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一、宏内核与微内核
1.程序的运行状态:用户态和内核态
普通的应用程序工作在用户态的,只具有一般的权限,像操作系统内核运行在内核态的,运行在内核态的程序,cpu处于特权模式下,可以做特权操作,如:访问硬件,访问内存,访问寄存器等等。
用户态只是普通权限不能进向这些操作,如果用户态想访问磁盘,访问鼠标键盘,往屏幕上打印数据,该怎么办呢?
用户态要切换到内核态,调用内核态里面的内核代码,才去访问硬件。内核态和用户态之间的来回切换是通过系统调用接口。但是来回切换的代价很高,不停的去保存现场,保存上下文,恢复上下文,会影响到这个程序整体的性能。
为了提高程序的性能,我们可以把很多个代码都放到内核态,都放到操作系统里面。网络通信有网络协议,网路协议是纯粹的协议,就是一个逻辑协议,其实可以放在用户态的,也可以放在内核态的(还有文件系统)。但是为了提高效率,为了减少用户程序跟内核程序之间来回的系统调用,都可以把文件系统、驱动都可以把它放在操作系统里面。
2.宏内核:内核是大箩筐,什么都可以往里装
网络协议、文件系统跟硬件没啥关系,但也放到内核里面去,也是运行在内核态的,好处是减少了系统调用的次数,减少了上下文切换的次数。
优点:运行效率非常高。
缺点:所有的东西往里面放(包括驱动,文件系统,网络协议),万一有一个模块有异常了,整个模块容易崩溃;所有的东西往里装,导致内核的体积越来越大,内核越来越拥堵。
3.微内核:只保留核心模块,易维护、低性能
把操作系统基本的模块(如,调度,内存管理,进程间的通信)把这些操作系统基本组件放在内核态运行,把设备驱动、文件系统、网络协议等这些东西跟应用程序一样全部放在用户态,而且各个模块之间的通信是通过进程间的通信来通信。
微内核,操作系统内核组件(模块)都少了,就很稳定,比如,硬件驱动出问题了,就跟普通的应用程序一样,出问题大不了退出重新运行就行,但是不会对操作系统造成任何破坏;但是内核出现异常了就麻烦,可能会死机,卡住,在Linux下面可能会发生OPS或Crash,在Windows下内核发生异常可能就蓝屏了。
优点:微内核相对于宏内核,做了改进。
缺点:微内核虽然稳定,但是也有缺陷的,比如各个模块之间的通信,还要通过内核进程间的通信,虽然目前共享内存能解决这个问题,共享内存效率不是很高,至于Linux内核运行的怎么样,有待观测。
4.混合内核:结合了两者优势,折中平衡
目前的主流操作系统都会吸取两者的优点,比如会把设备驱动放到内核态,其他东西放在用户态,不同操作系统操作不同,但是原理是差不多的。
也就是会根据操作系统需求,将不同的模块设计成放在用户态还是内核态运行。
目前主流的操作系统:Linux、Windows,MacOS都是混合内核,结合了两者的优点。做了折中的平衡。
5.Linux内核的模块机制
- LKM:Loadable Kernel Module(可加载模块机制,模块可以裁剪定制)
- 内核模块化、高度可定制和裁剪
- 适配不同的架构,硬件平台
- 支持运行时动态加载或卸载一个模块(添加新的模块都不需要有重新编译内核,内核运行时可以动态加一个模块运行or卸载)
- 不需要重新编译,重启内核(我们做驱动开发 或内核开发的时候,使用模块机制非常方便,修改了自己的驱动源码或内核模块的源码,一般软件开发都知道需要编译整个系统内核,但是因为有了Linux内核的可加载模块机制,我们不需要重新启动编译内核,我们以内核模块的形式只编译修改的这个模块,然后ko的形式动态加载到内核,甚至可以把它卸载掉。)
6.___实验:
一个内核模块的编译和运行
动态加载,动态卸载