Linux 内核和 Windows 内核有什么区别

目录

一、什么是内核？

1.1 内核的能力

二、 *** 作系统分层

三、内核是如何工作的？

四、Linux 的设计

4.1 Multitask and SMP（Symmetric multiprocessing）

4.2 ELF（Executable and Linkable Format）

4.3 Monolithic Kernel

4.4 在内核层和在用户层有什么区别？

五、Window 设计

六、总结

说到 *** 作系统，就必须说内核。内核是 *** 作系统中应用连接硬件设备的桥梁。

对于一个现代的 *** 作系统来说，它的内核至少应该提供以下 4 种基本能力：

从上面 4 种能力来看 *** 作系统和内核之间的关系，通常可以把 *** 作系统分成 3 层，最底层的 硬件设备抽象 、中间的 内核 和最上层的 应用 。

内核权限非常高，它可以管理进程、可以 直接访问所有的内存 ，因此确实需要和进程之间有一定的隔离。这个隔离用 类似请求/响应 的模型，非常符合常理。

但不同的是在浏览器、服务端模型中，浏览器和服务端是用 不同的机器在执行 ，因此不需要共享一个 CPU。但是在进程调用内核的过程中，这里是存在资源共享的。

比如，一个机器有 4 个 CPU，不可能让内核用一个 CPU，其他进程用剩下的 CPU。这样太浪费资源了。

再比如，进程向内核请求 100M 的内存，内核把 100M 的数据传回去。 这个模型不可行，因为传输太慢了。

所以，这里多数 *** 作系统的设计都遵循一个原则： 进程向内核发起一个请求，然后将 CPU 执行权限让出给内核。内核接手 CPU 执行权限，然后完成请求，再转让出 CPU 执行权限给调用进程。

Linux *** 作系统第一版是1991 年林纳斯托·瓦兹（一个芬兰的小伙子，当时 22 岁）用 C 语音写的。 写完之后他在网络上发布了 Linux 内核的源代码。又经过了 3 年的努力，在 1994 年发布了完整的核心 Version 1.0。

MultiTask 指多任务，Linux 是一个多任务的 *** 作系统。多任务就是多个任务可以同时执行，这里的“同时”并不是要求并发，而是在一段时间内可以执行多个任务。当然 Linux 支持并发。

SMP 指对称多处理。其实是说 Linux 下每个处理器的地位是相等的，内存对多个处理器来说是共享的，每个处理器都可以访问完整的内存和硬件资源。 这个特点决定了在 Linux 上不会存在一个特定的处理器处理用户程序或者内核程序，它们可以被分配到任何一个处理器上执行。

这个名词翻译过来叫作 可执行文件链接格式 。这是一种从 Unix 继承而来的可执行文件的存储格式。我们可以看到 ELF 中把文件分成了一个个分段（Segment），每个段都有自己的作用。

这个名词翻译过来就是宏内核，宏内核反义词就是 Microkernel ，微内核的意思。Linux 是宏内核架构，这说明 Linux 的内核是一个完整的可执行程序，且内核用最高权限来运行。宏内核的特点就是有很多程序会打包在内核中，比如，文件系统、驱动、内存管理等。当然这并不是说，每次安装驱动都需要重新编译内核，现在 Linux 也可以动态加载内核模块。所以哪些模块在内核层，哪些模块在用户层，这是一种系统层的拆分，并不是很强的物理隔离。

与宏内核对应，接下来说说微内核，内核只保留最基本的能力。比如 进程调度、虚拟内存、中断。多数应用，甚至包括驱动程序、文件系统，是在用户空间管理 的。

感觉分层其实差不多。 我这里说一个很大的区别，比如说驱动程序是需要频繁调用底层能力的，如果在内核中，性能肯定会好很多。对于微内核设计，驱动在内核外，驱动和硬件设备交互就需要频繁做内核态的切换。

当然微内核也有它的好处，比如说微内核体积更小、可移植性更强。不过我认为，随着计算能力、存储技术越来越发达， 体积小、安装快 已经不能算是一个很大的优势了。现在更重要的是如何有效利用硬件设备的性能。

之所以这么思考，也可能因为我是带着现代的目光回望当时人们对内核的评判，事实上，当时 Linux 团队也因此争论过很长一段时间。 但是我觉得 历史 往往是螺旋上升的，说不定将来性能发展到了一个新的阶段，像微内核的灵活性、可以提供强大的抽象能力这样的特点，又重新受到人们的重视。

还有一种就是 混合类型内核 。 混合类型的特点就是架构像微内核，内核中会有一个最小版本的内核，其他功能会在这个能力上搭建。但是实现的时候，是用宏内核的方式实现的，就是内核被做成了一个完整的程序，大部分功能都包含在内核中。就是在宏内核之内有抽象出了一个微内核。

Windows 和 Linux 的设计有很大程度的相似性。Windows也有内核，它的内核是 C/C++ 写的。准确地说，Windows 有两个内核版本。一个是早期的Windows 9x 内核，早期的 Win95, Win98 都是这个内核。我们今天用的 Windows 7, Windows 10 是另一个内核，叫作 Windows NT。NT 指的是 New Technology。接下来我们讨论的都是 NT 版本的内核。

下面我找到一张 Windows 内核架构的图片给你一个直观感受。

Windows 同样支持 Multitask 和 SMP（对称多处理）。Windows 的内核设计属于混合类型。你可以看到内核中有一个 Microkernel 模块。而整个内核实现又像宏内核一样，含有的能力非常多，是一个完整的整体。

Windows 下也有自己的可执行文件格式，这个格式叫作 Portable Executable（PE），也就是可移植执行文件，扩展名通常是.exe、.dll、.sys等。

PE 文件的结构和 ELF 结构有很多相通的地方，我找到了一张图片帮助你更直观地理解。

Windows 还有很多独特的能力，比如 Hyper-V 虚拟化技术.

