操作系统内核知识点

操作系统内核架构
一、内核概念
内核是操作系统最核心部分，运行于硬件之上，负责进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等，分为用户态、内核态两种运行状态。常见内核架构分为：宏内核（单内核）、微内核、外内核、多内核。
1.宏内核（单内核）
宏内核也叫单内核。操作系统的全部模块（进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动）都运行在内核态。

• ✅优点：模块之间直接调用，执行速度快，性能高。
• ❌缺点：所有功能都在内核空间，只要其中一个模块发生错误，会直接造成整个操作系统崩溃。
• 代表系统：Linux、UNIX、FreeBSD（银河麒麟基于Linux，属于宏内核）。
  用户程序运行在用户态，如果要使用操作系统功能，需要发起系统调用切换进入内核态。
  2.微内核
  将文件系统、设备驱动等大部分服务，从内核拆分出去，放到用户态，作为独立进程运行；内核内部只保留最基础、最小的核心功能。
• ✅优点：各个服务进程完全互相隔离。单个服务崩溃，不会导致整个系统崩溃，系统安全性、稳定性强。
• ❌缺点：各个服务之间依靠进程间通信传递消息，带来额外开销，性能比宏内核低。
  核心思想：机制与策略分离。
  3.外内核架构
  外内核不做硬件资源抽象，直接把硬件资源暴露给应用程序。
• 内核只做两件事：①管理应用程序的创建、销毁、调度；②保证各个应用之间互相隔离，防止冲突干扰。
• ✅优点：应用程序可以根据自身需求直接控制硬件，性能、效率高。
• ❌缺点：应用程序开发复杂度提升。
  和微内核区分：微内核在内核完成硬件抽象；外内核内核不做硬件抽象，硬件交由应用直接操作。

4.多内核架构

将内核运行在多个CPU处理器核心上，多个内核实例并行工作，充分发挥多核CPU硬件性能。
现代内核设计MALH方法（模块化、抽象、分层、层级）
1. 模块化：内核拆分成独立模块，可以动态加载、卸载（LKM可加载内核模块，驱动常用）。
2. 抽象：把硬件、设备抽象成统一接口，Linux理念“一切皆是文件”。
3. 分层：系统分层组织，每一层只和相邻层交互，降低复杂度。
4. 层级：对进程、资源划分优先级，调度管理不同任务。

考试简答汇总

1. 宏内核：全部功能运行在内核态，性能高；一个模块故障会造成整个系统崩溃，代表Linux。
2. 微内核：内核仅保留最小基础功能，其余服务运行用户态；隔离性好，稳定性高，但是性能损耗大。
3. 外内核：不做硬件抽象，硬件资源交给应用程序直接控制，内核只做隔离调度。
4. 多内核：内核部署在多个CPU核心并行运行，适配多核硬件。