的大部分事情。

微内核： 内核只保留了最基本的功能。大多数应用，比如程序驱动、文件系统是在用户空间管理的。体积小、可移植性强。但是驱动在内核外，驱动和硬件的交互就要频繁的切换到内核态。

混合型内核： 相当于在宏内核里面，抽象出了微内核，可以在大的结构里面增强功能。

Linux 内核， 是宏内核结构的。

特点：

多任务 mulitTask， 即并发，多个任务可以同时执行。

对称多处理 symmetric multiprocessing， 每个处理器地位平等，都可以访问完成的内存和硬件资源。

ELF ， executable and linkable format ， 可执行文件链接格式。 是 linxu 下的可执行文件的存储格式。把文件分为了一个个的段 segment。

Unix 和 Linux 非常相似， 也是宏内核结构的。

Windows 内核： 主流就是 NT 内核， new technology， 是混合型内核结构。

特点：

多任务、对称多处理。

PE， portable executable ， 可移植执行文件。 是 windows 下的可执行文件格式。扩展名通常为 .exe .dll .sys

Mac OS 是 XNU 内核，混合型内核。 XNU： X is not Unix。

内核态和用户态

内核是一个完整的可执行程序。 程序启动后也会加载到内存里，成为一个进程。

内存里分为 用户空间、内核空间。

最小权限原则，多数应用程序都应该允许在最小的权限之下。 用户空间的代码只能访问用户态，内核空间的代码可以访问所有内存。

如果用户态想要操作硬件资源，就要发起系统调用，通过某种中断方式——trap，进入到内核态，从而提高权限。

进程： 程序启动后，会在内存中创建一个执行的副本，这个副本就是进程。通常的应用程序都是 用户态的进程。

Linux内核是一大段程序，启动之后也会加载到内存中，这是内核态的进程。

用户态进程想要申请 内存资源等， 就要通过 系统调用，向内核申请。

一个进程里可以有很多线程。 可以创建 用户态的线程，也可以通过系统调用创建 内核态的线程。

用户态线程

完全在用户空间创建，操作系统并不知道他的存在。

创建、销毁、切换线程不需要走系统调用，开销低。

但是无法利用多核的优势，操作系统调度的是他属于的哪个进程，也只能用分配到这个进程的时间片来执行，在这个进程里面的线程也不能 并行执行。当阻塞时，也要让出整个进程。

内核态线程

可以通过 系统调用创建一个内核态的线程。

创建、销毁成本高，需要系统调用切换到内核态。

可以利用多核CPU的优势，可以并行执行，操作IO时也不用进行系统调用切换到内核态提高权限。

用户态线程和内核态线程的映射

多对一： 多个用户态线程 复用 一个内核态线程，

也就是， 用内核态线程 来执行 用户态线程里的程序。

怎么执行？ 程序就是存储在内存中的一些指令，让内核态的线程执行这些指令就可以。

一对一：

Windows NT 内核就是这种模型。

n对m：n个用户态线程 对 m个内核态线程。 m通常小于n，m一般为CPU的核数。

Linux 内核的 NGPL 实现了这种模型。但目前都是 一对一模型。

Linux 的 PThreadAPI 创建 用户态线程； KThreadAPI创建 内核态线程。