这一讲我们学习了内核的基础知识，包括内核的作用、整体架构以及 3 种内核类型（ 宏内核、微内核和混合类型内核 ）。

内核很小（微内核）方便移植，因为体积小、安装快；内核大（宏内核），方便优化性能，毕竟内核更了解计算机中的资源。

Linux 内核和 Windows 内核有什么区别？

【解析】 Windows 有两个内核，最新的是 NT 内核，目前主流的 Windows 产品都是 NT 内核。NT 内核和 Linux 内核非常相似，没有太大的结构化差异。

从整体设计上来看， Linux 是宏内核 ， NT 内核属于混合型内核 。和微内核不同，宏内核和混合类型内核从实现上来看是一个完整的程序。只不过混合类型内核内部也抽象出了微内核的概念，从内核内部看混合型内核的架构更像微内核。

另外 NT 内核和 Linux 内核还存在着许多其他的差异，比如：

微内核是将服务转移到进程上的一种内核模式。宏内核是一种传统的内核结构，它将进程管理，内存管理等各项服务功能都放到内核中去，通常用在通用式的内核上，如unix，linux等。

两个系统的内核是通过进程的创建FORK的实现来比较，因为进程的创建涉及到系统调用，内存管理，文件管理等系统的主要方面。因此通过比较FORK的实现可以大致看到内核的差别。

微内核的代表：Minix，在Minix中， *** 作系统的内核，内存管理，系统管理都有自己的进程表，每个部分的表包含了自己需要的域。表象是精确对应的，为了保持同步，在进程创建或结束时，这三个部分都要更新各自的表。

结构

微内核是内核的一种精简形式。将通常与内核集成在一起的系统服务层被分离出来，变成可以根据需求加入的选件，这样就可提供更好的可扩展性和更加有效的应用环境。使用微内核设计，对系统进行升级，只要用新模块替换旧模块，不需要改变整个 *** 作系统。

可以用商业对比来解释微内核的模块概念。考虑一个过度忙碌的商务经理。通过将工作分给其他人，这位经理可以将他的能力更有效地用于重要的商务工作中去，并集中于其他一些任务，例如开辟新的商务分支等。

以上内容参考：百度百科-微内核

首先先说说 *** 作系统是干什么的吧。如果专业是计算机的人可能学过 *** 作系统这门课程，会发现课程上讲的内容和我们所认识到的 *** 作系统差别很大。这个里面所讲的正是 *** 作系统最核心的功能，任务调度、内存和设备的抽象和管理。然后 ，为了我们方便使用，才集成进了系统服务、驱动程序、文件系统之类的东西。

我们平时运行的程序，每个程序各运行几十毫秒，大家来回轮换，这样子我们看起来这些程序好像在“同时”运行一样。应用程序之所以能够被 *** 作系统通过时间片的方式调度，是因为对于CPU而言，普通的应用程序和 *** 作系统的内核运行在不同的特权级别上，我们叫作rings。应用程序运行在Ring 3，而内核运行在Ring 0。

随着科技的发展， *** 作系统变得越来越复杂，内核里面的东西也越来越多。人们也就开始考虑是否应该改变原有的架构，从而提高 *** 作系统的性能和稳定性，主要是精简内核降低开发的复杂度，还有就是把各种程序尽可能的隔离，保证一个程序的崩溃不会牵连到其他的程序。上世纪80年代人们讨论得火热的微内核就是这样一种架构。

微内核考虑在 *** 作系统的内核中保留 *** 作系统最基本的功能，也就是任务调度、内存和设备的抽象和管理。其他的功能全部从内核移出，放到用户态中了实现，并以C/S模式对其他应用程序提供服务。

微内核带来的好处主要是稳定性和实时性，即内核中模块数量少了，结构更精简更优化了，能够影响内核的程序和驱动也减少了，稳定性随之提高；另外就是实时性，内核精简了以后，响应的时延的减小。不过并不是精简了以后会使得性能提升，微内核使得内核中只有最关键的部分，其他模块和系统功能全部作为独立模块放到用户态空间中运行，功能分散了以后增加了通信的成本。不过微内核 *** 作系统的特点尤其适合工控系统的控制，而且设计简单，在小型的系统中有不少的应用。另外亦有不少实时 *** 作系统是使用微内核架构设计。

所有的理论设计，放到现实的工程中都是要做折衷的。所以有混合内核的出现，综合宏内核和微内核的不同优点，在两个方案中折衷设计。OS X和Windows就属于这类。至于Linux，上千万行代码，架构岂是说改就能改的。使用Linux构建的系统，不少都是要追求性能的吧，前面也说到微内核会降低性能，在Linux中，我们为了使得一个事情性能更高，往往还要把这个模块放到内核中运行，比如PF_RING。所以在需要考虑性能的时候，微内核又显得不那么合适，像微软一样取一个折衷算是一个好的办法。

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